开云优惠体育网页版入口

专利名称：一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法及系统

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411179167.9

专利申请（专利权）人：中国科学院西北生态环境资源研究院
权利人地址：甘肃省兰州市城关区东岗西路318号

专利发明（设计）人：杜文涛,陈记祖,康世昌,孙维君,蒋友严,秦翔

专利摘要：本发明提出一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法及系统，方法包括：以比表面积为刻画参数，描述干雪和湿雪变质影响反照率的过程，其中，根据前一时刻的比表面积结合含水量的变化，计算当前时刻步长内比表面积的增长量，推导得到目标比表面积；根据目标比表面积以及黑碳浓度构建吸光性杂质?反照率动态演化模型；根据吸光性杂质?反照率动态演化模型输出的反照率为纽带，进一步耦合至增强型度日指数模型；根据增强型度日模型计算表面的物质平衡，作为冰川动力模型的输入，得到冰川变化量。通过构建的吸光性杂质?反照率动态演化模型与含有增强型度日模型和动力过程的冰川动力模型相耦合，评估历史及未来黑碳排放对冰川变化的定量影响。

主权利要求：
1.一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法，其特征在于，包括：以比表面积为刻画参数，描述干雪和湿雪变质影响反照率的过程，其中，在干雪变质过程中，雪的目标比表面积表达为雪温与雪龄的对数关系；在湿雪变质过程中，根据前一时刻的比表面积结合含水量的变化，计算当前时刻步长内比表面积的增长量，推导得到当前时刻的目标比表面积；
根据不同时刻下的目标比表面积以及黑碳浓度构建吸光性杂质?反照率动态演化模型；
根据吸光性杂质?反照率动态演化模型输出的反照率为纽带，耦合至增强型度日指数模型中，耦合后的增强型度日指数模型的表达式为：，
式中，Msnow/ice为雪冰消融量；TFsnow/ice为雪冰度日因子；Tair为冰面气温；TT为雪冰消融发生的临界温度；G为冰川区的日平均太阳辐射；SRF为雪冰消融的辐射消融因子；α为冰川表面的反照率；
计算冰川表面的反照率的表达式为：
，
式中， 为雪冰反照率， 为黑碳引起的反照率变化， 为太阳高度角 和的函数；
的值根据比表面积 计算得到:
，
在吸光性杂质?反照率动态演化模型中，黑碳被假定为外部混合在雪粒中，反照率的变化表示为：，
为太阳高度角 和 的函数，表达式为：
；
根据增强型度日模型计算表面的物质平衡，作为冰川动力模型的输入，冰川动力模型输出得到冰川变化量，所述冰川动力模型的表达式为：，
式中， 为截面处冰通量， 为物质平衡， 为冰川横截面宽度， 为截面处流速， 为单位时间。
2.如权利要求1所述的基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法，其特征在于，在湿雪变质过程中，计算当前时刻雪的光学半径的表达式为：，
式中， 为雪的光学半径， 为冰密度， 为比表面积。
3.如权利要求1所述的基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法，其特征在于，在湿雪变质过程中，计算不同时刻雪的光学半径的增长量的表达式为：，
式中， 为光学半径的增长量， 、 均为经验系数， 为以质量百分比表示的液态水含量， 为雪的光学半径。
4.如权利要求1所述的基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法，其特征在于，在干雪变质过程中，计算目标比表面积的表达式为：，
式中， 为初始新雪比表面积， 为雪温，为降雪后日数。
5.如权利要求1所述的基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法，其特征在于，在根据不同时刻下的目标比表面积以及黑碳浓度构建吸光性杂质?反照率动态演化模型之前，所述方法还包括：在降雪量大于2cm的情况下，将顶层2cm的新雪设置为顶雪层，剩余的新降雪设置为中间雪层，将老雪层设置为底雪层，在降雪量小于2cm的情况下，直接将雪层与新降雪均匀混合，根据每个雪层的厚度，黑碳浓度和含水量，均匀混合，并重新计算所有雪层的吸光性杂质浓度和含水量；
积雪消融时中间雪层首先消耗，如果中间雪层完全消失，则底雪层开始消耗，中间雪层所含黑碳与底雪层均匀混合，当整个雪层的深度小于2cm时，雪层中杂质逐渐与冰川冰表面杂质混合，根据融化量及雪层厚度计算含水量；如果含水量达到最大值，则任何剩余的水渗出到下面的下一层，融化蒸发或升华的雪中包含的杂质均富集于表层雪冰中，而融水中包含的一部分杂质随融化水移除，其余部分则富集于表层雪冰中；
根据冰川消融观测、径流观测及河水中黑碳浓度观测，基于观测的物质平衡计算并率定裸冰融化时黑碳移除系数，基于率定的黑碳移除系数计算迭代模拟在裸冰表面的黑碳富集过程，得到黑碳浓度。
6.一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析系统，用于实现权利要求1?5任一项所述的定量分析方法，其特征在于，包括：描述模块，配置为以比表面积为刻画参数，描述干雪和湿雪变质影响反照率的过程，其中，在干雪变质过程中，雪的目标比表面积表达为雪温与雪龄的对数关系；在湿雪变质过程中，根据前一时刻的比表面积结合含水量的变化，计算当前时刻步长内比表面积的增长量，推导得到当前时刻的目标比表面积；
构建模块，配置为根据不同时刻下的目标比表面积以及黑碳浓度构建吸光性杂质?反照率动态演化模型；
耦合模块，配置为根据吸光性杂质?反照率动态演化模型输出的反照率为纽带，耦合至增强型度日指数模型中，耦合后的增强型度日指数模型的表达式为：，
式中，Msnow/ice为雪冰消融量；TFsnow/ice为雪冰度日因子；Tair为冰面气温；TT为雪冰消融发生的临界温度；G为冰川区的日平均太阳辐射；SRF为雪冰消融的辐射消融因子；α为冰川表面的反照率；
输出模块，配置为根据增强型度日模型计算表面的物质平衡，作为冰川动力模型的输入，冰川动力模型输出得到冰川变化量。 说明书 : 一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法及系统技术领域[0001] 本发明属于冰川消融分析技术领域，尤其涉及一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法及系统。背景技术[0002] 黑碳主要是生物质和化石燃料（例如：煤炭和石油）等不完全燃烧产生的无定型碳质，是大气气溶胶的重要组成部分。[0003] 黑碳气溶胶可以通过干湿沉降方式落于雪冰表面，降低表面反照率，进而加剧雪冰消融，是影响冰川消融的重要因素。目前雪冰黑碳的研究主要单纯地采集冰川不同海拔高度的雪冰样品获取黑碳浓度，如大气黑碳浓度、冰面黑碳浓度和积雪黑碳浓度，然后模拟整个冰川的黑碳浓度变化。但是，在实际情况下，无法评估历史及未来黑碳排放对冰川变化的定量影响。发明内容[0004] 本发明提供一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法及系统，用于解决无法对黑碳排放影响冰川变化进行定量分析的技术问题。[0005] 第一方面，本发明提供一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法，包括：[0006] 以比表面积为刻画参数，描述干雪和湿雪变质影响反照率的过程，其中，在干雪变质过程中，雪的目标比表面积表达为雪温与雪龄的对数关系；在湿雪变质过程中，根据前一时刻的比表面积结合含水量的变化，计算当前时刻步长内比表面积的增长量，推导得到当前时刻的目标比表面积；[0007] 根据不同时刻下的目标比表面积以及黑碳浓度构建吸光性杂质?反照率动态演化模型；[0008] 根据吸光性杂质?反照率动态演化模型输出的反照率为纽带，耦合至增强型度日指数模型中，耦合后的增强型度日指数模型的表达式为：[0009] ，[0010] 式中，Msnow/ice为雪冰消融量（mm）；TFsnow/ice为雪冰度日因子(mm°C?1day?1)；Tair为?2冰面气温（°C）；TT为雪冰消融发生的临界温度（°C）；G为冰川区的日平均太阳辐射（Wm ）；2 ?1 ?1SRF为雪冰消融的辐射消融因子（mmmW day）；α为冰川表面的反照率；[0011] 根据增强型度日模型计算表面的物质平衡，作为冰川动力模型的输入，冰川动力模型输出得到冰川变化量。[0012] 第二方面，本发明提供一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析系统，包括：[0013] 描述模块，配置为以比表面积为刻画参数，描述干雪和湿雪变质影响反照率的过程，其中，在干雪变质过程中，雪的目标比表面积表达为雪温与雪龄的对数关系；在湿雪变质过程中，根据前一时刻的比表面积结合含水量的变化，计算当前时刻步长内比表面积的增长量，推导得到当前时刻的目标比表面积；[0014] 构建模块，配置为根据不同时刻下的目标比表面积以及黑碳浓度构建吸光性杂质?反照率动态演化模型；[0015] 耦合模块，配置为根据吸光性杂质?反照率动态演化模型输出的反照率为纽带，耦合至增强型度日指数模型中，耦合后的增强型度日指数模型的表达式为：[0016] ，[0017] 式中，Msnow/ice为雪冰消融量（mm）；TFsnow/ice为雪冰度日因子(mm°C?1day?1)；Tair为?2冰面气温（°C）；TT为雪冰消融发生的临界温度（°C）；G为冰川区的日平均太阳辐射（Wm ）；2 ?1 ?1SRF为雪冰消融的辐射消融因子（mmm W day ）；α为冰川表面的反照率；输出模块，配置为根据增强型度日模型计算表面的物质平衡，作为冰川动力模型的输入，冰川动力模型输出得到冰川变化量。[0018] 本申请的基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法及系统，通过已构建的吸光性杂质?反照率动态演化模型与含有增强型度日模型和动力过程的冰川动力模型相耦合，评估历史及未来黑碳排放对冰川变化的定量影响。附图说明[0019] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0020] 图1为本发明一实施例提供的一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法的流程图；[0021] 图2为本发明一实施例提供一个具体实施例的黑碳排放影响冰川变化的评估方法流程图；[0022] 图3为本发明一实施例提供的一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析系统的结构框图。具体实施方式[0023] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0024] 请参阅图1，其示出了本申请的一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法的流程图。[0025] 如图1所示，基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法具体包括以下步骤：[0026] 步骤S101，以比表面积为刻画参数，描述干雪和湿雪变质影响反照率的过程，其中，在干雪变质过程中，雪的目标比表面积表达为雪温与雪龄的对数关系；在湿雪变质过程中，根据前一时刻的比表面积结合含水量的变化，计算当前时刻步长内比表面积的增长量，推导得到当前时刻的目标比表面积。[0027] 在干雪变质过程中，计算比表面积的表达式为：[0028] ，（1）[0029] 式中， 为初始新雪比表面积， 为雪温，为降雪后日数。[0030] 在湿雪变质过程中，计算当前时刻雪的光学半径的表达式为：[0031] ，（2）[0032] 式中， 为雪的前一时刻的光学半径， 为冰密度， 为前一时刻的比表面积，初始比表面积为已知。[0033] 在湿雪变质过程中，计算不同时刻雪的光学半径的增长量的表达式为：[0034] ，（3）[0035] 式中， 为雪的前一时刻的光学半径，雪的初始光学半径是已知的， 为光学半径的增长量， 、 均为经验系数， 为以质量百分比表示的液态水含量。[0036] 当冰川开始消融时，从干雪条件转变为湿雪条件。模拟初期已知初始比表面积，应用计算当前时刻雪的光学半径的表达式即可获知雪的光学半径，通过计算不同时刻雪的光学半径的增长量的表达式迭代计算可以得到新的目标比表面积。[0037] 计算不同时刻下的比表面积的表达式为：[0038] （4）[0039] 步骤S102，根据不同时刻下的目标比表面积以及黑碳浓度构建吸光性杂质?反照率动态演化模型。[0040] 在根据不同时刻下的目标比表面积以及黑碳浓度构建吸光性杂质?反照率动态演化模型之前，基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析方法还包括，在降雪量大于2cm的情况下，将顶层2cm的新雪设置为顶雪层，剩余的新降雪设置为中间雪层，将老雪层设置为底雪层，在降雪量小于2cm的情况下，直接将原有雪层厚度和新降雪的厚度相加，视为雪层与新降雪均匀混合，根据每个雪层的厚度，黑碳浓度和含水量，均匀混合，并重新计算所有雪层的吸光性杂质浓度和含水量。[0041] 积雪消融时中间雪层首先消耗，如果中间雪层完全消失，则底雪层开始消耗，中间雪层所含黑碳与底雪层均匀混合，当整个雪层的深度小于2cm时，雪层中杂质逐渐与冰川冰表面杂质混合，根据融化量及雪层厚度计算含水量；如果含水量达到最大值，则任何剩余的水渗出到下面的下一层，融化蒸发或升华的雪中包含的杂质均富集于表层雪冰中，而融水中包含的一部分杂质随融化水移除，其余部分则富集于表层雪冰中。具体地，较大的颗：谔(>5μm)通常保留在雪中，而较小颗粒的黑碳杂质(?0.2μm)约10%?30%随融水移除。[0042] 根据冰川消融观测、径流观测及河水中黑碳浓度观测，基于观测的物质平衡计算并率定裸冰融化时黑碳移除系数，基于率定的黑碳移除系数计算迭代模拟在裸冰表面的黑碳富集过程，得到黑碳浓度。[0043] 需要说明的是，采用包含吸光性杂质的反照率模型评估黑碳对反照率的影响。吸光性杂质?反照率动态演化模型为具有物理机制的雪/冰反照率参数化方案，近似由雪冰反照率及由吸光性杂质和太阳高度角引起的反照率变化组成:[0044] ，（5）[0045] 式中， 为冰川表面的反照率， 为雪冰反照率， 为黑碳引起的反照率变化， 为太阳高度角 和 的函数；[0046] 的值是根据比表面积(SSA)计算得到:[0047] ，（6）[0048] 在吸光性杂质?反照率动态演化模型中，黑碳被假定为外部混合在雪粒中，因此反照率的变化可以表示如下：[0049] ，（7）[0050] 为太阳高度角 和 的函数:[0051] ，（8）[0052] 步骤S103，根据吸光性杂质?反照率动态演化模型输出的反照率为纽带，耦合至增强型度日指数模型中。[0053] 在本步骤中，耦合后的增强型度日指数模型的表达式为：[0054] ，（9）[0055] 式中，Msnow/ice为雪冰消融量（mm）；TFsnow/ice为雪冰度日因子(mm°C?1day?1)；Tair为?2冰面气温（°C）；TT为雪冰消融发生的临界温度（°C）；G为冰川区的日平均太阳辐射（Wm ）；2 ?1 ?1SRF为雪冰消融的辐射消融因子（mmmW day）；α为冰川表面的反照率。[0056] 步骤S104，根据增强型度日模型计算表面的物质平衡，作为冰川动力模型的输入，冰川动力模型输出得到冰川变化量。[0057] 在本步骤中，冰川动力模型的表达式为：[0058] ，（10）[0059] 式中， 为截面处冰通量， 为物质平衡， 为冰川横截面宽度， 为截面处流速， 为单位时间。[0060] 综上，本申请的方法，通过已构建的吸光性杂质?反照率动态演化模型与含有增强型度日模型和动力过程的冰川动力模型相耦合，评估历史及未来黑碳排放对冰川变化的定量影响。[0061] 在一个具体实施例中，请参阅图2，通过获取比表面积变化以及黑碳/粉尘浓度构建吸光性杂质?反照率动态演化模型。具体地，黑碳/粉尘浓度通过在线观测、气溶胶、降水及雪冰得到，以及根据沉积后过程得到。接着，将吸光性杂质?反照率动态演化模型进行耦合，得到增强型度日模型，增强型度日模型计算表面的物质平衡，作为冰川动力模型物质平衡的输入，冰川动力模型表述冰川横截面处物质变化为物质平衡和冰通量变化之和，最后，冰川动力模型输出得到冰川变化物质平衡、长度、面积以及体积等。[0062] 请参阅图3，其示出了本申请的一种基于黑碳排放影响冰川变化的定量分析系统的结构框图。[0063] 如图3所示，定量分析系统200，包括描述模块210、构建模块220、耦合模块230以及输出模块240。[0064] 其中，描述模块210，配置为以比表面积为刻画参数，描述干雪和湿雪变质影响反照率的过程，其中，在干雪变质过程中，雪的目标比表面积表达为雪温与雪龄的对数关系；在湿雪变质过程中，根据前一时刻的比表面积结合含水量的变化，计算当前时刻步长内比表面积的增长量，推导得到当前时刻的目标比表面积；[0065] 构建模块220，配置为根据不同时刻下的目标比表面积以及黑碳浓度构建吸光性杂质?反照率动态演化模型；[0066] 耦合模块230，配置为根据吸光性杂质?反照率动态演化模型输出的反照率为纽带，耦合至增强型度日指数模型中，耦合后的增强型度日指数模型的表达式为：[0067] ，[0068] 式中，Msnow/ice为雪冰消融量（mm）；TFsnow/ice为雪冰度日因子(mm°C?1day?1)；Tair为?2冰面气温（°C）；TT为雪冰消融发生的临界温度（°C）；G为冰川区的日平均太阳辐射（Wm ）；2 ?1 ?1SRF为雪冰消融的辐射消融因子（mmmW day）；α为冰川表面的反照率；[0069] 输出模块240，配置为根据增强型度日模型计算表面的物质平衡，作为冰川动力模型的输入，冰川动力模型输出得到冰川变化量。[0070] 应当理解，图3中记载的诸模块与参考图1中描述的方法中的各个步骤相对应。由此，上文针对方法描述的操作和特征以及相应的技术效果同样适用于图3中的诸模块，在此不再赘述。[0071] 通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分的方法。[0072] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

专利地区：甘肃

专利申请日期：2024-08-27

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118821489B