一种融合森林结构参数的产流模型改进方法

本发明属于森林生态水文建模，涉及一种融合森林结构参数的产流模型改进方法。

背景技术：

1、传统森林生态水文过程的量化模拟长期依赖于经验统计模型和机理性物理模型的双轨并行，但两者在复杂环境下面临严重的机制表达瓶颈。经验统计模型主要基于大量观测数据，通过统计回归建立森林宏观特征参数（如叶面积指数lai、植被覆盖率等）与水文通量指标之间的经验关系。例如，经典的gash截留模型通过树冠储水容量和降雨强度等参数，用简化的经验公式计算冠层截留量；budyko水热耦合框架则通过干燥度指数建立区域蒸散发与降水、潜在蒸散发之间的经验关系。这类模型计算简便，适用于数据稀缺区域的快速评估，但其参数往往具有区域特异性，难以直接推广到不同森林类型和气候条件下。

2、机理性物理模型则基于水文循环和能量平衡的物理定律，通过求解偏微分方程组来模拟森林水文过程。代表性模型包括swat、vic等分布式水文模型以及clm等陆面过程模型。这些模型考虑了降雨截留、土壤入渗、蒸散发、坡面汇流等多个物理过程的耦合，能够较好地反映水文循环机理。然而，物理模型对输入数据要求高，参数众多，且需要详细的森林结构、土壤质地、地形等空间分布信息。

3、传统模型中，常假设林分属性相对均一，以少数宏观参数表征森林对降水和蒸散发的影响，难以反映森林内部结构和组分的高度异质性。一方面，不同森林即使lai等宏观参数相近，但冠层结构可能千差万别，从而截留降水和蒸散发耗水的特征迥异。另一方面，森林垂直结构的空间异质性对水文过程影响深远，不同结构的林冠截留率可占降雨量的10%-50%，差异巨大。

4、在蒸散发估算方面，现有遥感蒸散发产品（如mod16）虽已考虑叶面积指数等植被参数的影响，但其冠层导度参数基于全球统一的植被分类方案设定，未能区分同一植被类型内部不同林龄阶段的蒸腾能力差异。研究表明，树木的蒸腾能力随林龄呈现非单调变化规律：幼龄林根系浅、冠层小，蒸腾能力较弱；中龄林处于生长旺盛期，蒸腾量达到峰值；成熟林的蒸腾能力略有下降但仍维持较高水平。这种林龄效应在传统蒸散发产品中未能得到充分体现。

5、综上所述，传统产流模型参数均一化的设定在面对结构极端异质的森林生态系统时，不可避免地引发产流量估算的系统性漂移。因此，亟需一种能够将森林三维结构特征融入产流模型核心计算模块的改进方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种融合森林结构参数的产流模型改进方法，通过建立产流计算参数与森林结构特征（冠层高度、叶面积指数、林龄）的非线性耦合关系，实现产流过程在复杂森林生境下的空间精细化表达，克服传统模型参数均一化导致的系统性估算偏差。

2、本发明的技术方案：

3、一种融合森林结构参数的产流模型改进方法，步骤如下：

4、基于森林起源属性与林龄阶段建立二维分类体系，将研究区森林划分为天然林和人工林，天然林分为天然幼龄林、天然中龄林和天然成熟林，人工林分为人工幼龄林、人工中龄林和人工成熟林；

5、针对每种森林，建立冠层储水容量与叶面积指数和冠层高度的非线性耦合关系，改进林冠截留计算模块；

6、引入林龄调节系数对遥感蒸散发数据产品进行修正，构建蒸散发林龄修正模块；

7、在网格尺度上，基于水量平衡方程计算每个网格单元的产流量；

8、采用多源数据交叉验证策略，从流域宏观尺度和区域尺度评估改进模型的可靠性。

9、进一步，所述建立冠层储水容量与叶面积指数和冠层高度的非线性耦合关系如下：

10、

11、其中，为冠层储水容量，单位为mm；为叶面积指数，单位为m2/m2；为冠层高度，单位为m；为参考冠层高度，取研究区平均值；为基础储水系数，反映单位叶面积的基础储水能力；为叶面积幂指数，反映储水容量随叶面积增加的非线性饱和效应，<1；为冠层高度调节系数，量化冠层三维结构对储水容量的额外贡献。

12、进一步，针对不同森林类型采用差异化的参数组合，具体为：

13、天然幼龄林：=0.16，=0.75，=0.10；

14、天然中龄林：=0.18，=0.80，=0.15；

15、天然成熟林：=0.20，=0.82，=0.18；

16、人工幼龄林：=0.13，=0.65，=0.06；

17、人工中龄林：=0.15，=0.70，=0.10；

18、人工成熟林：=0.17，=0.73，=0.12。

19、进一步，所述引入林龄调节系数对遥感蒸散发数据产品进行修正，包括：

20、采用如下公式修正蒸散发量：

21、

22、其中，为修正后的蒸散发量，单位为mm；为mod16遥感蒸散发数据产品的估算值，单位为mm；

)为林龄调节函数；

23、所述林龄调节函数采用logistic函数形式：

24、

25、其中，为林龄，单位为年；和分别为最小调节系数和最大调节系数；为蒸腾能力达到中等水平的林龄节点；为变化速率参数，控制曲线的陡峭程度。

26、进一步，天然林与人工林采用不同的林龄调节函数参数：

27、天然林：=0.78，=1.08，=45年，=0.06；

28、人工林：=0.72，=1.05，=15年，=0.12。

29、进一步，所述在网格尺度上，基于水量平衡方程计算每个网格单元的产流量，包括：

30、对每个网格单元，产流量计算为：

31、

32、其中，为降水量，为修正后的蒸散发量，为林冠截留量；

33、林冠截留量的计算结合降水强度调节函数：

34、

35、

36、其中，为冠层覆盖度；为由冠层储水容量公式计算的储水容量；为降水强度调节函数；为截留饱和降水量。

37、进一步，对林冠截留量设置不超过降水量35%的上限约束，对每个网格单元的产流量设置非负约束。

38、进一步，所述基于森林起源属性与林龄阶段建立二维分类体系，包括：

39、森林起源依据天然林与人工林空间分布数据进行判别；

40、林龄阶段通过将五级林龄体系归并为幼龄林、中龄林和成熟林三级分类体系；其中，天然林的林龄划分阈值为：0-20年为幼龄林，21-60年为中龄林，61年以上为成熟林；人工林的林龄划分阈值为：0-10年为幼龄林，11-25年为中龄林，26年以上为成熟林；

41、通过栅格叠加方法生成六种森林的空间分布图。

42、进一步，所述融合森林结构参数的产流模型改进方法还包括基于d8算法确定汇流方向，计算每个网格单元的汇流累积量：

43、

44、其中，为网格单元的汇流累积产流量；为网格单元的所有上游网格集合；为从网格单元到网格单元的传输系数。

45、10.根据权利要求1所述的一种融合森林结构参数的产流模型改进方法，其特征在于，所述多源数据交叉验证策略包括：

46、在流域宏观尺度，将模型输出的月径流量与水文站实测月径流数据进行对比，采用率定期数据进行参数率定，采用独立验证期数据进行精度评估；

47、在区域尺度，将改进后的蒸散发估算结果与全球陆面蒸散发数据产品进行空间一致性对比；

48、采用monte carlo方法对截留模块和蒸散发模块中的关键参数进行敏感性分析，评估参数不确定性对产流量计算结果的影响程度。

49、本发明的有益效果：

50、本发明通过将森林结构参数（冠层高度、叶面积指数、林龄）嵌入产流模型的林冠截留与蒸散发核心模块，建立了林冠截留参数与冠层三维结构的非线性响应方程和蒸散发参数与林龄发育阶段的logistic调节关系，克服了传统模型因参数均一化假设而导致的系统性估算偏差。改进模型在三个水文站的验证期纳什效率系数（nash-sutcliffeefficiency coefficient，nse）平均提升0.06，均方根误差平均降低约13%，克林-古普塔效率系数（kling-gupta efficiency coefficient，kge）平均提升0.05，且精度改善在率定期和验证期均表现稳定。该方法具有明确的物理机制、良好的时间外推稳健性和遥感数据兼容性，可推广应用于其他复杂森林生态系统的产流模拟。

51、本发明通过将精细化的森林结构参数（冠层高度、叶面积指数、林龄）刚性嵌入产流模型的林冠截留与蒸散发核心模块，建立了截留参数与冠层三维结构的非线性响应方程和蒸散发参数与林龄发育阶段的logistic调节关系，克服了传统模型因参数均一化假设而导致的系统性估算偏差。改进模型在三个水文站的验证期nash-sutcliffe效率系数平均提升0.06，均方根误差平均降低约13%，kling-gupta效率系数平均提升0.05，且精度改善在率定期和验证期均表现稳定。该方法具有明确的物理机制、良好的时间外推稳健性和遥感数据兼容性，可推广应用于其他复杂森林生态系统的产流模拟。