Noah-MP陆面过程模型建模方法与站点、区域模拟技术

背景

陆面过程的主要研究内容（陆表能量平衡、水循环、碳循环等），介绍陆面过程研究的重要性。

图 1 陆面过程主要研究内容

陆面过程模型的发展历程、基本原理、常用陆面过程模型等。

图 2 陆面过程模型
Noah-MP模型

Noah-MP模型的发展历史、模型结构及主要模块。
模型运行环境配置、下载与安装
模型以及配套软件的下载

模型需要在Linux下运行，需提前预装Linux系统（推荐使用CentOS系统，下载地址为：https://www.centos.org/download/，安装教程可参考：

https://www.runoob.com/w3cnote/vmware-install-centos7.html。

运行模型需要提前确定模型运行环境，如系统使用的fortran及C编译器类型等，为之后运行解压缩包下的./configure及Makefile做准备。

模型下载地址：https://github.com/NCAR/hrldas/tree/master/hrldas。

图 3 下载界面
模型以及配套软件的安装

从虚拟机出发，逐步讲解Noah-MP模型运行所需的linux环境的搭建、intel编译器的安装与配置、必要软件的下载与安装、模型构建与编译等内容，细化步骤、逐指令讲解。

Noah-MP模型站点模拟
Noah-MP模型单站运行
大气驱动数据的准备

驱动数据主要包括站点的风速、气温、相对湿度、气压、长波辐射、短波辐射以及降水数据。对于Noah-MP模型而言，原始驱动数据需制作成模型可识别的标准格式，才能够进行下一步的驱动数据编译，将编译结果带入模型进行运算（python脚本）。

图 4 大气驱动数据的准备与格式转换
数据时间格式转换

完成驱动数据在世界时和当地时之间的转换。
准备静态数据

完成驱动数据的制作后，还需在生成的.dat文件中添加静态数据。此部分数据主要包括站点属性以及模型信息，如站点的海拔，经纬度，土壤类型，初始状态变量的设定和转换系数等。

图 5 站点信息

图 6 初始状态变量
驱动数据的编译运行

基于以上数据,生成指定时间步长的一系列.LDASIN_DOMAIN1文件，同时生成hrldas_setup_file.nc文件。
运行模型

根据研究区实际情况与模拟需求修改namelist.hrldas文件，./hrldas.exe即可启动模型，结果将以netCDF格式输出至指定文件夹内。

图 7 修改namelist文件
模型运行结果的可视化与分析

可视化部分使用的python脚本结构和用法。

借助python netCDF（https://github.com/Unidata/netcdf4-python）或xarray（http://xarray.pydata.org/en/stable）等工具对模拟结果（netCDF格式）进行变量提取与可视化，以用于进一步分析。

图 8 模拟结果的提取与可视化

Noah-MP模型区域模拟
Noah-MP模型区域运行

Noah-MP模型区域运行整体流程与站点模拟相似，大致也可分为数据下载、数据变量提取、制作驱动数据、设置参数化方案、模型模拟与模拟结果可视化分析等几个步骤。但区域模拟的数据准备过程相较于站点运行更为繁琐，使用的数据源也更为多样，如GLDAS、NLDAS以及CLDAS等。同时模拟结果以二维形式存储，提取与可视化的方法也不同于单站。

区域运行将会讲解基于GLDAS和NLDAS等数据源制作驱动数据的模拟方法，并介绍区域运行结果可视化工具xarray的使用方法。课程结构主要分为数据下载、数据处理、数据编译、模型运行与结果可视化几个部分，下面以GLDAS为例，详细介绍讲解流程与配套练习内容：
准备大气驱动数据

Noah-MP模型的运行需要格式正确的驱动数据（气温、降水、气压、风速、辐射等）。因此用户需提前下载并处理好相关数据，以下为数据准备的简要步骤。
下载大气驱动数据-以GLDAS为例

区域驱动数据主要包括研究区的风速、气温、相对湿度、气压、长波辐射、短波辐射以及降水等。可从GLDAS官网下载相关数据：

https://disc.gsfc.nasa.gov/datasets/GLDAS_NOAH025_3H_2.1/summary?keywords=GLDAS。

图 9 下载区域大气驱动数据
相关变量的提取与时间转换

对模型模拟所需变量进行提取，同时完成世界时和当地时之间的转换。

图 10 相关变量提取代码（部分）
初始状态变量的提取与时间转换

图 11 初始状态变量提取代码（部分）
风速的分解、降水数据的整合

图 12 风速分解代码（部分）

图 13 降水数据的提取整合（部分）
准备研究区静态数据
制作geo_em_d0x.nc数据

基于WPS制作区域静态数据（包括研究区范围、研究区土地利用情况、植被覆盖度等信息）。此部分需安装WRF及WPS，并下载WPS_GEOG数据。详细流程可参考：

https://www2.mmm.ucar.edu/wrf/OnLineTutorial/compilation_tutorial.php。

准备数字高程数据

hrldas (Noah-MP)自带的高程文件-GLDASGLDASp4_elevation_025d.nc4。一般情况下，将此文件作为模型的高程输入数据即可。
编译与运行-生成模型驱动数据

区域原始的气象驱动数据和静态数据准备完毕后，需编译运行生成符合模型要求的驱动数据-*.LDASIN_DOMAIN1。

图 14 设置namelist.input文件

图 15 驱动数据制作结果
运行hrldas (Noah-MP)模型

根据研究区特点及用户模拟需求，修改namelist.hrldas文件，Namelist.hrldas文件编辑完成后，即可运行可执行程序/hrldas.exe。模型模拟结果将输出至指定文件夹下，若运行成功，在输出目录下应包含指定模拟时间段内的指定时间步长的模拟结果-*.LDASOUT_DOMAIN1。

图 16 输出结果文件
数据的分析与可视化

区域模拟结果亦为netCDF格式文件，借助xarray，pandas等工具进一步进行变量提取、可视化等工作。

图 17 模拟结果