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有了這張圖,任意一公裏內土壤含水量一目了然
2019-03-15 07:56:08 來源: 科技日報
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       全球首張精確到“公裏級”的“土壤水力物理背景超級世界地圖”在天津大學橫空出世。這張超級地圖由天津大學表層地球係統科學研究院副教授張永根繪制,有望成為土壤水力參數研究的革命性工具。

      “理查德森夢想”

      一個網格化數值天氣預報理論

      1922年,英國氣象學家理查德森曾留下著名的“理查德森夢想”,這是一個以人力計算天氣的設想:在一個大廳裏,將歐洲區域分成網格,將氣象站觀測數值插到網格點上,人們手持紙筆忙著計算描述天氣的數學方程,並就計算方向發出指令……理論上,只要有足夠多的計算員不停工作,便可以形成一個“筆尖上的歐洲氣候數據地圖”,算出未來的天氣。當年,實現這種“數值預測”最大的障礙是人力的巨大消耗:想要及時計算出歐洲天氣情況,大約需要6.4萬人!理查德森失敗了,但他的“網格化數值天氣預報”理論卻隨著計算機技術的出現和發展最終獲得成功。

      而在土壤水力參數研究領域,科學家也在呼喚網格化精確預測“做大做強”。土壤水力參數對農作物生長、農業生態係統、天氣預報、空氣質量等領域具有重大意義。一張能夠精準預測全球土壤水力數據的“超級地圖”是全世界科學家的夢想。

      現在,使用張永根繪制的這張超級地圖,科學家可以“秀才不出門,便知天下事”,得到全球任意一公裏網格范圍內表層土壤的殘余含水量、飽和含水量、飽和滲透係數、田間持水量、植物可利用水分等參數,極大降低了土壤水力研究及污染治理的成本。

      基于大數據預測

      超級地圖亦能超級精確

      長久以來,科學家獲取土壤水力參數主要靠“實測”和“預測”:“實測”需要在土壤深處採樣並送交專業機構檢測,成本高、周期長,目前,想通過實測得到某地的土壤水力數據,常常需要數星期甚至幾個月時間,極不方便。

      通過轉換函數“預測”是一種高效獲得土壤水力參數的方法,然而目前的轉換函數大多基于經驗公式建立,準確性很差。一張基于物理背景土壤水分特徵建立的、涵蓋世界各地土壤水力不同特性狀況的轉換函數“地圖”,是學界亟待填補的空白。

      “我們這項研究成果不是用地圖去預測,而是説數據呈現形式是地圖。”張永根表示,“其實這也不完全是預測,而是基于已有大數據進行的科學判斷。”

      張永根的超級地圖自有其獨到之處:他利用機器學習方法建立了全新的土壤轉換函數模型,並利用從世界各地採集點獲得的5萬個土壤樣品,提取出近12萬個數據對模型進行驗證,從而構建了全球第一張基于物理背景的土壤水力超級世界地圖。“全球有數以萬計的土壤普查數據,我們在這些數據的基礎上,開發出一個有物理背景的模型,把這些數據物理化。”張永根介紹道,“超級地圖得出的數據基于土壤質地分布曲線與土壤水分特徵曲線,這些參數有具體物理意義,有均值有方差,最終預測出的數據也就更加精確。”

      無償向全世界公布

      下一步將實現數據可視化

      超級地圖係統問世以來,張永根把網站和使用方法無償向全世界公布。現在每天都有來自各個國家的科研機構和個人利用這一成果獲得土壤水力數據。這些數據正在被全球科研工作者用來預測和防治水土流失、快速治理地下水污染、計算幹旱地區精準農業節約用水、為數值天氣預報提供陸面過程的參數等。

      下一步,超級地圖將實現數據可視化,研究者可以直接截取需要的國家或地區的數據。張永根還會繼續提升超級地圖的精度,並對數據進行尺度提升。在做全球氣候模型或陸面模型時,通常需要的數據是10公裏或者25公裏,如何實現從1公裏到25公裏的轉變,是超級地圖未來的主攻方向之一。

      “希望通過我們的研究,對我國地下水資源保護,土壤污染治理,發展精準農業,提高天氣預報和氣候變化預測的精度等方面提供有力的科學支撐。”張永根説。

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【糾錯】 責任編輯: 李浩
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