南卓銅：引航西部地學(xué)信息化研究

本刊記者 曹雪琴

他建立的青藏高原年平均地溫模型被用于近年出版的中國(guó)冰川凍土沙漠圖，該圖是研究青藏高原多年凍土分布的權(quán)威地圖；他負(fù)責(zé)的中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心是西部地學(xué)研究數(shù)據(jù)資源最豐富的數(shù)據(jù)中心，是進(jìn)入世界知識(shí)庫(kù)的中國(guó)兩家機(jī)構(gòu)之一；他主持的黑河流域空間決策支持系統(tǒng)部署于甘肅省水文局、張掖市、縣水務(wù)部門及下屬灌區(qū)，為黑河流域水資源合理利用決策發(fā)揮作用。

他就是中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所南卓銅研究員。多年來，南卓銅研究員致力于地理信息系統(tǒng)與空間決策支持系統(tǒng)的建立、寒區(qū)水文/陸面過程建模及方法論的研究、科學(xué)數(shù)據(jù)共享，不斷為傳統(tǒng)的地學(xué)研究注入信息技術(shù)的新方法，并在此過程中取得了卓有成效的收獲。

集大成：黑河流域地理空間決策支持系統(tǒng)

決策支持系統(tǒng)是流域科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化的重要工具。受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、科技部高新技術(shù)863項(xiàng)目的支持，南卓銅研究員課題組結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和多種決策方法，圍繞黑河流域中上游水土資源問題，設(shè)置水權(quán)轉(zhuǎn)化、退耕還水、生態(tài)補(bǔ)償、水源涵養(yǎng)林保護(hù)等情景，建立水土資源情景評(píng)估體系，演示基于決策支持系統(tǒng)為流域管理提供科學(xué)決策依據(jù)的能力，主要解決如何發(fā)展一個(gè)易于使用、便于擴(kuò)展、集成多學(xué)科科學(xué)模型的滿足流域集成管理需求的空間決策支持系統(tǒng)，以及如何集成多種學(xué)科模型從而提供中上游水土資源的情景評(píng)價(jià)能力，理解政策如何影響水土資源利用等關(guān)鍵科學(xué)問題。

目前南卓銅研究員等人已設(shè)計(jì)和建成了一個(gè)通用的基于科學(xué)模型的多準(zhǔn)則決策支持系統(tǒng)，在易用性、擴(kuò)展性、模型庫(kù)集成方面做了大量的工作，并創(chuàng)新性地提出了一種支持多學(xué)科模型集成和技術(shù)層面解決模型多時(shí)空尺度集成難題的決策支持系統(tǒng)方案。對(duì)決策支持系統(tǒng)必需的知識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行了較細(xì)致的研究，尤其是對(duì)水文建模相關(guān)知識(shí)進(jìn)行了較好的歸納和組織。成果特色在于將水文、陸面過程、生態(tài)、土地利用變化、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科模型集成在統(tǒng)一的決策支持系統(tǒng)框架內(nèi)。他領(lǐng)導(dǎo)的課題組建成的決策支持系統(tǒng)已經(jīng)初步部署在甘肅省水文水資源勘測(cè)局、甘肅省張掖市、縣水務(wù)部門及33個(gè)灌區(qū)開展實(shí)際應(yīng)用測(cè)試。

走新路：凍土分布和情景模擬

南卓銅研究員是國(guó)內(nèi)較早將地理信息技術(shù)應(yīng)用于凍土研究的學(xué)者。受到青藏鐵路重大項(xiàng)目、國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金、科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)的支持，他對(duì)青藏高原多年凍土分布進(jìn)行較系統(tǒng)的研究，評(píng)價(jià)了國(guó)內(nèi)外流行的多年凍土分布模型在青藏高原的適用性，其中基于年平均地溫模型的模擬結(jié)果應(yīng)用于2005年出版的《中國(guó)冰川凍土沙漠分布圖》，是目前最新的被廣泛應(yīng)用的凍土圖。該成果創(chuàng)新性地?cái)U(kuò)展了經(jīng)典的尼爾森凍土分布模型，具備比原模型更好的模擬性能；較早地應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行野外多年凍土調(diào)查，證實(shí)了西大灘多年凍土退化的事實(shí)。結(jié)合氣候變化情景，他們模擬了未來50年、100年的青藏高原多年凍土變化情況，并結(jié)合鉆孔含冰量數(shù)據(jù)，第一次估計(jì)了青藏高原多年凍土含冰量。情景模擬和含冰量估算結(jié)果是青藏鐵路重大項(xiàng)目的匯報(bào)內(nèi)容之一。同時(shí)，這也是國(guó)內(nèi)較早的將遙感和地理信息系統(tǒng)手段成功應(yīng)用于青藏高原凍土分布、凍土區(qū)植被和土壤分類。

在目前承擔(dān)的凍土工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題“Noah陸面過程模型熱力學(xué)參數(shù)化方案改進(jìn)及青藏高原凍土水熱狀況模擬”上，他們?cè)贜oah LSM的熱力學(xué)參數(shù)化方案評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行Noah LSM的熱力學(xué)參數(shù)化方案的改進(jìn)以提高對(duì)凍土水熱狀況的模擬性能；利用改進(jìn)后的Noah模型對(duì)青藏高原凍土水熱狀況進(jìn)行分布式模擬，在此基礎(chǔ)上，將探討青藏高原多年凍土空間分布和凍土層含冰量時(shí)空分布等凍土學(xué)研究關(guān)心的問題。

填空白：地表過程建模環(huán)境

流域科學(xué)問題是復(fù)雜的多學(xué)科交叉問題，而多學(xué)科（水文、陸面過程、生態(tài)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等）模型集成是重要的工具，然而多模型的集成不僅涉及模型機(jī)理、尺度等科學(xué)問題，還有很大的技術(shù)工作量將模型代碼連接到一起。依托計(jì)算機(jī)平臺(tái)的建模環(huán)境是較好的進(jìn)行模型集成的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)高效的建模流程。國(guó)際上從上世紀(jì)80年代開始就考慮依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)搭建模塊化的建模平臺(tái)，2000年后出現(xiàn)一些主要的用于水文和生態(tài)建模的平臺(tái)。國(guó)內(nèi)也開始e-Science等科研信息化的研究?jī)?nèi)容，但此工作一直是國(guó)內(nèi)的空白。受中科院重點(diǎn)方向項(xiàng)目的支持，南卓銅研究員項(xiàng)目組圍繞地表過程建模，突破了集成環(huán)境的模型控制、模型參數(shù)優(yōu)化與數(shù)據(jù)匹配等關(guān)鍵技術(shù)方法，標(biāo)準(zhǔn)化和集成了近70個(gè)水文、陸面過程、生態(tài)、人文等地表子過程模型，建成了一個(gè)復(fù)雜地表過程綜合建模環(huán)境平臺(tái)，在模型重用、模塊創(chuàng)建、基于知識(shí)的模塊組合等方面具有特色，為地表過程集成建模奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高了地表過程建模的方法論研究。此工作填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)該領(lǐng)域的空白，此后國(guó)家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)的“黑河流域水文—生態(tài)集成研究”重大計(jì)劃開始啟動(dòng)類似研究的項(xiàng)目。

建門戶：數(shù)據(jù)共享研究

受到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、青海湖數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目、科技部基礎(chǔ)條件平臺(tái)項(xiàng)目的支持，南卓銅研究員團(tuán)隊(duì)建成了基金委重點(diǎn)項(xiàng)目中國(guó)西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://westdc.westgis.ac.cn，西部數(shù)據(jù)中心），整理、規(guī)范和共享中國(guó)西部的環(huán)境和生態(tài)數(shù)據(jù)。從2006年試運(yùn)行，截止到2012年11月，網(wǎng)站注冊(cè)用戶超7500人，來自80多個(gè)國(guó)家的20多萬人次訪問，數(shù)據(jù)總服務(wù)量50TB以上，向300多家國(guó)內(nèi)外科研單位提供了數(shù)據(jù)服務(wù)，至少有369篇期刊文章顯著標(biāo)注了數(shù)據(jù)來源于西部數(shù)據(jù)中心。截止2012年10月，數(shù)據(jù)中心為50個(gè)973項(xiàng)目、11個(gè)863項(xiàng)目、114個(gè)自然科學(xué)基金項(xiàng)目、33個(gè)西部計(jì)劃項(xiàng)目、39個(gè)國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、10個(gè)中科院知識(shí)創(chuàng)新重大工程項(xiàng)目、45個(gè)基金委重大計(jì)劃黑河流域計(jì)劃項(xiàng)目、148個(gè)研究生論文等提供了數(shù)據(jù)支持，已經(jīng)成為地學(xué)口數(shù)據(jù)共享的主要門戶之一。數(shù)據(jù)服務(wù)成效得到了科技部主管領(lǐng)導(dǎo)的好評(píng)，并希望將經(jīng)驗(yàn)推廣到國(guó)內(nèi)其他學(xué)科數(shù)據(jù)中心。

同時(shí)，他們建成了擁有自主產(chǎn)權(quán)的全部基于開源軟件的科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，基于此平臺(tái)，為青海省環(huán)保廳建立了“青海湖流域生態(tài)環(huán)境綜合數(shù)據(jù)中心”（http://deep.qherc.org/）；率先在國(guó)內(nèi)數(shù)據(jù)中心開展數(shù)據(jù)和知識(shí)的集成、在線模型服務(wù)等工作，實(shí)現(xiàn)青海湖流域各類生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的管理和共享，實(shí)現(xiàn)青海湖流域生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，并提供生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

在科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“青藏高原多年凍土本底調(diào)查”子課題“青藏高原多年凍土遙感與本底數(shù)據(jù)共享”上，南卓銅研究員等人整理、分析、集成了多年凍土本底調(diào)查典型區(qū)內(nèi)各類調(diào)查數(shù)據(jù)，整合、融合以往數(shù)據(jù)，深入分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)系，最終構(gòu)建青藏高原多年凍土本底信息共享系統(tǒng)；以遙感數(shù)據(jù)為信息源，結(jié)合野外調(diào)查、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料，建立地面覆被特征和環(huán)境變量的遙感提取方法；在分析凍土特征和環(huán)境因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行青藏高原多年凍土分布模型研究，結(jié)合陸面過程模型研究青藏高原多年凍土的發(fā)生、發(fā)展和演化規(guī)律。