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科研动态

基于物理背景的土壤水力参数及全球高分辨率地图

2018-12-24 692

 天津大学地科院副教授张永根联合美国亚利桑那大学等在全球土壤水力参数研究方面取得新进展。相关研究成果以论文“A High-Resolution Global Map of Soil Hydraulic Properties Produced by a Hierarchical Parameterization of a Physically-Based Water Retention Model”发表在地学一区权威期刊Water Resources Research上。

 土壤水分及污染物运移模拟需要准确刻画非饱和带土壤水力参数。直接获取非饱和带土壤水力参数,需要花费大量的人力、物力和财力,极不方便,土壤转换函数是一种高效获得土壤水力参数的方法。然而目前用于预测土壤水力参数的转换函数大多是基于描述土壤水分特征曲线的经验公式建立的,尚无基于物理背景的土壤水分特征曲线建立土壤转换函数。

 本研究利用广泛使用的转换函数Rosetta,基于明确物理背景Kosugi模型,通过利用机器学习与bootstrap抽样方法,构建了从简单到复杂、基于不同输入参数类型的五个不同等级模型,可适用于不用使用者的需求。利用全球近50,000个土壤样品(约118,000个土壤持水曲线点)得出,本研究建立的新的转换函数优于基于广泛使用的van Genuchten模型建立的Rosetta (Schaap et al., 2001)Rosetta3 (Zhang and Schaap 2017)模型。此外,新建立的转换函数预测了全球1km网格表层土壤的残余含水量、饱和含水量、压力水头中位值、压力水头的方差、饱和渗透系数、田间持水量、植物凋萎系数、植物可利用水分等参数及其相应参数的不确定性。

 本数据集可为作物生长模型、农业生态系统模型、陆面模型、数值天气预报模型、空气质量模型、以及区域和全球气候模型等提供必要参数。相关数据集(Geotiff格式,可被GIS软件及RpythonMatlab等程序读取)及代码下载地址:https://dataverse.harvard.edu/dataset.xhtml?persistentId=doi:10.7910/DVN/UI5LCE。本研究受到了国家自然科学基金(41807181)的支持。

 文章信息:Yonggen Zhang*, Marcel G. Schaap*, and Yuanyuan Zha. (2018). A High-Resolution Global Map of Soil Hydraulic Properties Produced by a Hierarchical Parameterization of a Physically-Based Water Retention Model, Water Resources Research, 54, doi:10.1029/2018WR023539

 全文链接:https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1029/2018WR023539

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图:全球表层土壤1km网格土壤水力参数 (a)残余含水量(b)饱和含水量,(c)压力水头中位值(取log10(d)压力水头中位值(取log10)的方差,(e) log10(σ)(f)饱和渗透系数,(g)田间持水量,(h)植物可利用水分。