一种模拟树干瞬态液流变化的方法及系统

摘要

本发明公开了一种模拟树干瞬态液流变化的方法及系统，该方法包括：根据太阳辐射与树干液流的变化关系，得到树干瞬态液流变化原始模型；考虑复杂环境因素，根据树干瞬态液流变化原始模型构建树干瞬态液流变化模型；求解树干瞬态液流变化模型，得到树干液流速率。本技术方案将随日照辐射增加时气孔部分关闭以及辐射降低时液流的滞后性这一因素考虑在内，重新构建了瞬态树干液流变化模型，通过解模型得到树干液流速率的变化率，进而可以通过曲线模拟进行任意时刻液流变化速率的预测。

权利要求

1.一种模拟树干瞬态液流变化的方法，其特征在于，包括以下步骤：根据太阳辐射与树干液流的变化关系，得到树干瞬态液流变化原始模型；

考虑复杂环境因素，根据树干瞬态液流变化原始模型构建树干瞬态液流变化模型；

求解树干瞬态液流变化模型，得到树干液流速率；

所述树干瞬态液流变化原始模型具体表示为：

其中，r1(T)表示太阳辐射增加时树干液流上升函数，r2(T)表示太阳辐射降低时树干液流降低函数，K1表示树干液流增加速率，K2表示树干液流降低速率，T表示时间；

所述复杂环境因素包括随日照辐射增加气孔部分关闭以及随日照辐射降低液流对环境变化的反应存在滞后性；

所述考虑复杂环境因素，根据树干瞬态液流变化原始模型构建树干瞬态液流变化模型这一步骤，具体包括：考虑日照辐射强度和其它环境因素对气孔的影响，构建太阳辐射增加或减弱引起的叶片内外水汽压差对树干液流的影响的非线性关系；

基于所述非线性关系，构建树干瞬态液流变化模型；

所述树干瞬态液流变化模型具体表示为：

其中，T1太阳辐射增加时树干液流上升函数值为零对应的时间，T2表示太阳辐射降低时树干液流降低函数值为零对应的时间。

2.一种模拟树干瞬态液流变化的系统，其特征在于，用于执行如权利要求1所述的模拟树干瞬态液流变化的方法，包括：构建原始模型模块，根据太阳辐射与树干液流的变化关系，得到树干瞬态液流变化原始模型；

构建模型模块，考虑复杂环境因素，根据树干瞬态液流变化原始模型构建树干瞬态液流变化模型；

解模型模块，求解树干瞬态液流变化模型，得到树干液流速率的变化率。

说明书

一种模拟树干瞬态液流变化的方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及数值模拟预测领域，尤其涉及一种模拟树干瞬态液流变化的方法及系统。

背景技术

[0002] 长期以来，如何准确评估林分耗水，掌握林分水分需求一直受到生态学家、森林水分学家的高度关注。树干液流作为土壤‑植物‑大气连续体中水流路径中的一个关键链接，决定了整个树冠蒸腾量，是分析树木耗水特性、研究水分传输机理的重要指标。

[0003] 树干液流的日进程变化主要在于日间以及夜间太阳辐射变化通过影响气孔运动和气孔内外蒸汽压差制约蒸腾速率的大小，进而影响液流速率的变化。树干液流发生在日出前后启动，启动后随着太阳辐射的增强，空气湿度下降，叶片内外水汽压差增大，液流迅速上升，午后到达峰值，到达峰值后随着太阳辐射的减弱，空气湿度上升，叶片内外水汽压差减小，液流开始迅速下降。当太阳辐射下降到0时，液流并没有停止，而是维持在稳定的低值，如果夜间空气干燥、高温及适度的大风等会引起荒漠植物叶片气孔开放，加速吸水量从而保持一定速率的夜间液流。因此，一般认为树干液流的日进程变化呈单峰曲线，进而日照辐射对树干液流的影响呈简单线性关系，另外还认为，叶片内外水汽压差是液流发生的驱动因素。一直以来，关于液流时间进程研究往往停留于定性描述，强调短暂几天内液流特征值，包括启动、高峰和停止时刻，或者简单描述液流日进程变化波峰宽度，缺少对树干液流时间进程变化的定量描述。然而，定量描述树干液流时间进程变化不仅可以对缺失数据进行插补完善液流数据集，对准确估算林木耗水具有重要意义。

发明内容

[0004] 为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种模拟树干瞬态液流变化的方法及系统，考虑了复杂的环境因素，并且能够计算一日内任意时刻液流变化速率，可以对缺失数据进行插补完善液流数据集，对准确估算林木耗水具有重要意义。

[0005] 本发明所采用的第一技术方案是：一种模拟树干瞬态液流变化的方法，包括以下步骤：

[0006] 根据太阳辐射与树干液流的变化关系，得到树干瞬态液流变化原始模型；

[0007] 考虑复杂环境因素，构建树干瞬态液流变化模型；

[0008] 求解树干瞬态液流变化模型，得到树干液流速率。

[0009] 在本技术方案中，将随日照辐射增加时气孔部分关闭以及辐射降低时液流的滞后性这一因素考虑在内，重新构建了树干瞬态液流变化模型，通过解模型得到树干液流速率的变化率，进而可以通过曲线模拟进行任意时刻液流变化速率的预测。

[0010] 进一步，所述树干瞬态液流变化原始模型具体表示为：

[0011]

[0012] 其中，r1(T)表示太阳辐射增加时树干液流上升函数，r2(T)表示太阳辐射降低时树干液流降低函数，K1表示树干液流增加速率，K2表示树干液流降低速率，T表示时间。

[0013] 进一步，所述复杂环境因素包括随日照辐射增加气孔部分关闭以及随日照辐射降低液流对环境变化的反应存在的滞后性。

[0014] 进一步，所述考虑复杂环境因素，根据树干瞬态液流变化原始模型构建树干瞬态液流变化模型这一步骤，具体包括：

[0015] 考虑日照辐射强度和其它环境因素对气孔的影响，构建太阳辐射增强或减弱引起的叶片内外水汽压差对树干液流的影响的非线性关系；

[0016] 基于所述非线性关系，构建树干瞬态液流变化模型。

[0017] 进一步，所述树干瞬态液流变化模型具体表示为：

[0018]

[0019] 其中，r1(T)表示太阳辐射增加时树干液流上升函数，r2(T)表示太阳辐射降低时树干液流降低函数，K1表示树干液流增加速率，K2表示树干液流降低速率，T1太阳辐射增加时树干液流上升函数值为零对应的时间，T2表示太阳辐射降低时树干液流降低函数值为零对应的时间。

[0020] 本发明所采用的第二技术方案是：一种模拟树干瞬态液流变化的系统，包括：

[0021] 构建原始模型模块，根据太阳辐射对树干液流的变化关系，得到树干瞬态液流变化原始模型；

[0022] 构建模型模块，考虑复杂环境因素，根据树干瞬态液流变化原始模型构建树干瞬态液流变化模型；

[0023] 解模型模块，求解树干瞬态液流变化模型，得到树干液流速率。

[0024] 本发明提供的一种模拟树干瞬态液流变化的方法及系统的有益效果是：本发明考虑了由复杂因素引起的随日照辐射增加时气孔部分关闭以及辐射降低时液流的滞后性的现实情况，重新构建树干瞬态液流变化模型，通过解模型得到树干液流速率的变化率，利用软件模拟函数曲线变化可以得到任意时刻液流变化速率。

附图说明

[0025] 图1是本发明一种模拟树干瞬态液流变化的方法的步骤流程图；

[0026] 图2是本发明实施例提供的模拟树干液流的单日进程变化结果图；

[0027] 图3是本发明实施例提供的模拟树干液流随季节变化结果图；

[0028] 图4是本发明实施例提供的模拟树干液流随月份变化结果图；

[0029] 图5是本发明一种模拟树干瞬态液流变化的系统的结构框图。

具体实施方式

[0030] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

[0031] 如图1所示，本发明提供了一种模拟树干瞬态液流变化的方法，该方法包括以下步骤：

[0032] 101、根据太阳辐射与树干液流的变化关系，得到树干瞬态液流变化原始模型。

[0033] 由于树干液流发生在日出前夕，日内随时间进程变化呈单峰曲线，因此假设树干液流时间进程变化分为两个部分，即太阳辐射增加和太阳辐射降低，进而有：

[0034] S(T)＝cf(r1(T),r2(T))

[0035] 其中，c为常数，f(r1(T),r2(T))为太阳辐射增加或降低时引起叶片内外水汽压差变化对树干液流的综合影响，r1(T)表示太阳辐射增加时树干液流上升函数，r2(T)表示太阳辐射降低时树干液流降低函数，S(T)表示树干液流函数。

[0036] 其中，太阳辐射增加或降低时引起叶片内外水汽压差变化对树干液流的综合影响函数f(r1(T),r2(T))具体表示为：

[0037] f(r1(T),r2(T))＝r1(T)×r2(T)

[0038] 基于上述关系，随着太阳辐射增加或减弱引起的叶片内外水汽压差对树干液流的影响是简单的线性关系，即树干瞬态液流变化原始模型，其具体表示为：

[0039]

[0040] 其中，K1表示树干液流增加速率，K2表示树干液流降低速率，T表示时间。

[0041] 102、考虑复杂环境因素，根据树干瞬态液流变化原始模型构建树干瞬态液流变化模型。

[0042] 在本实施例中，考虑到现实中随着太阳辐射的增加，空气温度增加，空气湿度降低，此时叶片内外空气压差增加，促进水分从叶内逸出，从而促使植物蒸腾，树木液流速率增加。但是叶片内外空气压差过大会造成部分气孔关闭，进而影响液流速率。另外，液流速率不能随着空气压差增加而无限增加，液流速率大小还受到土壤温湿度、土壤供水水平、风速以及树木自身的直径、高度、水溶等生物学因素的限制。而随着太阳辐射的降低，空气温度降低，湿度增加，叶片内外空气压差降低，抑制水分从叶内逸出，降低植物蒸腾，树木液流速率降低。但是叶片内外空气压差降低对树干液流作用存在滞后性，滞后时间可能受到树干液流对外界环境条件变化敏感性的影响。而且当太阳辐射降到0时，即到夜间，如果区域空气干燥，高温及适度的大风等也会引起植物叶片气孔开放，加速吸水量也能保持一定速率的夜间液流。考虑到这些复杂的环境因素，将随日照辐射增加时气孔可能关闭以及随日照辐射降低时液流的滞后性这两种情况考虑在内设计树干瞬态液流变化模型，其具体为：

[0043]

[0044] 其中，r1(T)表示太阳辐射增加时树干液流上升函数，r2(T)表示太阳辐射降低时树干液流降低函数。

[0045] 103、求解树干瞬态液流变化模型，得到树干液流速率。

[0046] 在设计的树干瞬态液流变化模型的基础上，得到如下公式：

[0047]

[0048] 接着对公式(2)进行积分得下列公式：

[0049]

[0050] 由此可得：

[0051]

[0052] 其中，S1和S2都是常数。

[0053] 令公式(4)中的r1(T)和r2(T)均为零，即：

[0054]

[0055] 由此可得：

[0056]

[0057] 将公式(6)代入公式(4)中，得：

[0058]

[0059] 进而，树干液流速率的模拟模型表示为：

[0060] S(T)＝cr1(T)×r2(T)#(8)

[0061]

[0062] 对公式(9)求导得树干液流速率的变化率：

[0063]

[0064] 对树干液流速率的变化率的表达式进行拆分绘图，求解最高液流的日照时数。定义 利用软件模拟g(T)和h(T)的图像，两条曲线相交的日照时数为公式(10)的最高液流的日照时数，即dS(T)/dT＝0的数值解。

[0065] 当然，根据需要，本实施例还可以计算一日内任意时刻液流变化速率，作为液流瞬态变化特征。

[0066] 在具体实施例中，采用已知的2019年陇东黄土高原区人工刺槐林树干液流数据集进行实验仿真，测试所提模型的正确性。

[0067] 所述数据集采用热扩散液流探针(TDP)对泾川县中沟小流域人工刺槐林生长季树干液流进行连续监测，采用RR‑1016数据采集器，每10min采集数据一次，根据通用的Granier经验公式将温差电势转换为液流密度：

[0068] JS＝119×[(ΔTm‑ΔT)/ΔT]1.231#(11)

[0069] 式中，ΔTm为上、下探针之间的最大昼夜温差，ΔT为瞬时温差，Js为瞬时液流密度(gH2Om‑2S‑1)转换为液流密度值。

[0070] 随机抽取6日数据，利用公式(9)：模拟树干液流的单日进程变化。根据
树干液流日变化规律，液流启动一般在日出前夕，因此将早上6：30作为每日液流变化起点，该日0:00～6:30这段时间置于夜间0:00之后，模拟该日24h树干液流变化。

[0071] 模型建立和模拟在R语言中完成，R语言是基于S语言的一个GNU计划项目，可以当作S语言的一种实现，因此该模拟也可在S语言中完成，实验结果如图2所示。从整体上看，树干液流密度随时间变化呈单峰曲线，具体来看，2019年1月14日的树干液流密度变化的峰值在17.50时，其值为19.21；2019年1月22日的树干液流密度变化的峰值出现在19.00时，其值为9.41；2019年5月15日的树干液流密度峰值出现在10.16时，其值为43.68；2019年6月7日的树干液流密度峰值出现在10.83时，其值为17.96，并且曲线单峰变宽，树干液流密度保持较高水平的时长变长；2019年6月16日的树干液流密度峰值出现在11.17时，其值为12.43；2019年8月30日的峰值出现在12.00时，其值为20.35，并且单峰宽度相较6月有所缩窄。根据结果所示，实施例中6日中模拟树干液流时间进程变化模型的方差解释率都高于0.9，方差解释率是用来度量因变量的变异中可由自变量解释部分所占的比例，以此来判断回归模型的解释力。本实施例中的方差解释率接近于1，说明模型中自变量解释效果越好，模型模拟质量高。

[0072] 另外根据需要，本实施例还可以用于模拟不同季节的树干液流的日进程变化，更直接简洁的比较树干液流日进程变化的季节差异。

[0073] 在具体实施例中，同样采用已知的2019年陇东黄土高原区人工刺槐林树干液流数据集进行实验仿真，测试所提模型的正确性。

[0074] 根据中国一年季节划分：春季(3，4，5月)，夏季(6，7，8月)，秋季(9，10，11月)，冬季(12，1，2，月)，分别计算春夏秋冬四个季节一日内每十分钟树干液流均值，然后利用树干液流公式(9)： 模拟树干液流的日进程变化，然后比较不同季节树干液流日进程变化差异。

[0075] 模型建立和模拟同样在R语言中完成，实验结果如图3所示。整体上看，不同季节树干液流速率峰值出现具有明显差异。夏季和秋季树干液流峰值在11.17时和14.17时，春季树干液流峰值在14.16时，冬季树干液流峰值16.8时，这主要跟不同季节光照时间差异有关。而且不同季节液流速率峰值具有很大差异，根据图3可以注意到，春季液流速率峰值最高，夏季液流速率峰值次之，秋冬季液流速率峰值最低。这是因为春夏季属于林木生长季，林木呼吸速率，和根系生长等生理活动较为活跃，而秋冬季林木生长处于休眠期。另外不同季节液流速率单峰宽度具有明显差异，从夏季开始，直到冬季，液流速率从开始升高到回到低值之间的时间逐渐减少。根据结果所示，实施例中模拟不同季节树干液流时间进程变化模型方差解释率都高于0.98，说明模型中自变量解释效果优良，模拟质量较高。利用不同季节树干液流时间进程变化模型模拟结果比较不同季节树干液流日进程规律，可以简便直接的说明林木日进程树干液流变化受到季节变化的影响。

[0076] 同样，本实施例还可以用于模拟不同月份的树干液流的日进程变化，根据图4所示，模型结果精确模拟了不同月份树干液流日进程变化，输出不同月份树干液流日进程变化的峰值及其对应时间。根据结果所示，不同月份的树干液流日进程变化峰值及其时间存在较大差异，这主要由于受到不同月份的降雨、辐射强度和时间、大气温度以及饱和气压差有关。而结合不同季节的降雨、辐射强度和时间、大气温度以及饱和气压差数据，可进一步分析不同气象因子变化对树干液流日进程变化的影响作用。结合不同物种的树干液流日进程模型模拟结果，可以进一步比较不同物种间相同气象因子对树干液流日进程变化的作用差异。但是由于本实施例中缺乏林木对应时间的气象数据以及其他不同物种的树干液流监测结果，则不展示此部分实施例应用

[0077] 如图5所示，一种模拟树干瞬态液流变化的系统，包括：

[0078] 构建原始模型模块，根据太阳辐射与树干液流的变化关系，得到树干瞬态液流变化原始模型；

[0079] 构建模型模块，考虑复杂环境因素，根据树干瞬态液流变化原始模型构建树干瞬态液流变化模型；

[0080] 解模型模块，求解树干瞬态液流变化模型，得到树干液流速率的变化率。

[0081] 以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。