基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建方法及装置

本发明涉及生态水文学研究领域，具体涉及一种基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建方法及装置。

背景技术：

1、互补关系最初以陆面蒸发对大气蒸发能力的线性反馈作用为基础，指在输入一定的辐射能量的情况下，随陆面水分条件的变化，大气蒸发能力受陆面蒸发的反馈作用而与之发生大小相等、方向相反的变化。基于蒸发互补理论能够利用常规气象数据进行实际蒸发量的估算，是计算地表蒸发的最有效方法，得到了广泛应用。

2、brutsaert于2015年通过分析四个严格基于物理考虑的边界条件，提出了一种基于多项式公式的非线性互补关系，因其简洁的数学表达和更强的物理合理性，近年来广泛应用于通量站尺度，均被证实了能较准确地估算蒸发。brutsaert多项式广义互补模型仅有一个参数。因此，互补理论参数的确定对应用该理论准确计算蒸发至关重要。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建方法及装置，基于brutsaert提出的广义非线性互补关系，通过探究不同下垫面土壤含水率与蒸发互补理论参数的关系，建立基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型，实现蒸发互补理论参数的有效获取。

2、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建方法，包括：

3、根据下垫面类型将所选通量站点进行分类；

4、采用目标函数遗传算法，以蒸发模拟值和实测值的决定系数接近于1和经过原点的直线斜率接近于1为优化目标，基于各通量站点每年的日尺度数据进行优化，每个站点年得到一个优化的蒸发互补理论参数；

5、根据优化的蒸发互补理论参数，结合土壤含水率数据，建立不同下垫面的基于土壤含水率的蒸发互补理论参数的模型为

6、，

7、其中，表示蒸发互补理论参数的模拟值，a、b、c、d为常数，swcr表示相对土壤含水率。

8、作为进一步的技术方案，所述方法还包括：根据建立的不同下垫面的基于土壤含水率的蒸发互补理论参数的模型，计算得到蒸发互补理论参数的模拟值，并结合蒸发互补理论，估算蒸发量。

9、作为进一步的技术方案，采用目标函数遗传算法进行优化的步骤中，采用的目标函数为

10、，

11、其中，为蒸发模拟值与实测值的决定系数，slope为经过原点的直线斜率。

12、作为进一步的技术方案，建立不同下垫面的基于土壤含水率的蒸发互补理论参数的模型后，还包括：采用决定系数r2、均方根误差rmse、归一化均方根误差nrmse、经过原点的直线斜率slope、百分比偏差pbias和一致性指数ia六个指标评价蒸发估算效果。

13、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建装置，包括：

14、第一主模块，用于根据下垫面类型将所选通量站点进行分类；

15、第二主模块，用于采用目标函数遗传算法，以蒸发模拟值和实测值的决定系数接近于1和经过原点的直线斜率接近于1为优化目标，基于各通量站点每年的日尺度数据进行优化，每个站点年得到一个优化的蒸发互补理论参数；

16、第三主模块，用于根据优化的蒸发互补理论参数，结合土壤含水率数据，建立不同下垫面的基于土壤含水率的蒸发互补理论参数的模型为

17、，

18、其中，表示蒸发互补理论参数的模拟值，a、b、c、d为常数，swcr表示相对土壤含水率。

19、作为进一步的技术方案，所述装置还包括第四主模块，用于根据建立的不同下垫面的基于土壤含水率的蒸发互补理论参数的模型，计算得到蒸发互补理论参数的模拟值，并结合蒸发互补理论，估算蒸发量。

20、作为进一步的技术方案，所述装置还包括第五主模块，用于采用决定系数r2、均方根误差rmse、归一化均方根误差nrmse、经过原点的直线斜率slope、百分比偏差pbias和一致性指数ia六个指标评价蒸发估算效果。

21、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型，采用所述的方法构建得到，并根据构建得到的模型，结合蒸发互补理论，估算蒸发量。

22、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型的执行系统，包括：至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；所述存储器存储有被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行所述的方法。

23、根据本发明说明书的一方面，提供一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行所述的方法。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

25、（1）本发明根据不同下垫面分类，引入土壤含水率计算蒸发互补理论参数，结合蒸发互补理论估算蒸发，选用合适的评价指标评价估算蒸发的效果。相对于现有利用蒸发实测值来反推并校准得到互补理论参数而言，本发明简单且实用，可根据土壤含水率直接计算蒸发互补理论参数，更便于应用蒸发互补理论估算蒸发。

26、（2）本发明基于下垫面供水条件对互补关系的影响，并结合蒸发互补理论，探究不同下垫面蒸发互补理论参数与土壤含水率的关系，拓展了蒸发互补理论的应用。

27、（3）本发明建立基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型对实现蒸发互补理论参数准确估算，对于进一步推广应用蒸发互补理论有着重要意义。

技术特征：

1.基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建方法，其特征在于，所述方法还包括：根据建立的不同下垫面的基于土壤含水率的蒸发互补理论参数的模型，计算得到蒸发互补理论参数的模拟值，并结合蒸发互补理论，估算蒸发量。

3.根据权利要求1所述基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建方法，其特征在于，采用目标函数遗传算法进行优化的步骤中，采用的目标函数为

4.根据权利要求1所述基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建方法，其特征在于，建立不同下垫面蒸发互补理论参数的模型后，还包括：采用决定系数r2、均方根误差rmse、归一化均方根误差nrmse、经过原点的直线斜率slope、百分比偏差pbias和一致性指数ia六个指标评价蒸发估算效果。

5.基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建装置，其特征在于，包括：

6.根据权利要求5所述基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建装置，其特征在于，所述装置还包括第四主模块，用于根据建立的不同下垫面的基于土壤含水率的蒸发互补理论参数的模型，计算得到蒸发互补理论参数的模拟值，并结合蒸发互补理论，估算蒸发量。

7.根据权利要求5所述基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建装置，其特征在于，所述装置还包括第五主模块，用于采用决定系数、均方根误差rmse、归一化均方根误差nrmse、经过原点的直线斜率slope、百分比偏差pbias和一致性指数ia六个指标评价蒸发估算效果。

8.一种基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型，其特征在于，采用权利要求1至4任一项权利要求所述的方法构建得到，并根据构建得到的模型，结合蒸发互补理论，估算蒸发量。

9.一种基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型的执行系统，其特征在于，包括：至少一个处理器、至少一个存储器和通信接口；其中，所述处理器、存储器和通信接口相互间进行通信；所述存储器存储有被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令，以执行权利要求1至4任一项权利要求所述的方法。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令使所述计算机执行权利要求1至4中任一项权利要求所述的方法。

技术总结
本发明公开一种基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型构建方法及装置，方法包括：根据下垫面类型将所选通量站点进行分类；采用目标函数遗传算法，以蒸发模拟值和实测值的决定系数接近于1和经过原点的直线斜率接近于1为优化目标，基于各通量站点每年的日尺度数据进行优化，每个站点年得到一个优化的蒸发互补理论参数；根据优化的蒸发互补理论参数，结合土壤含水率数据，建立不同下垫面的基于土壤含水率的蒸发互补理论参数的模型。本发明基于Brutsaert提出的广义非线性互补关系，通过探究不同下垫面土壤含水率与蒸发互补理论参数的关系，建立基于土壤含水率的蒸发互补理论参数模型，实现蒸发互补理论参数的有效获取。

技术研发人员：刘嫄,秦淑静,张橹,程磊
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5