1、节水灌溉Water Saving IrrigationERAERA5 5、GLDASGLDAS和和FLDASFLDAS土壤湿度数据土壤湿度数据在内蒙古地区的适用性评价在内蒙古地区的适用性评价金令1，王永芳1，2，3，郭恩亮1，2，那仁满都拉1，2，顾锡羚1，2，康尧1，2（1.内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特 010022；2.内蒙古自治区蒙古高原灾害与生态安全重点实验室，呼和浩特 010022；3.蒙古高原气候变化与区域响应高校重点实验室，呼和浩特 010022）摘 要：土壤湿度是地球系统模拟的重要参数之一，在气候变化和干旱研究中起着不可忽视的作用。利用2011-2013年内蒙古农作物生
2、长发育和农田010 cm土壤湿度旬值数据，结合相关系数、偏差、均方根误差和DISO等统计指标，评估美国全球陆面数据同化系统(GLDAS)、欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料(ERA5)和美国国家航空航天局NASA发布的全球高分辨率陆面数据同化系统(FLDAS)等三套土壤湿度数据在内蒙古的适用性，旨在选出一种适用于研究内蒙古土壤湿度时空特征的大范围、长时间序列的替代资料。结果表明：在年尺度上三套产品数据空间分布与观测数据基本一致，均能体现内蒙古土壤湿度东湿西干的空间分布格局。其中ERA5与观测数据的相关性最高，但是误差较大；在月尺度上ERA5和GLDAS两套数据均能较好地捕捉和刻画土壤湿度随时
3、间的变化特征。ERA5数据在各月与观测值的相关性较好，而GLDAS数据的误差更小；整体上来看，GLDAS、FLDAS、ERA5与观测数据之间的相关系数分别为0.93、0.68、和0.96，NAE 分别为 0.031、0.013、0.022，NRMSE分别为0.032、0.014、0.023。ERA5与观测数据之间的DISO距离值最小，为0.045，其次是GLDAS，FLDAS数据最差。研究结果可为内蒙古土壤湿度研究及应用提供理论依据。关键词：内蒙古；ERA5；GLDAS；FLDAS；适用性中图分类号：S152.7 文献标识码：A DOI：10.12396/jsgg.2022267金 令，王永芳
4、，郭恩亮，等.ERA5、GLDAS 和 FLDAS 土壤湿度数据在内蒙古地区的适用性评价 J.节水灌溉，2023（3）：53-60.DOI：10.12396/jsgg.2022267.JIN L，WANG Y F，GUO E L，et al.Applicability evaluation of ERA5，GLDAS and FLDAS soil moisture data in Inner Mongolia J.Water Saving Irrigation，2023（3）：53-60.DOI：10.12396/jsgg.2022267.Applicability Evaluation of
5、 ERA5,GLDAS and FLDAS Soil Moisture Data in Inner MongoliaJIN Ling1，WANG Yong-fang1，2，3，GUO En-liang1，2，Narenmandula1，2，GU Xi-ling1，2，KANG Yao1，2（1.College of Geographical Science，Inner Mongolia Normal University，Hohhot 010022，China；2.Inner Mongolia Key Laboratory of Disaster and Ecological Security
6、 on the Mongolian Plateau，Inner Mongolia Autonomous Region，Hohhot 010022，China；3.University Key Laboratory of Climate Change and Regional Response in Mongolian Plateau，Hohhot 010022，China）Abstract：Soil moisture is one of the important parameters in the earth system simulation,which plays an importan
7、t role in the study of 文章编号：1007-4929（2023）03-0053-08收稿日期：2022-09-28基金项目：内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划项目（NJYT22028）；内蒙古自治区高等学校科学技术研究一般项目（NJZY21542）；内蒙古自治区科技计划项目（2020GG0047）。作者简介：金令（1996-），女，硕士研究生，主要从事自然灾害监测与防治研究。E-mail:。通讯作者：王永芳(1986-)，女，博士研究生，副教授，硕士生导师，主要从事气候变化、生态灾害监测与风险评估研究。E-mail:。53ERA5、GLDAS和FLDAS土壤湿度数据
8、在内蒙古地区的适用性评价 金令 王永芳 郭恩亮 等climate change and drought.In this paper,the applicability of three sets of soil moisture data in Inner Mongolia,including the United States Global Land Data Assimilation System(GLDAS),the European Medium Range Weather Forecast Centers fifth generation reanalysis data(ERA5)a
9、nd the Global High Resolution Land Data Assimilation System(FLDAS)released by NASA,are evaluated by using the ten-day data of crop growth and 0-10cm farmland soil moisture in Inner Mongolia from 2011 to 2013,in combination with the statistical indicators such as correlation coefficient,deviation,roo
10、t mean square error and DISO.The purpose of this study is to select a large scale,long time series alternative data suitable for studying the spatial and temporal characteristics of soil moisture in Inner Mongolia.The results showed that the spatial distribution of the three sets of product data was
11、 basically consistent with that of the platform observation on an annual scale,and all of them could reflect the spatial distribution pattern of soil moisture in Inner Mongolia,which was wet in the east and dry in the west.The ERA5 had the highest correlation with the obseved data,but the error was
12、large;Both ERA5 and GLDAS data sets could better capture and characterize the change characteristics of soil moisture with time on a monthly scale.The ERA5 data had a good correlation with the observed values in each month,while the GLDAS data had a smaller error;On the whole,the correlation coeffic
13、ients between GLDAS,FLDAS,ERA5 and observation data were 0.93,0.68,and 0.96 respectively,NAE was 0.031,0.013,0.022 respectively,and NRMSE was 0.032,0.014,0.023 respectively.The DISO distance between ERA5 and observation data was the smallest,0.045,followed by GLDAS,and FLDAS data was the worst.The r
14、esults of this study can provide a theoretical basis for the research and application of soil moisture in Inner Mongolia.Key words：Inner Mongolia；ERA5；GLDAS；FLDAS；applicability0引 言土壤湿度是气候系统的一个关键变量，是地表水文过程的一个综合指标1，不仅可以调节地表径流、土壤排水、土壤冻融，还能通过调节地气间水分和能量交换影响区域气候2,3。此外，土壤湿度在气候干旱、洪涝等极端天气事件的发生发展中发挥着关键作用4,5。然
15、而，土壤湿度是一个很难在大范围快速监测的地表参数6。目前土壤湿度数据获取方式主要有地面站点观测、卫星遥感反演和陆面模型同化三类7。地面站点观测虽然可以获取准确的土壤湿度信息，但在一些极端地理环境和恶劣气候条件地区，测量工作往往会受到限制8，难以满足土壤湿度大范围持续监测的需求。陆面数据同化资料和再分析资料能够有效替代观测土壤湿度数据进行陆-气耦合研究和干旱监测研究，并得到了广泛的应用。例如美国全球陆面数据同化系统(GLDAS)9,10、欧洲中期天气预报中心第五代再分析资料(ERA5)11等，这些资料为研究旱涝提供了基础。近年来，随着计算能力的飞速发展、数值模式的不断改进和资料同化方法的持续创新
16、，陆面数据同化资料和再分析资料的时空分辨率更高、准确度有大幅提升。但是不同产品在不同地区的适用性存在差异。特别是在跨越半湿润-半干旱-干旱区的内蒙古的可靠性和精度如何，需要进行评估。内蒙古地形复杂、自然环境严酷，地面观测站点布设有限，获取其整个区域长时间序列的土壤湿度实测数据难度较大。因此，选择有代表性的土壤湿度产品对精确重现内蒙古土壤湿度变化情况具有重要意义。目前，有关卫星遥感反演和陆面模型同化在内蒙古地区的适用性已有部分研究12,13。但是，2020 年发布的美国国家航天局（NASA）制作的全球第一版 FLDAS资料，暂时没有研究将该资料中土壤湿度数据在内蒙古的适用性进行验证和应用。本研究以中国农作物生长发育和农田土壤湿度旬值数据为观测数据，结合相关系数、偏差、均方根误差和DISO等统计参数，评估GLDAS、FLDAS以及ERA5土壤湿度产品在内蒙古地区的可靠性，为大尺度土壤湿度产品的数据质量提供区域实证资料，也为内蒙古地区短期气候预测的准确率和区域干旱监测提供参考。1研究区概况内蒙古自治区（37245323N，971212604E）地处东亚中纬度内陆地区，东有大兴安岭、燕山和太行
