一种基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法

本发明涉及一种干旱监测方法，尤其涉及一种基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法。

背景技术：

1、干旱是一种多发的极端气候事件，同时也是最具破坏性的自然灾害之一。频繁发生的干旱灾害会给生态环境、农业生产、经济活动、社会民生等带来严重影响。现有用于监测干旱强度的干旱指数包括多种，如（1）标准化降水指数（ spi），仅能反映大气降水供应的短缺引起的干旱变化；（2）标准化降水蒸散发指数（ spei），需要估算潜在蒸散发（ pet），但是潜在蒸散发存在多种算法，不同算法差异很大，导致潜在蒸散发具有非常大的不确定性；（3）标准化土壤湿度指数（ ssmi），仅需要土壤湿度观测数据，但是目前观测稀少、时间和空间连续性差，此外，观测仪器安装和维护成本高。

2、上述干旱指数的具体算法方案如下：

3、（1）标准化降水指数（ spi）：，其中， p为月累积降水时间序列，为各个月份 p的多年平均值，为各个月份 p的多年标准差。 spi指数仅能反映大气降水供应的短缺引起的干旱变化。需要指出的是，实际应用中由于降水数据只要服从伽玛（gamma）分布， spi是由服从伽玛分布的函数拟合降水的时间序列并进行标准化后得到。

4、（2）标准化降水蒸散发指数（ spei）：

5、或

6、其中，，为降水p和潜在蒸散发 pet的差值。而 f为 d时间序列服从log-logistic分布的拟合函数：

7、，

8、其中，为参数；该指数算法需要估算潜在蒸散发（ pet），但是潜在蒸散发存在多种算法，不同算法差异很大，导致潜在蒸散发具有非常大的不确定性。

9、（3）标准化土壤湿度指数（ ssmi）：

10、，

11、其中， sm为土壤湿度时间序列；和分别为sm的均值和标准差；该指数算法仅用土壤湿度一个变量作为输入，计算简单，但土壤湿度的观测稀少，因此，该指数在时间和空间的适用性都受到限制。

技术实现思路

1、为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明提供了一种基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法。

2、为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法，包括以下流程：

3、s1、获取基于重力卫星遥感反演的陆地水储量的原始时间序列数据集；

4、s2、依据某一时间尺度的干旱监测应用需求，计算该时间尺度上陆地水储量变化的滑动平均时间序列；

5、s3、由不同时间尺度上陆地水储量变化的滑动平均时间序列计算出对应时间尺度的标准化陆地水储量指数 stwsi；

6、s4、依据计算所得的标准化陆地水储量指数，进行干旱监测情况判断。

7、进一步地，步骤s1中，所获取的重力卫星遥感反演数据包括但不限于grace或grace-fo tws时间序列数据。

8、进一步地，步骤s2中，某一时间尺度 n的陆地水储量变化的滑动平均时间序列 twsa由原始陆地水储量的时间序列 tws在该时间尺度上的滑动平均计算得到，如公式所示：

9、,

10、其中， twsa为某一陆地区域上某一时间尺度的陆地水储量变化的滑动平均时间序列； tws为原始陆地水储量的时间序列。

11、进一步地，步骤s3中，标准化陆地水储量指数 stwsi的指数表征公式为：

12、,

13、其中，或为在某一时间尺度的时间序列服从广义极值分布的拟合函数；为该时间尺度上多年的 g时间序列的平均值；是该时间尺度的 g时间序列的标准差。

14、进一步地，步骤s4中， stwsi小于0，表示陆地地表及地下水含量低于正常值，呈现水分亏缺状态；反之， stwsi大于0，表示陆地地表及地下水含量大于正常值，呈现水分盈余的状态。

15、进一步地，干旱等级分为轻度干旱、中度干旱、重度干旱和极端干旱，不同干旱等级间的分隔点为数据的1σ、1.5σ和2σ，σ为标准差；

16、-1< stwsi≤0，表示轻度干旱；

17、-1.5< stwsi≤-1，表示中度干旱；

18、-2< stwsi≤-1.5，表示重度干旱；

19、 stwsi≤-2，表示极端干旱。

20、本发明公开了一种基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法，利用全新定义的标准化陆地水储量指数实现水文、地下水、农业或生态系统的干旱监测；本发明基于卫星遥感陆地水储量变化表征干旱状况，算法简单，参与计算的观测数据易获取，能更准确地描述湖泊、农田、森林、草地等陆地生态系统中发生的干旱严重程度。

技术特征：

1.一种基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法，其特征在于：包括以下流程：

2.根据权利要求1所述的基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法，其特征在于：步骤s1中，所获取的重力卫星遥感反演数据包括但不限于grace或grace-fo tws时间序列数据。

3.根据权利要求1所述的基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法，其特征在于：步骤s2中，某一时间尺度n的陆地水储量变化的滑动平均时间序列twsa由原始陆地水储量的时间序列tws在该时间尺度上的滑动平均计算得到，如公式所示：

4.根据权利要求3所述的基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法，其特征在于：步骤s3中，标准化陆地水储量指数stwsi的指数表征公式为：

5.根据权利要求1所述的基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法，其特征在于：步骤s4中，stwsi小于0，表示陆地地表及地下水含量低于正常值，呈现水分亏缺状态；反之，stwsi大于0，表示陆地地表及地下水含量大于正常值，呈现水分盈余的状态。

6.根据权利要求5所述的基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法，其特征在于：干旱等级分为轻度干旱、中度干旱、重度干旱和极端干旱，不同干旱等级间的分隔点为数据的1σ、1.5σ和2σ，σ为标准差；

技术总结
本发明公开了一种基于标准化陆地水储量指数的干旱遥感监测方法，包括以下流程：S1、获取基于重力卫星遥感反演的陆地水储量的原始时间序列数据集；S2、依据某一时间尺度的干旱监测应用需求，计算该时间尺度上陆地水储量变化的滑动平均时间序列；S3、由不同时间尺度上陆地水储量变化的滑动平均时间序列计算出对应时间尺度的标准化陆地水储量指数STWSI；S4、依据计算所得的标准化陆地水储量指数，进行干旱监测情况判断。本发明利用全新定义的标准化陆地水储量指数实现水文、地下水、农业或生态系统的干旱监测，基于卫星遥感陆地水储量变化表征干旱状况，算法简单，参与计算的观测数据易获取，能更准确地描述干旱严重程度。

技术研发人员：张选泽,任婵月,田静,郑玉峰,苗平,田小强,张永强
受保护的技术使用者：中国科学院地理科学与资源研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15