芮孝芳（河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098）

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水文學(xué)與“大數(shù)據(jù)”

芮孝芳
（河海大學(xué)水文水資源學(xué)院,江蘇南京 210098）

摘要:論述了“大數(shù)據(jù)”方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),即用密集的數(shù)據(jù)替代數(shù)學(xué)公式來精細(xì)地表達(dá)水文現(xiàn)象的時(shí)空變化或微分方程的解,討論了水文學(xué)需要“大數(shù)據(jù)”方法的理由,以及獲取水文大數(shù)據(jù)的技術(shù)支撐。認(rèn)為“大數(shù)據(jù)”方法可能引發(fā)科學(xué)思維方法的創(chuàng)新,可能成為解決水文學(xué)一些困難問題的途徑之一。

關(guān)鍵詞:大數(shù)據(jù);水文學(xué);還原論;空間分布;無人機(jī)遙感

現(xiàn)在,“大數(shù)據(jù)”這一名詞很熱。筆者初次聽到“大數(shù)據(jù)”有點(diǎn)不以為然,因?yàn)槟X海中傳統(tǒng)的科學(xué)思維方式與此有些不相容,認(rèn)為“拼數(shù)據(jù)”不算理論研究,靠數(shù)據(jù)解決問題是笨辦法。一個(gè)偶然機(jī)會(huì)接觸到利用“大數(shù)據(jù)”構(gòu)建精細(xì)流域水文模型的研究,筆者對(duì)“大數(shù)據(jù)”的態(tài)度才從“不以為然”變得“有點(diǎn)感覺”?，F(xiàn)階段資訊十分發(fā)達(dá),上網(wǎng)檢索、查詢、學(xué)習(xí)方便快捷。通過了解別人的見解,嚼一嚼專家們嚼過的“饃”,再結(jié)合筆者在水文學(xué)領(lǐng)域“摸爬滾打”半個(gè)多世紀(jì)經(jīng)常思考的幾個(gè)水文學(xué)難題,覺得“大數(shù)據(jù)”的出現(xiàn)也許不可小視,對(duì)“大數(shù)據(jù)”的好奇和探索欲望油然而生。

誠(chéng)然,“大數(shù)據(jù)”會(huì)不會(huì)像科學(xué)試驗(yàn)和邏輯推理那樣對(duì)科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生劃時(shí)代的作用,現(xiàn)在還無法回答,筆者對(duì)“大數(shù)據(jù)”的認(rèn)識(shí)和理解還處于啟蒙階段,對(duì)如何應(yīng)用“大數(shù)據(jù)”解決具體問題更是心中無數(shù),不知深淺。此時(shí)此刻,深感無能力也無資格對(duì)“大數(shù)據(jù)”進(jìn)行評(píng)論,只試圖結(jié)合自己的專業(yè),從水文學(xué)的歷史和現(xiàn)狀出發(fā),初步表達(dá)由“大數(shù)據(jù)”引起的筆者對(duì)水文學(xué)的新思考。為什么叫“新思考”?因?yàn)樵诖酥肮P者也從其他角度,如動(dòng)力學(xué)角度、系統(tǒng)論角度、統(tǒng)計(jì)物理角度等進(jìn)行過思考。拙作定名為“水文學(xué)與‘大數(shù)據(jù)’”,旨在表明水文學(xué)要主動(dòng)引進(jìn)“大數(shù)據(jù)”的思想和方法。如果定名為“大數(shù)據(jù)與水文學(xué)”就變成“大數(shù)據(jù)”要向水文學(xué)滲透了,這不符合事實(shí)。但如果定名為“大數(shù)據(jù)水文學(xué)”,顯然還未到時(shí)候,這樣冒進(jìn)顯得不切實(shí)際。本文主要討論4個(gè)問題:“大數(shù)據(jù)”時(shí)代已經(jīng)來臨；傳統(tǒng)科學(xué)思維方式走出困境的一種選擇；水文學(xué)需要“大數(shù)據(jù)”；水文“大數(shù)據(jù)”的獲取與應(yīng)用。寫作本文只是為了拋磚引玉!

1 “大數(shù)據(jù)”時(shí)代已經(jīng)來臨

數(shù)據(jù)是通過觀察、試驗(yàn)、計(jì)算等得出的結(jié)果。它是科學(xué)的量化,是知識(shí)的重要來源之一。數(shù)據(jù)和符號(hào)是人類認(rèn)識(shí)世界,了解自然不可缺少的兩個(gè)方面。數(shù)據(jù)用于量化,符號(hào)表達(dá)邏輯關(guān)系。沒有數(shù)據(jù),思維將模糊不清；沒有符號(hào),邏輯將雜亂無章,令人費(fèi)解。正因?yàn)榘l(fā)明了數(shù)據(jù)和符號(hào),思維邏輯才會(huì)層次分明,對(duì)世界的認(rèn)識(shí)和解釋才能不斷清晰。

“大數(shù)據(jù)”的概念最早由美國(guó)未來學(xué)家Toffler 于1980年提出[1]。如果望文生義地理解,“大數(shù)據(jù)”就是大量數(shù)據(jù)甚至海量數(shù)據(jù)之意,但“大數(shù)據(jù)”絕非僅僅是數(shù)據(jù)大,其深刻的含義決非如此直白。下面羅列兩位有代表性的學(xué)者對(duì)“大數(shù)據(jù)”的論述。

美國(guó)著名經(jīng)濟(jì)學(xué)家、“長(zhǎng)尾理論”的發(fā)明及闡述者、一個(gè)喜歡從數(shù)字中發(fā)現(xiàn)趨勢(shì)的學(xué)者Anderson 2008年認(rèn)為:“數(shù)量龐大的數(shù)據(jù)會(huì)使人們不再需要理論,甚至不再需要科學(xué)方法?！庇终f:“大數(shù)據(jù)用事實(shí)宣告,知其然,而不必知其所以然。只要知道該怎么做就行。這既是電腦不如人腦的地方,也是電腦超越人腦的地方?！彼踔链竽懙卣f:“數(shù)據(jù)爆炸使得科學(xué)的研究方法都落伍了?！薄按髷?shù)據(jù)可能是許多行為科學(xué)理論乃至科學(xué)理論的終結(jié)者?！盵2]

英國(guó)牛津大學(xué)教授Schonberger與Cukier兩人合作,于2012年出版了《大數(shù)據(jù)時(shí)代》一書[2],指出:“大數(shù)據(jù)是指不用隨機(jī)分析法（抽樣調(diào)查）這樣的捷徑,而是采用全數(shù)據(jù)的分析方法?！闭J(rèn)為:“抽樣研究的缺陷是試圖以少量的數(shù)據(jù)獲取最大的信息。假如人們能夠獲得海量級(jí)的數(shù)據(jù),抽樣就自然失去它的意義,人們的抉擇必然是放棄隨機(jī)分析這一捷徑,而采用所有數(shù)據(jù)。”

顯然,上述Anderson對(duì)“大數(shù)據(jù)”的認(rèn)識(shí)雖深刻,但有點(diǎn)激進(jìn)。Schonberger的認(rèn)識(shí)雖近實(shí)用,但欠缺新意。

如此看來,“大數(shù)據(jù)”決非一個(gè)泛詞,也許是一個(gè)有深刻科學(xué)內(nèi)涵的學(xué)術(shù)名詞。它不是一堆雜亂無章的數(shù)據(jù),而是能說明復(fù)雜問題的密集數(shù)據(jù)集合,能表達(dá)自然現(xiàn)象或社會(huì)現(xiàn)象的精確存在?！按髷?shù)據(jù)”與要求用數(shù)學(xué)方程和數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)世界的傳統(tǒng)思維方式不同,是一種不拋棄任何一個(gè)來自現(xiàn)實(shí)世界的可靠數(shù)據(jù),憑借密集數(shù)據(jù)說話,達(dá)到準(zhǔn)確描繪復(fù)雜世界的思維方式。世界的本質(zhì)就是數(shù)據(jù),有了“大數(shù)據(jù)”就能發(fā)現(xiàn)世界上的規(guī)律,沒有“大數(shù)據(jù)”,對(duì)于復(fù)雜的世界可能是難以精確認(rèn)識(shí)的。與“小數(shù)據(jù)”比較,“大數(shù)據(jù)”的簡(jiǎn)單算法比“小數(shù)據(jù)”的復(fù)雜算法更有效。將“小數(shù)據(jù)”搞精確,不一定比夾雜著一些不準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的“大數(shù)據(jù)”更能有效地描述世界；因此,“大數(shù)據(jù)”有可能促使科學(xué)理論突破。通過“大數(shù)據(jù)”的變換、整合和計(jì)算,人類可以發(fā)現(xiàn)新知識(shí),創(chuàng)造新價(jià)值。

“大數(shù)據(jù)”時(shí)代,人類思維方式可能向更高層次發(fā)展,人類認(rèn)識(shí)處理復(fù)雜問題的能力將可能由此得到提升。

2 傳統(tǒng)科學(xué)思維方式走出困境的一種選擇

因果論認(rèn)為,自然界發(fā)生的各種現(xiàn)象都是有其原因的。刮風(fēng)、下雨、電閃雷鳴、洪水、枯水、產(chǎn)流、匯流、結(jié)冰、融冰、氣候變化、海平面上升等與人類生存與發(fā)展息息相關(guān)的水文、氣象現(xiàn)象為什么會(huì)發(fā)生?在什么情況下發(fā)生?發(fā)生在什么地點(diǎn)?什么時(shí)間發(fā)生?為什么有時(shí)空變化?從根本上說都是有其原因的。揭示自然界各種現(xiàn)象的發(fā)生原因和變化規(guī)律從而進(jìn)行預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)是自然科學(xué)研究的目的和任務(wù)。

歐洲文藝復(fù)興距今已有300多年,雖然它只是人類歷史長(zhǎng)河中的一瞬間,但取得的科學(xué)成就卻是驚人的,而且世界科學(xué)中心一直在西方[3],15—16世紀(jì)在意大利,17世紀(jì)在英國(guó),18世紀(jì)在法國(guó),19世紀(jì)在德國(guó),20世紀(jì)至今在美國(guó),為什么一直沒有出現(xiàn)在東方?愛因斯坦曾經(jīng)的一段敘述也許能回答這個(gè)問題[4],他說:“西方的科學(xué)發(fā)展是以兩個(gè)偉大的成就為基礎(chǔ)的”,其一是“古希臘哲學(xué)家發(fā)明的形式邏輯體系”；其二是“文藝復(fù)興時(shí)期發(fā)明的尋找因果關(guān)系的試驗(yàn)系統(tǒng)”。前者為“理論推導(dǎo)”奠定基礎(chǔ),后者為“科學(xué)實(shí)驗(yàn)”奠定基礎(chǔ)?！翱茖W(xué)實(shí)驗(yàn)”又稱為“主動(dòng)實(shí)驗(yàn)”。經(jīng)過300多年的實(shí)踐,這兩者相輔相成,成為基本的科學(xué)思維方式。按照這種傳統(tǒng)的科學(xué)思維方式進(jìn)行科學(xué)研究的基本程序是通過揭示事物或現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理、時(shí)空變化特點(diǎn),尋找或分析影響因子,基于物理和數(shù)學(xué)理論,經(jīng)邏輯推理建立描述事物或現(xiàn)象時(shí)空變化所遵循的微分方程式,再解微分方程式,得出定量表達(dá)的事物或現(xiàn)象的時(shí)空變化規(guī)律,用于預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)其未來。對(duì)這種傳統(tǒng)的科學(xué)思維方式習(xí)以為常,就會(huì)造成一種印象:找出描述事物或現(xiàn)象時(shí)空變化所遵循的微分方程或數(shù)學(xué)函數(shù)才是科學(xué)研究的最高境界,若未達(dá)到此境界,就不算取得完全成功,甚至堅(jiān)信這種最高境界總是可以達(dá)到的,今天達(dá)不到,也許日后某一天就能達(dá)到。

上述愛因斯坦所歸納的傳統(tǒng)科學(xué)思維方式,在哲學(xué)上屬于“還原論”思維方式?！斑€原論”認(rèn)為[5],通過將事物或現(xiàn)象分解成越來越細(xì)的組成部分就能最終對(duì)其發(fā)生、發(fā)展的原因進(jìn)行徹底的理解。“還原論”是一種化整體為部分、化復(fù)雜為簡(jiǎn)單的思維方式。但是,自然界有些現(xiàn)象是極其復(fù)雜的,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,這種極其復(fù)雜性越來越凸顯,“還原論”思維遇到挑戰(zhàn),行不通的情況屢屢發(fā)生。束縛在傳統(tǒng)的科學(xué)思維方式里,路子似乎越來越窄,幾乎到了“山窮水盡疑無路”的地步,面對(duì)極其復(fù)雜的自然現(xiàn)象,似乎越來越感到束手無策。在水文學(xué)中,現(xiàn)行中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)方法和試圖通過布設(shè)雨量站網(wǎng)精準(zhǔn)掌握雨量空間分布之所以陷入困境,也許就是這個(gè)原因。這就提出了一個(gè)令人深思的問題:難道世界上事物的發(fā)展,所有現(xiàn)象的時(shí)空變化都能一一找出所有的影響因子并導(dǎo)出數(shù)學(xué)中已經(jīng)存在的或可預(yù)言的微分方程式嗎?難道所有已經(jīng)導(dǎo)出的微分方程都能用現(xiàn)有的數(shù)學(xué)理論和方法求解嗎?

自然界發(fā)生的各種現(xiàn)象無不直接或間接地作用于人的感官,然后傳遞給大腦,而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,還將不斷發(fā)明出各種儀器儀表幫助人類對(duì)各種自然現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè),觀測(cè)的精細(xì)、精確程度也越來越高。人們不禁要問:這些“被動(dòng)實(shí)驗(yàn)”所觀測(cè)得到的結(jié)果到底是什么?難道僅僅是一些用來驗(yàn)證由傳統(tǒng)科學(xué)思維方式所獲得的那些現(xiàn)象的時(shí)空變化規(guī)律的數(shù)據(jù)嗎?否!如果從因果論出發(fā)進(jìn)行逆向思維,即不是著眼于由“因”求“果”,而是試圖由“果”尋“因”,那么就會(huì)產(chǎn)生另外一種理解:人們通過觀測(cè)所得到的自然現(xiàn)象的時(shí)空變化數(shù)據(jù),實(shí)際上就是描述其時(shí)空變化規(guī)律的微分方程在一定初始條件和邊界條件約束下的一個(gè)解。也就是說,雖然根據(jù)迄今為止人們積累的知識(shí)還不能導(dǎo)出這個(gè)微分方程式,也不知道受控制的初始條件和邊界條件是什么,甚至永遠(yuǎn)無法導(dǎo)出這個(gè)微分方程及相應(yīng)的初始條件和邊界條件,但它的解卻被人類真真切切地捕捉到了,觀測(cè)到了。因此,人類是否應(yīng)當(dāng)改變一下思維方式,即從觀測(cè)到的現(xiàn)象的時(shí)空變化數(shù)據(jù)（描述該現(xiàn)象時(shí)空變化所遵循的微分方程在一定初始條件和邊界條件下的一個(gè)個(gè)解）入手,達(dá)到揭示規(guī)律、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)未來的目的。這種逆向思維方式是傳統(tǒng)思維方式的補(bǔ)充,也是“還原論”思維的一種新模式。

筆者冒昧地認(rèn)為,“大數(shù)據(jù)”也許是實(shí)現(xiàn)上述逆向思維,由“果”尋“因”的有效途徑之一。獲取密集“大數(shù)據(jù)”技術(shù)雖不是建立微分方程的方法,但應(yīng)該是一種尋求微分方程在一定初始條件和邊界條件約束下的解的方法。建立微分方程原本不是目的,而是手段,求得解才是目的。因此,“大數(shù)據(jù)”將可能成為處理傳統(tǒng)科學(xué)思維方式難以處理,甚至無法處理的復(fù)雜自然現(xiàn)象,讓傳統(tǒng)科學(xué)思維方式走出困境的一種選擇。

因果論是人們觀察事物和現(xiàn)象的根本哲學(xué)觀點(diǎn),根據(jù)這個(gè)觀點(diǎn),可具體產(chǎn)生兩種科學(xué)思維:一是“還原論”思維；二是“還原論”逆向思維,也可稱為“逆還原論”思維。前者由“因”求“果”,后者由“果”尋“因”。若將由“因”求“果”比喻為“事前諸葛亮”式思維,則由“果”尋“因”可喻為“事后諸葛亮”式思維。兩者均受形式邏輯指導(dǎo),但前者以科學(xué)實(shí)驗(yàn)即“主動(dòng)實(shí)驗(yàn)”為基礎(chǔ),而后者以科學(xué)觀測(cè)即“被動(dòng)實(shí)驗(yàn)”為基礎(chǔ)。

3 水文學(xué)需要“大數(shù)據(jù)”

水文學(xué)的研究對(duì)象是水文現(xiàn)象。水文現(xiàn)象是降水、蒸發(fā)等氣象現(xiàn)象與地形、地貌、土壤、植被、地質(zhì)、水文地質(zhì)等下墊面條件共同作用或相互作用的產(chǎn)物。氣象現(xiàn)象通過其時(shí)空變化影響水文現(xiàn)象。下墊面條件對(duì)水文現(xiàn)象的影響則體現(xiàn)為對(duì)氣象現(xiàn)象的作用。容易理解,如果不存在下墊面,那么水文現(xiàn)象將完全等同于氣象現(xiàn)象。下墊面條件對(duì)氣象現(xiàn)象的作用可概括為“損失”作用和“調(diào)蓄”作用[6]?！皳p失”作用表現(xiàn)為“篩子”、“門檻”和“蒸散發(fā)”作用。“調(diào)蓄”作用表現(xiàn)為“推移”和“坦化”作用?，F(xiàn)在,水文學(xué)雖有了長(zhǎng)足進(jìn)步,但制約其進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸也日益凸顯,尤其是如何真實(shí)地描述氣象現(xiàn)象時(shí)空分布和下墊面條件空間分布以及如何考慮其對(duì)水文現(xiàn)象的影響,是長(zhǎng)期以來沒有得到解決、困擾水文學(xué)發(fā)展的問題[7]。

時(shí)至今日,水文學(xué)家認(rèn)識(shí)和掌握氣象現(xiàn)象和下墊面條件時(shí)空變化的基本手段幾乎沒有根本性的變化,仍是布設(shè)站網(wǎng)、定點(diǎn)定時(shí)或連續(xù)觀測(cè)。這種觀測(cè)手段必然難以真實(shí)描述氣象現(xiàn)象和下墊面條件的時(shí)空變化。20世紀(jì)70—80年代,曾經(jīng)有人試圖通過“站網(wǎng)優(yōu)化”來解決這個(gè)問題,但這種所謂的“站網(wǎng)優(yōu)化”卻是一個(gè)沒有唯一解或者幾乎無法實(shí)現(xiàn)的命題。水文學(xué)家長(zhǎng)期以來有一種幻想,認(rèn)為隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展總能找到一種數(shù)學(xué)函數(shù)來精確描述氣象現(xiàn)象和下墊面條件的時(shí)空分布或者總能找到一種高精度的插值方法來推求無觀測(cè)站點(diǎn)處的氣象過程和下墊面條件。但這種幻想至今仍是幻想,而且人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到實(shí)現(xiàn)無望,以致與30多年前比較這類研究的熱度大幅降溫。

數(shù)字高程模型（DEM）的出現(xiàn),使水文學(xué)家從上述幻想中覺醒,并看到了新的希望。地形高程的空間變化復(fù)雜多變,最早是根據(jù)空間上有限測(cè)點(diǎn)高程通過內(nèi)插繪制的地形等高線來表示其空間變化,后來發(fā)展的地統(tǒng)計(jì)法,又試圖通過回歸分析得到的趨勢(shì)面數(shù)學(xué)表達(dá)式來描寫地形的空間變化。20世紀(jì)60年代,美國(guó)麻省理工學(xué)院教授Miller將計(jì)算機(jī)與測(cè)量技術(shù)結(jié)合起來創(chuàng)建了DEM[8]。DEM以一組有序數(shù)值的陣列形式,在計(jì)算機(jī)軟件支持下,達(dá)到了精細(xì)、精確表達(dá)地面高程空間變化的目的。用于構(gòu)建DEM的數(shù)據(jù)可以十分密集而龐大,它不像地形等高線和趨勢(shì)面分析那樣通過抽取樣本做分析,而是利用全部密集的海量數(shù)據(jù)做分析,可見,DEM描述地面高程空間變化的真實(shí)性是傳統(tǒng)的地形等高線或趨勢(shì)面數(shù)學(xué)表達(dá)式難以比擬的。DEM的成功使人們相信,欲真實(shí)描述現(xiàn)象時(shí)空分布變化,不一定通過數(shù)學(xué)函數(shù),也不必苛求內(nèi)插方法,而是可以通過密集的具有陣列形式的大數(shù)據(jù)來刻畫的。這樣的表達(dá)方式將更直觀、更真實(shí)、更精彩[9]。

水文學(xué)家由此得到的啟示是:人們觀測(cè)到的氣象現(xiàn)象時(shí)空變化和下墊面條件空間分布,是其所遵循的微分方程在一定初始條件和下墊面條件約束下的一個(gè)解,對(duì)其進(jìn)行精細(xì)、真實(shí)的表達(dá)將寄希望于密集的“大數(shù)據(jù)”。用“大數(shù)據(jù)”破解水文學(xué)中一些難題是水文學(xué)未來發(fā)展方向之一。

4 水文“大數(shù)據(jù)”的獲取與應(yīng)用

水文“大數(shù)據(jù)”將如何獲取?在當(dāng)代科學(xué)技術(shù)條件下將寄希望于遙感技術(shù)。遙感是一門對(duì)地觀測(cè)技術(shù),物理基礎(chǔ)扎實(shí)牢固,能實(shí)施大面積密集觀測(cè),具有測(cè)量要素綜合、時(shí)效性強(qiáng)、獲取信息受限條件少等特點(diǎn),只是目前所能達(dá)到的精度還有待提高。

按搭載傳感器的平臺(tái),可將遙感分為航空遙感和衛(wèi)星遙感兩類。衛(wèi)星遙感因衛(wèi)星位置很高,因而分辨率較低。對(duì)于航空遙感,飛機(jī)有導(dǎo)航系統(tǒng),價(jià)格昂貴,也不可能一直在飛行。現(xiàn)在正在發(fā)展的新型遙感——無人機(jī)遙感[10],能看到更小的區(qū)域,任何時(shí)間、任何地點(diǎn)皆能飛行,可以做到一個(gè)小流域就可投放一個(gè)無人機(jī),只需在云層下面飛行,成本低,因而受到青睞。目前無人機(jī)遙感的分辨率可以達(dá)到10cm,這是衛(wèi)星遙感難以達(dá)到的。

應(yīng)用“大數(shù)據(jù)”解決水文學(xué)的一些難題將不同于傳統(tǒng)的“數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)”,也不是應(yīng)用現(xiàn)有的數(shù)值計(jì)算方法就萬事大吉,這需要水文學(xué)的創(chuàng)新,更需要計(jì)算機(jī)算法創(chuàng)新。筆者近期將要發(fā)表的《隨機(jī)產(chǎn)匯流理論》和《單元嵌套網(wǎng)格產(chǎn)匯流理論》兩篇論文將嘗試初步回答這一問題。

5 結(jié) 語

“大數(shù)據(jù)”的本質(zhì)特征是憑數(shù)據(jù)說話,用“大數(shù)據(jù)”認(rèn)識(shí)世界。這與傳統(tǒng)方法通過微分方程和數(shù)學(xué)函數(shù)認(rèn)識(shí)世界相比,更具有普適性,將可能成為處理復(fù)雜問題的途徑之一,由此有可能引發(fā)數(shù)學(xué)革命和算法革新,“大數(shù)據(jù)”產(chǎn)生的新的數(shù)學(xué)和算法問題可能成為數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的重要內(nèi)容之一?！按髷?shù)據(jù)”提供的產(chǎn)生新知識(shí)和科學(xué)新發(fā)現(xiàn)的模式有可能使傳統(tǒng)科學(xué)思維方式走出困境。

水文現(xiàn)象是最復(fù)雜的自然現(xiàn)象之一。試圖依賴現(xiàn)有的物理定律和數(shù)學(xué)方程來認(rèn)識(shí)、預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)如此復(fù)雜的自然現(xiàn)象,事實(shí)證明困難重重?！按髷?shù)據(jù)”也許是破解水文學(xué)中一些難題的途徑之一。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)“大數(shù)據(jù)”在分析水文現(xiàn)象時(shí)空分布,揭示水文特征與地貌特征關(guān)系、構(gòu)建真正的分布式流域水文模型或者精細(xì)流域水文模型等方面起著重要的作用。建立微分方程是物理學(xué)家的任務(wù)、解微分方程是數(shù)學(xué)家的任務(wù)的觀點(diǎn)只能代表傳統(tǒng)科學(xué)思維方式,并不代表未來。未來也許是“大數(shù)據(jù)”的未來。“大數(shù)據(jù)”將成為推動(dòng)水文學(xué)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。筆者認(rèn)為水文學(xué)的未來將會(huì)是:對(duì)于根據(jù)普適性物理定律、本構(gòu)關(guān)系就能解決的問題,取得數(shù)據(jù)只是為了驗(yàn)證,“小數(shù)據(jù)”就足矣；對(duì)于必須借助密集“大數(shù)據(jù)”才能精確描述的現(xiàn)象,“大數(shù)據(jù)”必然是一種新的科研方法；對(duì)于那些時(shí)空無限延伸的問題,如水文現(xiàn)象年際演變問題,由于永遠(yuǎn)不可能掌握其全部數(shù)據(jù),按樣本推斷總體的科學(xué)思維方式仍是必須的。筆者希望有人來創(chuàng)立和發(fā)展“大數(shù)據(jù)水文學(xué)”。

當(dāng)然,對(duì)“大數(shù)據(jù)”也有不同聲音,例如美國(guó)亞利桑那大學(xué)Fricke教授就認(rèn)為“被稱為第四種范式的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的科學(xué)其實(shí)是一個(gè)不倫不類的怪物”“科學(xué)需要更多的理論,而不是更多的數(shù)據(jù)”[11]。有不同的見解是正常的,善于聽取不同的聲音,對(duì)自己的研究工作百利而無一害。

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中圖分類號(hào):P33

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006- 7647（2016）03- 0001- 04

DOI:10.3880/j.issn.1006- 7647.2016.03.001

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)重點(diǎn)基金（41430855）

作者簡(jiǎn)介:芮孝芳（1939—）,男,教授,主要從事水文學(xué)及水資源研究。E-mail:jiangguol@ hotmail.com

收稿日期:（2016 01- 11 編輯:駱超）

Hydrology and big data

RUI Xiaofang（College of Hydrology and Water Resources, Hohai University, Nanjing 210098,China）

Abstract:The characteristics and advantages of the big datamethod are discussed in this paper.In themethod,mathematical formulas are replaced by intensive data in order to precisely describe the temporal and spatial variation of hydrological phenomena or the solution of a differential equation.The reasons why hydrology needs big data and technical support for obtaining hydrological big data are also discussed.The big datamethodmay inspire the innovation of scientific thinking and become a way of solving complex problems in hydrology.

Key words:big data；hydrology；reductionism；spatial distribution；UAV remote sensing