一种基于重力卫星的干旱指数构建及分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于重力卫星的干旱指数构建及分析方法。该方法包括：步骤一、重力卫星观测数据预处理；步骤二、区域平均陆地总水量变化过程提取；步骤三、区域陆地总水量空间分布计算；步骤四、区域陆地总水量标准化处理；步骤五、计算并分析基于重力卫星的干旱指数总水量异常指数时间序列及空间分布。本发明构建的干旱指数能有效反映陆地总水量的季节性和年际变化规律，科学揭示了干旱的成灾过程；考虑了干旱历时的致灾机制，能有效反映前期严重干旱对后期灾情的影响机理，突破了资料匮乏地区或无资料地区干旱监测与评估中存在的科学瓶颈问题。
【专利说明】一种基于重力卫星的干旱指数构建及分析方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于重力卫星的干旱指数构建与分析方法，尤其涉及一种基于GRCAE重力卫星数据反演的陆地总水量构建能够反映干旱历时影响的干旱指数的方法，属于重力场观测与水文学研究相结合的交叉学科【技术领域】。
【背景技术】
[0002]干旱是全世界范围内影响社会经济可持续发展的重大自然灾害之一，具有持续时间长、影响范围广、影响领域多等特点。干旱定义及强度分类没有统一的标准，不同干旱指标由于其构建目的、所依赖的水文输入数据及计算方法不同而各有其优缺点及适用性。
[0003]例如:
[0004](I)、标准降雨指数(SPI)适用于研究不同时间尺度的干旱，计算稳定，对干旱反应较灵敏，但由于没有考虑蒸散发水分支出，故不能反映异常高温对干旱的加剧作用。
[0005](2)、帕尔默干旱指数(PDSI)同时考虑了水分供给(降水)和水分支出(潜在蒸散发)，可以反映干旱的程度以及干旱历时。
[0006](3 )、水文干旱指数(HDI)利用地表径流和水库、河道水位等来构建干旱指标，由于缺乏流域土壤含水量、地下水埋深等实测数据，并不能很好地代表区域的整体情况。
[0007]因此，在实际应用中，上述三种指数都严重受到资料匮乏的限制和影响，其科学性、正确性、实时性大打折扣。
[0008]由于人财物能力限制，全世界很多地区土壤含水量、地下水埋深等实测水文资料都非常匮乏，严重制约了水资源的科学与合理利用，影响了社会经济的可持续发展。美国宇航局(NASA)和德国空间飞行中心(DLR)联合开发的GRACE重力卫星计划有效解决了大范围、长时段陆地水资源储量变化监测的科学难题，为研究气候变化条件下全球或区域陆地水资源储量变化提供了有力的数据支撑。
[0009]虽然，GRACE陆地水资源储量已被科学家应用于干旱监测评估研究。然而，目前基于GRACE陆地水资源储量的干旱指数国内外未见报道。因此，缺乏一个科学合理的量化指标来实现水资源和干旱的大范围、长时段实时监测和分析比较。
【发明内容】
[0010]本发明所要解决的技术问题是利用GRACE重力卫星数据，提出一种干旱指数构建和分析方法，能够从GRACE重力卫星观测的地球重力场模型中反演研究区陆地总水量变化过程，能快速实现广大资料匮乏或无资料地区的干旱监测，拓展重力场观测技术在陆地水资源及水旱灾害事件研究中的应用空间，填补无资料地区干旱监测的时空盲区，显著提高资料匮乏地区的干旱监测科学水平。
[0011]本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案:
[0012]一种基于重力卫星的干旱指数构建及分析方法，具体包括如下步骤:
[0013]步骤I，对GRACE重力卫星观测数据进行预处理；[0014]步骤2，从各月重力场模型中提取研究区平均陆地总水量变化过程；
[0015]步骤3，计算研究区陆地总水量空间分布；
[0016]步骤4，对陆地总水量进行归一化处理消除总水量季节性循环及地区差异的影响，具体为:
[0017]对研究时段内各月总水量扣除该月总水量同期平均值，得到该月总水量异常值，计算各月总水量异常对该月总水量变幅的比值，得到总水量异常百分比PTSA，计算公式如下:
【权利要求】
1.一种基于重力卫星的干旱指数构建及分析方法，其特征在于，具体包括如下步骤: 步骤IjfGRACE重力卫星观测数据进行预处理； 步骤2，从各月重力场模型中提取研究区平均陆地总水量变化过程； 步骤3，计算研究区陆地总水量空间分布； 步骤4，对陆地总水量进行归一化处理消除总水量季节性循环及地区差异的影响，具体为: 对研究时段内各月总水量扣除该月总水量同期平均值，得到该月总水量异常值，计算各月总水量异常对该月总水量变幅的比值，得到总水量异常百分比PTSA，计算公式如下:
2.根据权利要求1所述的基于重力卫星的干旱指数构建及分析方法，其特征在于，所述步骤I中对GRACE重力卫星观测数据进行预处理依次包括: (1)数据的低阶项校正:使用卫星激光测距观测得到的C2tl项对GRACE重力位模型的Cm项进行替换； (2)去条带滤波:使用5阶多项式，对各月重力场模型8次以上各阶系数进行多项式拟合去除闻阶项相关误差； (3)高斯平滑滤波:使用平滑半径为200km的各项同性高斯平滑滤波器，去除GRACE重力场模型高阶项误差的影响。
3.根据权利要求1所述的基于重力卫星的干旱指数构建及分析方法，其特征在于，所述步骤2是采用核函数法从各月重力场模型中提取研究区平均陆地总水量变化过程，其中基于核函数的研究区平均陆地总水量变化过程提取公式为:
4.根据权利要求1所述的基于重力卫星的干旱指数构建及分析方法，其特征在于，步骤3所述计算研究区陆地总水量空间分布，其计算公式为:
【文档编号】G06F19/00GK103678885SQ201310597397
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月22日 优先权日:2013年11月22日
【发明者】杨涛, 王超, 何祺胜, 师鹏飞, 王晓燕, 周旭东, 李振亚, 段衍衍, 李晓丽, 刘鹏 申请人:河海大学