1、第 46 卷 第 6 期2023 年 6 月测绘与空间地理信息GEOMATICS SPATIAL INFOMATION TECHNOLOGYVol 46，No 6Jun，2023收稿日期:20211213基金项目:国家自然科学基金青年基金项目(41501363);河南省科技厅项目(172102110033)资助作者简介:张恒杰(1996)，男，河南焦作人，测绘工程专业硕士研究生，主要研究方向为摄影测量与遥感技术。表层土壤水分动态规律研究张恒杰，冯志立(河南理工大学 测绘与国土信息工程学院，河南 焦作 454003)摘要:基于高频广域的土壤水分实测数据集，提取不同降水强度以及非降水情况下样本，利
2、用同期平均法及曲线拟合方法，量化 5 cm 深度下土壤水分动态变化规律。主要发现有以下几点:1)高强度降水后短时间内土壤水分消退速率明显高于低强度降水，且达到稳定所需时间也明显较长。2)一天中土壤水分最高点位于 0 点，最低点为 14 点左右。3)常态下土壤水分会在 00 005 m3/m3区间内变化，日均降低 0 003 m3/m3。本次研究形成了表层土壤水分动态变化的一般性规律，对相关的动态模拟与研究具有重要参考价值。关键词:土壤水分;降水;动态规律中图分类号:P208文献标识码:A文章编号:16725867(2023)06004103Study on Dynamic Law of Sur
3、face Soil MoistureZHANG Hengjie，FENG Zhili(School of Surveying and Information Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China)Abstract:Based on the highfrequency and widearea soil moisture measurement dataset，samples of different precipitation intensitiesand nonprecipitation condition
4、s were extracted，and the dynamic change of soil moisture at a depth of 5 cm was quantified by usingthe meantime averaging method and curve fitting method The following points were mainly found:(1)The soil moisture retreat ratewas significantly higher than that of lowintensity precipitation in a shor
5、t period of time after highintensity precipitation，and the timerequired to achieve stability was also significantly longer(2)The highest point of soil moisture in the day is 0:00 on the day，and thelowest point is about 14:00(3)Under normal conditions，soil moisture will change within the range of 00
6、005 m3/m3，and the av-erage daily decrease will be 0 003 m3/m3 This study forms a general law of dynamic changes in surface soil moisture，which has im-portant reference value for related dynamic simulation and researchKey words:soil moisture;precipitation;dynamic law0引言土壤水分(Soil Moisture)通常指由地面向下 12
7、m土壤非饱和带中的水分1。它是土壤、植物和周围环境直接的物质和能量交换媒介，更是维系土壤生态系统稳定运转不可或缺的重要影响因子2。表层土壤水分同地面生物圈最为接近，更易受到环境变化的影响而变动，深入了解表层土壤水分变化规律，对农业生产、气候预测等应用具有重要价值。降水对土壤水分有直接补给作用，也是土壤水分突变的重要诱因3，通过补充土壤水分，进一步控制生态系统生产力、植物响应程度与物种丰富度4。降水对土壤水分的重要影响，使得研究土壤水分的动态规律，必须从降水后消退规律以及自然状态下的土壤水分消长 2 个方面进行研究。不同地理条件、植被覆盖下土壤水分分布、运移和入渗均存在一定差异56，如曾锐等7
8、通过对云南蒙自岩溶断陷盆地的研究发现盆地全年的变异程度较坡面和高原面相对较高，且由于土壤质地等差异，盆地与降水之间的相关程度要高于其他 2 种地形。基于对已有研究的思考，本次实验选择大范围、高频率、长时序土壤水分集，通过筛选美国气候监测网络(US Climate eference Network，USCN)8 中符合实验需求的站点，运用同周期平均及曲线拟合方法，对降水后与自然条件下表层土壤水分动态变化进行研究分析，寻找具备普适性的规律，为今后土壤水分预测和遥感反演土壤水分的建模提供参考依据。1数据与方法1 1研究区概述美国本土地区地域辽阔，地形多样，自西向东总体划分为三大地形区:以落基山脉等而
9、被定义的西部高山区，五大湖和密西西比河所处的中部平原区，以及由阿巴拉契亚山脉主导的东部山地区域。复杂的地形及较高的纬度跨度，共同造就了美国本土地区包含海洋性温带阔叶林气候、高原山地气候、亚热带季风气候在内的多种气候类型。多样化的地形和气候类型，为本次实验排除小范围地质地形的影响，以及区域气候对土壤水分变化的影响均提供了较好的条件。同时中国几乎包含了美国本土所处的纬度范围，同样拥有广阔的国土和多样化的气候，以美国本土地区数据进行研究，对今后国内采取类似方法研究土壤水分分布与变化具有一定的参考价值。1 2数据来源与样本提取实验所选取的 USCN 数据集由美国海洋和大气管理局负责建设和维护，共在美国
10、本土地区布设 114 个站点，同时 2009 年起增加对土壤水分的检测，以配合美国综合干旱信息系统的相关建设。本次实验选择对 114 个站点 20092020 年数据进行站点质量控制，在保证数据的完整性和连续性基础上，确定以 47 个站点 20122020 年5 cm 土壤水分和降水数据进行实验操作。有研究指出，降水事件 3 d 后地表土壤水分保留陆地降水的中位数为 14%9，且美国地区降水多集中在 112 h3，因而可以设定 12 h 为一次降水事件的时长，规定降水后 3 d 为土壤水分在降水条件下的消退周期。定义降水 3 d 后至下一次降水前，为土壤水分常态区间，规定常态区间内的某日 24
11、 h 为一个常态样本。站点与 2 类样本量的关系如图 1 所示。图 1站点分布与降水、常态样本量Fig 1Site distribution and precipitation，normal sample size1 3研究方法1)同期平均法在样本周期相同的情况下，计算其不同时刻的同期均值，以此削弱甚至消除外部环境的影响以及偶然误差，从而达到精准反映周期变动趋势的目的，计算公式如式(1)所示。?x=1kki=1xij(j=1，2，3，n)(1)式中，k 为周期数;j 为周期长度。2)曲线拟合法寻找一定规律的函数关系，将离散数据在平面上以连续曲线的形式刻画出来，是一种常用的解析表达式逼近离散数据
12、的方法。将时间定义为自变量 x，土壤水分定义为因变量 y，公式如式(2)所示。y=f(x，c)(2)式中，c=(c1，c2，c3，cn)为待定参数;n 为序列长度。以决定系数作为评价拟合优度的指标，选择 ci使得作为拟合模型与实际观测值在各点残差的加权平方和达到最小。2结果与分析2 1降水后土壤水分消退与拟合分析不同降水强度对土壤水分的影响效率不同，将降水样本以表 1 中标准进行划分，由于小雨对 3 d 的土壤水分影响极低，特大暴雨样本量仅有 3 条，因此，本文仅对表 1中 4 种强度降水后土壤水分消退进行研究。表 1降水强度等级划分标准Tab 1Criteria for classifica
13、tion of precipitation intensity降水等级12 h 降水总量(mm)样本量中雨 Moderate rain514 95 738大雨 Heavy rain1529 92 180暴雨 ainstorm3069 9816大暴雨 Heavy rainstorm70139 969将不同强度降水后 72 h 内 5 cm 土壤水分样本数据进行同期平均后，将所得数据进行 5 次项曲线拟合并求解决定系数，各项拟合系数均达到 0 8 以上，认为达到理想拟合精度。绘制数据图像及拟合曲线如图 2 所示，可以发现:图 2不同强度降水后 3 d 内土壤水分下降速率Fig 2eduction
14、rate of soil moisture in three daysafter precipitation with different intensities1)降水事件后 3 d 内，不同降水强度下表层土壤水分均表现下降趋势。暴雨、大雨、中雨在 3 d 内消退速率始终大于 0 m3/(m3h)，土壤水分不断减小，大暴雨条件下在 35 h 时刻出现第一次负增长率，此后 2 次负增长分别出现在 50、62 及 65 h，时间间隔逐渐缩短，认为可能和土壤水分饱和有一定关联。2)在降水结束后 10 h 内，降水强度与土壤水分消退速率正相关。按降水强度从高到低排序，大暴雨至中雨在降水结束时刻消退速
15、率分别为 0 006 9、0 004 7、0 003、0 000 9 m3/(m3h)，差异较为明显，至 10 h 时刻24测绘与空间地理信息2023 年消退速率依次为 0 001 6、0 001 3、0 000 9、0 000 5 m3/(m3h)，可以看到相对于起始时刻，降水强度越高，土壤水分消退速率变化越大。3)不同降水强度下土壤水分消退速率达到稳定水平所用时间不同。中雨和大雨所需时间最短，皆为 11 h，暴雨达到稳定消退所需时间为 13 h，大暴雨在第 16 h 达到基本稳定。稳定后各强度降水下土壤水分消退速率均在00 001 m3/(m3h)区间内变化，且在第 44 h 左右基本达到
16、一致，表明降水结束后 44 h 基本可以排除强度对土壤水分的影响。2 2常态下表层土壤水分日变化分析经过 1 2 节严格控制常态时段，共得到 47 个站点 9年内 46 897 d 样本数据。利用同期平均法分别求算各时刻土壤水分如图 3 所示。分析变化形态可以发现:图 3常态下土壤水分 24 h 变化规律Fig 324hour variation of soil moisture undernormal conditions1)常态下表层土壤水分在 24 h 内存在一定波动变化。整体呈现下降上升下降趋势，且在一天中土壤水分降低时间与升高时间的比例大概在 21左右。2)24 h 内最高值(0 129 m3/m3)出现在 0 h，随后不断下降，在 14 h 到达最低点(0 123 9 m3/m3)后逐步上升至 21 点(0 126 6 m3/m3)，在接下来的 3 h 内至次日 14 h，呈现周期性变化。3)，土壤水分在 24 h 内存在 0 003 m3/m3下降。此数值为 47 个站点多年平均值，不同地区环境和土壤质地差异可能导致该数值存在一定的浮动。3结束语本文通过对高频广域实测数据