一種基于重力衛星的干旱指數構建及分析方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于重力衛星的干旱指數構建及分析方法。該方法包括：步驟一、重力衛星觀測數據預處理；步驟二、區域平均陸地總水量變化過程提取；步驟三、區域陸地總水量空間分布計算；步驟四、區域陸地總水量標準化處理；步驟五、計算并分析基于重力衛星的干旱指數總水量異常指數時間序列及空間分布。本發明構建的干旱指數能有效反映陸地總水量的季節性和年際變化規律，科學揭示了干旱的成災過程；考慮了干旱歷時的致災機制，能有效反映前期嚴重干旱對后期災情的影響機理，突破了資料匱乏地區或無資料地區干旱監測與評估中存在的科學瓶頸問題。
【專利說明】一種基于重力衛星的干旱指數構建及分析方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于重力衛星的干旱指數構建與分析方法，尤其涉及一種基于GRCAE重力衛星數據反演的陸地總水量構建能夠反映干旱歷時影響的干旱指數的方法，屬于重力場觀測與水文學研究相結合的交叉學科【技術領域】。
【背景技術】
[0002]干旱是全世界范圍內影響社會經濟可持續發展的重大自然災害之一，具有持續時間長、影響范圍廣、影響領域多等特點。干旱定義及強度分類沒有統一的標準，不同干旱指標由于其構建目的、所依賴的水文輸入數據及計算方法不同而各有其優缺點及適用性。
[0003]例如:
[0004](I)、標準降雨指數(SPI)適用于研究不同時間尺度的干旱，計算穩定，對干旱反應較靈敏，但由于沒有考慮蒸散發水分支出，故不能反映異常高溫對干旱的加劇作用。
[0005](2)、帕爾默干旱指數(PDSI)同時考慮了水分供給(降水)和水分支出(潛在蒸散發)，可以反映干旱的程度以及干旱歷時。
[0006](3 )、水文干旱指數(HDI)利用地表徑流和水庫、河道水位等來構建干旱指標，由于缺乏流域土壤含水量、地下水埋深等實測數據，并不能很好地代表區域的整體情況。
[0007]因此，在實際應用中，上述三種指數都嚴重受到資料匱乏的限制和影響，其科學性、正確性、實時性大打折扣。
[0008]由于人財物能力限制，全世界很多地區土壤含水量、地下水埋深等實測水文資料都非常匱乏，嚴重制約了水資源的科學與合理利用，影響了社會經濟的可持續發展。美國宇航局(NASA)和德國空間飛行中心(DLR)聯合開發的GRACE重力衛星計劃有效解決了大范圍、長時段陸地水資源儲量變化監測的科學難題，為研究氣候變化條件下全球或區域陸地水資源儲量變化提供了有力的數據支撐。
[0009]雖然，GRACE陸地水資源儲量已被科學家應用于干旱監測評估研究。然而，目前基于GRACE陸地水資源儲量的干旱指數國內外未見報道。因此，缺乏一個科學合理的量化指標來實現水資源和干旱的大范圍、長時段實時監測和分析比較。
【發明內容】
[0010]本發明所要解決的技術問題是利用GRACE重力衛星數據，提出一種干旱指數構建和分析方法，能夠從GRACE重力衛星觀測的地球重力場模型中反演研究區陸地總水量變化過程，能快速實現廣大資料匱乏或無資料地區的干旱監測，拓展重力場觀測技術在陸地水資源及水旱災害事件研究中的應用空間，填補無資料地區干旱監測的時空盲區，顯著提高資料匱乏地區的干旱監測科學水平。
[0011]本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案:
[0012]一種基于重力衛星的干旱指數構建及分析方法，具體包括如下步驟:
[0013]步驟I，對GRACE重力衛星觀測數據進行預處理；[0014]步驟2，從各月重力場模型中提取研究區平均陸地總水量變化過程；
[0015]步驟3，計算研究區陸地總水量空間分布；
[0016]步驟4，對陸地總水量進行歸一化處理消除總水量季節性循環及地區差異的影響，具體為:
[0017]對研究時段內各月總水量扣除該月總水量同期平均值，得到該月總水量異常值，計算各月總水量異常對該月總水量變幅的比值，得到總水量異常百分比PTSA，計算公式如下:
【權利要求】
1.一種基于重力衛星的干旱指數構建及分析方法，其特征在于，具體包括如下步驟: 步驟IjfGRACE重力衛星觀測數據進行預處理； 步驟2，從各月重力場模型中提取研究區平均陸地總水量變化過程； 步驟3，計算研究區陸地總水量空間分布； 步驟4，對陸地總水量進行歸一化處理消除總水量季節性循環及地區差異的影響，具體為: 對研究時段內各月總水量扣除該月總水量同期平均值，得到該月總水量異常值，計算各月總水量異常對該月總水量變幅的比值，得到總水量異常百分比PTSA，計算公式如下:
2.根據權利要求1所述的基于重力衛星的干旱指數構建及分析方法，其特征在于，所述步驟I中對GRACE重力衛星觀測數據進行預處理依次包括: (1)數據的低階項校正:使用衛星激光測距觀測得到的C2tl項對GRACE重力位模型的Cm項進行替換； (2)去條帶濾波:使用5階多項式，對各月重力場模型8次以上各階系數進行多項式擬合去除聞階項相關誤差； (3)高斯平滑濾波:使用平滑半徑為200km的各項同性高斯平滑濾波器，去除GRACE重力場模型高階項誤差的影響。
3.根據權利要求1所述的基于重力衛星的干旱指數構建及分析方法，其特征在于，所述步驟2是采用核函數法從各月重力場模型中提取研究區平均陸地總水量變化過程，其中基于核函數的研究區平均陸地總水量變化過程提取公式為:
4.根據權利要求1所述的基于重力衛星的干旱指數構建及分析方法，其特征在于，步驟3所述計算研究區陸地總水量空間分布，其計算公式為:
【文檔編號】G06F19/00GK103678885SQ201310597397
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月22日 優先權日:2013年11月22日
【發明者】楊濤, 王超, 何祺勝, 師鵬飛, 王曉燕, 周旭東, 李振亞, 段衍衍, 李曉麗, 劉鵬 申請人:河海大學