温联星研究组
 
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本研究组建立了一个基于卫星重力测量监测干旱的全新指数

( 2016-01-28 )

  中国科学技术大学地震与地球内部物理实验室温联星研究组利用卫星重力观测数据建立了一个全新的干旱指数,并且分析了2003年至2012年间美国本土陆地水储量变化。该研究组博士生易航和温联星教授基于对2003年至2012年间的卫星重力观测计划GRACE的数据和传统的帕尔默干旱指数PHDI的分析,建立了一个全新的干旱指数GHDI;并且通过分析该时间内的GRACE数据,发现美国本土不同地区的陆地水储量变化具有不同的变化趋势。研究成果发表在《科学报告》 (Scientific Reports)上。

  卫星重力观测计划GRACE卫星发射于2002年3月,用于监测每月全球重力场的变化。GRACE重力观测数据被广泛用于观测地球质量分布的变化,包括陆地水储量变化、两极和高山冰川融化引起的质量变化、冰后回弹引起的地表形变、海平面及海洋质量分布变化、大地震引起的区域质量密度变化以及地核的质量分布变化等。此外,GRACE数据还被用于监测大陆上局部区域的干旱情况。干旱是由于某个地区在一个时间段内水的供给持续小于需求而引起的自然现象,会对一个地区的生态系统和农业造成巨大伤害,是一种不可忽视的自然灾害。

  温联星研究组基于对2003年至2012年间卫星重力观测计划GRACE的数据和美国本土内的传统的PHDI指数(定义如表一所示)的分析,构建了一个全新的干旱指数GHDI。GHDI指数是基于GRACE数据的陆地水储量变化而扩展的、利用传统的PHDI指数进行校正的全新的干旱指数,它主要反应了陆地水储量较历史平均值的异常。首先,我们选取研究期间内GRACE数据和PHDI指数的时间序列相关系数较高的区域(大于0.8,图一a浅蓝色区域)作为构建和校正GHDI指数的区域,在此区域内利用最小二乘法找出转换系数K(GRACE数据到PHDI指数)与水文学参数(土壤水SMS的历史平均值乘以基于GRACE数据的陆地水异常值的变化范围MaxTWSA-MinTWSA的倒数)之间的线性关系(图一b)。其次,我们利用该线性关系、GRACE数据和少量的地表观测的水文学数据(土壤水的历史平均值),构建出全新的GHDI指数。最后,我们计算出美国本土内(2003年至2012年间)全新的GHDI指数与传统的PHDI指数的年平均值变化(以这10年间各自的平均值为基准,如图二所示);该干旱指数GHDI与传统的干旱指数PHDI吻合的很好,显示了其检测干旱的可行性。此外,和传统的干旱指数PHDI相比,由于GHDI指数定义简洁且尽可能少的依赖基于地表观测的水文学参数,它可以方便的扩展至监测全球干旱情况的干旱指数。考虑到很多国家和地区并没有足够、连续的地表水文监测数据,GHDI指数的这种特性具有显著的实际意义。

图一 GHDI指数的拟合:(a)GRACE数据和PHDI指数的时间序列之间相关系数的地理分布,浅蓝色区域为选取的在图二b中使用的区域;(b)转换系数K(GRACE数据到PHDI指数)与水文学参数(土壤水SMS的历史平均值乘以基于GRACE数据的陆地水异常值的变化范围MaxTWSA-MinTWSA的倒数)的数值分布情况及线性拟合曲线。

 


表一 干旱指数的定义

 

图二 2003年至2012年间PHDI(a)和GHDI(b)年平均值的比较

 

  此外,温联星研究组还利用卫星重力观测计划GRACE的数据估计和分析了2003年至2012年间美国本土的陆地水储量变化。GRACE数据显示,2003年至2012年间美国本土的北部和南部陆地水储量显示出相反的变化趋势:美国北部陆地水储量由-4.0厘米增加至9.4厘米,而南部陆地水储量则由4.1厘米减少到-6.7厘米(以这10年间的平均值为标准,用等效水厚度的变化来衡量,如图三所示)。此外,2006年美国中南部地区的陆地水储量减少至-5.1厘米。我们还以2003年为基准,对美国本土9个不同区域及其整体进行了陆地水储量的分析,不同区域展示出了不同的变化趋势(图四);2003年至2012年间整个美国本土的陆地水储量呈现出下降的趋势:相较于2003年,除了2006年、2007年和2012年,整个美国本土的陆地水储量都是减少的,2010年则达到了最小值259立方千米。

图三 2003年至2012年间美国本土陆地水储量年变化情况

 

 图四 美国本土9个区域及其整体陆地水储量的年变化情况

 

  本研究提出了一个全新的、定义简洁、基于卫星观测GRACE数据的、方便扩展至全球范围的全新的干旱指数GHDI,并且利用传统干旱指数对其进行了校正;此外,还定量分析了2003年至2012年间美国本土的陆地水储量变化,发现了美国本土北部和南部的陆地水储量分别在增加和减少的变化趋势。 
  论文链接:www.nature.com/articles/srep19909


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