我院科研团队在土壤水分产品优化和干旱监测方面取得系列研究成果

868 531

地址：南京市鼓楼区西康路1号

近年来，受全球气候变化和人类活动影响，我国极端干旱事件频发、区域水文过程异常，严重威胁农业安全、水资源调控与生态系统稳定性。土壤水分作为陆地水循环的关键组成部分，直接影响陆-气界面的水热交换过程，是认识气候变化、模拟水文过程及分析极端天气事件不可或缺的关键因子。围绕国家加强自然灾害防控与提升气候适应能力的战略部署，依托《“十四五”国家应急体系规划》对技术支撑的重大需求，我校水文水资源学院吕海深教授与地理遥感学院朱永华教授科研团队，聚焦遥感土壤水分产品的精度提升、缺测重建及干旱识别等核心科学问题，系统开展了多源数据融合、模型优化与方法创新等系列研究，取得了以下创新性成果。

1.      提出了多源土壤水分产品精度检验与降尺度方法优化方案

针对被动微波遥感土壤水分产品存在的精度检验问题，系统评估了多源遥感土壤水分产品在不同气候区的适应性，论证了三重组合和分类三重组合方法在量化土壤水分产品质量中的鲁棒性，进一步探明了误差的可能来源；针对当前根区层土壤水分产品模拟精度不确定性大、量化方法缺乏统一标准的问题，全面量化了气象数据、模型参数化方案差异、验证尺度等因素对根区层土壤水分模拟精度的影响，构建了适用于中国多气候类型区域的长时间序列根区层土壤水分分析模型，显著提升了根区层土壤水分的模拟精度；针对基于土壤蒸发的DISPATCH降尺度方法在蒸发受能量限制地区的适用性不明的问题，通过在淮河流域测试以土壤蒸发效率为因子、泰勒展开法为核心的多种校准模式，提出了适用于能量受限区域的遥感土壤水分降尺度方法优化方案，拓展了其在不同生态环境下的应用潜力。

图1 创新成果一示意图

2.      构建了遥感土壤水分产品缺测数据重建模型

遥感土壤水分产品在像元尺度缺乏精度评估基准的问题，融合原位观测与陆面模式模拟数据，结合人工神经网络方法，构建了具备高空间连续性和时间连续性的高质量基准数据集，有效支撑了网格化土壤水分产品的精度评估与校验；针对现有遥感土壤水分优势产品（如SMAP_L3）存在的时空缺口问题，通过引入遥感实时降水和陆面模式地表温度模拟，辅以静态地表参数，构建了针对遥感土壤水分产品的低延迟缺口数据重建框架，有效提高了遥感土壤水分产品在数据缺测情景下的实时连续性。

图2 创新成果二示意图

3.      构建了多类型干旱识别与评估方法体系

针对已有的骤发性干旱识别方法仅关注时间维度特征，忽略其时空关联性的问题，提出了融合游程理论和迁移追踪法的骤发性干早三维识别方法，综合考虑了骤发性干早的迅速发展期和干旱持续期，使得骤发性干旱的识别过程更加完善；针对滨海流域干旱过程具有滞后性与累积性的问题，构建了集成降水量、蒸发量、径流量、地表温度（LST）、植被指数（NDVI）及盐度等关键因子的沿海干旱指数，首次系统探讨了盐度在干旱形成与演变过程中的响应机制，填补了相关领域的研究空白；针对如何在干湿气候条件下实现可靠准确的区域农业干旱评估的问题，系统构建并比较了多种干旱指数，包括标准化降水指数（SPI）、植被条件指数（VCI）、土壤水分异常指数（SMA）和干旱严重程度指数（DSI），其中通过与中国官方原位干旱信息对比验证，DSI指数表现出较高的敏感性与准确性，具备跨气候区农业干旱识别与监测的应用潜力。

上述研究工作得到了国家自然科学基金项目（41830752、42071022、41571015）和科技部国家重点研发计划（2018YFA0605400）等资助，相关成果发表于《Remote Sensing of Environment》《Hydrology and Earth System Sciences》《Journal of Hydrology》《Agricultural Water Management》《International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation》《Iscience》等期刊，具有重要的科学意义与广阔的应用前景。

图3 创新成果三示意图

代表性文献成果：

[1] Liu En, Lü Haishen, Zhu Yonghua, Bonan Bertrand, Munier Simon, Calvet Jean-Christophe. (2025). Impact of leaf area index assimilation and gauge-corrected precipitation on land surface variables in LDAS-Monde: A case study over China[J]. Journal of Hydrology, :133304.

[2] Zheng Jingyao, Zhao Tianjie, Lü Haishen, Zou Defu, Rodriguez-Fernandez Nemsio, Mialon Arnaud, Richaume Philippe, Xiao Jianshe, Ma Jun , Fan Lei, Song Peilin, Zhu Yonghua, Li Rui, Yao Panpan, Yang Qingqing, Du Shaojie, Wang Zhen, Peng Zhiqing, Xiong Yuyang, Xing Zanpin, Zhao Lin, Kerr Yann, Shi Jiancheng. (2024). Use of a new Tibetan Plateau network for permafrost to characterize satellite-based products errors: An application to soil moisture and freeze/thaw[J]. Remote Sensing of Environment, 300:113899.

[3] Liu En, Zhu Yonghua, Calvet Jean-Christophe, Lü Haishen, Bonan Bertrand, Zheng Jingyao, Gou Qiqi, Wang Xiaoyi, Ding Zhenzhou, Xu Haiting, Pan Ying, Chen Tingxing. (2024). Evaluation of root zone soil moisture products over the Huai River basin[J]. Hydrology and Earth System Sciences, 28(11): 2375-2400.

[4] Xu Haiting, Zhu Yonghua, Yagci Ali Levent, Lü Haishen, Gou Qiqi Gou, Wang Xiaoyi, Liu En, Ding Zhenzhou, Pan Ying, Liu Di, Bah Alhassane. (2023). Development of composite drought indices for the coastal areas of southeastern China: A case study of Jinjiang and Jiulongjiang River basins[J]. Journal of Hydrology, 626: 130210.

[5] Pan Ying, Zhu Yonghua, Lü Haishen, Yagci Ali Levent, Fu Xiaolei, Liu En, Xu Haiting, Ding Zhenzhou, Liu Ruoyu. (2023). Accuracy of agricultural drought indices and analysis of agricultural drought characteristics in China between 2000 and 2019[J]. Agricultural Water Management, 283: 108305.

[6] Wang Xiaoyi, Lü Haishen, T. Crow Wade, Corzo Gerald, Zhu Yonghua, Su Jianbin, Zheng Jingyao, Gou Qiqi. (2023). A reduced latency regional gap-filling method for SMAP using random forest regression[J]. Iscience, 26(1).

[7] Zheng Jingyao, Zhao Tianjie, Lü Haishen, Shi Jiancheng, H. Cosh Michael, Ji Dabin, Jiang Lingmei, Cui Qian, Lu Hui, Yang Kun Yang, Wigneron Jean-Pierre, Li Xiaojun, Zhu Yonghua, Hu Lu, Peng Zhiqing, Zeng Yelong, Wang Xiaoyi, Kang Chuen Siang. (2022). Assessment of 24 soil moisture datasets using a new in situ network in the Shandian River Basin of China[J]. Remote Sensing of Environment, 271: 112891.

[8] Gou Qiqi, Zhu Yonghua, Lü Haishen, Horton Robert, Yu Xiaohao, Zhang Haoqiang, Wang Xiaoyi, Su Jianbin, Liu En, Ding Zhenzhou, Wang Zhenlong, Yuan Fei. (2022). Application of an improved spatio-temporal identification method of flash droughts[J]. Journal of Hydrology, 604:127224.

[9] Zheng Jingyao, Lü Haishen, T. Crow Wade, Zhao Tianjie, Merlin Olivier, Rodriguez-Fernandez Nemesio, Shi Jiancheng, Zhu Yonghua, Su Jianbin, Kang Chuen Siang, Wang Xiaoyi, Gou Qiqi. (2021). Soil moisture downscaling using multiple modes of the DISPATCH algorithm in a semi-humid/humid region[J]. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 104: 102530.

[10] Wang Xiaoyi, Lü Haishen, T. Crow, Wade, Zhu Yonghua, Wang Qimeng, Su Jianbin, Zheng Jingyao, Gou Qiqi. (2021). Assessment of SMOS and SMAP soil moisture products against new estimates combining physical model, a statistical model, and in-situ observations: A case study over the Huai River Basin, China[J]. Journal of Hydrology, 598: 126468.

THE END

“衡邵娄干旱走廊”干旱时空演变特征分析

随机水文学课件pptx

我院科研团队在土壤水分产品优化和干旱监测方面取得系列研究成果

0.基于游程理论和Copula函数的干旱特征分析及应用【摘要】: 干旱是一种复杂的自然灾害现象,理解和掌握干旱事件的发生发展状况对防治其危害具有重要意义。选用1960—2015年间陕北黄土高原9个地面气象观测站的月降水数据集,基于游程理论从标准化降水指数中提取出干旱事件的历时和强度,采用拟合优度最高的Copula函 jvzquC41yy}/ewpk0eun0ls1Ctzjeuj1ELLEVxycn/TZI^7239712;<0jvs
1.三阈值法游程理论干旱识别python三阈值游程理论本文介绍了三阈值法,一种通过三个阈值来精确确定干旱事件的方法,包括初步识别、剔除非干旱和合并干旱步骤。作者还提到了游程理论和Copula函数的应用,并提供了完整程序的有偿获取方式。 1 三阈值法简介 三阈值法是指使用三个阈值来确定“一次完整的干旱事件”的方法。相比于常见的单阈值法,其对于干旱事件的识别更为jvzquC41dnuh0lxfp0tfv8r2a7:929;931gsvrhng1jfvjnnu1747?>283<
2.基于气象旱涝指数的旱涝急转事件识别方法本文将SWAP指数与多门槛游程理论相结合,对1961-2017年间长江流域的旱涝事件与旱涝急转事件进行筛选。3.2.1 旱涝事件识别 本文首先由各气象站的日降水资料计算对应的日尺度SWAP值,随后参考旱涝强度等级划分(表2),得到每日旱涝状况,最后根据每日的旱涝状况结合多门槛游程理论定量筛选旱涝事件。因SWAP指数与综合干旱指数(jvzq<84uejupn7ktggqbq‚fp0eun1ko1kiyot{4424703;24;17769<:;5;23>6652=/uqyon
3.matlab利用游程理论干旱识别及频率方法在气象学和水文学领域,游程理论被用于识别极端气候事件,如干旱。这种方法能够帮助研究人员理解降水模式的变化及其影响。 1. 数据准备 首先需要收集并整理研究区域内的逐日降水量数据。通常可以从气象站获取这类历史记录。对于缺失值较多的时间序列,建议先进行插补处理以保证后续计算的有效性[^1]。 jvzquC41ygtlw7hufp4og}4cpu}ft8
4.基于Copula函数的中国极端干旱事件时空演变与主导因子分析(1961本研究主要运用了几个关键技术方法:首先,基于高分辨率(0.25°×0.25°)的CN05.1格点月降水数据集(1961-2022),计算了3个月时间尺度的标准化降水指数(SPI)以表征气象干旱。其次,采用游程理论识别干旱事件,并提取了干旱历时(Drought Duration)和干旱严重程度(Drought Severity,即SPI< -0.5的累积值)两个关键特征变量。jvzquC41yy}/gknqvtgeg7hqo1tfy|k14286/:514286397322817==880nuo
5.28干旱灾害风险调查评估与防治区划编制技术要求.docx3.4.3干旱事件识别 在选取合适的干旱指标基础上,通过确定合适的时间尺度(多采用旬或月作为计算时段)和阈值水平,进而确定干旱事件的样本序列及特征变量序列的过程。采用游程分析理论进行干旱事件识别。 为了得到有效的干旱事件样本序列,在干旱事件识别过程中需要对以下两个方面进行处理:1)小干旱的处理。即通过设定小干旱jvzquC41oc~/dxtm33>/exr1jvsm1;5431694<4824;36<6532644<:0ujzn
6.三峡工程对长江流域干旱灾害演变过程的影响研究首先,根据游程理论识别出的各类型干旱事件特征值,采用七种线性与非线性模型,通过交叉验证选出了最优的气象干旱向水文与土壤干旱的特征传播模型(表1)。 表1.气象干旱向水文干旱的特征传播模型 通过分析三峡工程运行前后干旱特征传播模型斜率变化,可以看到在三峡工程实施后,除了长江流域上游三个子流域(YLR、MR、WR),其jvzquC41ifk{7hwi0kew7hp1ktgq86237523?70jvs
7.赣江流域干旱时空演变特征及重现期分析赣江流域干旱时空演变特征及重现期分析,赣江流域,干旱,时空特征,copula函数,气候变化情境下,气候系统稳定性降低,全球及区域水循环系统特征发生深刻变化,干旱形式严峻,赣江流域作为江西地区经济活力最强的区jvzquC41ycv/ewpk0pku1}twej5xgk4Fkuyft}fvkqt0C{ykenk0397227<73;3pj0nuou
8.云南省水文水资源局参与云南农业大学申报2021年云南省科技进步奖项目组首先利用气象数据,并加入以径流为代表的水文数据,揭示了干旱重现期受多要素影响的机理,评估了水文要素对干旱重现期的重要性,建立了以气象、水文多要素为数据源、基于游程理论和Pair-copula函数的水文干旱重现期的分析计算技术,并在南盘江流域进行了运用,得到了2009~2012年不同区域的特大干旱重现期介于100年一遇至200年一遇之间,为干 jvzq<84yyy4zp||l0et0pn|uaunpy7furzEjfF8946?
9.基于SWAP的汉江流域旱涝急转时空演变分析旱涝急转事件表现为干旱、洪涝等水文极端事件在短期内交替产生,灾害突发、抢险难度大,对社会发展易造成重大威胁。因此,研究旱涝急转事件的时空演变规律意义重大。本文以汉江流域为例,采用SWAP指数和游程理论,分析和研究历史及未来时期汉江流域的旱涝演变及旱涝急转变化jvzquC41yy}/jjsurwh/q{l1lq{spjq1RcvftRshqtsbvrtp0cyqzHucrgxJFF7;26;
10.基于Copula函数和不同时间尺度的人民胜利渠灌区干旱风险分析灌区干旱事件频发严重制约农业的可持续绿色发展,为了定量分析人民胜利渠灌区的干旱风险,基于灌区1951—2017年逐月降水量与平均气温系列数据,构建不同时间尺度下标准化降水蒸散指数(SPEI),利用游程理论识别不同时间尺度的干旱历时和干旱强度两个特征变量,并结合Copula函数建立联合概率分布函数,进而分析不同时间尺度的灌区干旱jvzq<84yyy4soqm0eqs/ew4EP1_32;71X6:0K<485
11.赣江流域气象水文干旱传播特征分析【摘要】:探究气象水文干旱传播规律对水文干旱的提前预警和减灾具有重要意义。基于赣江流域1960—2018年逐月降水量、气温和径流量资料,分别计算不同时间尺度上的标准化降水蒸散发指数(SPEI)、标准化降水指数(SPI)和标准化径流指数(SRI),利用游程理论和Copula函数条件概率方法对比分析气象水文干旱特征及其干旱传播规律。jvzquC41yy}/ewpk0eun0ls1Ctzjeuj1ELLEVxycn/`OUM72446:2B53G0nuo
12.景观生态学综述范文随着景观生态学的发展,越来越多的学者将该学科的理论与方法应用到道路中去,逐步形成了一门新兴的交叉学科――道路生态学。因此将其定义为:研究道路、道路网络空间结构和功能时空动态变化及相互作用机理,进行道路景观评价及规划设计,合理利用和保护道路景观中集成生态、地理、经济和人文各要素,为人类社会经济发展提供理论jvzquC41yy}/i€~qq0ipo8mcqyko1;99689/j}rn
13.甘肃旅游业发展11篇(全文)甘肃旅游资源丰富, 但点多面广, 热点相对集中, 加之淡旺季过于明显, 给交通运输带来极大压力, 游客进不来、散不开、出不去, 可进入性极差。整个游程的2/3以上时间耗费在路途上, 着实让人感受到了“人在路途的滋味”。甘肃人外出旅游的人群中, 有一小部分也是因为交通问题而临时取消旅游计划。 jvzquC41yy}/;B}wgunv0lto1y5jmn~uxywcsri0jvsm
14.基于Copula的近60a京津冀地区干旱灾害危险性评估期刊[9]李双双,杨赛霓,刘焱序,等.1960~2013年京津冀地区干旱-暴雨-热浪灾害时空聚类特征[J].地理科学.2016,(1).DOI:10.1329/j.cnki.sgs.2016.01.019. [10]李天水,王顺,庄文化,等.游程理论和Copula函数在二维干旱变量联合分布中的应用[J].干旱区资源与环境.2016,(6).DOI:10.13448/j.cnki.jalre.2016.185. jvzquC41f0}bpofpifguc7hqo0io1yjtkqjjejq1ijwen;53;2<12B