一种耦合多源数据的区域气象干旱等级预测方法技术

本发明专利技术公开了一种耦合多源数据的区域气象干旱等级预测方法，通过对网格化卫星遥感降水数据进行空间降尺度，构建高分辨率的区域降水空间数据库，采用标准化干旱指数划分干旱等级，引入反映大气环流特征的大尺度气象因子作为干旱状态转移概率的协变量，基于非平稳Markov链模型构建具有时变转移概率的气象干旱等级预测模型。本发明专利技术利用多源遥感信息和基础下垫面特征捕捉区域降水在空间上的变异性，弥补了传统站点观测降雨不足，充分利用能反映大气环流特征的大尺度气象因子这一旱涝演变的外部胁迫和前兆信号，一定程度上考虑了旱涝形成和发展机理，更贴合气象水文系统的动态演化特征，具有较强的科学性与实用性，可为搭建区域旱涝预警预报系统奠定基础。

The prediction method of regional meteorological drought grade is a coupling of multi-source data

The invention discloses a forecasting method of regional meteorological drought grade is a coupling of multi-source data, the spatial downscaling precipitation data of satellite remote sensing grid, construction of space database of high resolution precipitation area, the use of standardized drought index and drought grade division, the introduction of large scale meteorological factors reflect the atmospheric circulation characteristics as covariates arid state transfer the probability prediction model of meteorological drought level construct nonstationary Markov chain model based on time-varying transition probability. The variability of the invention utilizes characteristics of multi-source remote sensing information and foundation surface to capture regional precipitation in space, make up the traditional site observation of insufficient rainfall, make full use of large scale meteorological factors can reflect the atmospheric circulation characteristics of the evolution of the external drought stress and precursory signal, to a certain extent the formation and development mechanism of drought and flood the dynamic fitting of meteorological and hydrological system evolution is scientific and practical, which can lay the foundation for the building of regional drought and flood warning and forecasting system.

【技术实现步骤摘要】
一种耦合多源数据的区域气象干旱等级预测方法
本专利技术属于灾害预报预警
，特别涉及一种耦合多源数据的区域气象干旱等级预测方法。
技术介绍
干旱是一种水分持续性短缺的自然现象，具有发生频率高、持续时间长、波及范围广等特点。我国地处亚洲季风气候区，降水量空间和年内分配严重不均，且季风路径和强度的年际变幅很大，加之境内地形等因素造成的水热不均，使得我国旱灾频发，是世界上遭受干旱灾害最为严重的国家之一。美国气象学会在总结各种干旱定义的基础上，将干旱分为四种类型，即气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱。气象干旱是指降水减少或无降水，其他类型干旱的形成都与气象干旱有直接的联系。相较于诸如洪水、台风等其他极端气候事件所带来的“冲击性”后果，干旱的发生与发展具有显著的隐蔽性和“蠕变”性。一场干旱事件的起始和终止时刻往往难以界定，而一旦其影响范围和危害程度得以显现，应对和补救措施往往已严重滞后。因此，及时准确的干旱预测，对于指导抗旱工作开展，加强灾害风险应急管理，提高灾害应对水平等，均具有重大意义。干旱监测是干旱预测的基础，现有方法大多基于实测雨量站点数据，但由于观测站点密度和分布不均匀的问题，难以体现降水分布的空间异质性；在一些偏远的资料稀缺或无资料地区，更是难以获取观测数据。近年来遥感技术的发展，为大范围干旱监测提供了一条全新的途径。高志强[1]专利技术了一种基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法及系统，用于估算不同气候、地形条件下的区域地表能量和蒸散分布，为区域农业旱情监测提供技术支持。李就好等[2]专利技术了一种基于HJ-1A/1BCCD数据的干旱监测方法，结合由HJ-1A/1BCCD遥感数据得到的MPDI数据和作物生育期来确定农业干旱情况；冯杰等[3]提供了一种基于数据挖掘的干旱监测方法，综合考虑干旱监测中的多源遥感空间信息对遥感降水进行空间降尺度，采用空间数据挖掘技术构建干旱监测模型。但受当前技术水平的限制，干旱遥感监测还存在空间分辨率低等不足。区域性的旱涝现象通常由局地大气水分收支的暂时性异常引起，但由于其影响因素众多且相互作用复杂，由于缺乏对灾变机制的全面认识，目前尚难以实现灾情的准确评估和预报。取而代之的是，可以对旱涝事件发生的相对频率和强度(等级)进行定量的预估。现有区域旱涝等级的预测预报主要从旱涝事件的随机性入手，采用时间序列分析工具，以达到揭示其时空演变特征的目的。杨志勇等[4]采用二维Copula函数构建了滦河流域代表性气象站点季节降水距平百分率序列的联合分布，计算出各个站点旱涝交替和连旱连涝两类旱涝组合事件的发生概率。宋新山等[5]利用Markov模型计算了黄淮海中下游地区16个代表站540年来不同旱涝状态的转移概率、持续时间、重现时间等统计特征。冯平等[6]采用三维对数线性模型建立了滦河潘家口水库控制流域21个雨量站短期气象干旱等级预测模型，实现了预见期为1个月和2个月的气象干旱等级预测。上述方法多将旱涝演变视作平稳过程，即认为其统计特征如旱涝状态的转移概率等不随时间改变，可由过往实测的气象或水文序列样本统计得到。然而，受气候变化和人类活动的干扰，气象水文系统具有显著的动态演化特征。为了有效应对动态演化条件下区域旱涝事件的灾变风险，亟需研发能够综合考虑内在成因与外部胁迫的区域旱涝预测方法。文中涉及的参考文献如下：[1]高志强.基于地表水热通量遥感反演的干旱监测方法及系统.专利号ZL201010623662.6.[2]李就好,陈海波,余长洪,等.一种基于HJ-1A/1BCCD数据的干旱监测方法.专利号ZL201310379034.1.[3]冯杰,何祺胜,杨志勇,等.一种基于数据挖掘的干旱监测方法.公开号CN105760814A.[4]杨志勇,袁喆,方宏阳,等.基于Copula函数的滦河流域旱涝组合事件概率特征分析[J].水利学报,2013,44(5):556-569.[5]宋新山,严登华,王宇晖,等.基于Markov模型分析黄淮海中东部地区540年来的旱涝演变特征[J].水利学报,2013,44(12):1425-1432.[6]冯平,胡荣,李建柱.基于三维对数线性模型的气象干旱等级预测研究[J].水利学报,2014,45(5):505-512.
技术实现思路
针对现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种耦合多源数据的区域气象干旱等级预测方法，通过对网格化的卫星遥感降水数据进行空间降尺度，构建高分辨率的区域降水空间数据库，采用标准化干旱指数划分干旱等级，引入反映大气环流特征的大尺度气象因子作为干旱状态转移概率的协变量，基于非平稳Markov链模型构建具有时变转移概率的气象干旱等级预测模型，以分析和预测区域干旱状态的动态演变规律。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种耦合多源数据的区域气象干旱等级预测方法，包括步骤：步骤1，收集区域内基础下垫面信息，和降水、大尺度气象因子的同步长系列资料；步骤2，构建考虑基础下垫面因素修正的遥感降水数据空间降尺度模型，将低分辨率的原始遥感监测降水数据处理为较高分辨率的降水数据，并用地面观测站点实测降水数据对输出数据进行校正，获得高分辨率的区域降水空间数据库；步骤3，依次对步骤2得到区域网格化降水空间数据库中的每一个高分辨率网格的长系列降水数据进行频率分析，计算其标准化干旱指数，依据干旱指数的干旱等级划分表，得到各网格的干旱等级序列；步骤4，依据步骤3得到的干旱等级序列，以步骤1收集的具有一定滞时的大尺度气象因子作为干旱状态转移概率的协变量，基于非平稳Markov链模型构建具有时变转移概率的气象干旱等级预测模型；步骤5，采用经步骤4优选得到的非平稳Markov链模型进行区域气象干旱等级预测，得到全区域干旱等级的空间分布。进一步的，步骤2中，采用多元线性回归方法耦合基础下垫面信息构建空间降尺度模型，对原始遥感监测降水数据进行尺度降解。进一步的，步骤2中，采用地理信息差异方法，利用地面观测站点实测降水对输出的高分辨率降水数据进行进一步校正。进一步的，步骤3中，标准化干旱指数使用标准化降水指数。进一步的，步骤4中，采用广义交叉熵方法估计各非平稳Markov链模型的参数。进一步的，步骤4中，通过率定的非平稳Markov链模型回代计算历史干旱等级，采用赤池信息量准则优选最终的气象干旱等级预测模型。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和效果：1、充分利用多源遥感信息和基础下垫面特征，捕捉区域降水在空间上的变异性，可弥补传统站点观测降雨点位密度和分布不均匀，无法反映降水在面上分布特征的不足。2、建立了考虑协变量的具有时变特征的非平稳Markov链模型，克服传统方法仅考虑气象水文序列自相关特性的不足，更贴合气象水文系统的动态演化特征。3、充分利用能反映大气环流特征的大尺度气象因子这一旱涝演变的外部胁迫和前兆信号，一定程度上考虑了旱涝形成和发展机理，具有较强的科学性与实用性，可为搭建区域旱涝预警预报系统奠定基础。附图说明图1是本专利技术方法的具体流程图；图2是流域网格划分示意图；图3是降水概率分布拟合示意图；图4是干旱等级预测结果示意图。具体实施方式下面结合附图，对本专利技术技术方案做进一步说明。图1为本专利技术方法的具体流程图，具体步骤如下：步骤1，收集区域内基础下垫面信息本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种耦合多源数据的区域气象干旱等级预测方法，其特征在于，包括步骤：步骤1，收集区域内基础下垫面信息，和降水、大尺度气象因子的同步长系列资料；步骤2，构建考虑基础下垫面因素修正的遥感降水数据空间降尺度模型，将低分辨率的原始遥感监测降水数据处理为较高分辨率的降水数据，并用地面观测站点实测降水数据对输出数据进行校正，获得高分辨率的区域降水空间数据库；步骤3，依次对步骤2得到区域网格化降水空间数据库中的每一个高分辨率网格的长系列降水数据进行频率分析，计算其标准化干旱指数，依据干旱指数的干旱等级划分表，得到各网格的干旱等级序列；步骤4，依据步骤3得到的干旱等级序列，以步骤1收集的具有一定滞时的大尺度气象因子作为干旱状态转移概率的协变量，基于非平稳Markov链模型构建具有时变转移概率的气象干旱等级预测模型；步骤5，采用经步骤4优选得到的非平稳Markov链模型进行区域气象干旱等级预测，得到全区域干旱等级的空间分布。

【技术特征摘要】
1.一种耦合多源数据的区域气象干旱等级预测方法，其特征在于，包括步骤：步骤1，收集区域内基础下垫面信息，和降水、大尺度气象因子的同步长系列资料；步骤2，构建考虑基础下垫面因素修正的遥感降水数据空间降尺度模型，将低分辨率的原始遥感监测降水数据处理为较高分辨率的降水数据，并用地面观测站点实测降水数据对输出数据进行校正，获得高分辨率的区域降水空间数据库；步骤3，依次对步骤2得到区域网格化降水空间数据库中的每一个高分辨率网格的长系列降水数据进行频率分析，计算其标准化干旱指数，依据干旱指数的干旱等级划分表，得到各网格的干旱等级序列；步骤4，依据步骤3得到的干旱等级序列，以步骤1收集的具有一定滞时的大尺度气象因子作为干旱状态转移概率的协变量，基于非平稳Markov链模型构建具有时变转移概率的气象干旱等级预测模型；步骤5，采用经步骤4优选得到的非平稳Markov链模型进行区域气象干旱等级预测，得到全区域干旱等级的空间分布。2...

【专利技术属性】
技术研发人员：洪兴骏，郭生练，钟逸轩，尹家波，巴欢欢，郭娜，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42