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      探秘土壤濕度 追逐科研夢想

      2016-02-18 16:01徐芳芳
      科學(xué)中國人 2016年2期
      關(guān)鍵詞:土壤濕度反演王國

      徐芳芳

      自20世紀(jì)60年代以來,氣候變暖顯著地改變著陸面水循環(huán)特征和水資源安全。但是,科學(xué)界對陸地水循環(huán)對氣候變化的響應(yīng)機制仍缺乏系統(tǒng)深入研究。

      土壤濕度是陸地水循環(huán)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),也是陸地和大氣之間水汽和能量交換過程中的重要因子。長期以來,科學(xué)家們對土壤濕度在氣候系統(tǒng)中的作用已經(jīng)開展了大量的研究,但也存在一些尚未解決的問題;其主要原因,是土壤濕度觀測資料極為缺乏。王國杰介紹說,近幾年,國際水文與遙感學(xué)界致力于利用衛(wèi)星遙感手段提取陸面土壤濕度,歐洲的科學(xué)家已經(jīng)開發(fā)出了較為完善的微波輻射傳輸遙感模型,利用美國、歐洲、日本的極軌衛(wèi)星資料,發(fā)展了最近30年的日分辨率的全球土壤濕度。但是在這其中,中國的遙感資料和產(chǎn)品并沒有參與進來。意識到這一情況,王國杰不畏艱難,毅然決定利用中國氣象局的風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星資料開展研究,參與到多國遙感合作項目中,擴大中國衛(wèi)星產(chǎn)品的國際影響。

      目前任教于南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院的王國杰,2007年就獲得中國科學(xué)院水文學(xué)博士,2011年獲得荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)氣象學(xué)博士,憑借深厚的專業(yè)積累和多學(xué)科背景,將工作著眼于土壤濕度產(chǎn)品的研發(fā)及其在氣象預(yù)報和水文預(yù)報等領(lǐng)域的應(yīng)用,致力于實現(xiàn)水文學(xué)與氣象學(xué)的結(jié)合。每一個科研新項目都源自過往的積淀,對他來說更是如此,在多年的工作中,他腳踏實地、勤勤懇懇,用辛勞和汗水筑牢了科研的根基。

      推動中國衛(wèi)星產(chǎn)品參與國際合作

      2013年,王國杰開始進行教育部國際合作項目“利用中國風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星遙感資料提取陸面土壤濕度”的研究?;谥袊鴼庀缶诛L(fēng)云三號氣象衛(wèi)星微波遙感資料,王國杰與荷蘭合作方進行密切合作,采用合作研發(fā)的陸面參數(shù)遙感模型(LPRM)提取土壤濕度。LPRM模型是一個較為成熟的輻射傳輸遙感模型,在國際上有很高的知名度,已經(jīng)被應(yīng)用于多顆衛(wèi)星資料來研發(fā)全球土壤濕度產(chǎn)品,包括SMMR、SSM/I、TRMM、AMSR-E、WindSat、AMSR-2等。利用成熟的土壤濕度反演技術(shù)和風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星微波亮溫資料,王國杰已經(jīng)研發(fā)了空間分辨率為25km、時間分辨率為12小時的全球土壤濕度產(chǎn)品,效果極優(yōu);并且基于WebGIS技術(shù)搭建了數(shù)據(jù)服務(wù)器,成立“信大遙感數(shù)據(jù)網(wǎng)”(http://remotesensing.nuist.edu.cn),供全球用戶在線瀏覽、查詢和下載土壤濕度數(shù)據(jù)。目前,這一產(chǎn)品已經(jīng)用于國家自然科學(xué)基金委中德科學(xué)中心“中德合作組項目“水資源綜合管理:模型模擬到適應(yīng)措施”的工作之中。

      王國杰介紹說,利用風(fēng)云三號B星和最近發(fā)射的風(fēng)云三號C星資料,可以把土壤濕度產(chǎn)品的時間分辨率提高到6小時;利用風(fēng)云氣象衛(wèi)星多載荷融合技術(shù),可以把土壤濕度產(chǎn)品的空間分辨率提高到1km。提高風(fēng)云衛(wèi)星土壤濕度產(chǎn)品的時、空分辨率,是王國杰研究工作的一個重要方向。

      通過這一系列的工作,王國杰為后續(xù)的水文氣象過程研究提供了高質(zhì)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。與此同時,他也與荷蘭阿姆斯特丹自由大學(xué)、澳大利亞新南威爾士大學(xué)和美國NOAA的土壤濕度遙感團隊建立了長期、緊密的學(xué)術(shù)聯(lián)系,為今后的進一步研究奠定了基礎(chǔ)。

      揭秘東亞季風(fēng)區(qū)降水機制

      東亞季風(fēng)區(qū)是我國人口最稠密、經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)。在過去30年來,隨著全球氣溫變暖,東亞季風(fēng)區(qū)極端降水的頻率和強度顯著增加。極端降水所導(dǎo)致的洪澇災(zāi)害,對社會經(jīng)濟和人們生活產(chǎn)生了重要的影響。這使得人類對水資源的調(diào)控及洪水風(fēng)險管理,對于大氣降水尤其是極端降水的預(yù)報提出了更高的要求。然而,大氣過程具有混沌特征,并且極端降水頻率和強度增加,使得大氣降水的可預(yù)報性降低。因此,在全球變暖的條件下,加強對我國東部季風(fēng)區(qū)夏季降水的預(yù)報能力,是我國水文氣象工作者迫在眉睫的任務(wù)。

      眾多研究表明,中國東部地區(qū)夏季土壤濕度對同期降水可能存在正反饋機制,但是尚無法厘清是直接反饋還是間接反饋。同時,東亞季風(fēng)區(qū)春季土壤濕度對夏季大氣降水的動力反饋,不僅會改變夏季風(fēng)的強度,也可能改變其路徑。因而,這種反饋機制對夏季降水的影響及其空間分布更加復(fù)雜。

      近幾年,陸面水文遙感技術(shù)快速發(fā)展,開始提供大尺度的土壤濕度觀測資料。在對現(xiàn)有成果深入分析研究后,王國杰認(rèn)為,以數(shù)值模擬手段研究土壤濕度對大氣降水的反饋作用,不同數(shù)值模式輸出的結(jié)果有很大分歧;而單純采用數(shù)學(xué)手段則難以準(zhǔn)確地分離出反饋信號并確定反饋機制。要厘清土壤濕度對大氣降水的反饋機制,需要綜合利用數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)分析兩種手段。

      為了在這一領(lǐng)域獲得突破,王國杰帶領(lǐng)課題組成員開展了國家自然科學(xué)基金項目“東亞季風(fēng)區(qū)土壤濕度對大氣降水的反饋作用研究”。在這項工作中,王國杰潛心科研,著重解決關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題,瞄準(zhǔn)土壤濕度遙感產(chǎn)品的交叉驗證和優(yōu)化處理,為該項研究提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。土壤濕度與大氣降水之間存在雙向的相互作用,相關(guān)分析等傳統(tǒng)手段無法捕捉和量化土壤濕度對大氣降水的影響。為了有效地分析反饋信號,王國杰采用反映統(tǒng)計因果關(guān)系的Granger causality等方法分離土壤濕度和大氣降水之間的相互作用,并試圖提出新的數(shù)學(xué)方法以剔除外生變量如SST所導(dǎo)致的虛假信號。同時,王國杰領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊采用集合卡爾曼濾波等技術(shù)手段,把衛(wèi)星遙感土壤濕度產(chǎn)品同化到WRF等數(shù)值模式中,進行陸面-大氣相互作用的數(shù)值模擬。目前,這項研究還在進行中,王國杰說,項目進展非常順利,東亞季風(fēng)區(qū)土壤濕度相關(guān)研究初見成效。

      同時,在手頭工作量很重的情況下,王國杰不畏辛勞,與荷蘭國際航天測量與地球科學(xué)學(xué)院、美國海洋與大氣管理局開展合作,主持開展了國家自然科學(xué)基金重大研究計劃項目“青藏高原春夏季土壤濕度熱力效應(yīng)及其對東亞夏季風(fēng)和季風(fēng)降水的影響”的研究。

      青藏高原熱力作用顯著地影響東亞夏季風(fēng)和季風(fēng)降水。春夏季土壤濕度對高原熱源有重要影響,但土壤濕度觀測數(shù)據(jù)不足,學(xué)術(shù)界對土壤濕度的熱力效應(yīng)及其對東亞夏季風(fēng)和季風(fēng)降水的影響仍然缺乏研究。為此,王國杰帶領(lǐng)團隊利用高質(zhì)量的土壤濕度遙感數(shù)據(jù),綜合利用診斷分析和數(shù)值模擬兩種手段,研究青藏高原春夏季土壤濕度的熱力效應(yīng),及其對東亞夏季風(fēng)和季風(fēng)降水的影響機制。endprint

      在這一過程中,王國杰將研究重點放在三個方面,集中優(yōu)勢資源優(yōu)化現(xiàn)有多源衛(wèi)星資料,建立全國最近20多年土壤濕度數(shù)據(jù)庫。同時,他診斷分析青藏高原春夏季土壤濕度的熱力效應(yīng),及其與東亞夏季風(fēng)環(huán)流和季風(fēng)降水的關(guān)系。除此之外,他以土壤濕度遙感數(shù)據(jù)驅(qū)動區(qū)域氣候模式進行敏感性實驗,揭示土壤濕度異常通過熱力效應(yīng)影響東亞夏季風(fēng)和季風(fēng)降水的具體過程和物理機制。

      探索土壤濕度與氣候變化之間關(guān)系的奧秘

      氣候變化對人類社會和生態(tài)系統(tǒng)帶來的最直接和最重要的影響,是導(dǎo)致地表水資源短缺;而地表水資源短缺,尤其是土壤水分缺乏,又會通過反饋機制作用于大氣過程,放大變暖的信號。那么,在我國東部地區(qū),氣候變化和地表土壤濕度之間有什么樣的具體聯(lián)系呢?2015年底,王國杰受國家自然科學(xué)基金國際合作項目資助,與加拿大謝布克大學(xué)合作開展“我國東部地區(qū)土壤濕度衛(wèi)星反演及其對氣候變化的響應(yīng)機制研究”,共同研究我國東部地區(qū)土壤濕度對氣候變化的響應(yīng)機制。

      王國杰認(rèn)為,要認(rèn)識土壤濕度對氣候變化的響應(yīng)機制,需要從水平衡原理入手。地表土壤濕度,取決于大氣降水和蒸散發(fā)的差值;大氣降水的變化易于研究,而陸地蒸散發(fā)是陸地水循環(huán)中最大的不確定項,受太陽輻射、風(fēng)速、氣溫等諸多因素的影響,難以厘清并量化它們之間的復(fù)雜關(guān)系。因而,這是一個比較艱巨的任務(wù)。經(jīng)過大量的文獻調(diào)研,王國杰發(fā)現(xiàn),“基于傳統(tǒng)水量平衡原理計算過的干旱指數(shù),并不能夠準(zhǔn)確反映氣候變化對地表水資源及水循環(huán)的影響;只有采用大尺度土壤濕度觀測資料開展研究,才能更加準(zhǔn)確描述氣候變化對我國東部地區(qū)水資源的影響,探明陸地-大氣界面水循環(huán)對氣候變化的響應(yīng)機制”。

      那大尺度的土壤濕度觀測資料又來源于何處呢?

      基于近十年來,國際衛(wèi)星遙感反演手段的快速發(fā)展,為獲取大尺度長序列的土壤濕度數(shù)據(jù)提供了可行途徑。王國杰很有信心:“可能當(dāng)前土壤水分衛(wèi)星遙感技術(shù)并不盡完美,但可以為我們提供一個獨立于氣象觀測的地表土壤濕度數(shù)據(jù)集,這種客觀的數(shù)據(jù)是極其重要的”,利用衛(wèi)星遙感技術(shù)建立土壤濕度數(shù)據(jù)庫,并對其進行詳細分析,可以量化氣候變化對地表水循環(huán)的影響。

      可是,問題又來了!是不是擬采用的衛(wèi)星反演手段就一定能準(zhǔn)確測定土壤濕度呢?

      在查閱大量文獻后,王國杰發(fā)現(xiàn)并非如此。每顆衛(wèi)星的原始觀測資料,都有自己的優(yōu)勢和缺陷;不同的土壤濕度反演算法同樣如此。因此,采用多衛(wèi)星、多傳感器聯(lián)合反演手段,可以整合各種衛(wèi)星數(shù)據(jù)和各種反演算法的優(yōu)點,提高土壤濕度的反演精度。另外,基于單顆衛(wèi)星資料反演土壤濕度,其時間序列較短;采用多衛(wèi)星資料融合,可以延長土壤濕度時間序列,更有利于分析氣候變化對土壤濕度的影響。通過國家自然科學(xué)基金委中-加合作項目,可以充分利用雙方團隊的科研和技術(shù)優(yōu)勢,開發(fā)高質(zhì)量的土壤濕度產(chǎn)品。王國杰領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊,擅長利用微波遙感技術(shù)反演土壤濕度產(chǎn)品。加拿大團隊則擅長采用合成孔徑雷達反演土壤濕度,尤其擅長利用L波段開發(fā)高植被覆蓋地區(qū)的土壤濕度產(chǎn)品。

      王國杰介紹說,歐美國家近年斥巨資研發(fā)專門衛(wèi)星以探測土壤濕度。2010年,歐洲空間局(ESA)耗資3.15億歐元,發(fā)射了“土壤濕度和海水鹽度”(SMOS)衛(wèi)星;2015年,美國NASA耗資9.16億美元,發(fā)射了“土壤水分主被動探測”衛(wèi)星(SMAP)。我國目前尚沒有土壤濕度專門衛(wèi)星?;谥袊灾髦R產(chǎn)權(quán)的風(fēng)云衛(wèi)星資料研發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的土壤濕度和植被光學(xué)深度數(shù)據(jù),可以滿足并保障國家重大需求,也可促進我國衛(wèi)星資料的深化利用,參與在該領(lǐng)域內(nèi)的國際競爭。加強國際合作與交流,并可借鑒和吸收SMAP和SMOS的優(yōu)秀研究成果,為發(fā)展我國遙感反演土壤數(shù)據(jù)集提供技術(shù)支持和參考。

      勇于發(fā)現(xiàn),開拓創(chuàng)新。在梳理科研工作中面臨的諸多問題后,王國杰及合作團隊決定利用衛(wèi)星反演高質(zhì)量的土壤濕度資料,從地表水平衡原理及水循環(huán)動力機制出發(fā),重新厘定中國東部地區(qū)土壤濕度對氣候變化的響應(yīng)機制。

      鑒于這項研究的復(fù)雜性,必定會面臨諸多意料不到的困難。但,利用越發(fā)先進的衛(wèi)星遙感技術(shù),能夠把原本離我們遙遠不可視的自然空間“拉”到眼前。正因王國杰等科學(xué)家們用勇氣與智慧試圖去探索自然,揭開我們腳下土地、周圍空氣的奧秘,人類社會才會與自然和諧相處,從而得以長遠發(fā)展。

      穿梭在一個又一個科研項目之間,王國杰的生活忙碌又充實。現(xiàn)在,他一方面利用我國風(fēng)云三號系列衛(wèi)星資料研發(fā)高時間分辨率和高空間分辨率的土壤濕度產(chǎn)品;另一方面,他也利用數(shù)據(jù)同化技術(shù)把反演的土壤濕度產(chǎn)品同化到數(shù)值預(yù)報模式,提高天氣尺度和季節(jié)尺度的預(yù)報精度。南京信息工程大學(xué)的前身是始建于1960年、享有“中國氣象人才搖籃”之美譽的南京氣象學(xué)院;在此處開展氣象學(xué)研究,有著得天獨厚的優(yōu)勢。學(xué)校和學(xué)院對王國杰的研究工作給予了高度重視和全方位支持,提供了堅實的保障;王國杰說,這是壓力,更是動力。目前,各項工作順利展開,而王國杰也繼續(xù)奮戰(zhàn)在科研一線,以己之力,帶領(lǐng)團隊,鏗鏘前行。endprint

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