农区降水影响土壤水分增量的等级指标

1农区降水影响土壤水分增量的等级指标本文件规定了农区西部、中部及东部4-9月5天累积降水影响10cm、20cm土层深度土壤相对湿度增量的等级划分与等级指标。本文件适用于气象行业各部门基于降水与土壤相对湿度增量关系开展农区土壤墒情与干旱监测的研发与应用。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。GB/T35228—2017地面气象观测规范降水量GB/T33705—2017土壤水分观测频域反射法DB15/T510—2012内蒙古农田、草地土壤相对湿度等级指标3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1农区farmingareas以农业(种植业)生产为主的地区[来源：DB15/T510—2012，3.2]3.2降水量precipitationamount某一时段内的未经蒸发、渗透、流失的降水，在水平面上积累的深度。[来源：GB/T35228—2017，3.2]3.3土壤水分soilmoisture田间土壤含水量及其对应的作物水分状态。[来源：GB/T33705—2017，3.2]3.4土壤重量含水量soilmoisturecontentbymass土壤中水的重量与干土重量的比值，通常以百分数形式表示。[来源：GB/T33705—2017，3.4]3.5田间持水量fieldcapacity2在地下水埋藏较深的条件下，土壤所能稳定保持的最高土壤含水量。[来源：DB15/T510—2012，3.7]3.6土壤相对湿度relativemoistureofsoil土壤重量含水量占田间持水量的比值，通常以百分数形式表示。[来源：GB/T33705—2017，3.5]4资料与计算方法4.1使用资料4.1.15天的累积降水量连续5天的日降水量之和，单位为毫米（mm）。本文件使用北京时间08时—08时的日降水量；4.1.2降水累积持续时长初始日期08时到结束日期08时5天的时段之内，小时降水量大于0.1mm的累计小时个数，单位为小时）；4.1.3月值连续5天的结束日期的月份值；4.1.4土壤相对湿度初始值土壤水分自动站在连续5天的初始日期08时的土壤相对湿度值，单位为百分数（%）；4.1.5土壤相对湿度增量土壤水分自动站在连续5天的结束日期08时的土壤相对湿度值与土壤相对湿度初始值之差，单位为百分数（%）。4.24.2计算方法采用深度森林模型确定土壤水分增量的等级指标，方法见附录A。内蒙古农区西部、中部、东部4-9月降水影响10cm、20cm土层深度土壤相对湿度增量的等级指标见附录B。其中农区西部是指内蒙古境内111°E以西，包括包头市、鄂尔多斯市、巴彦淖尔市，乌海市和阿拉善盟；农区中部是指内蒙古境E以东至118°E以西，包括锡林郭勒盟的中西部地区，乌兰察布市，呼和浩特市；农区东部是指内蒙古境内118°E以东，包括呼伦贝尔市、兴安盟、通辽市、赤峰市的中东部地区和锡林郭勒盟的东部地区。5农区降水影响土壤水分增量的等级划分表1农区4-9月5天累积降水影响10cm、20cm土层深度土壤相对湿度增量的等级划分13234深度森林模型方法A.1深度森林模型周志华等提出了多粒度级联森林方法（gcForest）来构建深度森林（DeepForest，DF），这是一个非神经网络式的深度模型。具有级联结构，能够通过森林进行特征学习。此外还提出了一种多粒度扫描的方法进一步增强学习能力，特别的是，模型的复杂度可以根据数据来确定；这使得gcForest即使在小规模的数据中也能很好地工作。级联森林的每一个Level包含若干个集成学习的分类器,这是一种集成中的集成结构。为了体现多样性，这里用了两种代表了若干不同的集成学习器，如图1所示。图中的级联森林每一层包括两个完全随机森林（黑色）和两个随机森林（蓝色）。完全随机森林是在完整的特征空间中随机选取特征来分裂，这两种森林的主要区别在于候选特征空间。而普通随机森林是在一个随机特征子空间内通过基尼系数来选取分裂节点。图A.1级联森林结构在这个结构中，用输入特征（feature）训练两个完全随机树森林和两个随机森林。样本label就是该样本真实的label。每一个森林的训练都是独立的监督学习。在每一层中层之间的森林本来就是互相独立。每个森林输出回归概率分布，相当于3个新feature。这些新的feature与原来的输入feature合并组成新的输入，进行下一层的生成。每生成并训练完一个层的森林，用该层的森林再测试集上验证表现是否继续提升。如果提升不明显，就不再继续生成。换句话说，迭代到效果不能提升就停止。多粒度扫描是为了增强级联森林，为了对特征做更多的处理的一种技术手段。具体扫描过程类似卷积神经网络中的卷积核的移动。只不过不进行卷积运算。于图像数据的处理和序列数据一样，图像数据的扫描方式当然是从左到右、从上到下，而序列数据只是从上到下。这一操作主要是扩增了数据的维数。更多注意到了原始数据中各个feature之间的关联。整个森林的整体架构为先多粒度扫描后接联级森林，最终获得回归结果。A.2利用深度森林模型计算土壤相对湿度增量的等级指标第一步：深度森林模型训练实验选取了内蒙古农区西部、中部、东部的代表站点，其中西部为巴彦淖尔市乌拉特前旗大佘太站（53348中部为呼和浩特市的土默特左旗站（53464东部为赤峰站（53505）。选择3个站点2017-2021年5年的4-9月的小时降水、土壤相对湿度数据，通过数据统计，应用850多条数据记录，按照8:2的比例5划分成训练集和测试集，分别建立了5天累积降水量、降水持续时长、土壤相对湿度初始值，月值（时间）与10cm、20cm土层深度土壤相对湿度增量的多元深度森林回归模型。第二步：输入要素等级划分5天累积降水量参照张存厚等的研究结果划分为0.1~5、5.1~10、10.1~25、25.1~45、45.1~60、60.1以上六个等级。每一个等级的均值应用kmeans聚类算法，找出的1991-2020年（30年）各个等级5天累积降水量的质心；各个等级的降水量对应的月份的均值也是采用同样的方法。降水累积持续时长的等级划分是基于2010-2021年的小时降水数据，应用kmeans聚类算法将5天累积降水持续时长（单位是小时）分成三类，均值为每一类的质心。土壤相对湿度初始值也是应用kmeans聚类算法将2017-2021年5天累积降水量对应的土壤相对湿度值分成三类，均值为每一类的质心。第三步：计算土壤相对湿度增量的等级指标以每个等级5天累积降水量均值、土壤相对湿度初始值均值，月值均值、降水累积持续时长均值为自变量，输入训练好的深度森林模型，将输出的土壤相对湿度增量值作为这个等级的降水影响土壤水分增量的等级指标。6农区降水影响土壤水分增量的等级指标内蒙古农区西部、中部、东部4-9月降水影响10cm、20cm土层深度土壤相对湿度增量的等级指标如表B.1-B.6所示。表B.1农区西部4-9月份5天累积降水影响10cm土层深度土壤相对湿度增量的等级指标降水量（mm）降水时长（h）月份土壤相对湿度初值（%）土壤相对湿度增量的等级指标（%）变动范围均值变动范围均值变动范围均值变动范围均值2.34~96.60~45.138.602.34~96.645.2~5951.92.34~96.666.3-195以上7.14~96.60~45.138.615以上7.14~96.645.2~5951.95以上7.14~96.666.3-16744~96.90~45.138.6744~96.945.2~5951.9744~96.966.378.54~96.90~45.138.678.54~96.945.2~5951.9278.54~96.966.3712以上4~96.90~45.138.6712以上4~96.945.2~5951.94712以上4~96.966.310.1~2564~97.30~45.138.610.1~2564~97.345.2~5951.9910.1~2564~97.366.310.1~254~97.30~45.138.62010.1~254~97.345.2~5951.910.1~254~97.366.3010.1~2514以上4~97.30~45.138.62010.1~2514以上4~97.345.2~5951.9910.1~2514以上4~97.366.325.1~4532.14~97.40~45.138.62125.1~4532.14~97.445.2~5951.925.1~4532.14~97.466.3325.1~4532.14~97.40~45.138.62125.1~4532.14~97.445.2~5951.925.1~4532.14~97.466.327降水量（mm）降水时长（h）月份土壤相对湿度初值（%）土壤相对湿度增变动范围均值变动范围均值变动范围均值变动范围均值量的等级指标（%）25.1~4532.120以上224~97.40~45.138.62525.1~4532.120以上224~97.445.2~5951.925.1~4532.120以上224~97.466.345.1~6051.44~97.20~45.138.62445.1~6051.44~97.245.2~5951.945.1~6051.44~97.266.3245.1~6051.418以上234~97.20~45.138.62845.1~6051.418以上234~97.245.2~5951.945.1~6051.418以上234~97.266.360.1以上73.34~97.50~45.138.62360.1以上73.34~97.545.2~5951.960.1以上73.34~97.566.3160.1以上73.329以上354~97.50~45.138.62560.1以上73.329以上354~97.545.2~5951.960.1以上73.329以上354~97.566.33表B.2农区西部4-9月份5天累积降水影响20cm土层深度土壤相对湿度增量的等级指标降水量（mm）降水时长（h）月份土壤相对湿度初值（%）土壤相对湿度增量的等级指标（%）变动范围均值变动范围均值变动范围均值变动范围均值2.34~96.60~56.550.712.34~96.656.6~67.962.52.34~96.668以上73.55以上7.14~96.60~56.550.715以上7.14~96.656.6~67.962.55以上7.14~96.668以上73.5744~96.90~56.550.71744~96.956.6~67.962.5744~96.968以上73.578.54~96.90~56.550.7178.54~96.956.6~67.962.578.54~96.968以上73.5712以上4~96.90~56.550.71712以上4~96.956.6~67.962.50712以上4~96.968以上73.564~97.30~56.550.7864~97.356.6~67.962.5264~97.368以上73.54~97.30~56.550.78降水量（mm）降水时长（h）月份土壤相对湿度初值（%）土壤相对湿度增变动范围均值变动范围均值变动范围均值变动范围均值量的等级指标（%）10.1~254~97.356.6~67.962.5710.1~254~97.368以上73.5210.1~2514以上4~97.30~56.550.710.1~2514以上4~97.356.6~67.962.5710.1~2514以上4~97.368以上73.5125.1~4532.14~97.40~56.550.725.1~4532.14~97.456.6~67.962.525.1~4532.14~97.468以上73.5225.1~4532.14~97.40~56.550.725.1~4532.14~97.456.6~67.962.525.1~4532.14~97.468以上73.5125.1~4532.120以上224~97.40~56.550.725.1~4532.120以上224~97.456.6~67.962.525.1~4532.120以上224~97.468以上73.5045.1~6051.44~97.20~56.550.745.1~6051.44~97.256.6~67.962.545.1~6051.44~97.268以上73.5345.1~6051.418以上234~97.20~56.550.745.1~6051.418以上234~97.256.6~67.962.545.1~6051.418以上234~97.268以上73.5060.1以上73.34~97.50~56.550.760.1以上73.34~97.556.6~67.962.560.1以上73.34~97.568以上73.5160.1以上73.329以上354~97.50~56.550.760.1以上73.329以上354~97.556.6~67.962.560.1以上73.329以上354~97.568以上73.56表B.3农区中部4-9月份5天累积降水影响10cm土层深度土壤相对湿度增量的等级指标降水量（mm）降水时长（h）月份土壤相对湿度初值（%）土壤相对湿度增量的等级指标（%）变动范围均值变动范围均值变动范围均值变动范围均值2.24~96.60~38.526.202.24~96.638.6~70.551.3-102.24~96.670.6以上905以上6.84~96.60~38.526.215以上6.84~96.638.6~70.551.3-115以上6.84~96.670.6以上90-107.354~96.80~38.526.247.354~96.838.6~70.551.39降水量（mm）降水时长（h）月份土壤相对湿度初值（%）土壤相对湿度增变动范围均值变动范围均值变动范围均值变动范围均值量的等级指标（%）7.354~96.870.6以上90-127.39.94~96.80~38.526.247.39.94~96.838.6~70.551.37.39.94~96.870.6以上907.313以上4~96.80~38.526.27.313以上4~96.838.6~70.551.37.313以上4~96.870.6以上904.54~97.20~38.526.2214.54~97.238.6~70.551.34.54~97.270.6以上90-104~97.20~38.526.2244~97.238.6~70.551.334~97.270.6以上9016以上204~97.20~38.526.22716以上204~97.238.6~70.551.3916以上204~97.270.6以上90125.1~4533.58.34~97.40~38.526.24225.1~4533.58.34~97.438.6~70.551.32725.1~4533.58.34~97.470.6以上90225.1~4533.512~214~97.40~38.526.25125.1~4533.512~214~97.438.6~70.551.33125.1~4533.512~214~97.470.6以上9025.1~4533.522以上28.14~97.40~38.526.25625.1~4533.522以上28.14~97.438.6~70.551.33625.1~4533.522以上28.14~97.470.6以上90445.1~6050.14~97.20~38.526.25945.1~6050.14~97.238.6~70.551.33745.1~6050.14~97.270.6以上90745.1~6050.130以上414~97.20~38.526.26445.1~6050.130以上414~97.238.6~70.551.34345.1~6050.130以上414~97.270.6以上9060.1以上85.423.54~97.50~38.526.26860.1以上85.423.54~97.538.6~70.551.34760.1以上85.423.54~97.570.6以上9060.1以上85.431以上464~97.50~38.526.27260.1以上85.431以上464~97.538.6~70.551.35260.1以上85.431以上464~97.570.6以上9026表B.4农区中部4-9月份5天累积降水影响20cm土层深度土壤相对湿度增量的等级指标降水量（mm）降水时长（h）月份土壤相对湿度初值（%）土壤相对湿度增量的等级指标（%）变动范围均值变动范围均值变动范围均值变动范围均值2.24~96.60~33.42.24~96.633.5~64.9472.24~96.665以上82.65以上6.84~96.60~33.45以上6.84~96.633.5~64.9475以上6.84~96.665以上82.67.354~96.80~33.407.354~96.833.5~64.9477.354~96.865以上82.67.39.94~96.80~33.407.39.94~96.833.5~64.9477.39.94~96.865以上82.67.313以上4~96.80~33.47.313以上4~96.833.5~64.94757.313以上4~96.865以上82.6310.1~254.54~97.20~33.4610.1~254.54~97.233.5~64.94710.1~254.54~97.265以上82.610.1~254~97.20~33.410.1~254~97.233.5~64.947010.1~254~97.265以上82.610.1~2516以上204~97.20~33.410.1~2516以上204~97.233.5~64.947410.1~2516以上204~97.265以上82.6425.1~4533.58.34~97.40~33.42025.1~4533.58.34~97.433.5~64.9472125.1~4533.58.34~97.465以上82.625.1~4533.512~214~97.40~33.43825.1~4533.512~214~97.433.5~64.9473025.1~4533.512~214~97.465以上82.625.1~4533.522以上28.14~97.40~33.44325.1~4533.522以上28.14~97.433.5~64.9473525.1~4533.522以上28.14~97.465以上82.62045.1~6050.14~97.20~33.44545.1~6050.14~97.233.5~64.9473545.1~6050.14~97.265以上82.645.1~6050.130以上414~97.20~33.448降水量（mm）降水时长（h）月份土壤相对湿度初值（%）土壤相对湿度增变动范围均值变动范围均值变动范围均值变动范围均值量的等级指标（%）45.1~6050.130以上414~97.233.5~64.9474245.1~6050.130以上414~97.265以上82.660.1以上85.423.54~97.50~33.45460.1以上85.423.54~97.533.5~64.9474560.1以上85.423.54~97.565以上82.62560.1以上85.431以上464~97.50~33.45760.1以上85.431以上464~97.533.5~64.9474960.1以上85.431以上464~97.565以上82.630表B.5农区东部4-9月份5天累积降水影响10cm土层深度土壤相对湿度增量的等级指标降水量（mm）降水时长（h）月份土壤相对湿度初值（%）土壤相对湿度增量的等级指标（%）变动范围均值变动范围均值变动范围均值变动范围均值2.24~96.60~44.83512.24~96.644.9~63.955.22.24~96.664以上72.95以上6.84~96.60~44.83515以上6.84~96.644.9~63.955.25以上6.84~96.664以上72.97.42.54~96.80~44.83517.42.54~96.844.9~63.955.27.42.54~96.864以上72.97.45~96.94~96.80~44.83527.45~96.94~96.844.9~63.955.27.45~96.94~96.864以上72.97.410以上4~96.80~44.83557.410以上4~96.844.9~63.955.27.410以上4~96.864以上72.96.34~96.70~44.8356.34~96.744.9~63.955.266.34~96.764以上72.94~96.70~44.8354~96.744.9~63.955.264~96.764以上72.918以上21.94~96.70~44.83518以上21.94~96.744.9~63.955.2918以上21.94~96.764以上72.9025.1~4532.74~970~44.8352925.1~4532.74~9744.9~63.955.29降水量（mm）降水时长（h）月份土壤相对湿度初值（%）土壤相对湿度增变动范围均值变动范围均值变动范围均值变动范围均值量的等级指标（%）25.1~4532.74~9764以上72.925.1~4532.715~234~970~44.8353425.1~4532.715~234~9744.9~63.955.225.1~4532.715~234~9764以上72.9225.1~4532.724以上29.34~970~44.8353325.1~4532.724以上29.34~9744.9~63.955.225.1~4532.724以上29.34~9764以上72.9345.1~6052.54~97.10~44.8353545.1~6052.54~97.144.9~63.955.245.1~6052.54~97.164以上72.9545.1~6052.528以上36.24~97.10~44.8353245.1~6052.528以上36.24~97.144.9~63.955.245.1~6052.528以上36.24~97.164以上72.9460.1以上82.44~97.10~44.8354360.1以上82.44~97.144.9~63.955.22460.1以上82.44~97.164以上72.960.1以上82.425以上31.54~97.10~44.8353860.1以上82.425以上31.54~97.144.9~63.955.260.1以上82.425以上31.54~97.164以上72.99表B.6农区东部4-9月份5天累积降水影响20cm土层深度土壤相对湿度增量的等级指标降水量（mm）降水时长（h）月份土壤相对湿度初值（%）土壤相对湿度增量的等级指标（%）变动范围均值变动范围均值变动范围均值变动范围均值2.24~96.60~34.926.622.24~96.635~4943.302.24~96.649.1以上54.55以上6.84~96.60~34.926.615以上6.84~96.635~4943.305以上6.84~96.649.1以上