基于独立成分分析的乍得湖流域干旱和陆地蓄水的时空变化特征外文翻译资料

 2022-06-15 11:06

基于独立成分分析的乍得湖流域干旱和陆地蓄水的时空变化特征

摘要

由于发表的地面观测资料不足，乍得湖最近已被认为完全干涸，几乎灭绝。考虑到该地区降水的高度空间变异性以及乍得湖盆地极端气候条件（例如干旱）可能由于人类活动而加剧的事实，干旱分析的时空方法变得至关重要。本研究采用独立成分分析四阶累积量统计方法，对重力恢复与气候实验（GRACE）得到的标准化降水指数（SPI），标准化土壤湿度指数（SSI）和陆地蓄水量（TWS）转化为乍得湖流域上的空间和时间模式。另外，本研究利用卫星测高数据估算乍得湖水位变化，并进一步采用相关的气候遥相关指数（厄尔尼诺和南方涛动ENSO，大西洋多年代振荡AMO和大西洋经度模式AMM）研究它们与流域观测到的干旱时间模式的联系。从时空干旱分析来看，标准化降水指数（SPI）在12个月聚集的时间演变在过去的二十年中表现出相对湿润的状况（尽管有明显的变化），2012 - 2014年是最潮湿的。除此期间降雨条件改善外，2008年至2014年乍得湖地区观测的高度水位在统计学上显著增加了0.04米/年，这证实了该流域水文条件的转变。在2002 - 2014年期间陆地蓄水量（TWS）变化的观测趋势表明，在流域中心3.0 mm /年的不显著增长，与2002 - 2003年和2009-2012年期间所有月度积累的标准化土壤湿度指数（SSI）时间演变显示的土壤湿度亏损相吻合。此外，在3和6个月尺度的标准化降水指数（SPI)指示了流域最南端的波动干旱条件，与在流域南部的陆地蓄水量（TWS）4.5毫米/年的不显著下降吻合。最后，相关分析表明ENSO，AMO和AMM与流域极端降水条件有关，AMO与SPI 12个月的聚集显示最强的相关性（统计学显著相关性为0.55）。因此，本研究提供了一个支持LCB干旱监测的框架。

关键词：陆地蓄水量（TWS） 土壤湿度 独立成分分析（ICA） 标准化降水指数（SPI）

干旱 降水量

1.引言：

乍得湖流域（LCB）是世界上最大的内陆流域，面积约2,500,000平方公里，支持约3700万水资源用于农业，渔业和其他家庭用水的人口。该流域地理上以北纬6°N和北纬24°N，东经7°W和24°E（图1）为界，被中部的乍得湖所占据，这是一个由大量流域水文构成的突出的淡水体。据报道，近年来湖泊的空间范围从1950年代的24000平方公里减少到大约1700平方公里（即大约90％的下降）的分段式开放水域。乍得湖主要从Chari-Logone河得到供水，这个河提供了大约95％的总入流量进入南部水池，还有Komadugu-Yobe河（见图2），其中提供了不到2.5％的水流入湖的北部。与非洲的其他湖泊相比，最近对乍得湖的描述预示着一个完全干燥和几乎消失的湖泊。这种看法可能一部分与缺乏卫星观测记录分析有关。因此，湖泊的干旱叙述和整个乍得湖流域一直是科学讨论相对少得多的课题。

大量的对乍得湖的水文和相应的流域的研究已经在进行。例如，Coe和Birkett（2004）利用卫星雷达高度测量水位来估算Chari / Ouham汇合处的河流流量，而Lemoalle等人 （2012）利用水文模型重建1973年至2011年间过去湖泊和淹没地区的水位，以弥补水文数据的不足。Birkett（2000）和Coe和Foley（2001）较早报道了区域降水模式和人类活动对湖泊干燥化的影响，而Okonkwo等 （2014）研究了厄尔尼诺、南方涛动（ENSO）与降水量，沙里河河流量和乍得湖水位在Kalomand Kindjeria的关系。Leblanc等人 （2003）使用地理信息系统（GIS）框架中的AVHRR（传感器）和气象卫星数据来绘制乍得湖的空间范围波动。但是最近Lopez等人 （2016）研究了流域的第四纪潜水含水层，表明测压水位与沉积厚度之间存在关联。

然而，从目前重点的研究来看，我们发现在乍得湖流域水资源可利用性，干旱模式和蓄水时空变化方面存在较大的研究空白。除了Okonkwo等人的努力之外（2013），它提供了关于2002-2011年期间乍得湖流域（盆地）降水和干旱概率分布的具体位置信息，乍得湖流域中的干旱研究通常是缺乏的，而且大部分都是无记录的。此外，随着乍得湖流域内的人类活动（例如灌溉方案）特别是湖区内的人类活动（例如Lemoalle等，2012; Coe和Foley，2001）的增加，人们可能会认为流域的水资源可能更脆弱，鉴于西非的萨赫勒地区水的供应和水文系统中观察到的显著全球干燥趋势（格雷夫等人，2014）。此外，在全球气候变化和海洋变暖的干扰下，未来可能由于降水和人类活动缺乏或不足而导致流域有限的营养变得更糟。这可能会对当地经济和支撑乍得湖的淡水支流（即沙里河和洛克河）产生重大影响。

此外，尽管萨赫勒地区部分地区的降雨得到了公认的恢复（见Nicholson，2013年其参考文献），但这一恢复对乍得湖水文的影响和整个流域的陆地蓄水量变化仍然不甚明朗 ，很大程度上是未知的，没有记录。例如，除了增加的降雨量和湖泊水位之间的不一致的趋势之外，Okonkwo等人 （2014）表明，ENSO的变化率仅能解释31%的乍得湖水位在Kindjeria的变化和13%的乍得湖北部降水量的变化。值得注意的是，乍得湖流域已经被频繁的干旱而导致有限的淡水供应所蹂躏。Odada等人报道，在淡水短缺的情况下，流域水分的减少可见于年均水量平衡。（2005年）。据报道，1971年至1990年期间，流域内的流入量和流出量分别为24.68立方公里/年和24.5立方公里/年，其中蒸散是流出的主要组成部分（约23.1立方公里/年）。除此之外，由于缺乏确定其时空发生的优化框架，该地区的干旱叙述可能是高度概括性的（即，就其空间变异性，特征等而言）。考虑到该地区降雨量的空间变异性很高，以及由于人为因素（例如取水灌溉）可能导致流域极端气候条件加剧的事实，干旱分析的时空方法变得至关重要。

许多研究（主要是主流的卫星水文学）已经显示了如何利用高度测量，重力测量和光学遥感平台的多卫星数据来估算流域和缺乏测量的地区的陆地蓄水量（TWS）变化除了估算来自湖泊和水库等地表水体的水量变化（参见Tourian等，2015; Baup等，2014; Duan和Bastiaanssen，2013a）。特别是重力恢复与气候实验（GRACE）卫星任务（Tapley等，2004）的开展，使得水文学家能够验证水文模型中的储水输出，并充分利用重力恢复与气候实验（GRACE）观测资料，对陆地蓄水量（TWS）的年际变化和水平衡研究（见Wouters等，2014，及其中的参考文献）。虽然很少有利用西非重力恢复与气候实验（GRACE）数据的水文研究（见Ndehedehe等，2016a; Grippa等，2011; Hinderer等，2009）被报道，但在西非的其他地区也有一些干旱研究和极端降雨条件已被记录（例如参见Ali和Lebel，2009; Ndehedehe等，2016b; Masih等，2014; Bader和Latif，2011; Nicholson等，2000; Nicholson， 2013年以及其中的参考文献）。尽管重力恢复与气候实验（GRACE）数据在水文研究中的应用取得了一些进展，例如在干旱和洪水估算中的应用（例如Reager等，2014; Yirdaw等，2008），重力恢复与气候实验（GRACE）数据在乍得湖流域对陆地蓄水量（TWS）变化和干旱的时空发展监测的潜力尚未得到充分的探索。

在这项研究中，我们利用重力恢复与气候实验（GRACE）观测来估算乍得湖流域上的陆地蓄水量（TWS），此外还有卫星测高得出的水位和其他水文变量（如降雨量）和土壤湿度来监测储水量的变化以及干旱的时空特征。与之前在世界其他地区分析了时空干旱事件（参见Bazrafshan等，2014; Santos等，2010; Bonaccorso等，2003）使用主成分分析 （Jolliffe，2002）的研究相反，，我们采用独立成分分析（ICA，见Cardoso，1999; Common，1994; Cardoso and Souloumiac，1993），这是一种高阶统计方法，用于定位干旱模式和时间变化水文信号（即TWS）。不同于Ndehedehe等（2016b）报道的沃尔塔盆地低频气候振荡对水文干旱的影响，此处采用乍得湖盆地（半干旱萨赫勒环境）作为试验性试验床，不考虑Volta盆地的干旱时间演变，主要是为了证明使用四阶累积量统计例如ICA来分析干旱的时空演变指标在不同时间尺度上（3,6和12个月的聚合），以及检验其他气候模式的关系（即ENSO，AMO和AMM）。这种分析不仅对于理解干旱变率至关重要，而且对造成降雨变率的原因也至关重要，尽管这些变化尚不清楚，但与附近海域的海表温度异常有某些联系（如Bader和Latif，2011）。对于干旱分析，我们使用了近期引入的标准化非参数单变量和多变量干旱指数（见Hao和AghaKouchak，2013,2014; Farahmand和AghaKouchak，2015），用于表征不同干旱（如气象，农业和水文）在乍得湖流域。采用ICA技术将标准化降水指数（SPI）和将标准化土壤湿度指数（SSI）统计分解为空间和时间模式，而多元标准化指数（MSDI）用于评估两个气候变量（降水和土壤湿度）的效用，通过捕获干旱特性，如频率，持久性和终止。本研究特别针对（i）定位和表征乍得湖流域干旱模式的时空演变，以及（ii）确定陆地蓄水量（TWS）变化的空间变化和估计乍得湖流域上湖泊高度变化的趋势。我们在第2节提供了有关干旱模式时空变异的背景资料，分别在第3节和第4节分别介绍了有关方法和研究结果的更多细节。

图1：研究区域显示了乍得湖，构成乍得湖盆地的河岸国家以及盆地内重要的河流网络（蓝线）。 我们的分析侧重于传统流域面积（蓝色多边形的一部分），其中主要包括尼日尔，乍得，尼日利亚东北部，喀麦隆北部和中非共和国大部分地区的南部和北部东部地区。 地图来自www.worldmap.org和http://assets.panda.org/img/original/chadmap.gif。乍得湖流域位于萨赫勒和森林稀树草原的西南十字路口，撒哈拉沙漠是撒哈拉沙漠和西非热带稀树草原之间的过渡地带（Okonkwo et al，2013）。

图2：1973,1987,2003和2013年Landsat影像所显示的乍得湖地表面积的空间和时间变化。显示了约95％的流入湖的Chari河。 地图上的蓝线（左）显示盆地内的河流网络，其中大部分构成了沙里河系统。 目前乍得湖显示两个分段池，北部池在干旱期间完全干涸（右）。 地图和图像来自（i）www-stud.informatik.uni-frankfurt.de/sfb268/d6/pics/misc/franke2000gr-abb1-gross.gif和（ii）美国地质调查（http：// earthshots.usgs.gov/ earthshots/Lake-Chad-West-Africa）。

  1. 干旱的时空变异性

缺乏实地测量来协助水文监测，限制了对乍得湖流域中主要水文变量（即降水量，水位，地下水和河流流量）的健全、大规模监测的前景。由于有限的测量站和现有水文设施的退化导致缺乏这些水文量的标准常规测量。尽管来自专业区域网络的局部测量，例如非洲季风多学科分析-古代水文气象观测系统（AMMA-CATCH，Lebel等，2009）水文气象观测系统已在一些研究中使用（如Gosset等，2013），AMMA-CATCH网络对于一个区域性研究来说是非常不够的，因为它们只在少数国家（即尼日尔，马里和贝宁）可用。进一步说，由于政府政策和官僚机构，公共和相关研究机构无法获取大多数可用数据，与此同时子区域的政治不稳定使获取此类数据的努力复杂化。 此外，不完整的数据记录和现有数据中的缺口往往会影响对该地区水文条件的适当评估和监测。

但是，由于大量可使用的气候数据或者以卫星观测或模型生成的产品的形式存在提数据，监测水文气候条件并不困难。关键问题往往围绕着对这些多种气候信号的理解和定位。 例如，使用平均标准化降水指数（SPI，McKee等，1993）时间序列估算萨赫勒地区的干旱情况并不十分有效。这是因为年度尺度上降水强烈的空间变化以及整个地区年平均气候梯度的影响（Ali和Lebel，2009）。Schewe等人（2013）更为简洁地描述了信号问题，表明在区域尺度上，与全球平均变化相比，气候模式的预测（例如降水模式和强度）不一致。这不可避免地导致在试图了解气候变化对区域尺度水资源影响上的不确定性。在西非，阿里和莱贝尔（Ali and Lebel，2009）报告说，尽管2006年的季节明显变干，但使用空间分辨率为0.5°x 0.5°的降水产品导致只有28％的地区明显干燥，而15％的萨赫勒地区显著潮湿。他们还观察到萨赫勒地区1°times;1°栅格上的标准化降水指数并不代表整个地区。 不管数据的空间分辨率和气候带的差异，从时空的视角进行干旱分析可以提高我们对干旱发生的理解。时空干旱分析的一种方法是使用组分提取技术，特别是主成分分析（PCA，Jolliffe，2002）。例如，Bazrafshan等人 （2014）在最近的一项研究中报道了多元方法，该方法使用标准化降水指数（SPI）时间序列的主成分分析（PCA）获得不同时间尺度下（即3,6和12个月尺度）干旱模式的时间变异性，而Bonaccorso等人（2003）利用主成分分析（PCA）技术研究了1926-1996年期间西西里岛的长期干旱变率。此外，使用PCA和K-均值聚类，Santos等人（2010年）能够表明，葡萄牙南部干旱事件发生的周期（每3.6年）比北部地区更频繁，北部地区严重到极度干旱发生的时间大约为每13.4年。在乍得湖流域所在的萨赫勒地区，随着降水强烈的空间变异性，我们使用了一个区域化过程的方法，从主成分分析（PCA）中分解标准化降水指数（SPI）时间序列被转向独立统计，这个过程被称为独立成分分析（例如Aires等人，2002; Cardoso，1999; Cardos

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