農(nóng)區(qū)降水影響土壤水分增量的等級指標(biāo)

1農(nóng)區(qū)降水影響土壤水分增量的等級指標(biāo)本文件規(guī)定了農(nóng)區(qū)西部、中部及東部4-9月5天累積降水影響10cm、20cm土層深度土壤相對濕度增量的等級劃分與等級指標(biāo)。本文件適用于氣象行業(yè)各部門基于降水與土壤相對濕度增量關(guān)系開展農(nóng)區(qū)土壤墑情與干旱監(jiān)測的研發(fā)與應(yīng)用。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T35228—2017地面氣象觀測規(guī)范降水量GB/T33705—2017土壤水分觀測頻域反射法DB15/T510—2012內(nèi)蒙古農(nóng)田、草地土壤相對濕度等級指標(biāo)3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1農(nóng)區(qū)farmingareas以農(nóng)業(yè)(種植業(yè))生產(chǎn)為主的地區(qū)[來源：DB15/T510—2012，3.2]3.2降水量precipitationamount某一時段內(nèi)的未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失的降水，在水平面上積累的深度。[來源：GB/T35228—2017，3.2]3.3土壤水分soilmoisture田間土壤含水量及其對應(yīng)的作物水分狀態(tài)。[來源：GB/T33705—2017，3.2]3.4土壤重量含水量soilmoisturecontentbymass土壤中水的重量與干土重量的比值，通常以百分?jǐn)?shù)形式表示。[來源：GB/T33705—2017，3.4]3.5田間持水量fieldcapacity2在地下水埋藏較深的條件下，土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量。[來源：DB15/T510—2012，3.7]3.6土壤相對濕度relativemoistureofsoil土壤重量含水量占田間持水量的比值，通常以百分?jǐn)?shù)形式表示。[來源：GB/T33705—2017，3.5]4資料與計算方法4.1使用資料4.1.15天的累積降水量連續(xù)5天的日降水量之和，單位為毫米（mm）。本文件使用北京時間08時—08時的日降水量；4.1.2降水累積持續(xù)時長初始日期08時到結(jié)束日期08時5天的時段之內(nèi)，小時降水量大于0.1mm的累計小時個數(shù)，單位為小時）；4.1.3月值連續(xù)5天的結(jié)束日期的月份值；4.1.4土壤相對濕度初始值土壤水分自動站在連續(xù)5天的初始日期08時的土壤相對濕度值，單位為百分?jǐn)?shù)（%）；4.1.5土壤相對濕度增量土壤水分自動站在連續(xù)5天的結(jié)束日期08時的土壤相對濕度值與土壤相對濕度初始值之差，單位為百分?jǐn)?shù)（%）。4.24.2計算方法采用深度森林模型確定土壤水分增量的等級指標(biāo)，方法見附錄A。內(nèi)蒙古農(nóng)區(qū)西部、中部、東部4-9月降水影響10cm、20cm土層深度土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)見附錄B。其中農(nóng)區(qū)西部是指內(nèi)蒙古境內(nèi)111°E以西，包括包頭市、鄂爾多斯市、巴彥淖爾市，烏海市和阿拉善盟；農(nóng)區(qū)中部是指內(nèi)蒙古境E以東至118°E以西，包括錫林郭勒盟的中西部地區(qū)，烏蘭察布市，呼和浩特市；農(nóng)區(qū)東部是指內(nèi)蒙古境內(nèi)118°E以東，包括呼倫貝爾市、興安盟、通遼市、赤峰市的中東部地區(qū)和錫林郭勒盟的東部地區(qū)。5農(nóng)區(qū)降水影響土壤水分增量的等級劃分表1農(nóng)區(qū)4-9月5天累積降水影響10cm、20cm土層深度土壤相對濕度增量的等級劃分13234深度森林模型方法A.1深度森林模型周志華等提出了多粒度級聯(lián)森林方法（gcForest）來構(gòu)建深度森林（DeepForest，DF），這是一個非神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)式的深度模型。具有級聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠通過森林進(jìn)行特征學(xué)習(xí)。此外還提出了一種多粒度掃描的方法進(jìn)一步增強學(xué)習(xí)能力，特別的是，模型的復(fù)雜度可以根據(jù)數(shù)據(jù)來確定；這使得gcForest即使在小規(guī)模的數(shù)據(jù)中也能很好地工作。級聯(lián)森林的每一個Level包含若干個集成學(xué)習(xí)的分類器,這是一種集成中的集成結(jié)構(gòu)。為了體現(xiàn)多樣性，這里用了兩種代表了若干不同的集成學(xué)習(xí)器，如圖1所示。圖中的級聯(lián)森林每一層包括兩個完全隨機森林（黑色）和兩個隨機森林（藍(lán)色）。完全隨機森林是在完整的特征空間中隨機選取特征來分裂，這兩種森林的主要區(qū)別在于候選特征空間。而普通隨機森林是在一個隨機特征子空間內(nèi)通過基尼系數(shù)來選取分裂節(jié)點。圖A.1級聯(lián)森林結(jié)構(gòu)在這個結(jié)構(gòu)中，用輸入特征（feature）訓(xùn)練兩個完全隨機樹森林和兩個隨機森林。樣本label就是該樣本真實的label。每一個森林的訓(xùn)練都是獨立的監(jiān)督學(xué)習(xí)。在每一層中層之間的森林本來就是互相獨立。每個森林輸出回歸概率分布，相當(dāng)于3個新feature。這些新的feature與原來的輸入feature合并組成新的輸入，進(jìn)行下一層的生成。每生成并訓(xùn)練完一個層的森林，用該層的森林再測試集上驗證表現(xiàn)是否繼續(xù)提升。如果提升不明顯，就不再繼續(xù)生成。換句話說，迭代到效果不能提升就停止。多粒度掃描是為了增強級聯(lián)森林，為了對特征做更多的處理的一種技術(shù)手段。具體掃描過程類似卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的卷積核的移動。只不過不進(jìn)行卷積運算。于圖像數(shù)據(jù)的處理和序列數(shù)據(jù)一樣，圖像數(shù)據(jù)的掃描方式當(dāng)然是從左到右、從上到下，而序列數(shù)據(jù)只是從上到下。這一操作主要是擴(kuò)增了數(shù)據(jù)的維數(shù)。更多注意到了原始數(shù)據(jù)中各個feature之間的關(guān)聯(lián)。整個森林的整體架構(gòu)為先多粒度掃描后接聯(lián)級森林，最終獲得回歸結(jié)果。A.2利用深度森林模型計算土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)第一步：深度森林模型訓(xùn)練實驗選取了內(nèi)蒙古農(nóng)區(qū)西部、中部、東部的代表站點，其中西部為巴彥淖爾市烏拉特前旗大佘太站（53348中部為呼和浩特市的土默特左旗站（53464東部為赤峰站（53505）。選擇3個站點2017-2021年5年的4-9月的小時降水、土壤相對濕度數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計，應(yīng)用850多條數(shù)據(jù)記錄，按照8:2的比例5劃分成訓(xùn)練集和測試集，分別建立了5天累積降水量、降水持續(xù)時長、土壤相對濕度初始值，月值（時間）與10cm、20cm土層深度土壤相對濕度增量的多元深度森林回歸模型。第二步：輸入要素等級劃分5天累積降水量參照張存厚等的研究結(jié)果劃分為0.1~5、5.1~10、10.1~25、25.1~45、45.1~60、60.1以上六個等級。每一個等級的均值應(yīng)用kmeans聚類算法，找出的1991-2020年（30年）各個等級5天累積降水量的質(zhì)心；各個等級的降水量對應(yīng)的月份的均值也是采用同樣的方法。降水累積持續(xù)時長的等級劃分是基于2010-2021年的小時降水?dāng)?shù)據(jù)，應(yīng)用kmeans聚類算法將5天累積降水持續(xù)時長（單位是小時）分成三類，均值為每一類的質(zhì)心。土壤相對濕度初始值也是應(yīng)用kmeans聚類算法將2017-2021年5天累積降水量對應(yīng)的土壤相對濕度值分成三類，均值為每一類的質(zhì)心。第三步：計算土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)以每個等級5天累積降水量均值、土壤相對濕度初始值均值，月值均值、降水累積持續(xù)時長均值為自變量，輸入訓(xùn)練好的深度森林模型，將輸出的土壤相對濕度增量值作為這個等級的降水影響土壤水分增量的等級指標(biāo)。6農(nóng)區(qū)降水影響土壤水分增量的等級指標(biāo)內(nèi)蒙古農(nóng)區(qū)西部、中部、東部4-9月降水影響10cm、20cm土層深度土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)如表B.1-B.6所示。表B.1農(nóng)區(qū)西部4-9月份5天累積降水影響10cm土層深度土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)降水量（mm）降水時長（h）月份土壤相對濕度初值（%）土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)（%）變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值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）降水時長（h）月份土壤相對濕度初值（%）土壤相對濕度增變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值量的等級指標(biāo)（%）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農(nóng)區(qū)西部4-9月份5天累積降水影響20cm土層深度土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)降水量（mm）降水時長（h）月份土壤相對濕度初值（%）土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)（%）變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值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）降水時長（h）月份土壤相對濕度初值（%）土壤相對濕度增變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值量的等級指標(biāo)（%）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農(nóng)區(qū)中部4-9月份5天累積降水影響10cm土層深度土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)降水量（mm）降水時長（h）月份土壤相對濕度初值（%）土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)（%）變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值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）降水時長（h）月份土壤相對濕度初值（%）土壤相對濕度增變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值量的等級指標(biāo)（%）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農(nóng)區(qū)中部4-9月份5天累積降水影響20cm土層深度土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)降水量（mm）降水時長（h）月份土壤相對濕度初值（%）土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)（%）變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值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）降水時長（h）月份土壤相對濕度初值（%）土壤相對濕度增變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值量的等級指標(biāo)（%）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農(nóng)區(qū)東部4-9月份5天累積降水影響10cm土層深度土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)降水量（mm）降水時長（h）月份土壤相對濕度初值（%）土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)（%）變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值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）降水時長（h）月份土壤相對濕度初值（%）土壤相對濕度增變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值量的等級指標(biāo)（%）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農(nóng)區(qū)東部4-9月份5天累積降水影響20cm土層深度土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)降水量（mm）降水時長（h）月份土壤相對濕度初值（%）土壤相對濕度增量的等級指標(biāo)（%）變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值變動范圍均值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