地表物质能量交换过程中的水循环综合模拟系统(HIMS)研究进展

基于地学的理念,特别是陆地表层系统研究理论,探讨了水循环研究发展趋势,从单一要素过程、到流域多过程综合、再到水系统多要素、多过程、多尺度的集成,阐述了发展水循环综合模拟技术的重要性。系统介绍了自主研发的水循环综合模拟系统HIMS(Hydro-Informatic Modeling System)的发展历程、主体结构与特色功能,包括水循环多源信息集成平台、水循环多元要素定量遥感反演系统、水循环过程模块库集成系统、多尺度分布式水循环定制模拟系统等。指出多学科交叉,与信息技术的融合是水循环模拟发展的重要方向之一。HIMS系统及其定制模型在国内外的大量验证和应用,显示出其水循环综合模拟技术的实用性和先进性。可望为变化环境下的复杂陆地表层过程中涉水问题研究提供技术支撑工具,适应水系统研究的需要。     

中国生态水文学发展趋势与重点方向

生态水文学是一门新兴的交叉学科,发展和完善其理论体系和技术方法等对促进中国山水林田湖草系统保护与修复,推进生态文明建设和绿色发展具有重要理论和实践意义。本文阐述了生态水文学发展历程和挑战性问题;结合学科前沿和国家需求,提出了生态水文学在中国的发展战略,主要包括：生态水文综合观测的新技术新方法、生态水文学机理和基础理论、以陆地和水生生态水文过程为核心的多尺度多要素综合模拟与集成、以及生态水文与社会科学的融合等;在此基础上,也提出了中国生态水文学具体发展方向,如多源信息融合与综合观测网络、关键要素的时空格局及其演变特征、综合模型与不确定性、多学科交融研究等;最后提出了中国生态水文学在山水林田湖草及城市等共同体修复和保护中的应用前景。     

新时代自然地理学发展的思考

自然地理学是地理学的基础学科,也是地理学综合研究的基石。本文在梳理自然地理学主要研究进展的基础上,思考了新时代自然地理学的发展方向。在全球环境变化驱动下,自然地理学及其分支学科在传承中得到新的发展。自然地理学近年来的研究进展主要表现为自然地理过程综合与深化、陆地表层系统集成、陆海相互作用和区域生态环境管理应用等方面。自然地理学及其分支学科的发展需要面向全球环境变化和人类需求,探索应用新技术新方法,开展多要素多过程集成研究,发展并完善地理模型,模拟和预测环境变化与可持续发展,服务于国家重大需求和政府决策。在发展过程中,亟待关注以下前沿领域与方向：①地貌学需要重点加强地貌学与全球环境变化及人类活动关系研究;②生物地理学有待深化属性地理学、全球变化生物地理学等前沿领域的探索,连接变化背景下的生物地理空间分布与人类需求;③水文学需要开展多要素、多过程、多尺度的综合集成研究,发展生态水文学、社会水文学、水文形态学等新兴学科领域;④自然地理学有待全方位介入气候变化研究,在气候变化国际重大研究计划、气候变化框架公约等方面发挥更加积极的支撑功能;⑤综合自然地理需要面向国家重大需求,聚焦人地系统耦合研究,在资源环境承载力评估、生态安全格局与生态文明建设等领域作出积极贡献;⑥自然地理学需深化耦合自然与人文要素及过程研究,建立发展复杂系统模拟模型,分析和模拟变化环境下的自然、人文要素耦合机制和陆地表层系统动态变化规律。     

水系统综合管理与模拟工具(WIM)的设计与开发

大规模的人类活动已经将不同流域连接为一个整体系统,针对跨流域复杂水问题的研究,从科研和管理的角度,迫切需要发展集多源数据集成、水循环过程模拟和决策支撑为一体的水系统综合管理与模拟平台。本文面向国家需求,采用面向对象设计方法,基于GIS平台创建了具有自主知识产权的WIM(Water system Integrated Modeling and Management Tool)系统。WIM是一个基于模块化结构的水系统综合管理与模拟工具,实现了水循环多源数据集成和多过程耦合模拟,具有数据动态加载、模型在线耦合和模块按需定制等功能。WIM提出为复杂水问题的研究,跨流域调水对陆地水循环影响与水安全分析提供了支撑,促进了中国在水循环综合模拟与系统集成等方面的科技发展。     

生态水文过程观测与模拟的发展与展望

中国生态系统研究网络(CERN)水分分中心是管理CERN陆地生态系统台站水环境长期监测的专业分中心,也是从事生态水文学研究的一个学术团队.长期以来,CERN水分分中心致力于先进的生态水文观测方法和技术的引进与研究,先后在大型蒸渗仪、涡度相关技术、实验遥感方法、大孔径闪烁仪和同位素技术应用于生态水文过程的观测方面做了许多卓有成效的工作,对生态水文过程野外观测方法先进技术的应用在国内起到引领作用.CERN水分分中心也开展了以陆面蒸散过程机理与模拟的研究,围绕华北农田作物蒸散过程模拟方法,从早期的经验模型,到具有物理基础的模型,发展到基于水碳耦合机理的蒸散过程模拟方法.未来的发展,需要进一步深入推进新技术新方法在生态水文过程观测中的应用,并构建不同生态系统生态水文过程机理模型,为流域和区域水资源管理及生态系统管理提供科学数据和科学工具.     

城市洪水分析模拟的GIS方法研究

城市独特的双重排水体系以及城市化过程的不断加剧,使城市洪水问题的研究远较农村地区的洪水研究复杂。本文在总结国内外城市洪水研究的经验的基础上,探讨利用地理信息系统(GIS)进行城市洪水过程的分析与模拟,提出了一套完整的GIS求解策略,包括流域水文特征参数的提取、分布式降雨-径流模型及洪水演进模型、开放式GIS系统的对象结构、模型与GIS集成的若干技术与理论问题、时序GIS以及三维和四维时空体的视觉化表现方法等,并应用于福建三明市1994年5月3日城市洪水过程的反演及洪水风险分析,取得较好的结果。本文的研究在城市洪水分析的模拟、3系统集成及环境模型的视觉化表现等方面具有广泛的应用价值和理论意义。     

基于GIS的细胞自动机模型与人地关系的复杂性探讨

探讨人地非线性关系可以揭示地理系统空间复杂性的许多简单本质 ,具有重要的理论意义和实践价值。以地理信息系统 (GIS)为技术支持 ,建立以细胞自动机 (CA)为核心的综合集成模型 ,将成为人地关系复杂性研究的主要方向。建议在CA GIS集成技术的基础上 ,一方面引入人工神经网络、进化算法、多重智能体系 (MAS)以及后现代数学分析方法 ,另一方面面向具体研究对象开发包括自然、人文地理要素在内的集成区域动力学模型 ,据此发展智能化综合集成模型体系 ,形成人地关系复杂性的模拟研究实验室。本文提出了开发智能化CA GIS模拟方法的初步设想。     

中国综合自然地理学的近今进展与前瞻

综合自然地理学及相关的景观生态学是自然地理学的重要分支学科。本文综述了近年来综合自然地理学在学术和应用方面取得的重要进展,由3部分组成：(1) 学科发展回顾;(2) 近今主要进展,包括在基础研究理论与方法技术方面的学科进展和研究成果应用方面的贡献;(3) 学科未来展望,包括机遇与挑战分析和重点研究领域。综合自然地理学的未来发展应注意以下方面：进一步促进更高层次的综合与集成,加强多学科间的交叉融合,共同探究地表系统复杂性问题及机制;进一步提高观测技术和模型模拟的水平,以解决空间与时间上更为复杂的生物地理过程和格局问题;进一步拓展应用领域,为国家资源、环境和社会经济的可持续发展提供科技支持。     

变化背景下的当代中国自然地理学——2017全国自然地理学大会述评

面对变化中的全球环境以及变化中的学科热点,以“变化背景下自然地理学新发展与新挑战”为主题的第一届全国自然地理学大会于2017年11月20-22日在南京召开。聚焦地理学与可持续发展、自然地理要素与过程集成、空间数据挖掘与系统决策等当代自然地理学研究的前沿内容,通过学科前沿理论的凝练,引导自然地理过程研究的继续深化;依托理论与方法创新;在典型流域、区域实现了自然地理过程的初步集成,切实服务于人地耦合视角下的可持续社会决策。深化自然地理学分支学科的过程研究、推进综合自然地理学的发展、提升陆地表层系统观测和模拟水平,将有助于进一步巩固自然地理学在地理科学学科体系中的基础学科地位,为满足国家重大战略需求和全球可持续发展作出重要的学科贡献。     

基于模块的分布式水文模拟系统及其应用

由于水文循环过程的复杂性和空间变异性,集成不同的水循环模型,基于模块化结构、构建面向多目标的水文模拟系统已经成为当今水文模拟技术发展的一个重要方向。本文从科学研究和水资源管理的实际需要,首次研发国内基于模块化的分布式水文模拟系统,并提出了“信息化水文模拟系统(HydroInformatic Modeling System, 简称HIMS)”。HIMS是一个以水循环信息平台为基础,基于组件式结构设计的开放式综合水循环模拟系统,侧重于分布式水文过程的模拟与应用。文中对HIMS的设计思路,主要功能与结构进行了详细介绍,包括基于国产GIS软件SuperMap的水循环信息系统、模型数据前/后处理系统和水文模型方法库系统。其中,HIMS的水文模型方法库系统集成了水文过程方法库和多种水文模型,并提供定制水文模型的功能。HIMS的提出发展了水文模型理论和建模技术,拓宽了国内分布式水文模型的研究思路。     

流域生物地球化学循环与水文耦合过程及其调控机制

流域生态系统的水文和生物地球化学循环通过水文通量的物理作用紧密耦合,其时空尺度的物质和能量耦合为流域生物地球化学过程的物质平衡和能量流动提供重要基础。通过研究流域尺度生物地球化学循环—水文耦合过程,将更加深刻揭示水循环驱动下陆地—水生生态系统碳氮循环与人类活动及气候系统的生物学、物理学和化学过程的耦合机制。本文综合阐述了流域生态系统的时间、空间以及时间—空间尺度的生物地球化学循环与水文耦合特征,揭示营养元素循环在时间—空间尺度上的耦合特征,通过大气、陆地、河流、河口和海洋系统形成了一个连续体并由水、气体和气溶胶通量进行物理连接;分析流域营养物质的生物地球化学循环与水文耦合过程随着时空尺度在大气—陆地界面、陆地—河流界面以及河口—海洋界面的耦合变异性;最后通过流域生态化学计量特征及水陆交错带对营养物质输出的调控分析耦合过程的生物学调控机制,以提高对流域景观水平的生态水文、生物地球化学和生态动力学的理解。     

干旱区生态-水文过程研究的回顾与展望（英文）

Ecohydrology, aiming to study the interactions between terrestrial ecological systems and hydrological cycles as well as their impacts on water management, has been an emerging interdisciplinary research field since the 20 th century. It hosts both natural and human regulated processes that are potentially coupled in complex ways. Understanding the ecological-hydrological processes, the fundamental mechanisms and the connections between them is critical since these processes are not isolated but integrated to impact basin-scale hydrological and biogeochemical functioning of a larger river system, especially in arid environment where water resources are considered to be the source of life. Thus, research on ecological-hydrological processes in arid environment is not only a scientific focus area but also important to sustainable development. Research projects and initiatives involved in observation, measurement, modeling and data assimilation have been well-developed for those purposes over the past 20 years. This review summarizes the historical development of ecohydrology science in China and the state-of-the-art tools available in the research framework. Five grand scientific challenges are listed as prospects and exciting opportunities for the scientific community. To advance the current ecological-hydrological processes research, scientists from multidisciplinary backgrounds(such as geography, geology, geomorphology, hydrology, geochemistry and ecology), need to unite to tackle the many open problems in new dimensions.     

Ecological-hydrological processes in arid environment: Past,present and future

Ecohydrology, aiming to study the interactions between terrestrial ecological systems and hydrological cycles as well as their impacts on water management, has been an emerging interdisciplinary research field since the 20th century. It hosts both natural and human regulated processes that are potentially coupled in complex ways. Understanding the ecological-hydrological processes, the fundamental mechanisms and the connections between them is critical since these processes are not isolated but integrated to impact basin- scale hydrological and biogeochemical functioning of a larger river system, especially in arid environment where water resources are considered to be the source of life. Thus, research on ecological-hydrological processes in arid environment is not only a scientific focus area but also important to sustainable development. Research projects and initiatives involved in observation, measurement, modeling and data assimilation have been well-developed for those purposes over the past 20 years. This review summarizes the historical development of ecohydrology science in China and the state-of-the-art tools available in the research framework. Five grand scientific challenges are listed as prospects and exciting opportunities for the scientific community. To advance the current ecological-hydrological processes research, scientists from multidisciplinary backgrounds (such as geography, geology, geomorphology, hydrology, geochemistry and ecology), need to unite to tackle the many open problems in new dimensions.     

流域城市化对湿地生态系统的影响研究进展

城市化是人类社会发展的必然趋势和现代化的必经阶段,同时城市化也对区域湿地生态系统产生重要影响。从城市化的水文效应、城市化对水环境的影响和城市化产生的气候变化对湿地生态系统影响3方面综述了城市化对湿地生态系统结构和功能影响的研究进展。城市化引起流域内人口增加,通常伴随商业和工业活动的增加,这些活动需要更多的城市土地,从而导致流域内不透性增加,这给流域内湿地生态系统造成了重要的影响,表现为:①城市化所及地区的产汇流过程发生显著变化,导致湿地径流的调节作用和维持生态系统生产力的作用发生退化;②城市地表径流中含有大量的污染物质,致使对湿地水环境、水生生物、野生动物栖息地都产生了重要的影响,并污染城市饮用水水源,危及人类健康;③城市化导致流域气候变化,影响湿地水文、生物地球化学过程、植物群落及湿地生态功能等。最后,指出了国内外城市化对湿地生态系统影响研究的不足之处,对国内外的研究趋势进行展望,并对国内的研究提出了几点建议。     

水文学研究进展与展望

水文学是研究地球上水的起源、存在、分布、循环运动等变化规律,并运用这些规律为人类服务的知识体系。水文学研究经历了由经验到理论、由简单过程到复杂系统、由定性描述到定量模拟的发展历程,其学科体系演进与科学技术进步及社会发展需求紧密联系,并由此衍生出诸如生态水文学、气象水文学、冰冻圈水文学、遥感水文学、同位素水文学、城市水文学、社会水文学等多种交叉研究领域与分支学科。当今水文学研究在水文多尺度观测、陆面—水文—社会耦合模拟及多源观测—模型同化技术等领域取得显著进展,水文学研究的广度和深度不断拓展。未来水文学研究将面向陆地水文循环的变化规律及其效应,重点关注水文循环变化特征和机理、水文循环变化趋势预估及水文循环变化的自然和社会影响等前沿课题;从原有就水论水研究思路转向在自然地理综合分析框架下以水循环为纽带开展的多尺度、多过程集成研究。     

流域水文模型研究的若干进展

计算机技术和一些交叉学科的发展 ,给水文模拟的研究方法带来了根本性的变化。文章阐述了分布式物理水文模型、地理信息系统 (GIS)和遥感 (RS)技术在流域模拟中的应用等方面的进展。指出分布式模型具有良好的发展前景 ,应用 GIS的水文模型尽管有诸多优点 ,但并不能代表模型本身的高质量 ,遥感资料还没有完全融入水文模型的结构中 ,给直接应用带来较大的困难。     

流域生态水文模型研究进展

流域生态水文模型是全球变化下流域生态水文响应研究的重要工具,通过定量刻画植被与水文过程的相互作用及全球变化对流域生态水文过程演变的影响机制,为流域水资源管理和生态恢复提供科学支撑,是生态水文研究的前沿和热点.基于植被与水文过程相互作用规律,流域生态水文模型一方面要充分描述植被与水文过程相互作用和互为反馈机制,另一方面要...     

社会水文学和城市水文学研究进展

进入人类纪尤其是近数十年来,人类活动对水文过程的影响愈来愈突出,愈来愈强烈,许多新的问题用传统水文学理论难以给出合理的分析和解释,因此,作为两个关注人类活动影响的水文学分支学科,社会水文学和城市水文学受到越来越多的关注。随着人水互动关系的增强,水文系统和人类系统逐渐演变为一个耦合系统,为研究其互馈关系和协同演化过程,社会水文学应运而生。城市是人类活动与自然系统相互影响最剧烈的部分之一,城市区域水循环问题日趋复杂,由此诞生了城市水文学。这两个学科的研究,对水资源和与其相关的经济社会发展的中长期规划和管理,指导城市规划建设、增强城市水安全和改善城市水环境具有重要意义。本文梳理了两个学科的发展规律,总结了研究特点。分析了两个学科的研究现状和发展趋势,包括社会水文学对社会因子的研究、典型流域的案例研究、不同案例的对比研究、模型模拟研究;以及城市水文学中城市化对降水和洪涝灾害的影响研究,城市化与生态环境响应关系的研究。本文探讨了两个学科的重点研究领域,如社会水文学中的本构关系研究、比较社会水文学研究、交叉学科研究等;城市水文学中的城市化对水文过程影响机理及模拟研究、城市暴雨洪水监测与预测预警技术研究、城市雨洪管理和资源化利用技术研究等。     

流域LUCC水文效应研究中的若干问题探讨

随着全球变化研究的深入,土地利用/覆被变化(LUCC)的水文效应研究日益成为热点问题。综合国内外研究进展,论文就流域土地利用/覆被变化水文效应研究中的几个问题进行了总结和探讨：子流域和水文响应单元是分布式水文模型对流域基本空间单元的理想划分;对国内外现有的土地利用分类系统进行了适当的调整和归并,建立了基于水文响应研究的土地利用分类系统,将土地利用分为9个Ⅰ级类和21个II级类;土地利用/覆被变化情景分析的常用方法有参照对比法、历史反演法、模型预测法、极端土地利用法、土地利用空间配置法等。     

基于DEM的分布式水文模型构建方法

基于 DEM的分布式水文模型是现代水文学同高科技 (如计算机技术、 3S技术等 )相结合的产物 ,是研究变化环境下水文循环与水资源演化规律的理想工具 ,代表了水文模型的最新发展方向。从 DEM的特性出发 ,本文探讨并总结了分布式水文模型的特点、建模思路和模型基本结构框图。在流域离散化方面 ,重点介绍了分布式水文模型常用的三种单元划分方法 ;最后 ,针对分布式水文模型构建问题 ,从“输入模块”、“单元水文模型”、“河网汇流模型”三方面 ,阐述了分布式水文模型微结构构建方法。