本刊記者 蕭 宇

2009年非洲水循環(huán)-數(shù)據(jù)同化培訓(xùn)Tunis考察

您知道人類迄今為止面臨的規(guī)模最大、范圍最廣、影響最為深遠的挑戰(zhàn)之一是什么嗎？您知道影響未來世界經(jīng)濟和社會發(fā)展、重構(gòu)全球政治和經(jīng)濟格局的最重要因素之一是什么嗎？答案是全球氣候變化問題。

全球氣候變化已經(jīng)對人類的生產(chǎn)生活，產(chǎn)生了前所未有的深遠影響，其中一個重要問題就是引起了愈來愈頻繁的極端氣候和極端水文事件。近十年來，中國頻繁發(fā)生該類事件，如連續(xù)幾年發(fā)生的西南特大干旱災(zāi)害等。如何應(yīng)對這些危難事件，做到防微杜漸？成為當(dāng)今許多科學(xué)家絞盡腦汁向要解決的問題。

清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心青年科學(xué)家盧麾副教授所研究的內(nèi)容代表了時下全球氣候變化和水文環(huán)境研究最前沿、最先進的手段——衛(wèi)星遙感觀測和計算機處理技術(shù)。

一雙“慧眼”照亮寰球路

眾所周知，干旱是我國主要自然災(zāi)害之一。開展在氣候變化背景下干旱監(jiān)測與模擬研究，是國家現(xiàn)實而迫切的重大需求，具有重大科學(xué)意義。據(jù)2006年《中國水旱災(zāi)害公報》統(tǒng)計，過去50年我國干旱受災(zāi)面積呈顯著增加趨勢，20世紀80年代以來的受災(zāi)面積較之前增加33%，成災(zāi)面積增加了90%。

過去很長一段時間以來，我國水文環(huán)境監(jiān)測多采用地面監(jiān)測手段，如氣象部門建立的土壤濕度監(jiān)測站網(wǎng)，其采樣點有限，維護費用高，在一些偏遠地區(qū)甚至沒有觀測，數(shù)據(jù)收集時效性差。僅靠地面觀測點的資料很難對土壤水分及干旱進行大范圍、快速、連續(xù)的監(jiān)測。

20世紀60年代，計算機處理技術(shù)的發(fā)展和遙感觀測的出現(xiàn)無疑為人類提供了以全面嶄新的方式觀察地球系統(tǒng)的機會。遙感技術(shù)是從遠距離感知目標反射或自身輻射的電磁波、可見光、紅外線，對目標進行探測和識別的技術(shù)。它就如同人類新增的一雙“慧眼”，騰空凌駕于高天之上，放眼寰球，神舟大地一覽無遺。在全球尺度上，以多種空間分辨率對地進行實時、持續(xù)地觀測。遙感具有站點觀測所不具備的空間優(yōu)勢，也具有比模式模擬更強的客觀性。運用遙感技術(shù)，人們可以很輕松地看到地球系統(tǒng)主要組分的基本分布格局，驗證了許多理論推算和模擬結(jié)果，也發(fā)現(xiàn)了許多原來未知的現(xiàn)象。遙感技術(shù)也因其神奇功能在全世界范圍內(nèi)刮起了一股持續(xù)的研究浪潮。

浪潮之上，激流涌進。盧麾就是在遙感技術(shù)前景一片看好的形勢下，開始步入這一神奇領(lǐng)域的。但盧麾“遙感之路”的開啟，可以說是偶然，也是必然。

盧麾，出生于彩云之南——云南普洱，彝族人。從小天資聰穎，勤奮好學(xué)，成績優(yōu)異。1995年，他以出色成績考取清華大學(xué)水利水電工程系。水木清華，鐘靈蘊秀，恰同學(xué)少年風(fēng)華正茂，在良好的學(xué)術(shù)氛圍和水利名師的指導(dǎo)下，盧麾迅速成長，在農(nóng)田水利灌溉等方面累積了豐富的理論基礎(chǔ)知識和實踐能力，分別于2000年7月和2003年1月獲得清華大學(xué)水利水電工程系學(xué)士學(xué)位和水文水資源碩士學(xué)位。之后，盧麾在清華碩士導(dǎo)師胡和平教授的推薦下遠赴日本東京大學(xué)土木系攻讀博士學(xué)位，期間因?qū)煿ぷ髯儎有枰?，他被推向了重新研究方向的境地。?dāng)時有流域水文和遙感等方向可供盧麾選擇，前者是盧麾之前就有過接觸的研究方向，要做起來輕車熟路；后者是全新領(lǐng)域，在國際領(lǐng)域是研究熱點方向。通過多方征求意見和自己綜合考慮，盧麾毅然選擇了遙感這一對他來說全新的領(lǐng)域，師從于當(dāng)時在國際享有盛名的遙感專家——Toshio Koike，在名師的悉心指導(dǎo)下，他逐漸走向了遙感和水文研究結(jié)合的道路。后來事實證明，這是一條順應(yīng)全球變化科學(xué)研究的必要之路?！白呱线b感研究之路，對我來說，有很多巧合的過程但同時也是個必然。隨著衛(wèi)星遙感相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，其作用日益凸顯，能將其用于水文研究，走結(jié)合之路，我相信如果能做好一定會有很好的成就感?！睂τ谧约憾袼鶑氖碌氖聵I(yè)，盧麾躊躇滿志，充滿信心。

正因為相信，在確定方向后，盧麾一直堅定不移地向前走著：2006年9月獲得日本東京大學(xué)土木工程工學(xué)博士學(xué)位；2006-2010年，在東京大學(xué)歷任工學(xué)部土木工程系特任助手、特任助理教授和東京大學(xué)地球觀測統(tǒng)融合中心特任研究員；2007-2010年成為日本國際協(xié)力組織（JICA）“中日氣象災(zāi)害合作研究中心項目”日方專家組成員。

在海外漂泊七年，盧麾不僅擴展了視野，還奠定了自己今后主要的科研方向，“羽翼”逐漸豐滿起來。雖如此，他心里總有一份對祖國的眷戀，對清華深厚的情感也一直埋藏在心底。2010年12月，當(dāng)清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心向他拋去“橄欖枝”的時候，他毫不猶豫地選擇了回國，回到了他曾經(jīng)熟悉的水木清華，擔(dān)任該中心副教授，博士生導(dǎo)師。主要從事生態(tài)水文、遙感水文以及全球變化研究。

盡顯遙感技術(shù)魅力

清華大學(xué)地球系統(tǒng)科學(xué)研究中心是一個校級跨學(xué)科綜合交叉研究機構(gòu)，擁有優(yōu)越的研究工作平臺，包括生物地球化學(xué)實驗室和地球系統(tǒng)數(shù)值模擬教育部重點實驗室等。在遙感機理研究、數(shù)值模擬、實地觀測、生態(tài)水文和農(nóng)田水利等方面積累了豐富的研究經(jīng)驗。中心為剛回國的盧麾提供了一個能夠發(fā)揮所能的優(yōu)良平臺，而盧麾的加盟，無疑為他所在的課題組注入了一股新鮮的血液，可以說是“錦上添花”，新的征程由此開啟。

早在清華大學(xué)學(xué)習(xí)期間，盧麾就開始從事水利信息化和灌溉決策支持系統(tǒng)的研發(fā)工作；到東京大學(xué)留學(xué)、工作期間，他參與了日本宇航機構(gòu)的AMSR-E標準土壤水分算法的開發(fā)。通過田間觀測實驗與數(shù)值模擬，研究微波在干砂介質(zhì)中輻射傳輸機理，驗證了體散射在干砂介質(zhì)的輻射傳輸過程中的主導(dǎo)作用。并在此基礎(chǔ)上，建立了綜合考慮土層體散射及地表面散射的微波輻射傳輸模型。該模型應(yīng)用于JAXA的AMSR-E土壤水反演算法，提高了反演算法在蒙古驗證區(qū)的土壤水反演精度，利用這一驗證資料，盧麾及所在團隊還實施了產(chǎn)品校驗和參數(shù)校正?；仡櫾?jīng)走過的歷程，盧麾在水文生態(tài)及農(nóng)田水利領(lǐng)域有近10年的研究經(jīng)歷，在微波輻射傳輸理論、地表參數(shù)反演以及陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)等方面已有7年以上的研究經(jīng)歷。

值得一提的是，盧麾長期從事數(shù)據(jù)同化研究，曾經(jīng)發(fā)展了東京大學(xué)陸面同化系統(tǒng)（LDAS-UT），并已將其成功的應(yīng)用到蒙古高原、青藏高原和非洲大陸等熱點研究區(qū)域。從衛(wèi)星觀測的角度研究分析了氣候變化對地表水循環(huán)關(guān)鍵參數(shù)的影響，推進了氣候變化下的水文學(xué)研究。

JAXA AMSR-E地表土壤水反演算法田間驗證實驗

回國后，盧麾將主要的精力致力于氣候變化對水資源的影響機理研究上，主要涉及氣候變化對極端事件（洪澇與旱災(zāi)）的影響機理和規(guī)律研究，以及衛(wèi)星遙感對地觀測技術(shù)在全球變化及水文水資源研究中的應(yīng)用等，先后主持及參與科研項目6項，包括作為項目主持人負責(zé)國家自然科學(xué)基金項目“華北平原高時空分辨率多源遙感土壤水分反演模型研究”，和清華大學(xué)自主科研項目“氣候變化下我國華北農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測與模擬研究”；作為專題負責(zé)人參與國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“面向服務(wù)的區(qū)域河流遙感監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)”研究；作為學(xué)術(shù)骨干，先后參與了國家自然科學(xué)基金重點項目“流域水文過程對環(huán)境變化響應(yīng)的模擬與預(yù)測”研究，和水利部公益性行業(yè)科研專項“氣候變化下塔河典型源流徑流預(yù)測研究”。其中，在863計劃專題“遙感驅(qū)動的瀾滄江－湄公河流域水文模型系統(tǒng)開發(fā)”的研究中，盧麾利用其在遙感方面的技術(shù)優(yōu)勢，幫助解決了瀾滄江－湄公河流域有關(guān)于水環(huán)境變化的紛爭。

遙感技術(shù)的魅力在體現(xiàn)在哪里？對普通大眾來說，或許它只是一個模糊的、被“神化”了的“魔鏡”，而對盧麾等從事遙感觀測的科學(xué)家來說，遙感的神奇功能滲透在地球的每一個角落里，“江河流淌著數(shù)據(jù)，大地蘊藏著信息”，亟待他們?nèi)ふ?，挖掘?/p>

華北水文運籌帷幄

在這浩大的世界里，人類肉眼所能直接觸及的范圍顯得很渺小。遙感技術(shù)的出現(xiàn)，為人類“足不出戶，盡覽天下百態(tài)”提供了可能，而遙感技術(shù)，也常常被用于觀測區(qū)域范圍內(nèi)的地理活動。盧麾近年來利用遙感技術(shù)針對華北平原氣候因素引起水文環(huán)境變化所做的努力工作引人關(guān)注，成為近期其主要的科研項目之一。

正如文首提到的，干旱問題一直是困擾我國的主要的自然災(zāi)害之一。近些年來，北方主要農(nóng)業(yè)區(qū)的干旱范圍有明顯擴大的趨勢，尤以華北地區(qū)干旱程度和范圍不斷增加趨勢最為顯著。而空間遙感觀測，可以克服過去地面監(jiān)測存在的諸多缺點，快速獲得大面積的土壤水分信息，具有大范圍、動態(tài)、經(jīng)濟等優(yōu)勢。因此，利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，提供及時、準確的田間土壤含水量及其變化趨勢，能為干旱的監(jiān)測與評價提供寶貴資料，能為防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)的理論支撐，對保障國家糧食安全和社會經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展都具有重要意義。

2011年11月，盧麾作為主要負責(zé)人開展清華大學(xué)自主科研項目“氣候變化下我國華北農(nóng)業(yè)干旱監(jiān)測與模擬研究”，該項目以華北平原為研究區(qū)域，綜合應(yīng)用包括被動微波遙感、紅外近紅外遙感、實地觀測資料等多源數(shù)據(jù)，通過研究衛(wèi)星遙感機理，改進輻射傳播模型，開發(fā)基于多平臺多波段的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的土壤水反演算法，提高地表土壤水衛(wèi)星監(jiān)測的精度和時空分辨率，實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)干旱的實時監(jiān)測；通過綜合衛(wèi)星遙感資料、陸面過程模型、作物生長模型和實地觀測資料，開發(fā)陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)，提高包括土壤墑情在內(nèi)的地表狀態(tài)關(guān)鍵參數(shù)的模擬精度和時空分辨率，實現(xiàn)華北農(nóng)田旱情精確模擬；利用陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)和歷史氣象觀測資料，建立過去30年華北平原區(qū)域的地表狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，分析氣候變化對研究區(qū)內(nèi)干旱災(zāi)害的影響。課題的研究結(jié)果可為抗旱減災(zāi)提供直接的決策支持和科技支撐，可為氣候變化研究提供客觀的數(shù)據(jù)資料，具有重要的參考價值和實踐指導(dǎo)意義。

在此基礎(chǔ)上，2012年初，盧麾又成功申請了國家自然科學(xué)基金項目“華北平原高時空分辨率多源遙感土壤水分反演模型研究”，該項目以華北平原農(nóng)田土壤水反演為研究對象，利用被動微波衛(wèi)星觀測的快速、大范圍的特點以及MODIS資料高空間分辨率的特點，緊密結(jié)合旱情監(jiān)測與評估所需的實時、準確、動態(tài)的要求，綜合應(yīng)用輻射傳輸模型、作物生長模型、數(shù)值模擬方法、非線性統(tǒng)計方法、參數(shù)優(yōu)化，以及實地觀測等多種模型方法進行研究，具有明顯的多學(xué)科交叉特點與地域特色。

基于微波遙感的本世紀初中國區(qū)域地表溫濕變化趨勢

兩個項目無論是從觀測平臺、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，還是從開發(fā)經(jīng)驗和國際合作上，都具有獲得預(yù)期研究目標的充分基礎(chǔ)：合作伙伴清華大學(xué)水利系水文水資源所楊大文教授自2004年起在位山灌區(qū)建立了農(nóng)田水分與能量耦合循環(huán)觀測系統(tǒng)，到現(xiàn)在已積累了5年多關(guān)于水文、氣象和農(nóng)業(yè)珍貴資料。而盧麾在輻射模型和算法開發(fā)上，具有豐富的經(jīng)驗。除此之外，憑借多年在海外累積的人脈，和日本宇航機構(gòu)、東京大學(xué)有著長期的合作關(guān)系，從日本宇航機構(gòu)可以較快的獲得AMSR-E L1B級的亮溫觀測數(shù)據(jù)，以及A M S R-E標準土壤水產(chǎn)品。他還與美國農(nóng)業(yè)部（USDA）和蒙大拿大學(xué)（University of Montana）保持有良好的合作關(guān)系。這些良好的國際合作關(guān)系，是研究達到國際領(lǐng)先水平的重要保證。目前，兩個項目進展順利。

科研之外，盧麾還承擔(dān)著園丁育人的角色，雖然時間很有限，但他一直堅持每周都抽出時間來與學(xué)生討論?！拔蚁Ｍ约憾嗄晁鶎W(xué)所感能夠?qū)ξ业膶W(xué)生有所提點和幫助，如我希望他們能除了算法理論之外，多做一些與應(yīng)用結(jié)合的研究，在我看來而今很多數(shù)學(xué)、物理理論已經(jīng)遠遠超出我們的實際應(yīng)用范圍，我們所要做的是能夠為這些理論尋找到通向?qū)嵱玫摹B接橋梁’，拉近彼此的距離。很多理論成果唯有搬下高閣，給普通老百姓帶去實惠，才能真正體現(xiàn)其價值。遙感技術(shù)用于水文研究，幫助老百姓應(yīng)對干旱問題，就是一個重要體現(xiàn)?！?/p>

“悠悠清華園，濃濃水木情”，雖然畢業(yè)多年，但何其幸運，盧麾與清華的情緣能夠繼續(xù)延續(xù)下去，所以他的身上始終洋溢著清華特有的印記：善于學(xué)習(xí)，精力充沛，堅持鍛煉身體……“為祖國健康工作五十年”是清華特有的口號，也是盧麾奮斗的目標。