数字黑河的思考与实践3:模型集成

介绍了"数字黑河"模型集成研究的进展.①流域科学研究中的模型集成由发展流域集成模型和建模环境这2个主题所构成,前者可概括为"水-土-气-生-人"集成模型,后者是支持集成模型的高效开发的软件工具,注重于应用先进的信息技术为建模提供支撑.②将模型集成分为知识途径和技术途径,讨论了建模环境在模型集成中的作用,以及科学模型和流域管理模型的关系.③回顾了黑河流域模型集成的总体目标是发展两种类型的集成模型,其中第一种回应科学目标,是地球系统模型在流域尺度上的具体体现,以建成能够综合反映流域水文-生态-经济相互作用的模型为标志;第二种集成模型回应管理目标,以建成空间显式的流域水资源决策支持系统为目标.④对黑河流域已有的水文、地下水、水资源、陆面过程、土地利用、生态、社会经济与生态经济建模工作做了系统的综述.⑤分析了黑河流域集成模型研究中存在的问题和所面临的挑战.     

数字黑河的思考与实践1:为流域科学服务的数字流域

多学科数据的收集和积累、多学科模型的集成以及现代化的观测系统是发展流域科学的必要前提。"数字黑河"是为黑河流域科学研究和流域集成管理而搭建的集数据、模型和观测系统于一体的信息化平台,是"数字地球"在流域尺度上的一次实践性尝试。数字黑河由数据平台、模型平台和数字化观测系统组成,其核心是观测、数据和模型平台中的信息基础设施建设,但同时也外延而扩展为以流域综合模型为骨架的各种应用。"数字黑河"已阶段性地完成了数据集成,在线数据量超过1 000 GB,并实现了完全共享,有力地支持了黑河流域的各项研究工作;在模型集成方面已初步建成了流域综合模型和空间决策支持系统。"数字黑河"的进一步构想是在e-Science的框架下将数据系统、观测系统、模型系统、信息发布系统、高性能计算及科学计算可视化集成为一个整体。     

黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验总体设计

介绍了"黑河流域生态—水文过程综合遥感观测联合试验"的背景、科学目标、试验组成和试验方案。试验的总体目标是显著提升对流域生态和水文过程的观测能力,建立国际领先的流域观测系统,提高遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。由基础试验、专题试验、应用试验、产品与方法研究和信息系统组成。其中,①基础试验:搭载微波辐射计、成像光谱仪、热像仪、激光雷达等航空遥感设备,开展一系列关键生态和水文参量的观测;发展遥感正向模型及反演和估算方法。形成覆盖全流域的水文气象综合观测网,为流域生态—水文模型研究提供更有代表性的模型参数、驱动数据及更高精度的验证数据。构建无线传感器网络,度量生态水文模型所需的若干关键的驱动、参数和模型状态的空间异质性。开展航空遥感定标和地基遥感试验。依托传感器网络,并辅之以地面同步和加密观测,开展遥感产品真实性检验。②专题试验:开展"非均匀下垫面多尺度地表蒸散发观测试验",采用密集的涡动相关仪、大孔径闪烁仪与自动气象站的观测矩阵,为揭示地表蒸散发的空间异质性,实现非均匀下垫面地表蒸散发的尺度扩展,发展和验证蒸散发模型提供基础数据。③应用试验:在流域上、中、下游分别开展针对积雪和冻土水文、灌溉水平衡和作物生长、生态耗水的综合观测试验,将观测数据和遥感产品用于上游分布式水文模型、中游地表水—地下水—农作物生长耦合模型、下游生态耗水模型,通过实证研究提升遥感在流域生态—水文集成研究和水资源管理中的应用能力。加强试验将在2012年5月起按中游、上游、下游的顺序展开,全流域持续观测期为2013—2015年。在各类试验的支持下,开展全流域生态—水文关键参量遥感产品生产,发展尺度转换方法,建立多源遥感数据同化系统。     

数字黑河的思考与实践4:流域观测系统

数字化的流域观测系统是数字流域的重要组成部分.①首先介绍了水循环卫星遥感和地面观测的最新进展,以及航空遥感在流域观测中的重要作用.②介绍了对于流域观测系统的构想.认为流域观测系统应兼顾陆面过程、水文、生态观测的不同空间尺度和时间尺度,监测与控制试验并重,地面与遥感配合,重视采样设计,重视新兴观测手段,与信息系统扣模型高度集成,科学目标导向,模型需求驱动.③黑河流域观测系统由位于流域上中下游不同景观带的野外研究站、综合观测试验以及气象水文业务化观测网络组成,在流域内先后开展了HEIFE实验、金塔试验和黑河综合遥感联合试验.④介绍了对于流域观测系统的进一步构想:增强遥感观测能力是关键,集成遥感、地面观测和模型模拟才能更好地定量估计水循环,流域观测系统应和信息系统、综合模型等共同构成流域科学研究的信息基础设施,更好地为流域科学服务.     

干旱区内陆河流域生态水文综合集成研究

针对干旱区内陆河流域生态环境问题,面对国家重大需求及地球系统科学发展方向,指出内陆河流域生态水文综合集成研究的必要性,旨在为精细管理水资源,提高单方水产出效益（经济效益和生态效益）提供思路。以黑河流域为例,追踪流域研究历程,目前从野外调查试验观测,模型模拟到研究平台建设,黑河流域的数据知识的积累已基本具备开展流域生态水文综合集成的条件,但仍然存在着巨大的挑战。根据存在的问题,提出未来进行集成研究应加强的3个方面：①加强综合观测;②强调人文因素的定量研究和人文过程的研究;③重视模型、模拟方法在描述和反演地理真实中的应用。     

内陆河流域水文过程研究的一些科学问题

水科学研究的发展，对水文科学提出了新的挑战，即如何在流域、区域和全球尺度进行学科交叉、综合集成和协同研究，从而更全面地认识水在地球资源和环境变化中的作用，认识水圈及其与大气圈、岩石圈和生物圈的相互作用。为了解内陆河流域水文循环和水量平衡各分量之间的变化和转化关系及其与生态和环境之间的相互作用，以及对全球变化和人类活动的响应和反馈，基于内陆河流域上游山区径流形成区、中游人工绿洲水资源开发利用区和下游荒漠绿洲径流散失区的流域水文循环特征，从能水通量、生态和生物地球化学过程讨论了山区水文过程；从生态水文、尺度转换、阈值和反馈讨论了水文和植被的相互作用；从国外提出的关键作用带的概念讨论了内陆河流域地下水—土壤—植被作用层的水文过程。提出了开展内陆河流域水文过程观测和研究的基本框架。     

黑河流域遥感—地面观测同步试验：科学目标与试验方案

介绍了黑河流域遥感-地面观测同步试验的科学背景、科学问题、研究目标以及观测试验方案和观测系统布置.总体目标是,开展航空-卫星遥感与地面观测同步试验,为发展流域科学积累基础数据;发展能够融合多源遥感观测的流域尺度陆面数据同化系统,为实现卫星遥感对流域的动态监测提供方法和范例.以具备鲜明的高寒与干旱区伴生为主要特征的黑河流域为试验区,以水循环为主要研究对象,利用航空遥感、卫星遥感、地面雷达、水文气象观测、通量观测、生态监测等相关设备,开展航空、卫星和地面配合的大型观测试验,精细观测干旱区内陆河流域高山冰雪和冻土带、山区水源涵养林带、中游人工绿洲及天然荒漠绿洲带的水循环和生态过程的各个分量;并且以航空遥感为桥梁,通过高精度的真实性验证,发展尺度转换方法,改善从卫星遥感资料反演和间接估计水循环各分量及与之密切联系的生态和其他地表过程分量的模型和算法.由寒区水文试验、森林水文试验和干旱区水文试验,以及一个集成研究--模拟平台和数据平台建设组成.拟观测的变量划分为5大类,分别是水文与生态变量、驱动数据、植被参数、土壤参数和空气动力参数.同步试验在流域尺度、重点试验区、加密观测区和观测小区4个尺度上展开.布置了加密的地面同步观测、通量和气象水文观测、降雨、径流及其他水文要素观测网络;使用了5类机载遥感传感器,分别是微波辐射计、激光雷达、高光谱成像仪、热红外成像仪和多光谱CCD相机;获取了丰富的可见光/近红外、热红外、主被动微波、激光雷达等卫星数据.     

基于文献计量学的黑河流域研究进展分析

水资源是生态环境与社会经济发展之间的焦点和枢纽,流域是水文水资源研究的基本单元,在流域尺度上开展综合集成的水文水资源研究是当前水科学研究的热点。我国西北地区的黑河流域是国内第二大内陆河流域,由于其独特的水文与地理特性成为流域科学研究的重点流域之一。基于Web of Science核心合集数据库,从学科发展与问题聚焦相结合、时间演化与空间变化相结合的全新视角评价我国黑河流域研究取得的科学进展,并与世界其他流域科学研究进行对比分析。结果显示,黑河流域研究在遥感、蒸散发、水循环、干旱区水资源管理与利用、气候变化等方面的研究为流域科学相关研究做出了积极贡献。近30年来,特别是国家自然科学基金重大研究计划"黑河流域生态—水文过程集成研究"的实施和黑河生态水文遥感等大型野外观测试验的开展大力推进了黑河流域科学研究,黑河流域研究论文的数量在世界流域科学研究中的排名已经进入前20位。基于文献计量的数据挖掘和对比研究可以为流域科学研究提供借鉴。     

黑河流域生态—水文观测试验与水—生态集成管理研究

对黑河流域水—生态—经济系统研究的主要内容“流域生态—水文观测试验与流域水—生态集成管理”做了概要论述。认为流域水循环、生态水、集成水管理三大科学问题的解决必需加强该领域的研究;结合黑河流域的前期基础、研究现状和能力建设,提出了近期研究的4个领域：流域水循环、水平衡与可利用水资源;流域生态—水文过程与生态环境用水;人类活动驱动的流域水—生态系统演变;流域生态—水文野外平台与流域集成环境。对此进行了进一步的阐述,对该方面研究的方法论和技术难点亦做了简述。     

人类活动对全球淡水循环影响与水行星边界评估研究进展

近几十年来,人类活动对淡水循环的影响已经超出了流域尺度。解决目前所面临的水资源问题,不应只着眼于流域过程,而应从更大的空间尺度——全球尺度对地球系统过程加以研究。文章总结了人类活动对全球淡水循环的影响途径,论述了水行星边界方法框架与研究进展,分析了淡水利用管理从流域尺度到全球尺度的实现方法。水行星边界方法以地球系统科学...     

流域科学与水资源管理

流域是水资源管理的基本单位。基于水资源文献的综合分析,讨论了自20世纪以来水资源管理概念、目标及途径的变迁,提出建立流域科学,以流域为研究对象,以揭示流域生态水文过程的客观规律为前提,采用现代管理科学理论和方法,应用先进工程技术手段优化配置水资源,满足人类活动及生态系统的多种需求,促进社会、经济及环境的可持续发展。并且指出流域科学的内涵应包括:①水资源的调查、监测和模拟;②水资源利用多目标设定;③水资源分配机制;④水资源管理指标的确定与评价;⑤水资源管理决策机构;⑥水资源管理反馈分析与人类活动调控。     

黑河流域水文信息系统设计与实现

水文数据建模和数据共享是流域科学研究的重点工作, 也是"数字流域"研究的基础.目前集成观测数据和环境信息的流域信息基础设施已经成为"数字地球"技术在流域科学方面的重要应用.以水文数据模型和"协同促进水文科学发展大学联盟"水文信息系统(CUAHSI-HIS)为原型, 设计一个适合于黑河流域的集流域地理数据库、 观测系统数据库和数据共享发布系统于一体的流域水文信息系统.系统实现集成各种观测数据类型、 数据来源及观测数据的流域观测数据库, 通过统一地表和地下水的通用数据模型实现流域地表水和地下水信息的一体化存储管理, 同时存储、 组织和在线共享发布流域相关的观测数据和空间数据, 为流域科学研究提供在线生态环境数据的网络服务以及相应的流域观测数据服务, 有效的推动流域科学计划的研究.     

Research Progress of the Heihe River Basin Based on Bibliometrics

Water resource is the focus and hinge between ecological environment and socio-economic development. Watershed is the basic unit of hydrology and water resource studies. It is the current hotspot in water science research to carry out the integrated research of the hydrology and water resource at the watershed scale. The Heihe River Basin is the second largest inland river basin in northwestern China, which becomes one of the hot watersheds for its unique hydrological and geographical characteristics. Based on the Web of Science Core Collection, the scientific advances achieved in the Heihe River Basin were estimated from the new sight by combining disciplinary development and problem focus, time evolution and spatial variations. The results indicated that the Heihe River Basin has made positive contribution to the world science in remote sensing, evapotranspiration, water cycle, water resources management and utilization, and climate change research in arid areas. The great achievements has promoted the Heihe River Basin up to the same levels as the international typical basins in the past 30 years, especially after the performances of the major research program entitled “Integrated Study of Eco-hydrological Processes in the Heihe River Basin” (referred to as “Heihe River Program”) supported by a grant from the National Natural Science Foundation of China and large field observation experiments. The number of published articles has ranked the top 20 in the global watershed science research. Some important scientific achievements have been obtained at the mechanisms of eco-hydrological processes in inland river basins, which can actively serve the decision making of the water resource management and sustainable development in the Heihe River Basin. The data mining and contrastive study based on bibliometrics can afford scientific reference for the watershed science research.     

全球表层系统研究的思考

1900年前后,以徐士、阿尔冈、魏格纳、李四光等为代表的先驱们从不同视角开始了对地球表层的整体性研究。20世纪人造卫星的应用和板块理论的建立,推动了全球整体观思想的发展。进入21世纪后,伴随社会全球化进程,地球整体观在科学前沿领域显示出极为重要的导向作用。在这个思想引导下的广义地球系统科学是关于地球多圈层的整体研究,但由于涉及人类生存的资源、环境、灾害问题的紧迫性,在未来10至20年内地球系统科学的优先领域之一应是整体观指导下的地球表层系统的研究,它涉及大气层、海洋、地壳、生物和人类。目前可列举出4个重大问题:(1)全球变暖引起的大范围灾害与环境变化;(2)以SARS和禽流感为代表的全球性生物病毒传播灾患;(3)影响人类生存的全球性水资源短缺;(4)导致严重损失和全球性影响的大地震的频繁发生。厄尔尼诺现象与地震的相关性,全球大地震十几年尺度的幕式活动与区域间交替变换,十几年尺度的大范围旱、涝交替变换,表明上述全球性异常变化都是地球表层系统整体性动力过程的表现。应从全球尺度研究包含气体、液体、固体的地球表层系统的微动态变化,分析它们与地、水、大气和生物各圈层之间的相互作用及物质与能量交换的关系,加深对地球表层相互联系的系统过程的理解。     

流域遥感:内涵与挑战

遥感在流域综合管理与流域科学研究中得到广泛应用并发挥着不可替代的作用。重点阐述了流域遥感的内涵、进展与面临的挑战，系统总结了相关的流域遥感数据产品。流域遥感研究流域下垫面、水循环、水资源、水灾害、流域生态的遥感解析能力并提供相关的遥感数据产品。流域遥感数据产品正逐步成为不断更新的公共产品和服务，满足了流域管理监测信息及时性、完整性、连续性和高精度的要求。流域遥感与云计算的结合，可降低流域遥感数据产品生成的技术瓶颈；与云服务结合，可降低流域遥感数据产品的应用难度和成本，将是流域遥感走向实用的主流方向，从而为流域综合管理提供全方位的信息支撑。     

流域遥感:内涵与挑战

遥感在流域综合管理与流域科学研究中得到广泛应用并发挥着不可替代的作用。重点阐述了流域遥感的内涵、进展与面临的挑战，系统总结了相关的流域遥感数据产品。流域遥感研究流域下垫面、水循环、水资源、水灾害、流域生态的遥感解析能力并提供相关的遥感数据产品。流域遥感数据产品正逐步成为不断更新的公共产品和服务，满足了流域管理监测信息及时性、完整性、连续性和高精度的要求。流域遥感与云计算的结合，可降低流域遥感数据产品生成的技术瓶颈；与云服务结合，可降低流域遥感数据产品的应用难度和成本，将是流域遥感走向实用的主流方向，从而为流域综合管理提供全方位的信息支撑。