2024-06-19 | 科研部 南科大陈克杰课题组提出基于 GNSS 和降水数据的综合干旱监测新方法

近日，南科大地球与空间科学系副教授陈克杰课题组在遥感领域学术期刊 Remote Sensing of Environment 上发表题为“A novel GNSS and precipitation-based integrated drought characterization framework incorporating both meteorological and hydrological indicators”的研究论文。该论文基于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS）和降水数据，提出了同时顾及气象和水文指标的综合干旱监测新方法。

近年来，随着全球气候变化加剧，极端干旱频发，给农业、生态环境和社会经济造成了严重影响。通常干旱可大体分为四类：气象干旱、水文干旱、农业干旱和社会经济干旱。其中，气象干旱指特定时段内降水不足，是干旱的肇始阶段。若气象干旱得不到缓解，土壤水分、径流、湖泊、水库和地下水储量都会受到影响，从而导致农业和水文干旱。为了刻画不同类型干旱，前人基于各类指标（例如降水、径流、土壤水分等）建立了相关干旱指数，如用以表征气象干旱的标准化降水指数（Standardized Precipitation Index, SPI）和水文干旱的标准化径流指数（Standardized Runoff Index, SRI）等。然而，干旱演变过程具有多层次性，且其传播相互影响，如降水不足会对土壤湿度、径流、地下水等产生级联反应。这种情况下，单一指标可能无法全面概括所有特征。

为克服单一指标局限性，需要进行多变量、多指标干旱分析。例如，美国干旱监测机构（United States Drought Monitor, USDM），融合了温度、降水、积雪、土壤湿度、径流和作物等多源观测进行综合干旱表征。受此启发，考虑到 GNSS 观测台站能够同时且独立地提供大气含水量（对流层延迟）和陆地水储量变化（垂向形变）两类信息，该文将两者结合起来以建立基于 GNSS 的综合干旱表征框架。框架利用三类数据集作为输入，包括 GNSS 可降水量（Precipitation Water Vapor, PWV）、降水数据和垂直地壳形变（Vertical Crustal Deformation, VCD）。首先结合 PWV 和降水数据计算降水效率（Precipitation Efficiency），作为气象干旱评价指标；同时，反演垂直地壳形变得到等效水高（Equivalent Water Height, EWH）以给出陆地水储量变化，作为水文干旱评价指标。最后，基于 Gringorten 位置划分公式推导降水效率和陆地水储量变化的经验联合概率来计算 GNSS 多变量干旱严重程度指数（GNSS-based Multivariate Drought Severity Index, GNSS-MDSI），用以表征综合干旱（图1）。

图1 基于GNSS和降水数据的综合干旱表征框架

论文分析了美国西部2006年1月至2021年12月期间发生的干旱事件，并与 USDM 进行对比（图2）。结果显示，GNSS-MDSI不但能够监测快速演变的气象干旱，也反映了渐进发展的水文干旱。此外，当气象干旱和水文干旱同时发生时，GNSS-MDSI 会表现出更高的严重程度。上述 GNSS-MDSI 捕捉到的干旱特征与USDM整体一致。

图2 美国西部8个州的综合干旱指标的比较，来自GNSS和USDM（a-h），各个州的地理位置（i），以及降水效率和陆地水储量变化的线箱图（j）

除此以外，论文还分析了云南2011年1月到2021年5月间的干旱事件，并与国家气候中心提供的综合气象干旱指数（Composite Index, CI）进行了对比（图3）。对于2019年4月发生的持续六个月的气象干旱事件，在高温的加持下， 两个月后引发了严重的水文干旱。尽管2020年后该地区降水有所增加，在一定程度上缓解了气象干旱，但水文系统并未能从干旱中完全恢复。在这种情况下，GNSS-MDSI 完整地捕捉到这次干旱事件的起止和演变。由于 CI 是基于30和90天标准化降水指数和30天相对湿润度指数建立的，没有考虑水文变量，因此未能很好地捕捉到水文系统变化情况。

图3 中国云南地理位置（a）以及不同干旱气象（GNSS-SPCI/SPI/SPEI）、水文（GNSS-DSI/GRACE-DSI/GLDAS-DSI）；（b）综合干旱（GNSS-MDSI/CI）指数之间的比较

可以看出，基于 GNSS 的综合干旱表征框架，不仅顾及了与气象条件变化相关的降水效率，还考虑了反映水文动态的陆地水储量，使其在表征和监测干旱方面具有优势。考虑到 GNSS 台站在全球范围内布设日趋密集，这也意味着除了定位、导航、授时（Positioning, Navigation, Timing）、地壳运动监测等现有应用场景外，GNSS 也可为全球变化背景下综合干旱表征和分析提供新思路。

南方科技大学博士生朱海为论文第一作者，陈克杰为通讯作者，主要合作者包括刘俊国教授和江西师范大学助理研究员胡顺强。南方科技大学为论文唯一第一单位。该工作也得到了广东省自然科学基金项目（面上项目）和广东省地球物理高分辨率成像技术重点实验室的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.rse.2024.114261