慧眼俯瞰神舟變 四海寰球競風(fēng)流——記清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心盧麾副教授之遙感水文技術(shù)

本刊記者 蕭 宇

2009年非洲水循環(huán)-數(shù)據(jù)同化培訓(xùn)Tunis考察

您知道人類迄今為止面臨的規(guī)模最大、范圍最廣、影響最為深遠(yuǎn)的挑戰(zhàn)之一是什么嗎？您知道影響未來世界經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展、重構(gòu)全球政治和經(jīng)濟(jì)格局的最重要因素之一是什么嗎？答案是全球氣候變化問題。

全球氣候變化已經(jīng)對(duì)人類的生產(chǎn)生活，產(chǎn)生了前所未有的深遠(yuǎn)影響，其中一個(gè)重要問題就是引起了愈來愈頻繁的極端氣候和極端水文事件。近十年來，中國頻繁發(fā)生該類事件，如連續(xù)幾年發(fā)生的西南特大干旱災(zāi)害等。如何應(yīng)對(duì)這些危難事件，做到防微杜漸？成為當(dāng)今許多科學(xué)家絞盡腦汁向要解決的問題。

清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心青年科學(xué)家盧麾副教授所研究的內(nèi)容代表了時(shí)下全球氣候變化和水文環(huán)境研究最前沿、最先進(jìn)的手段——衛(wèi)星遙感觀測(cè)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)。

一雙“慧眼”照亮寰球路

眾所周知，干旱是我國主要自然災(zāi)害之一。開展在氣候變化背景下干旱監(jiān)測(cè)與模擬研究，是國家現(xiàn)實(shí)而迫切的重大需求，具有重大科學(xué)意義。據(jù)2006年《中國水旱災(zāi)害公報(bào)》統(tǒng)計(jì)，過去50年我國干旱受災(zāi)面積呈顯著增加趨勢(shì)，20世紀(jì)80年代以來的受災(zāi)面積較之前增加33%，成災(zāi)面積增加了90%。

過去很長一段時(shí)間以來，我國水文環(huán)境監(jiān)測(cè)多采用地面監(jiān)測(cè)手段，如氣象部門建立的土壤濕度監(jiān)測(cè)站網(wǎng)，其采樣點(diǎn)有限，維護(hù)費(fèi)用高，在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)甚至沒有觀測(cè)，數(shù)據(jù)收集時(shí)效性差。僅靠地面觀測(cè)點(diǎn)的資料很難對(duì)土壤水分及干旱進(jìn)行大范圍、快速、連續(xù)的監(jiān)測(cè)。

20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)處理技術(shù)的發(fā)展和遙感觀測(cè)的出現(xiàn)無疑為人類提供了以全面嶄新的方式觀察地球系統(tǒng)的機(jī)會(huì)。遙感技術(shù)是從遠(yuǎn)距離感知目標(biāo)反射或自身輻射的電磁波、可見光、紅外線，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別的技術(shù)。它就如同人類新增的一雙“慧眼”，騰空凌駕于高天之上，放眼寰球，神舟大地一覽無遺。在全球尺度上，以多種空間分辨率對(duì)地進(jìn)行實(shí)時(shí)、持續(xù)地觀測(cè)。遙感具有站點(diǎn)觀測(cè)所不具備的空間優(yōu)勢(shì)，也具有比模式模擬更強(qiáng)的客觀性。運(yùn)用遙感技術(shù)，人們可以很輕松地看到地球系統(tǒng)主要組分的基本分布格局，驗(yàn)證了許多理論推算和模擬結(jié)果，也發(fā)現(xiàn)了許多原來未知的現(xiàn)象。遙感技術(shù)也因其神奇功能在全世界范圍內(nèi)刮起了一股持續(xù)的研究浪潮。

浪潮之上，激流涌進(jìn)。盧麾就是在遙感技術(shù)前景一片看好的形勢(shì)下，開始步入這一神奇領(lǐng)域的。但盧麾“遙感之路”的開啟，可以說是偶然，也是必然。

盧麾，出生于彩云之南——云南普洱，彝族人。從小天資聰穎，勤奮好學(xué)，成績優(yōu)異。1995年，他以出色成績考取清華大學(xué)水利水電工程系。水木清華，鐘靈蘊(yùn)秀，恰同學(xué)少年風(fēng)華正茂，在良好的學(xué)術(shù)氛圍和水利名師的指導(dǎo)下，盧麾迅速成長，在農(nóng)田水利灌溉等方面累積了豐富的理論基礎(chǔ)知識(shí)和實(shí)踐能力，分別于2000年7月和2003年1月獲得清華大學(xué)水利水電工程系學(xué)士學(xué)位和水文水資源碩士學(xué)位。之后，盧麾在清華碩士導(dǎo)師胡和平教授的推薦下遠(yuǎn)赴日本東京大學(xué)土木系攻讀博士學(xué)位，期間因?qū)煿ぷ髯儎?dòng)需要，他被推向了重新研究方向的境地。當(dāng)時(shí)有流域水文和遙感等方向可供盧麾選擇，前者是盧麾之前就有過接觸的研究方向，要做起來輕車熟路；后者是全新領(lǐng)域，在國際領(lǐng)域是研究熱點(diǎn)方向。通過多方征求意見和自己綜合考慮，盧麾毅然選擇了遙感這一對(duì)他來說全新的領(lǐng)域，師從于當(dāng)時(shí)在國際享有盛名的遙感專家——Toshio Koike，在名師的悉心指導(dǎo)下，他逐漸走向了遙感和水文研究結(jié)合的道路。后來事實(shí)證明，這是一條順應(yīng)全球變化科學(xué)研究的必要之路?！白呱线b感研究之路，對(duì)我來說，有很多巧合的過程但同時(shí)也是個(gè)必然。隨著衛(wèi)星遙感相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，其作用日益凸顯，能將其用于水文研究，走結(jié)合之路，我相信如果能做好一定會(huì)有很好的成就感?！睂?duì)于自己而今所從事的事業(yè)，盧麾躊躇滿志，充滿信心。

正因?yàn)橄嘈?，在確定方向后，盧麾一直堅(jiān)定不移地向前走著：2006年9月獲得日本東京大學(xué)土木工程工學(xué)博士學(xué)位；2006-2010年，在東京大學(xué)歷任工學(xué)部土木工程系特任助手、特任助理教授和東京大學(xué)地球觀測(cè)統(tǒng)融合中心特任研究員；2007-2010年成為日本國際協(xié)力組織（JICA）“中日氣象災(zāi)害合作研究中心項(xiàng)目”日方專家組成員。

在海外漂泊七年，盧麾不僅擴(kuò)展了視野，還奠定了自己今后主要的科研方向，“羽翼”逐漸豐滿起來。雖如此，他心里總有一份對(duì)祖國的眷戀，對(duì)清華深厚的情感也一直埋藏在心底。2010年12月，當(dāng)清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心向他拋去“橄欖枝”的時(shí)候，他毫不猶豫地選擇了回國，回到了他曾經(jīng)熟悉的水木清華，擔(dān)任該中心副教授，博士生導(dǎo)師。主要從事生態(tài)水文、遙感水文以及全球變化研究。

盡顯遙感技術(shù)魅力

清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心是一個(gè)校級(jí)跨學(xué)科綜合交叉研究機(jī)構(gòu)，擁有優(yōu)越的研究工作平臺(tái)，包括生物地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)室和地球系統(tǒng)數(shù)值模擬教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。在遙感機(jī)理研究、數(shù)值模擬、實(shí)地觀測(cè)、生態(tài)水文和農(nóng)田水利等方面積累了豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。中心為剛回國的盧麾提供了一個(gè)能夠發(fā)揮所能的優(yōu)良平臺(tái)，而盧麾的加盟，無疑為他所在的課題組注入了一股新鮮的血液，可以說是“錦上添花”，新的征程由此開啟。

早在清華大學(xué)學(xué)習(xí)期間，盧麾就開始從事水利信息化和灌溉決策支持系統(tǒng)的研發(fā)工作；到東京大學(xué)留學(xué)、工作期間，他參與了日本宇航機(jī)構(gòu)的AMSR-E標(biāo)準(zhǔn)土壤水分算法的開發(fā)。通過田間觀測(cè)實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬，研究微波在干砂介質(zhì)中輻射傳輸機(jī)理，驗(yàn)證了體散射在干砂介質(zhì)的輻射傳輸過程中的主導(dǎo)作用。并在此基礎(chǔ)上，建立了綜合考慮土層體散射及地表面散射的微波輻射傳輸模型。該模型應(yīng)用于JAXA的AMSR-E土壤水反演算法，提高了反演算法在蒙古驗(yàn)證區(qū)的土壤水反演精度，利用這一驗(yàn)證資料，盧麾及所在團(tuán)隊(duì)還實(shí)施了產(chǎn)品校驗(yàn)和參數(shù)校正?；仡櫾?jīng)走過的歷程，盧麾在水文生態(tài)及農(nóng)田水利領(lǐng)域有近10年的研究經(jīng)歷，在微波輻射傳輸理論、地表參數(shù)反演以及陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)等方面已有7年以上的研究經(jīng)歷。

值得一提的是，盧麾長期從事數(shù)據(jù)同化研究，曾經(jīng)發(fā)展了東京大學(xué)陸面同化系統(tǒng)（LDAS-UT），并已將其成功的應(yīng)用到蒙古高原、青藏高原和非洲大陸等熱點(diǎn)研究區(qū)域。從衛(wèi)星觀測(cè)的角度研究分析了氣候變化對(duì)地表水循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)的影響，推進(jìn)了氣候變化下的水文學(xué)研究。

JAXA AMSR-E地表土壤水反演算法田間驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

回國后，盧麾將主要的精力致力于氣候變化對(duì)水資源的影響機(jī)理研究上，主要涉及氣候變化對(duì)極端事件（洪澇與旱災(zāi)）的影響機(jī)理和規(guī)律研究，以及衛(wèi)星遙感對(duì)地觀測(cè)技術(shù)在全球變化及水文水資源研究中的應(yīng)用等，先后主持及參與科研項(xiàng)目6項(xiàng)，包括作為項(xiàng)目主持人負(fù)責(zé)國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“華北平原高時(shí)空分辨率多源遙感土壤水分反演模型研究”，和清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目“氣候變化下我國華北農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)與模擬研究”；作為專題負(fù)責(zé)人參與國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“面向服務(wù)的區(qū)域河流遙感監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)”研究；作為學(xué)術(shù)骨干，先后參與了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“流域水文過程對(duì)環(huán)境變化響應(yīng)的模擬與預(yù)測(cè)”研究，和水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)“氣候變化下塔河典型源流徑流預(yù)測(cè)研究”。其中，在863計(jì)劃專題“遙感驅(qū)動(dòng)的瀾滄江－湄公河流域水文模型系統(tǒng)開發(fā)”的研究中，盧麾利用其在遙感方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，幫助解決了瀾滄江－湄公河流域有關(guān)于水環(huán)境變化的紛爭。

遙感技術(shù)的魅力在體現(xiàn)在哪里？對(duì)普通大眾來說，或許它只是一個(gè)模糊的、被“神化”了的“魔鏡”，而對(duì)盧麾等從事遙感觀測(cè)的科學(xué)家來說，遙感的神奇功能滲透在地球的每一個(gè)角落里，“江河流淌著數(shù)據(jù)，大地蘊(yùn)藏著信息”，亟待他們?nèi)ふ?，挖掘?/p>

華北水文運(yùn)籌帷幄

在這浩大的世界里，人類肉眼所能直接觸及的范圍顯得很渺小。遙感技術(shù)的出現(xiàn)，為人類“足不出戶，盡覽天下百態(tài)”提供了可能，而遙感技術(shù)，也常常被用于觀測(cè)區(qū)域范圍內(nèi)的地理活動(dòng)。盧麾近年來利用遙感技術(shù)針對(duì)華北平原氣候因素引起水文環(huán)境變化所做的努力工作引人關(guān)注，成為近期其主要的科研項(xiàng)目之一。

正如文首提到的，干旱問題一直是困擾我國的主要的自然災(zāi)害之一。近些年來，北方主要農(nóng)業(yè)區(qū)的干旱范圍有明顯擴(kuò)大的趨勢(shì)，尤以華北地區(qū)干旱程度和范圍不斷增加趨勢(shì)最為顯著。而空間遙感觀測(cè)，可以克服過去地面監(jiān)測(cè)存在的諸多缺點(diǎn)，快速獲得大面積的土壤水分信息，具有大范圍、動(dòng)態(tài)、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢(shì)。因此，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，提供及時(shí)、準(zhǔn)確的田間土壤含水量及其變化趨勢(shì)，能為干旱的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)提供寶貴資料，能為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)的理論支撐，對(duì)保障國家糧食安全和社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展都具有重要意義。

2011年11月，盧麾作為主要負(fù)責(zé)人開展清華大學(xué)自主科研項(xiàng)目“氣候變化下我國華北農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測(cè)與模擬研究”，該項(xiàng)目以華北平原為研究區(qū)域，綜合應(yīng)用包括被動(dòng)微波遙感、紅外近紅外遙感、實(shí)地觀測(cè)資料等多源數(shù)據(jù)，通過研究衛(wèi)星遙感機(jī)理，改進(jìn)輻射傳播模型，開發(fā)基于多平臺(tái)多波段的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的土壤水反演算法，提高地表土壤水衛(wèi)星監(jiān)測(cè)的精度和時(shí)空分辨率，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)干旱的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；通過綜合衛(wèi)星遙感資料、陸面過程模型、作物生長模型和實(shí)地觀測(cè)資料，開發(fā)陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，提高包括土壤墑情在內(nèi)的地表狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)的模擬精度和時(shí)空分辨率，實(shí)現(xiàn)華北農(nóng)田旱情精確模擬；利用陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)和歷史氣象觀測(cè)資料，建立過去30年華北平原區(qū)域的地表狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，分析氣候變化對(duì)研究區(qū)內(nèi)干旱災(zāi)害的影響。課題的研究結(jié)果可為抗旱減災(zāi)提供直接的決策支持和科技支撐，可為氣候變化研究提供客觀的數(shù)據(jù)資料，具有重要的參考價(jià)值和實(shí)踐指導(dǎo)意義。

在此基礎(chǔ)上，2012年初，盧麾又成功申請(qǐng)了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“華北平原高時(shí)空分辨率多源遙感土壤水分反演模型研究”，該項(xiàng)目以華北平原農(nóng)田土壤水反演為研究對(duì)象，利用被動(dòng)微波衛(wèi)星觀測(cè)的快速、大范圍的特點(diǎn)以及MODIS資料高空間分辨率的特點(diǎn)，緊密結(jié)合旱情監(jiān)測(cè)與評(píng)估所需的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、動(dòng)態(tài)的要求，綜合應(yīng)用輻射傳輸模型、作物生長模型、數(shù)值模擬方法、非線性統(tǒng)計(jì)方法、參數(shù)優(yōu)化，以及實(shí)地觀測(cè)等多種模型方法進(jìn)行研究，具有明顯的多學(xué)科交叉特點(diǎn)與地域特色。

基于微波遙感的本世紀(jì)初中國區(qū)域地表溫濕變化趨勢(shì)

兩個(gè)項(xiàng)目無論是從觀測(cè)平臺(tái)、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，還是從開發(fā)經(jīng)驗(yàn)和國際合作上，都具有獲得預(yù)期研究目標(biāo)的充分基礎(chǔ)：合作伙伴清華大學(xué)水利系水文水資源所楊大文教授自2004年起在位山灌區(qū)建立了農(nóng)田水分與能量耦合循環(huán)觀測(cè)系統(tǒng)，到現(xiàn)在已積累了5年多關(guān)于水文、氣象和農(nóng)業(yè)珍貴資料。而盧麾在輻射模型和算法開發(fā)上，具有豐富的經(jīng)驗(yàn)。除此之外，憑借多年在海外累積的人脈，和日本宇航機(jī)構(gòu)、東京大學(xué)有著長期的合作關(guān)系，從日本宇航機(jī)構(gòu)可以較快的獲得AMSR-E L1B級(jí)的亮溫觀測(cè)數(shù)據(jù)，以及A M S R-E標(biāo)準(zhǔn)土壤水產(chǎn)品。他還與美國農(nóng)業(yè)部（USDA）和蒙大拿大學(xué)（University of Montana）保持有良好的合作關(guān)系。這些良好的國際合作關(guān)系，是研究達(dá)到國際領(lǐng)先水平的重要保證。目前，兩個(gè)項(xiàng)目進(jìn)展順利。

科研之外，盧麾還承擔(dān)著園丁育人的角色，雖然時(shí)間很有限，但他一直堅(jiān)持每周都抽出時(shí)間來與學(xué)生討論?！拔蚁Ｍ约憾嗄晁鶎W(xué)所感能夠?qū)ξ业膶W(xué)生有所提點(diǎn)和幫助，如我希望他們能除了算法理論之外，多做一些與應(yīng)用結(jié)合的研究，在我看來而今很多數(shù)學(xué)、物理理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出我們的實(shí)際應(yīng)用范圍，我們所要做的是能夠?yàn)檫@些理論尋找到通向?qū)嵱玫摹B接橋梁’，拉近彼此的距離。很多理論成果唯有搬下高閣，給普通老百姓帶去實(shí)惠，才能真正體現(xiàn)其價(jià)值。遙感技術(shù)用于水文研究，幫助老百姓應(yīng)對(duì)干旱問題，就是一個(gè)重要體現(xiàn)?！?/p>

“悠悠清華園，濃濃水木情”，雖然畢業(yè)多年，但何其幸運(yùn)，盧麾與清華的情緣能夠繼續(xù)延續(xù)下去，所以他的身上始終洋溢著清華特有的印記：善于學(xué)習(xí)，精力充沛，堅(jiān)持鍛煉身體……“為祖國健康工作五十年”是清華特有的口號(hào)，也是盧麾奮斗的目標(biāo)。