VIC分布式水文模型——冻土模型设置Frozen Soil Formulation

目录

1 前言

2 全局参数设置

2.1 Simulation Parameters

 2.2 Soil parameters

3 总结

1 前言

如前文所述，VIC可以使用Liang et al. (1999) 的近似土壤温度曲线，也可以使用Cherkauer and Lettenmaier (1999) 所述的将土壤含冰量考虑在内的有限差分解法。

采用冻土模型时，在全局文件和土壤参数文件中一些参数都要做相应的修改和设置。我采用的VIC的版本是4.1.2d版本，全局参数的版本是4.1.x版的。

我在做冻土模式的时候，在网上没有找到相应的参数设置的教程，于是阅读了官网上和文献中的有关论述，做出了下面的总结，如有不正确，请帮忙指出，欢迎交流！

2 全局参数设置

• Liang et al. (1999): 设置 QUICK_FLUX = TRUE ,这是 FULL_ENERGY = TRUE 和 FROZEN_SOIL = FALSE 的默认值。
• Cherkaure et al. (1999): 设置 QUICK_FLUX = FALSE, 这是 FROZEN_SOIL = TRUE 的默认值。

        * 默认情况下，有限差分法采用隐格式求解；

        * 默认情况下，有限差分公式的节点呈指数分布。

 在Cherkaure et al. (1999)的算法中，涉及对永久冻土的考虑。在上面的全局参数设置的基础上，另外设置

• 采用隐格式求解土壤热分布，这是默认设置。IMPLICIT    TRUE
• 采用指数节点间距，即土壤表面节点间距密集，深处节点间距稀疏。EXP_TRANS   TRUE   如下图所示。

2.1 Simulation Parameters

# Simulation Parameters
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NLAYER        3          # number of soil layers
NODES        12         # number of soil thermal nodes 

第一行是土壤层数，一般为2层或者3层，2层就是不包含顶薄层，3层是VIC-3L改进后的增加了顶薄层之后的，在新版本的VIC中一般设置为3层，因为在土壤参数中需要率定的参数包含3层土壤厚度DEPTH1,2,3。

第二行为土壤节点数，这一行在采用能量平衡或者冻土模式的时候需要设置，即上面的图片中的求解热通量时求解的热节点数量，在节点处求解土壤温度Soil T，这里的数量需要合理选择，节点数多精度高但是计算时间长，且和土壤厚度也有关。如果数量太少的话，求解时会报错，说明Thermal Nodes数量太少。

TIME_STEP     12     # model time step in hours (set to 24 if FULL_ENERGY = FALSE, set to <                                          24 if FULL_ENERGY = TRUE)
SNOW_STEP    12    # time step in hours for which to solve the snow model (should =                                                       TIME_STEP if TIME_STEP < 24)

这两行是求解的时间步长，如果单纯是水量平衡的时候，TIME_STEP设置为24，如果是能量平衡或者是冻土模式，则需要设置的小于24h，但是要注意的是此时SNOW_STEP和TIME_STEP的值应该设置为相同的数值。

STARTYEAR    1985    # year model simulation starts
STARTMONTH    01     # month model simulation starts
STARTDAY    01           # day model simulation starts
STARTHOUR    00       # hour model simulation starts
ENDYEAR     2009       # year model simulation ends
ENDMONTH    12         # month model simulation ends
ENDDAY        31           # day model simulation ends

上面是计算的起止时间，应该和之前制备的气象强迫数据对应。需要注意的是制备气象数据的时候data文件里面是没有日期的，所以应该和制备时的气象数据完全对应，如果data文件里面的数据时间更长，那么就会从data数据的第一行开始算，就会导致计算出来的时间节点和实际不对应。

FULL_ENERGY     FALSE    # TRUE = calculate full energy balance; FALSE = compute water                                                        balance only
FROZEN_SOIL    TRUE      # TRUE = calculate frozen soils

如果开启冻土模式，则就应该是能量平衡模式。冻土模式设置见最上面的说明。Cherkaure et al. (1999)的算法中应该设置为TRUE。

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# Soil Temperature Parameters
# VIC will choose appropriate values for QUICK_FLUX and IMPLICIT depending on values of         FULL_ENERGY and FROZEN_SOIL; the user should only need to override VIC's choices in         special cases.
# The other options in this section are only applicable when FROZEN_SOIL is TRUE and their          values depend on the application.
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QUICK_FLUX    FALSE    # TRUE = use simplified ground heat flux method of Liang et al                                                           (1999); FALSE = use finite element method of Cherkauer et al (1999)
IMPLICIT    TRUE    # TRUE = use implicit solution for soil heat flux equation of Cherkauer et al                                        (1999), otherwise uses original explicit solution.

上面这两个参数应根据所选用的冻土算法设置，一般在上面的参数中根据选择的FROZEN_SOIL和FULL_ENERGY模型会自动设置，可以把这两行注释掉，除非要另外更改。比如采用Cherkauer et al (1999)算法时就是FALSE和TRUE。若不采用隐格式求解的话，则程序不稳定。

QUICK_SOLVE    FALSE    # TRUE = Use Liang et al., 1999 formulation for iteration, but explicit                                                  finite difference method for final step.

这里TRUE的话就是采用Liang et al. (1999) 的算法迭代，但是最后一步采用显格式有限差分。

NO_FLUX        FALSE    # TRUE = use no flux lower boundary for ground heat flux computation;                                             FALSE = use constant flux lower boundary condition.  If NO_FLUX =                                               TRUE, QUICK_FLUX MUST = FALSE

若选择TRUE则在有限差分计算热通量的时候，下边界没有通量，只有QUICK_FLUX = FALSE或FULL_ENERGY = TRUE 或 FROZEN_SOIL = TRUE时有效。如果选择FALSE则下边界为一恒定温度。默认选择FALSE。

EXP_TRANS    TRUE    # TRUE = exponentially distributes the thermal nodes in the Cherkauer                                            et al. (1999) finite difference algorithm, otherwise uses linear distribution

这里是选择土壤热节点上的温度分布为指数分布还是线性分布，默认为指数分布。如上面的图片。

GRND_FLUX_TYPE    GF_410    # Options for ground flux:
                                                      # GF_406 = use (flawed) formulas for ground flux, deltaH, and                                                          fusion from VIC 4.0.6 and earlier;
                                                      # GF_410 = use formulas from VIC 4.1.0 (ground flux, deltaH,                                                           and fusion are correct; deltaH and fusion ignore surf_atten);
                                                      # Default = GF_410
TFALLBACK    TRUE    # TRUE = when temperature iteration fails to converge, use previous                                                 time step's T value

这个选项用于处理土壤温度迭代失败。若选择FALSE，则当温度迭代不收敛时报错，即显示error：----等，我在测试中发现即使有网格迭代不收敛，计算仍然可以继续，但是计算结果不理想。该选项将影响积雪、地表和土壤节点的温度。若选择TRUE，模型将在每个网格计算结束时报告使用前一时间步的T的总次数。默认值为TRUE。

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 2.2 Soil parameters

 除了水量平衡也要设置和率定的参数之外，以下几个参数在冻土算法中参与计算。

Avg_T       平均温度，一般设置为年平均气温，作为土壤热通量计算的下边界条件

DP            damping depth 求解土壤热通量的土壤深度，要比D1+D2+D3大

BUBBLE_1,2,3    土壤的气泡压力，可以根据土壤的类型查表，也可以根据水力传导度估算

3 总结

以上是目前对冻土算法具体设置的一些总结，来源于我在阅读文献时的经验以及对官网上相关论述的总结，但是在具体的实践中，还没有得出满意的结果，所以可能还会持续的增添总结。

后面打算对在计算时出现的报错及原因进行分析和总结，欢迎交流。