2022年“龙舟水”期间桂林洪涝时空分布特征研究.pdf

tion in Guilin cityI-JournalofMeteorologicalResearchandAp):101-105.2Chen Cheng,Mo Jianfei,Mo Weihua,et al.Study on the spatial and temporal distribution characteristics of the dragon-1-boatprecipita-陈诚，莫建飞，莫伟华2022年“龙舟水”期间桂林洪涝时空分布特征研究 J.气象研究与应用，2 0 2 3，4 4（1）：1 0 1-1 0 5.JOURNALOFMETEORRESEARCHANDAPPLICATIONMar.20232023年3 月应与究象Vol.44 No.1用研第4 4 卷第1 期2022年“龙舟水”期间桂林洪涝时空分布特征研究陈诚！，莫建飞1，莫伟华*，李明志2（1.广西壮族自治区气象科学研究所，南宁5 3 0 0 2 2；2.百色市气象局，广西百色5 3 3 0 0 0）摘要：基于卫星遥感资料，对2 0 2 2 年桂林“龙舟水”期间的水体进行提取，利用GIS空间分析技术，对比2 0 1 9 一2021年洪涝时空分布，探索2 0 2 2 年罕见强“龙舟水”桂林洪涝的时空分布。结果表明，2 0 2 2 年桂林洪涝主要发生在6月，空间分布受地形影响明显，主要分布在湘江、漓江流域，而洛清江相对较轻，整体呈现北多、南少、东多、西少的分布格局。相比2 0 1 9 一2 0 2 1 年，2 0 2 2 年发生洪涝面积与2 0 2 0 年持平，比2 0 1 9 年、2 0 2 1 年更大，且洪涝发生速度比2020年更快。关键词：合成孔径雷达（SAR）；洪涝监测；时间序列分析；时空分布格局中图分类号：P426.616文献标识码：Adoi:10.19849/ki.CN45-1356/P.2023.1.17引言桂林位于南岭山系西南部，地处湘桂走廊南端，经度1 0 9 E112E，纬度2 4 N27N，境域南北长236km、东西宽1 8 9 km，下辖6 个城区、1 个县级市和10个县，总面积2.7 6 x10%hm,境内河网分布密集。桂林属于亚热带季风气候，年平均降雨量1 8 8 7.6 mm，降雨主要集中在4 一7 月,充沛的降雨使得暴雨成为桂林最主要的气象灾害，且常因此引发洪涝，造成严重的经济损失甚至人员伤亡 1-3 ,对桂林旅游资源破坏严重。据统计，2 0 2 2 年广西遭遇罕见“龙舟水”,降雨主要集中在6 月，降水时间长、范围广、强度大，造成桂林多条中小河流发生超警洪水。随着对暴雨洪涝灾害研究的不断深人，致灾机理研究、致灾危险性区划、暴雨影响下的生态景观修复等工作已经取得显著的进展 4 6 。一些学者从水文的角度对洪涝的时空分布进行了讨论，影响地区洪涝时空分布特征的因素主要有气候条件、流域地形地貌、水系河网复杂程度等，为相关防汛工作的开展提供了重要参考，但基于水文获得洪涝的空间分布的难度也较大 7-8 。随着卫星遥感技术成熟，一些学者利用遥感手段进行受灾空间分布的调查。如利用MODIS、F Y 3 A、F Y 3 B等光学遥感资料进行灾害面积的提取 9-,弥补了空间信息的不足。对于桂林等位于我国南方低纬的地区，光学遥感卫星无法穿透云雨，实际难以获取可用的遥感数据进行监测。随着合成孔径雷达(SAR)卫星资料逐渐在淹没水体、洪涝灾害的评估等方面应用效果得到证实 1 2-1 4 ,其全天候监测的能力得以展现，使得监测南方汛期洪涝淹没范围成为可能 1 5 本文利用遥感与地理信息技术，以Sentinel-1A为数据源，结合卫星资料的时空分辨率，选取4 一7月为监测时段，对桂林2 0 2 2 年“龙舟水”期间的洪涝水体进行提取与分析，对比2 0 1 9 一2 0 2 1 年水体分布，讨论桂林洪涝水体的时空分布特征，为防灾减灾与生态修复工作提供参考。1资料和方法1.1楼数据来源(1)遥感数据：本研究选用Sentinel-1A合成孔收稿日期：2 0 2 2-1 2-0 1基金项目：广西科技重点研发项目（桂科AB20159022）、广西气象科研计划项目（桂气科2 0 2 2 QN13）作者简介：陈诚（1 9 9 4 一），男，工程师，研究方向为遥感数字图像处理。E-mail：c c f 1 8 5 1 6 3.c o m*通讯作者：莫伟华（1 9 6 8），女，正研级高级工程师，研究方向为生态遥感技术应用。E-mail:10244卷气象研究与应用径雷达影像作为遥感影像，该遥感数据来源于欧洲空间局（ESA），工作波段为C波段，工作频率为5.4505GHZ,重访周期为1 2 d,地面分辨率为1 0 mx10m。本研究共采用了2 0 2 2 年4 7 月1 0 个时相1 9 景（其中2 0 2 2 年6 月1 9 日仅有1 景影像)进行洪涝水体面积提取，并收集了2 0 1 9、2 0 2 0 年4 7 月其他31个时相6 2 景影像进行对比分析，其中2 0 1 9、2 0 2 0年1 0 个时相2 0 景，2 0 2 1 年1 1 个时相2 2 景。(2)数字高程模型(DEM)：数字高程模型空间分辨率为3 0 mx30m，来源于NASA航天雷达地形任务(SRTM)。(3)基础地理信息数据：采用国务院自然灾害综合风险普查办公室提供的1:2 5 0 0 0 0 县级边界。(4)气象数据：桂林国家气象观测站逐日雨量数据来源于广西壮族自治区气象局。1.2水体提取方法对SAR数据的预处理步骤包括热噪声消除、轨道校正、边界噪声消除、辐射校正、裁剪、镶嵌、斑点噪声滤波、地形校正等步骤，所有预处理步骤均在SNAP9.0中完成。其中斑点噪声滤波采用Gamma滤波器，地形校正采用距离多普勒(RD)几何矫正，投影坐标系为CGCS2000。根据SAR影像的成像原理，不同地物在SAR影像中的后向散射系数存在差异，因此可根据SAR影像的后向散射系数对地物进行区分。由于微波在平静水面主要为镜面反射，对应的影像后向散射系数远低于非水体，因此可利用阈值法根据影像的后向散射系数对水体与非水体进行分类提取。对于设定的分类阈值，后向散射系数低于阈值的部分为水体，高于阈值的部分为非水体。常用确定阈值的方法有双峰直方图阈值法、OTSU法等，这些方法对图像本身有一定的要求，即当水体与非水体在图像直方图上的差异越明显，提取效果越佳。但从研究区实际来看，非水体面积显著大于水体面积，且由于山体阴影的存在，图像直方图双峰不明显，双峰直方图阈值法或OTSU阈值法难以确定分类阈值。因此，本文在双峰直方图阈值法的基础上，根据经验将设定分类阈值为-1 5 db。另一方面，由于桂林市地形起伏较大，如喀斯特地区的石山等，在后向散射系数影像上存在阴影区，与水体后向散射系数特征类似，因此在利用阈值法分类的基础上，还需结合地形数据剔除阴影。本文利用卫星人射角信息与DEM模拟的局地入射角（LIA）信息，将局地人射角度过大的部分认为是山体阴影进行阴影剔除，该阈值设定为6 0。通过以上方法获得每个时相的水体空间分布图。1.3地理信息处理与分析经过阈值法获得的水体空间分布图，仍然存在部分山体阴影，因此需在ArcMap软件中进行进一步修正。对修正后的结果进行空间叠加运算，获得年度水体没频率分布图，并根据淹没频率对洪涝频率进行分级（表1）,其中高、中、低频率分别对应高、中、低频率洪涝水体表1水体洪涝频率分级表淹没频率/%分类80常规水体50高频率20中频率0低频率2结果与分析2.1洪涝水体时间分布特征统计2 0 2 2 年遥感监测桂林全域水体总体面积与桂林国家气象观测站降雨量（图1），结果表明，2 0 2 2 年平均水体面积1.4 7 1 0*hm，其中4 月平均1.4 0 1 0*hm,5月平均1.4 4 1 0*hm6月为1.6 3 10*hm,7月平均1.5 1 1 0*hm，呈现单峰变化形势，峰值出现在6 月7 日。从面积增减上看，5 月2 6 日一6 月7 日之间剧烈增多，增多速率达到2 2 1 1 hm.(12d)-，远高于监测时段平均水体变动幅度246hm(12d)-l。根据桂林国家气象观测站的逐日雨量数据，桂林4 7 月累计暴雨日数为1 3 日，其中有4 日单日雨量超过1 0 0 mm，分别为4 月2 5 日、6 月4 日、6 月5日以及6 月2 1 日，5 6 月累计雨量1 2 4 3.8 mm，占1.7140降雨量+2 0 2 21201.6100uw/鲁里刺州4 0/801.560401.42001.304-0105-0106-0107-0108-01日期图12022年水体面积变化图103陈等：2 0 2 2 年“龙舟水”期间桂林洪涝时空分布特征研究诚，莫建飞，莫伟华1期4月一7 月总雨量的7 4.8 7%。统计影像间隔（1 2 d）期间的累积雨量，5 月2 6 日一6 月7 日累积雨量为409mm，占4 一7 月总雨量的2 5%，累积雨量与水体面积相关程度较高，Pearson相关系数达到0.7 5,其中4 一6 月相关系数为0.9 4,与水体面积变化有较高的相关性。对比2 0 1 9 一2 0 2 2 年同期水体面积（图2）、面积最大出现时间与平均水体面积（表2），总体而言，水体面积4 一5 月均较为稳定，5 月中旬开始逐渐增大，至6 月达到最高，7 月开始下降。按年份看，最大水体面积出现时间一致，即在6 月上旬水体面积达到最大。按年度最大水体面积看，2 0 1 9 一2 0 2 2 年期间,2 0 2 0 和2 0 2 2 年的水体面积较大，且2 0 2 0 年略高于2 0 2 2 年。对比年平均水体面积，2 0 2 2 年平均水体面积1.4 7 1 0*hm，四年平均水体面积为1.4 5 10%hm，标准差g=534hm，除2 0 2 1 年平均水体面积显著低于其他年份(-2)外,其余年份平均水体面积无显著差异。表明2 0 2 2 年遭受罕见“龙舟水 的背景下桂林全域水体面积较2 0 1 9 2 0 2 1 年差异性不大，即洪涝发生的时间、受灾面积与2 0 2 0 年接近，但强于2 0 1 9 与2 0 2 1 年。从面积变化速率来看，2 0 1 9 一2 0 2 1 年水体面积呈现周期性波动的趋势，呈现快涨快消的特点，对比水体最大面积相似的2 0 2 0 年，5 月2 4 日一6 月5 日平均水体变化速率达到2 1 0 0 hm（1 2 d)-l，低于2 0 2 222019年2 0 2 0 年十2 0 2 1 年2 0 2 2 年1.81.61.41.210.804-0105-0105-3106-300730日期图220192022年水体面积变化对比图表2时间序列水体面积统计最大值最大值出现年平均年份/10 hm时间/10*hm2022年1.6306-071.47*2021年1.5105-311.362020年1.6906-051.472019年1.7006-111.50*2022年6 月1 9 日数据不完整，统计时忽略该时相水体面积年5 月2 6 日一6 月7 日水体变化速率，表明2 0 2 2 年“龙舟水”洪涝发生速度较2 0 2 0 年更快。基于单时相水体面积，按年度水体洪涝频率分级并对比2 0 1 9 2 0 2 2 四年累计的频率分级，2 0 2 2年低频率洪涝水体占桂林市域面积的0.2 7%，中频率为0.1 2%，高频率为0.0 8%，常规水体为0.4 0%。对比其余年份，按年度水体面积统计结果见表3,2 0 2 2年洪涝水体面积处于第二位，最大为2 0 2 0 年，最小为2 0 1 9 年，洪涝发生面积较2 0 2 0 年小。对比单时相水体面积，去除年度常规水体因素，2 0 2 2 年单时相洪涝水体面积在3 2 9 7 5 6 1 2 hm之间，其中4 月平均洪涝水体3 2 9 7 hm,5月平均洪涝水体3 6 5 5 hm6月平均洪涝水体5 6 1 2 hm,7月平均洪涝水体4 3 9 8 hm，按月计均高于2 0 1 9 一2 0 2 2 年平均。表3年度水体面积统计（单位：1 0 4 hm）年份常规水体洪涝水体累计水体2022年1.091.302.392021年0.941.282.222020年1.051.432.482019年1.141.182.3220192022年1.072.183.25从各级水体面积来看（图3），2 0 2 2 年洪涝水体占总水体面积的5 4.4%，四年洪涝水体占总水体范围的6 7.0 7%，显著多于常规水体。其中高频率占总水体9.2%，中频率占1 0.7%，低频率占4 7.2%，表明低频率洪涝影响面积最大。按年份对比，2 0 2 0 年低频率洪涝面积比例明显高于其他年份，2 0 2 2 年略低于2020年。基于水体提取结果的对比，2 0 2 2 年桂林发生洪涝主要为6 月，2 0 2 2 年“龙舟水”期间桂林地表水体持续偏多，部分水体淹没持续时间增长，监测淹没频率上升，有少部分中、高频率洪涝水体转移至常规水0.72019年2 0 2 0 年2 0 2 1 年2 0 2 2 年四年0.60.50.40.30.20.10.0低频率中频率高频率常规水体图3水体洪涝频率分级面积比例44卷104气象研究与应用体。相比2 0 1 9 2 0 2 1 年,2 0 2 2 年洪涝灾害面积与近三年相比并未增大。2.2洪涝水体空间分布基于2 0 2 2 年水体提取结果进行叠加分析，桂林市洪涝水体主要分布在全州县，其次为临桂区。从高、中、低频率洪涝水体的分布上来看，高频率洪涝水体主要分布在坑塘水库、河道等常规水体外围的淹没区；中频率洪涝水体主要分布在高频率洪涝水体的外围，以及部分低洼地区的耕地；低频率洪涝水体则广泛分布在桂林市各地。对比2 0 1 9 2 0 2 2 年叠加分析结果,2 0 2 2 年低频率洪涝水体分布偏东、偏南。分区县看（图4），2 0 2 2 年桂林市洪涝水体主要分布在临桂区（2.8 3 1 0*hm），其次是全州县（2.2 9 10hm）与灵川县（1.2 3 1 0 hm），其余区县洪涝水体面积较小（1.0 1 0 hm）。相比2 0 1 9 一2 0 2 1 年，中、高频率水体面积各县区差异不大，表明四年期间发生中频率、高频率洪涝的区域相近，而低频率水体空间分布存在差异。对比2 0 1 9 2 0 2 1 年结果，利用Pearson相关系数统计各县区洪涝水体与常规水体的相关性，低频率与常规水体呈现弱正相关关系（0.5 6,P0.05），高频率呈现强正相关关系（0.9 5,P0.001)，表明常规水体更多的地区发生洪涝的面积更大，且高频率洪涝水体与常规水体密切相关。总体而言，洪涝水体分布主要沿湘江、漓江分布，行政区划上沿全州-兴安-灵川-临桂-阳朔分布，与湘桂走廊基本一致。洛清江洪涝水体分布相对较少。桂林市洪涝水体呈现东北多、西北少，东南多、西南少的分布特征，与桂林市地貌地形特征的反映基本一致。40004000低频率低频率3500(a)中频率3500(b)中频率3000高频率3000高频率常规水体常规水体2500/25002000-2000150015001000100050050000风子租首川区区区首音川彩全平龙T图4洪涝频率区县图(a)2022年；(b)20192022四年累计3结论桂林地处暴雨区，常年受洪涝灾害的影响，除2021年灾害较轻外，其余年份均发生了较大范围的洪涝灾害。根据桂林市2 5 6 个气象观测站5 月1日一6 月3 0 日的降雨量统计数据，有2 2 3 个站点观测到雨量相比2 0 2 0 年偏多，平均偏多5 2%，偏多站数占总观测站数的8 7%，2 0 2 2 年是四年以来降雨最多的年份。考虑雨量的空间分布，相比2 0 2 0 年，平乐、灌阳、阳朔等地雨量偏多，永福、兴安与2 0 2 0 年持平，雨量的空间分布不均匀使得桂林市2 0 2 2 年“龙舟水”期间洪涝面积并未较其他年份偏大，但低频率洪涝水体分布偏东、偏南。连续的降雨过程可能造成洪涝区域水体减退缓慢，使得地表淹没时间延长,进而对农作物、自然植被造成更严重的破坏,对漓江生态旅游造成影响也可能较常年更重。从2 0 2 2 年桂林洪涝监测结果来看，洪涝在除山区以外的范围均有分布，与近三年相比,2 0 1 9 一2 0 2 2年，桂林市洪涝水体在时间和空间上均存在差异性。由于桂林独特的地形特征，地表水体主要来源于本地区的降雨，受区域外降雨影响小,5 一6 月暴雨过程是导致桂林发生洪涝灾害的首要因素。区县间的洪涝面积差异可能与地形相关，如山区洪涝灾害可能以山洪为主，地面留存积水较少,遥感监测难度较大，而全州、临桂则以农田积涝为主，地面积水能够被卫星遥感监测到。总体而言，本文利用Sentinel-1A遥感影像对桂林市2 0 2 2 年4 一7 月的水体分布进行了提取，并根据分级分析桂林洪涝灾害的时空分布，并与2 0 1 9 一2021年进行对比，得出以下结论：2 0 2 2 年桂林洪涝105等：2 0 2 2 年“龙舟水”期间桂林洪涝时空分布特征研究陈诚，莫建飞，莫伟华1期面积峰值主要出现在6 月上旬，6 月平均洪涝水体面积5 6 1 2 hm最大水体面积达到1.6 3 1 0*hm。桂林市境内洪涝灾害广泛分布，受地形影响明显，主要沿湘江、漓江分布，洛清江相对较轻，整体呈现东北多、西北少,东南多、西南少的分布特征。以行政区划分，2022年临桂区洪涝面积最大，其次是全州县，资源、龙胜最小。相比2 0 1 9 一2 0 2 1 年，2 0 2 2 年桂林“龙舟水”洪涝面积持平，洪涝出现时间相近，但空间分布有差异。本文利用Sentinel-1A遥感数据进行水体淹没制图，但受制于遥感数据1 2 d的时间间隔，实际水体面积峰值、增减速度可能存在低估。在空间上，由于植被对微波的反射和阻挡，监测林下水体难度较大，当林地遭受洪涝灾害时，可能提取到的洪涝水体面积偏低，桂林市遭受洪涝灾害影响可能较监测结果更为严重。参考文献：1 李向红，唐桥义，伍静，等.桂林中小河流洪涝气象风险预警系统设计 J.灾害学,2 0 1 4,2 9(1)：4 2-4 6.【2 伍秀莲桂林主要气象灾害对旅游的影响及防御对策J.气象研究与应用，2 0 1 6,3 7(1)：8 8-9 0.3 彭波.基于GIS的广西中小流域洪涝监测研究 D.桂林：广西师范学院，2 0 1 2.4 黄晓远，李谢辉.基于CMIP6的西南暴雨洪涝灾害风险未来预估 J.应用气象学报，2 0 2 2,3 3(2)：2 3 1-2 4 3.5 鲁芳，刘艳丽，朱士江，等.2 0 2 0 年主汛期我国暴雨洪涝灾害概况分析与初步思考 J.水电能源科学,2 0 2 2,4 0(5):68-71,150.【6 黄敏敏.基于Seminel-1/2数据的寿光市洪涝灾害监测与预测研究 D.南京：南京信息工程大学,2 0 2 2.【7 李莹，赵珊珊.2 0 0 1 一2 0 2 0 年中国洪涝灾害损失与致灾危险性研究 J.气候变化研究进展，2 0 2 2,1 8（2)：1 5 4-165.8 李茂松，李森，李育慧.中国近5 0 年洪涝灾害灾情分析 J.中国农业气象，2 0 0 4，2 5（1：3 8-4 1.9 莫伟华.基于EOS/MODIS卫星数据的洪涝灾害遥感监测应用技术研究 D.南京：南京信息工程大学，2 0 0 6.1 0】黄永，农民强，孙涵.基于FY-3A/MERSI的洪涝灾害遥感监测初探 J.气象研究与应用，2 0 0 9,3 0（2)：5 9-61,112.11李健，任红玲，刘实，等.2 0 1 0 年夏季吉林省特大暴雨洪涝灾害遥感监测信息的定量分析 J.吉林气象，2 0 1 2(2):38-41.12谷娟，秦怡，王鑫，等.鄱阳湖水体淹没频率变化及其湿地植被的响应 J.生态学报，2 0 1 8,3 8(2 1)：7 7 1 8-7 7 2 6.13周晗.基于Sentinel1/2的斯里兰卡洪涝淹没范围提取研究 D.北京：中国科学院大学（中国科学院遥感与数字地球研究所），2 0 1 8.14】孙亚勇，黄诗峰，李纪人，等.Sentinel-1ASAR数据在缅甸伊洛瓦底江下游区洪水监测中的应用 J.遥感技术与应用,2 0 1 7,3 2(2):2 8 2-2 8 8.15周帆，张文君，雷莉萍，等.GF-3与Sentinel-1洪灾淹没信息提取 J.地理空间信息，2 0 2 1,1 9(6)：1 7-2 1,4.Study on the spatial and temporal distribution characteristics ofthe dragon-boat precipitation in Guilin city in 2022Chen Cheng,Mo Jianfei,Mo Weihua*,Li Mingzhi?(1.Guangxi Institute of Meteorological Sciences,Nanning 530022,China;2.Baise Meteorological Bureau,Guangxi Baise 533000,China)Abstract:Based on the remote sensing data from satellites,the spatial and temporal distribution of waterbodies in Guilin in 2022 during the dragon-boat precipitation period was extracted,and the flooding was gradedaccording to the frequency of inundation using GIS spatial analysis technology,and the distribution characteristicsof flooding in the past three years were compared and analyzed.The results show that the flooding in Guilin in2022 occurred in June,mainly distributed along with the Xiangjiang River and Lijiang River,and that along withthe Luoqing River was relatively light,showing an overall distribution pattern of more in the north,less in thesouth,more in the east and less in the west.Compared to 2019-2021,the area of flooding that occurred in2022 was the same as in 2020,larger than in 2019 and 2021,but flooding occurred at a faster rate than in 2020.Key words:Synthetic aperture radar(SAR);flood monitoring;time series analysis;spatial and temporaldistribution pattern