農(nóng)區(qū)降水影響土壤水分增量的等級(jí)指標(biāo)

1農(nóng)區(qū)降水影響土壤水分增量的等級(jí)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(duì)濕度增量的等級(jí)劃分與等級(jí)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(duì)濕度增量關(guān)系開展農(nóng)區(qū)土壤墑情與干旱監(jiān)測(cè)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(guò)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(duì)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(cè)規(guī)范降水量GB/T33705—2017土壤水分觀測(cè)頻域反射法DB15/T510—2012內(nèi)蒙古農(nóng)田、草地土壤相對(duì)濕度等級(jí)指標(biāo)3術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)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(lái)源：DB15/T510—2012，3.2]3.2降水量precipitationamount某一時(shí)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(lái)源：GB/T35228—2017，3.2]3.3土壤水分soilmoisture田間土壤含水量及其對(duì)應(yīng)的作物水分狀態(tài)。[來(lái)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(lái)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(lái)源：DB15/T510—2012，3.7]3.6土壤相對(duì)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(lái)源：GB/T33705—2017，3.5]4資料與計(jì)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(shí)間08時(shí)—08時(shí)的日降水量；4.1.2降水累積持續(xù)時(shí)長(zhǎng)初始日期08時(shí)到結(jié)束日期08時(shí)5天的時(shí)段之內(nèi)，小時(shí)降水量大于0.1mm的累計(jì)小時(shí)個(gè)數(shù)，單位為小時(shí)）；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(duì)濕度初始值土壤水分自動(dòng)站在連續(xù)5天的初始日期08時(shí)的土壤相對(duì)濕度值，單位為百分?jǐn)?shù)（%）；4.1.5土壤相對(duì)濕度增量土壤水分自動(dòng)站在連續(xù)5天的結(jié)束日期08時(shí)的土壤相對(duì)濕度值與土壤相對(duì)濕度初始值之差，單位為百分?jǐn)?shù)（%）。4.24.2計(jì)算方法采用深度森林模型確定土壤水分增量的等級(jí)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(duì)濕度增量的等級(jí)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(jí)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(duì)濕度增量的等級(jí)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(jí)聯(lián)森林方法（gcForest）來(lái)構(gòu)建深度森林（DeepForest，DF），這是一個(gè)非神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)式的深度模型。具有級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，能夠通過(guò)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(qiáng)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(lái)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(jí)聯(lián)森林的每一個(gè)Level包含若干個(gè)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(jí)聯(lián)森林每一層包括兩個(gè)完全隨機(jī)森林（黑色）和兩個(gè)隨機(jī)森林（藍(lán)色）。完全隨機(jī)森林是在完整的特征空間中隨機(jī)選取特征來(lái)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(jī)森林是在一個(gè)隨機(jī)特征子空間內(nèi)通過(guò)基尼系數(shù)來(lái)選取分裂節(jié)點(diǎn)。圖A.1級(jí)聯(lián)森林結(jié)構(gòu)在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，用輸入特征（feature）訓(xùn)練兩個(gè)完全隨機(jī)樹森林和兩個(gè)隨機(jī)森林。樣本label就是該樣本真實(shí)的label。每一個(gè)森林的訓(xùn)練都是獨(dú)立的監(jiān)督學(xué)習(xí)。在每一層中層之間的森林本來(lái)就是互相獨(dú)立。每個(gè)森林輸出回歸概率分布，相當(dāng)于3個(gè)新feature。這些新的feature與原來(lái)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(gè)層的森林，用該層的森林再測(cè)試集上驗(yàn)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(shuō)，迭代到效果不能提升就停止。多粒度掃描是為了增強(qiáng)級(jí)聯(lián)森林，為了對(duì)特征做更多的處理的一種技術(shù)手段。具體掃描過(guò)程類似卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的卷積核的移動(dòng)。只不過(guò)不進(jìn)行卷積運(yùn)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(gè)feature之間的關(guān)聯(lián)。整個(gè)森林的整體架構(gòu)為先多粒度掃描后接聯(lián)級(jí)森林，最終獲得回歸結(jié)果。A.2利用深度森林模型計(jì)算土壤相對(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)第一步：深度森林模型訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)選取了內(nèi)蒙古農(nóng)區(qū)西部、中部、東部的代表站點(diǎn)，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(gè)站點(diǎn)2017-2021年5年的4-9月的小時(shí)降水、土壤相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(cè)試集，分別建立了5天累積降水量、降水持續(xù)時(shí)長(zhǎng)、土壤相對(duì)濕度初始值，月值（時(shí)間）與10cm、20cm土層深度土壤相對(duì)濕度增量的多元深度森林回歸模型。第二步：輸入要素等級(jí)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(gè)等級(jí)。每一個(gè)等級(jí)的均值應(yīng)用kmeans聚類算法，找出的1991-2020年（30年）各個(gè)等級(jí)5天累積降水量的質(zhì)心；各個(gè)等級(jí)的降水量對(duì)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(shí)長(zhǎng)的等級(jí)劃分是基于2010-2021年的小時(shí)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(shí)長(zhǎng)（單位是小時(shí)）分成三類，均值為每一類的質(zhì)心。土壤相對(duì)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(duì)應(yīng)的土壤相對(duì)濕度值分成三類，均值為每一類的質(zhì)心。第三步：計(jì)算土壤相對(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)以每個(gè)等級(jí)5天累積降水量均值、土壤相對(duì)濕度初始值均值，月值均值、降水累積持續(xù)時(shí)長(zhǎng)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(duì)濕度增量值作為這個(gè)等級(jí)的降水影響土壤水分增量的等級(jí)指標(biāo)。6農(nóng)區(qū)降水影響土壤水分增量的等級(jí)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(duì)濕度增量的等級(jí)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(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)降水量（mm）降水時(shí)長(zhǎng)（h）月份土壤相對(duì)濕度初值（%）土壤相對(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)（%）變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)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(shí)長(zhǎng)（h）月份土壤相對(duì)濕度初值（%）土壤相對(duì)濕度增變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值量的等級(jí)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(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)降水量（mm）降水時(shí)長(zhǎng)（h）月份土壤相對(duì)濕度初值（%）土壤相對(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)（%）變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)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(shí)長(zhǎng)（h）月份土壤相對(duì)濕度初值（%）土壤相對(duì)濕度增變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值量的等級(jí)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(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)降水量（mm）降水時(shí)長(zhǎng)（h）月份土壤相對(duì)濕度初值（%）土壤相對(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)（%）變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)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(shí)長(zhǎng)（h）月份土壤相對(duì)濕度初值（%）土壤相對(duì)濕度增變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值量的等級(jí)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(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)降水量（mm）降水時(shí)長(zhǎng)（h）月份土壤相對(duì)濕度初值（%）土壤相對(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)（%）變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)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(shí)長(zhǎng)（h）月份土壤相對(duì)濕度初值（%）土壤相對(duì)濕度增變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值量的等級(jí)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(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)降水量（mm）降水時(shí)長(zhǎng)（h）月份土壤相對(duì)濕度初值（%）土壤相對(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)（%）變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)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(shí)長(zhǎng)（h）月份土壤相對(duì)濕度初值（%）土壤相對(duì)濕度增變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值量的等級(jí)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(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)降水量（mm）降水時(shí)長(zhǎng)（h）月份土壤相對(duì)濕度初值（%）土壤相對(duì)濕度增量的等級(jí)指標(biāo)（%）變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)范圍均值變動(dòng)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