探秘土壤濕度 追逐科研夢想

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