DOI：https://doi.org/10.1029/2023WR036973
主要内容：
土壤湿度 (SM) 是一个重要的气候变量，控制着陆地与大气的相互作用、径流的产生以及植被的生长和生产力。及时预报 SM 的空间分布和垂直剖面对于及早发现和预报潜在的干旱是必需的。然而，之前的研究主要集中在历史或近实时的土壤湿度测绘上，较少致力于开发和整合土壤湿度预报组件与干旱评估系统。本研究开发了一种卫星驱动的机器学习方法，以建立多样化预测数据集与蒙大拿州中尺度网络（美国密苏里州上游和哥伦比亚盆地的区域密集环境站网络）的现场多层 SM 测量值之间的复杂关系。
主要结论：
由此产生的 30 米每日 SM 预测与 4 英寸、8 英寸和 20 英寸土层的现场 SM 测量值相比表现出色，预报提前时间为 1 至 2 周（R > 0.91；RMSE ≤ 0.047 cm3 / cm3 ）。随后，机器学习模型被应用于整个蒙大拿州地区，提前 1 周和 2 周的 SM 缺口预测成功描绘了 2017 年蒙大拿州突发性干旱的开始、发展和终止阶段，而现行操作系统无法有效识别这一阶段。由此产生的系统能够描绘局部尺度的 SM 异质性，并可以扩展到预测其他关键的水循环变量，从而有可能通过多变量评估增强未来的干旱预测，并有利于水资源管理、农业实践和生态系统服务的提供。
主要图表：
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图2.4 英寸 (a)、8 英寸 (b) 和 20 英寸 (c) 土层的 1 周提前期现场 SM 测量值与预测值之间的比较；4 英寸 (d)、8 英寸 (e) 和 20 英寸 (f) 土层的 2 周提前期现场 SM 测量值与预测值之间的比较。较低点密度用较冷的颜色表示，较高密度用较暖的颜色表示。![]()
图3.2017 年 5 月 17 日至 23 日的 USDM 干旱严重程度地图（a）与 2017 年同期相对于 2019 年的土壤水分亏缺分布估计值进行比较，该分布来自 4 英寸（b）、8 英寸（c）和 20 英寸（d）土层的 1 周提前预报（左栏）；2017 年 5 月 24 日至 30 日的 USDM 地图（e）与 2017 年同期相对于 2019 年的土壤水分亏缺分布估计值进行比较，该分布来自 4 英寸（f）、8 英寸（g）和 20 英寸（h）土层的 2 周提前预报（右栏）。白色表示无数据（例如，无光学红外检索或无 SAR 覆盖）或研究区域之外的区域。
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图4.2017 年 8 月 16 日至 22 日的 USDM 干旱严重程度地图（a）与 2017 年同期相对于 2019 年的土壤水分亏缺分布估计值进行比较，该分布来自 4 英寸（b）、8 英寸（c）和 20 英寸（d）土层的 1 周提前预报（左栏）；2017 年 8 月 23 日至 29 日的 USDM 地图（e）与 2017 年同期相对于 2019 年的土壤水分亏缺分布估计值进行比较，该分布来自 4 英寸（f）、8 英寸（g）和 20 英寸（h）土层的 2 周提前预报（右栏）。白色表示无数据（例如，无光学红外检索或无 SAR 覆盖）或研究区域之外的区域。
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图5.2017 年 10 月 25 日至 31 日的 USDM 干旱严重程度地图（a）与 2017 年同期相对于 2019 年的土壤水分亏缺分布估计值进行比较，该分布来自 4 英寸（b）、8 英寸（c）和 20 英寸（d）土层的 1 周提前预报（左栏）；2017 年 11 月 1 日至 7 日的 USDM 地图（e）与 2017 年同期相对于 2019 年的土壤水分亏缺分布估计值进行比较，该分布来自 4 英寸（f）、8 英寸（g）和 20 英寸（h）土层的 2 周提前预报（右栏）。白色表示无数据（例如，无光学红外检索或无 SAR 覆盖）或研究区域之外的区域。
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图6.2017 年 5 月 17 日至 23 日土壤水分 (SM) 缺口分布估计值比较，该比较来自 4 英寸 (a)、8 英寸 (b) 和 20 英寸 (c) 土壤层（左栏）的原始 1 周提前预报，以及 4 英寸 (d)、8 英寸 (e) 和 20 英寸 (f) 土壤层（右栏）的合成预报。白色表示无数据（例如，无光学红外检索或无 SAR 覆盖）或研究区域以外的区域。
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图7.2020 年 10 月 21 日至 27 日的 USDM 干旱严重程度地图（a）与 2017 年同期相对于 2019 年的土壤水分亏缺分布估计值相比，该分布来自 4 英寸（b）、8 英寸（c）和 20 英寸（d）土层的 1 周提前预报（左栏）；2020 年 10 月 28 日至 11 月 3 日的 USDM 地图（e）与 2017 年同期相对于 2019 年的土壤水分亏缺分布估计值相比，该分布来自 4 英寸（f）、8 英寸（g）和 20 英寸（h）土层的 2 周提前预报（右栏）。白色表示无数据（例如，没有光学红外检索或没有 SAR 覆盖）或研究区域之外的区域。
