长江流域陆地水储量异常的卫星重力监测与干旱指数对比分析

利用GRACE/GRACE-FO数据对长江流域2003~2021年期间发生的干旱事件进行定量分析,以探究卫星重力监测区域性干旱的可行性。采用3个机构发布的5种GRACE/GRACE-FO数据产品(CSR_SH、JPL_SH、GFZ_SH、CSR_M、JPL_M)反演长江流域陆地水储量异常(TWSA),计算陆地水储量亏损(WSD)和水储量亏损指数(WSDI),结合气象干旱数据(SPI、SPEI、scPDSI)对5种数据产品的结果进行比较,并对2003~2021年长江流域干旱事件进行分析。结果表明,不同机构发布的GRACE/GRACE-FO数据产品对长江流域干旱事件严重等级的划分具有一定差异;WSDI与6个月时间尺度的SPEI相关性最高,相关系数为0.66,与scPDSI相关系数最低为0.54,降水是影响长江流域陆地水储量变化的重要因素;长江流域最严重的干旱事件发生在2019年夏秋季,干旱强度为2.31,持续10个月,水储量累计亏损达到415 Gt,此次干旱事件的WSDI空间分布图显示2019-09干旱最为严重,出现极端干旱区域。WSDI可反映长江流域干旱分布的时空变化,可在监测全球和大尺度区域干旱方面发挥重要作用。

利用GRACE数据研究柴达木盆地区域水储量时空变化及干旱特征

为了进一步研究青藏高原东北部柴达木盆地水储量变化时空分布及其干旱特征,提出一种水储量时空变化及干旱特征分析方法:利用重力恢复与气候实验卫星(GRACE)数据、全球陆面数据同化模型(GLDAS)数据以及中国地面气候资料日值数据集(V3.0)中5个气象站点降水数据,通过500 km高斯滤波和去相关滤波、基于空间约束的区域质量变化估计方法和反距离加权平均法,得到2004—2016年间柴达木盆地水储量变化、相对水储量指数和标准化降水指数(SPI)。研究结果表明:时间分布上,2004—2016年柴达木盆地水储量变化整体呈上升趋势,且在2004—2006年、2007—2012年和2013—2016年3个时间段内分别呈下降—上升—下降趋势,与水文模型GLDAS计算得到的水储量变化趋势基本一致;空间分布上,除11月之外其余月份均有较为明显的南北差异;在相对水储量指数与SPI对比中,相对水储量指数与SPI变化趋势基本相同,不同于SPI指数,相对水储量指数变化幅度更小,且反映柴达木盆地干旱情况较SPI更为准确;通过GRACE监测到柴达木盆地2004—2007年为极端干旱发生状况比较严重的时间段,2006年出现夏伏旱,2015年2月干旱严重,2009年和2013年个别月份出现干旱,与柴达木盆地实际干旱情况一致。

淮河流域陆地水储量与干旱指标分析

基于GRACE卫星数据、MODIS数据和降水数据分析了2003—2016年淮河流域陆地水储量、植被指数和降水的多年时空变化,并探究标准化陆地水储量指数(SWSI)、标准化降水指数(SPI)与条件植被指数(VCI)对流域干旱的指示性。结果表明:淮河流域陆地水储量呈显著下降趋势,降水量微弱下降,植被覆盖率显著上升;SPI与VCI相关性较高,与SWSI变化较为一致;SWSI与SPI指示的不同等级干旱月份数量基本相当,明显小于VCI;SPI对淮河流域历史干旱存在漏报,VCI指示的干旱等级略偏高;SWSI整体表现较为良好,能够有效监测淮河流域旱情。

GRACE与GRACE Follow-On重力卫星数据揭示出的黄河流域2002-2020年干旱特征

研究黄河流域干旱时空变化特征,对认知黄河流域水资源演化规律具有重要意义。本文充分利用GRACE(gravity recovery and climate experiment)与GRACE-FO(GRACE Follow-On)重力卫星在大尺度范围下监测水文信息变化中的优势,基于2002年4月至2020年7月GRACE和GRACE-FO RL06 Mascon数据,计算了黄河流域陆地水储量异常(terrestrial water storage anomaly,TWSA)及对应的水储量亏损赤字(water storage deficit index,WSDI),据此分析了黄河流域上游、中下游干旱事件及其严重性、干旱持续时间、平均与最大水储量赤字等干旱特征,并与其他4种常用干旱指数,标准降水蒸散发指数(standardized precipitation evaporation index,SPEI)、自矫正帕尔默干旱指数(self correct-Palmer drought severity index,sc-PDSI)、标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)和标准化径流指数(standardized runoff index,SRI)识别结果进行了对比分析。研究结果表明:在WSDI识别出的黄河流域上游、中下游分别发生的5期干旱事件及其对应的干旱等级中,存在其他传统干旱指数未识别现象;在黄河流域以往干旱事件识别中,WSDI也展现出了较其他4种传统干旱指数显著的识别优势。相比传统干旱指标多仅依赖于稀疏地表水文监测信息,基于重力卫星监测数据的WSDI干旱指标可在大尺度范围下有效识别出流域干旱特征。

基于SPI和Copula的湟水流域干旱趋势研究

为了研究湟水流域干旱趋势变化,选取该区17个气象站的1959-2006年的日降水数据,计算得到1960-2006年的标准化降水指数,并依据干旱等级和游程理论判定出干旱事件。然后采用Mann-Kendall趋势检验法对各站各月的、干旱历时以及干旱严重程度序列进行趋势分析,最后选用Archimedean Copula函数族的3种常用函数联合干旱历时和干旱严重程度序列,优选出拟合最佳的Copula函数构造两者的联合分布,并计算中度干旱和重度干旱情境下的联合重现期。从时间尺度上分析,湟水流域年内湿润化趋势集中在6-9月,干旱化趋势集中在12月到次年3月,出现了干旱的季节更干旱,湿润的季节更湿润的两极化情况,可能会加重流域的夏旱严重程度。在空间分布上看,整体上湟水流域东南部的干旱风险要高于西北部,并且低等程度的干旱在流域东南部发生可能性增大。

气象、水文和社会经济干旱的特征与响应关系

为研究社会经济干旱发生规律以及与气象水文干旱的关系,提出了一种识别社会经济干旱事件的新方法—标准化供需水指数(SSDWI),以鉴江流域为例,利用1960—2016年逐月降水、气温以及径流数据,使用标准化降水蒸散指数(SPEI)和径流干旱指数(SDI)表征气象水文干旱事件,探讨三种干旱之间的响应关系。结果表明:(1)SSDWI能较好地表征社会经济干旱事件,社会经济干旱主要发生在春季和秋季,干旱历时较长;气象干旱与水文干旱主要发生在秋季与冬季,干旱历时较短;(2)水文干旱与社会经济干旱具有紧密的相关性,水文干旱滞后于气象干旱1个月;社会经济干旱滞后于水文干旱1个月,滞后于气象干旱2个月。

基于GRACE重力卫星数据的珠江流域干旱监测

为探究重力恢复和气候试验任务(Gravity Recovery and Climate Experiment mission,GRACE)卫星数据在干旱研究中的应用潜力,该研究采用基于GRACE重力卫星数据的无量纲的标准化水储量赤字干旱指数(Water Storage Deficit Index,WSDI)对珠江流域2002-2017年进行干旱监测,通过将其和常用干旱指数与实际干旱质心轨迹进行对比,评估其在珠江流域的干旱监测效用。研究结果表明:1)2002-2017年期间,WSDI监测到的旱情与实际发生的旱情基本一致,GRACE重力卫星数据能捕捉到干旱事件的发生、发展和消亡以及其干旱特征;2)WSDI的时间变化及其对气候异常的响应与常用干旱指数吻合良好,具有有着较强的相关性,且能反映研究区长期的综合水分变化。除了SPI-3与SPEI-3外,其他常用干旱指数与WSDI的相关系数都在0.665以上,其中scPDSI相关指数最高,为0.803;3)WSDI与常用干旱指数在空间上描述的干旱事件的干旱质心轨迹基本一致,都能大致反映出了大范围干旱事件的干旱质心从东往西移动的现象。WSDI能从时间和空间上刻画出研究区水文干旱的演变规律,适用于大尺度水文干旱的监测与评估,具有明显的优势和应用潜力。

基于GRACE重力卫星数据监测分析贵州干旱特征

基于GRACE重力卫星数据,采用改进的组合高斯滤波法和尺度因子法提高数据精度,利用陆地水储量变化原理反演贵州2003-08~2013-07的水储量变化量,并将计算的相对水储量指数作为干旱指标,提出运用游程理论基于相对水储量指数识别干旱历时和干旱烈度,监测分析贵州干旱特征。结果表明,基于GRACE卫星数据获得的相对水储量指数与SPI3变化趋势基本一致;GRACE卫星监测到2003-08~2013-07贵州每年都有干旱事件发生,历时最短为1个月,其中历时≥3个月的干旱事件共9次;干旱强度较大的事件发生在2003~2006年和2009~2011年,其中2006年和2011年水储量亏损较严重,与贵州实际的干旱情况相吻合。

利用GRACE时变重力场数据监测长江流域干旱

利用2003-01~2014-12 CSR和JPL的RL06 Mascon解、RL06球谐系数(SH)解及level-3等6种GRACE时变重力场模型数据和GPM数据产品,分别计算长江流域的水储量和降雨变化,并利用广义三角帽方法分析GRACE数据的不确定性,同时计算水储量亏损指数(WSDI),以监测和分析长江流域干旱的时空特征,并与改进的帕默尔指数(scPDSI)进行对比。结果表明:目前在反演水储量变化方面,Mascon方法的不确定性小于球谐系数法,JPL_M、CSR_M、CSR_L3、JPL_L3、CSR_SH和JPL_SH的具体不确定性分别为3.51 mm、3.78 mm、5.45 mm、9.87 mm、9.12 mm及10.71 mm;降雨是影响长江流域水储量变化的重要因素,两者的相关系数达0.67,同时两者都具有明显的季节性变化;水储量亏损指数探测到2003-01~2014-12长江流域共历经6次干旱事件,最长时间的干旱始于2003-02,持续24个月;最严重的干旱发生于2006年春季和2011年夏季,强度分别为2.15和1.97;平均水储量亏损指数的空间分布表明,2006-07~2007-06几乎整个长江流域都处于干旱状态,而2011-03~11干旱主要集中于长江流域下游、中游和上游东南地区。

GRACE重力卫星监测新疆干旱特征

新疆地处亚欧大陆中部,远离海洋,对全球变化响应敏感。文中利用GRACE重力卫星数据反演得到整个新疆地区的区域月均水储量变化量,基于该水储量变化数据,得到区域旱涝指标-相对水储量指数。利用相对水储量指数对新疆2002年8月-2013年7月的干旱情况进行了分析,研究结果表明：GRACE方法反演的干旱特征与标准化降水指数（SPI）的结果基本一致;新疆2002年8月-2013年7月期间共发生了7次干旱事件,其中2008.04-2009.12干旱程度最严重,与近十年新疆干旱灾害实际情况相符合。GRACE为干旱监测提供了一种新的方法,具有良好的应用前景。

利用多波段遥感干旱监测方法研究

目前对大尺度、复杂地表覆盖类型的区域干旱监测研究仍然是一个难点。文中尝试选择近红外、短波红外、热红外波段组合成新的干旱指数,并选取甘肃定西市、庆阳市、平凉市、宁夏固原市等为研究区。在比较各种不同的干旱指数优缺点的基础上,采用MODIS 1B数据的第2,6波段和LST(Land Surface Tempera-ture)产品合成多波段干旱指数。并用降雨量计算SPI(Standardized Precipitation Index),以及日均相对湿度与多波段干旱指数进行全面比较。结果发现在干旱年份,该指数与气象数据有较好的相关性,说明其在大尺度、较复杂地表覆盖类型区域旱灾监测有一定前景。