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在本论文的研究中探讨了地学e-Science建模系统的重点研究方向:图形化建模、空间建模语言和基于脚本语言的建模。以陆面过程模型和基于脚本语言的建模为基础构建了陆面建模系统的框架,陆面建模系统集成地球观测系统、陆面过程模型、高性能计算、数据处理和分析方法,以及可视化等技术手段,从多角度来精确评估陆面特征,为改善陆面过程模型的模拟性能提供指导,更为重要的是为研究者提供一套完整的从数据处理到模拟分析的陆面建模系统框架。并在此框架内针对两种不同的陆面过程模型进行了应用示范,证明了基于脚本语言的建模系统在目前高性能计算环境中的应用潜力,以及不同可视化方案在建模系统的作用。主要研究结论如下:
(1)图形化建模和空间建模语言将为地学建模系统的构建提供具有时空一致性、标准化且可复用的模型系统接口以及空间操作与分析方法,且将极大地促进模型之间的集成研究。
(2)根据目前高性能计算的访问模式及特点,开发了基于脚本语言的陆面建模系统,主要采用7种语言来构建基于脚本语言的陆面建模,用SHELL脚本封装CDO、NCO、Fortran、GrADS、R和NCL这6种语言来实现。CDO、NCO和Fortran主要用于数据的读取,Fortran在模型计算中加载NetCDF、GRIB等函数库读写数据,而NCO和CDO主要用于模型模拟的前处理和后处理部分的数据的读写。GrADS、R和NCL主要用于模拟结果的可视化,其中GrADS和NCL用于面上的可视化,而R用于点上的可视化。R除了可视化的功能以外,在陆面建模系统中作为数理统计、先验分析、贝叶斯分析等模型数据融合的功能。
(3)模型数据融合技术包括模型校准、评估、测试和结构改善。模型数据融合是一个多阶段的过程,在每一个阶段数据、模型参数、模型结构和模型开发者之问相互影响。这样就避免了数据、参数和模型不确定性带来的误差,并将不同的模拟评估技术应用于其中,从观测、分析和预测为模型开发者和使用者提供全方位的模型优化手段。R的MCMC包(马尔可夫链蒙特卡洛)、dlm包(卡尔曼滤波)、自编写的统计分析R函数等构成了此陆面建模系统的模型数据融合方法集。
(4)在陆面建模系统的基础上以陆面过程模型JSBACH模型的模拟为例,选择了52个FLUXNET站点的强迫数据集作为模型的输入数据,选择FLUXNET站点的涡度相关技术所观测的数据作为观测数据集与陆面过程模型JSBACH的模拟结果进行对比分析。采用KSH+NCO+CDO+R的方式贯穿于模型的前处理、模拟运行和后处理阶段这3个阶段,统计分析采用了超过13种数学统计方法,并以PostScript的格式和RGui的窗口两种方式进行可视化输出。输出的时间尺度的不同其模型的模拟性能有差异,而且不同参数之间、不同的站点之间、不同的输入强迫数据集、不同模型版本之间其模拟性能也有差异。只有对模型的模拟进行全方位的评估与可视化才能在了解模型模拟性能的基础上改进模型。
(5)在陆面建模系统的基础上利用WRF气候模型模拟的数据作为CLM陆面过程模型的强迫场,对青藏高原的陆面能量特征的时空分布进行了分析。采用青藏高原气象站的数据对WRF模拟的气温和向下短波辐射强迫场进行了对比验证,其相关系数大于0.92(p＞0.05),表明WRF模拟的强迫场可以作为CLM模型的驱动数据集;利用伍道梁站和狮泉河站的地表温度观测数据与CLM模拟值进行了对比分析,其相关系数大于0.88(p＞0.05),以及利用青藏高原的涡度通量数据对大野口站点的CLM模拟性能进行了验证,潜热和感热通量的相关系数分别为0.87和0.68(p＞0.05),潜热通量的相关系数好于感热通量的相关系数,表明陆面过程模型CLM的模拟结果是可靠的,所以最后分析了青藏高原地区陆面能量的时空分布特征,并与前人的研究成果进行了对比分析。
(6)分布式并行可视化对于目前的高性能计算模式来说将是对基于脚本语言的建模系统的一种补充。本研究探讨了基于VisIt在区域上的可视化方法,将为大规模全球科学数据的分布式并行可视化提供一种新的途径与参考。