基于重力卫星的四川省干旱事件特征研究_崔立鲁.pdf

第 卷 第 期 年 月 成都大学学报（自然科学版）（）文章编号：（）：收稿日期：基金项目：武汉引力与固体潮国家野外科学观测研究站开放研究基金资助课题（）；成都大学大学生创新训练计划孵化培育项目（、）作者简介：崔立鲁（），男，博士，副教授，从事卫星重力水文应用研究：基于重力卫星的四川省干旱事件特征研究崔立鲁，何明睿，罗川江，朱承康，殷茂乔（成都大学 建筑与土木工程学院，四川 成都）摘 要：利用基于重力卫星时变重力场模型的严重干旱指数的干旱特征评估法研究了 年四川省发生的干旱事件并对干旱事件的持续时间、严重程度及峰值等干旱特征进行了量化分析 结果表明，在研究时间段内四川省共计发生了 次干旱事件，其中干旱严重程度较高的 次干旱事件分别发生在 年 月至 年 月和 年 月至 年 月 次干旱事件分别持续了 个月和 个月，干旱严重程度分别为 和 前者主要发生在四川省的东北部地区，而后者则主要发生在四川省西南部地区 基于重力卫星数据的干旱评估方法可以有效地探测到四川省干旱事件的发生，并能对干旱事件特征进行准确量化关键词：重力卫星；干旱事件；干旱特征；干旱指数中图分类号：文献标志码：引 言 干旱是一种严重的自然灾害，随着全球变暖，世界各地干旱事件频发，其发生频率和严重程度也越来越高 干旱特征主要包括干旱持续时间、干旱严重程度、干旱峰值和干旱受灾面积 实现干旱特征的精确量化对于干旱灾害的早期预警、减少灾害损失和灾后重建等具有非常重要的意义重力恢复与气候实验（）卫星及其后续计划（）是由美国国家航空航天局和德国太空中心联合开发的 其中，卫星已于 年 月发射升空，年 月完成任务；卫星于 年 月成功发射，并运行至今 这两项卫星任务能够探测到包括从地球表面到最深层含水层的陆地水储量变化（），包括地表水、积雪、土壤水和地下水等 因此，相对于传统干旱指数，基于 的干旱指数能够从陆地水循环的角度更全面地反映干旱的实际情况 等利用基于 的总水储量亏损指数表征 年加拿大喀彻温河流域的干旱事件，给出了该流域 长期变化趋势 等构建了基于 的水文干旱指数，并用于监测 年美国地区的干旱事件 结果表明，该干旱指数与帕默尔干旱指数（）具有良好的一致性，能够有效地监测美国地区的干旱事件 等提出了一种基于 的干旱严重指数（），并监测到 年的全球主要干旱事件 结果表明，该干旱指数的探测结果与传统干旱指数在时变变化上具有高度的一致性 冉红艳等采用 分析了 年夏秋季长江中下游地区发生的严重干旱事件，并对其干旱强度和时空分布情况进行了研究 结果表明，能够很好地表征 年长江中下游地区的干旱事件进展，并与传统干旱指数具有良好的吻合性 虽然上述研究都验证了基于 的干旱指数在监测区域干旱事件上的可靠性和可行性，但是并没有对干旱特征进行有效的量化四川省是我国重要的工农业生产基地，也是长江上 游 的 人 口 和 经 济 大 省 本 研 究 采 用 基 于 的干旱评估方法对四川省近 年以来的干旱事件特征进行量化分析 同时，利用自校准（）和标准化降水蒸散指数（）对 探测区域干旱事件的可靠性和可行性进行验证 干旱根据性质一般可以分为气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱，由于本研究中 数据反演的是陆地水储量变化，因此本研究中的干旱特指水文干旱 研究区域概况四川省（见图）位于我国西南地区，地处长江上游，总面积 万平方千米，其地理位置在北纬，东经 之间 四川省地貌东西差异巨大，全境主要由山地、丘陵、平原、盆地和高原构成 截至 年底，四川省常住人口为 万人，年四川省地区生产总值为 亿元 四川省是我国西部工业门类最齐全，优势产品最多，实力最强的工业基地 四川省农作物种植面积 万亩，其中粮食作物 万亩左右34N30N26N100E104E108E5 0004 0003 0002 0001 0000海拔高度/m图 四川省数字地形图 数据与方法 实验数据介绍 数据本研究采用由美国得克萨斯州立大学奥斯丁分校空间研究中心提供的 年 月至 年 月 时变重力场模型对四川省 进行反演，其球谐系数截断至 阶 该模型 扣 除 了 潮 汐、大 气 和 海 洋 质 量 变 化 的 影响 由于受到地心运动和卫星轨道的影响，该时变重力场模型球谐系数的一阶项和 系数存在着较大的误差，因此分别采用 等的成果和卫星激光测距仪的 系数对其进行替换同时，由于 和 计划之间存在着 个月的数据空白期，本研究采用由国家青藏高原科学数据中心提供的“中国区域基于降水重构陆地水储量变化数据集（年）”填补上述空白 传统干旱指数本研究采用的传统干旱指数分别为 和 其中，年 全球 格网数据由东英吉利大学气候研究所提供，相对于传统 数据，其考虑了全球范围内气候变化的长期趋势变化，因此更适合用于全球范围内的干旱事件研究；年 全球 格网数据由东英吉利大学气候研究所提供，其是基于标准化降水指数的基本原理通过计算不同时间尺度上的降水量和潜在蒸发量之间的累积差异综合得到的 数据分为、和 个月的 种不同时间尺度，分别代表气象、农业和水文干旱 因此，不同时间尺度上的 数据可用于监测不同类型的干旱事件 而本研究采用的 和 格网数据的时间跨度均为 年 月至 年 月 纳什效率系数在水文学中，纳什效率系数被广泛地应用于对观测和模拟数据之间的相互比较，其具体表达式为，()()，()（）式中，为纳什效率系数，是某一种观测数据序列，是另一种模拟数据序列，是观测时间序列的平均值，为观测序列和模拟序列的观测值个数 的数值范围为 意味着 种序列完美符合；则表示模拟数据序列与观测数据的匹配较好，可以接受；则说明模拟数据很差，不能使用 数据处理方法球谐系数法计算 的表达式 为，()?()（）（）（）式中，为等效水高（也即）；和 分别为 第 期 崔立鲁，等：基于重力卫星的四川省干旱事件特征研究地心余纬和地心经度；和 分别为球谐系数的阶次数；为地球平均半径，其值为 ；为勒夫数；为水密度，其值为 ；为地球平均密度，其值为 ；和 为重 力 场 球 谐 系 数 相 对 于 背 景 场 的 变 化 量；?()为规格化缔合勒让德函数 本研究采用 年 月至 年 月的球谐系数平均值作为背景场 由于重力场模型球谐系数高频误差和相关误差的影响，采用球谐系数法得到的研究区域内 格网数据结果存在着显著的南北条带误差，因此，本研究采用 滤波加上 滤波对上述误差进行处理随后通过对球谐系数法得到的 格网数据进行标准化得到研究区域内 格网数据，其计算公式为，（）式中，为第 年的第 月的，其中，和 分别为所有第 月 的平均值和方差 当 连续 个月 ，且受灾面积比 时，则认为干旱事件发生了 而干旱严重程度的公式为，?（）式中，为某一干旱事件的严重程度，?为发生干旱事件期间 的平均值，为干旱事件持续的时间 结果与分析 的验证图 给出了四川省 年 种干旱指数的时间序列 由图可知，种干旱指数时间序列具有一致的趋势变化 由于不存在干旱指数的真值，因为无法对 的精度进行评估，因此综合 种传统干旱指数，以相关系数和纳什效率系数作为指标，评估了 的适用性 本研究采用 点平滑对 种干旱指数进行处理，然后分别计算了他们相互之间的相关系数（见表）由表可知，与其他干旱指数之间的相关系数均大于 ，这说明 与其他干旱指数均为强相关 上述干旱指数中，与 相关性最强的是，两者的相关系数为 ；其次是，两者的相关系数为 ；接着是，两者的相关系数为 ；最弱的是，两者的相关系数为 另外，与、和 的纳什效率系数分别为 、和 上述结果表明，与 种传统干旱指数具有很好的一致性，也验证了 在四川省探测干旱事件的可靠性和有效性由图 还可以看出，种干旱指数之间存在着差异，这是由于、和 种干旱指数采用的计算数据不同所造成的，是基于整个陆地水储量变化，而 和 在计算过程中分别采用的是降水和土壤水，降水和蒸散发GRACE-DSI210-1-2干旱指数2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022时间/年scPDSISPEI-3SPEI-6SPEI-12图 四川省干旱指数时间序列表 四川省各干旱指数之间的相关系数和纳什效率系数干旱指数相关系数纳什效率系数 四川省干旱事件监测本研究对 年 月至 年 月四川省干旱指数时间序列进行分析，以确定研究时间段内干旱事件的发生次数及对干旱事件的特征进行量化，结果如图 和表 所示 由图表可知，在研究时间段内四川省共计发生了 次干旱事件，其中，在 年近 年的时间内接连发生了 次干旱事件 而严重程度较高的 次干旱事件分别发生在 年 月至 年 月和 年 月至 年 月 年 月至 年 月干旱事件的严重程度为 ，在此次干旱事件期间 峰 值 出 现 在 年 月，其 值 为成都大学学报（自然科学版）第 卷 ，受灾面积比最高时达到了 ；年 月至 年 月干旱事件持续时间达到了 个月，其严重程度为 ，而此次干旱事件的 峰值为 ，出现在 年 月，受灾面积比最高时达到了 而 年 月至 年 月的干旱事件是受灾面积最多的一次，其最高峰时受灾面积比达到了 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020时间/年-20-15-10-5000.51.01.52.0干旱严重程度干旱面积比图 四川省 年干旱事件表 四川省 年干旱事件特征信息统计干旱时段持续时间 月干旱面积比峰值平均值严重程度峰值 平均值 累积值 是否与本地干旱数据相符 是 是 是 是 是 是 是 为了进一步研究区域干旱事件的影响，本研究随机选取了 次不同严重程度的干旱事件进行分析，分别为 年 月至 年 月、年 月至 年 月和 年 月至 年 月 图 图 分别给出 次干旱事件的干旱严重程度和干旱发生月份数的空间分布图 由图（）可知，本次干旱事件主要发生在四川省的中东部地区，尤其是东北部 四川省东北部地区的干旱严重程度均大于，而其他干旱地区的干旱严重程度大约为 而在四川省西南部分地区干旱严重程度在 以上，说明该区域并没有受到本次干旱事件的影响 由图（）可知，受到本次干旱事件影响时间最长的主要集中在四川省东部，其中东北部地区的干旱月份达到了 个月 而在四川省西南部地区其干旱月份基本上为，也就是说，该区域没有发生干旱 通过比较图（）和图（）可以发现，个图的旱情分布情况基本一致 由图（）可知，本次干旱事件最严重的区域是四川省西南部地区，其干旱严重程度均大于；在中部和南部地区也受到了不同程度的干旱灾害影响，其干旱严重程度在 左右 而在北部地区基本上没有受到干旱灾害的影响，其干旱严重程度均大于 由图（）可知，干旱月份数的空间分布与干旱严重程度基本一致 在四川省北部地区35N30N25N100E104E108E200-20-40-60（A）干旱严重程度干旱严重程度100E104E108E（B）干旱发生月份数108642035N30N25N干旱月份/个图 四川省 年 月至 年 月干旱事件特征空间分布干旱月份数基本上为，而干旱月份数较多的区域主要集中在四川省南部地区，且从东北往西南，干旱月份逐渐增多 第 期 崔立鲁，等：基于重力卫星的四川省干旱事件特征研究干旱严重程度干旱月份/个35N30N25N100E104E108E（A）干旱严重程度100E104E108E（B）干旱发生月份数12108642035N30N25N100-10-20-30-40-50图 四川省 年 月至 年 月干旱事件特征空间分布 由图（）可知，本次干旱最严重的区域出现在四川省西北部，但是干旱严重程度最大也只有，且分布面积较小 而在四川省东南部的小部分地区基本上没有干旱 由图（）可知，干旱月份数的分布与干旱严重程度的分布基本一致，均为从西北到东南逐渐减少综合上述 次干旱事件的分析可知，可以有效地监测和量化四川省的干旱事件35N30N25N100E104E108E（A）干旱严重程度0-5-10-15-20干旱严重程度100E104E108E（B）干旱发生月份数642035N30N25N干旱月份/个图 四川省 年 月至 年 月干旱事件特征空间分布 结 论本文利用 时变