1、探秘土壤湿度 追逐科研梦想自 20 世纪 60 年代以来，气候变暖显著地改变着陆面水循环特征和水资源安全。但是，科学界对陆地水循环对气候变化的响应机制仍缺乏系统深入研究。 土壤湿度是陆地水循环的关键环节，也是陆地和大气之间水汽和能量交换过程中的重要因子。长期以来，科学家们对土壤湿度在气候系统中的作用已经开展了大量的研究，但也存在一些尚未解决的问题;其主要原因，是土壤湿度观测资料极为缺乏。王国杰介绍说，近几年，国际水文与遥感学界致力于利用卫星遥感手段提取陆面土壤湿度，欧洲的科学家已经开发出了较为完善的微波辐射传输遥感模型，利用美国、欧洲、日本的极轨卫星资料，发展了最近 30 年的日分辨率的全球土
2、壤湿度。但是在这其中，中国的遥感资料和产品并没有参与进来。意识到这一情况，王国杰不畏艰难，毅然决定利用中国气象局的风云三号气象卫星资料开展研究，参与到多国遥感合作项目中，扩大中国卫星产品的国际影响。 目前任教于南京信息工程大学地理与遥感学院的王国杰，2007 年就获得中国科学院水文学博士，2011 年获得荷兰阿姆斯特丹自由大学气象学博士，凭借深厚的专业积累和多学科背景，将工作着眼于土壤湿度产品的研发及其在气象预报和水文预报等领域的应用，致力于实现水文学与气象学的结合。每一个科研新项目都源自过往的积淀，对他来说更是如此，在多年的工作中，他脚踏实地、勤勤恳恳，用辛劳和汗水筑牢了科研的根基。 推动中
3、国卫星产品参与国际合作 2013 年，王国杰开始进行教育部国际合作项目“利用中国风云三号气象卫星遥感资料提取陆面土壤湿度”的研究。基于中国气象局风云三号气象卫星微波遥感资料，王国杰与荷兰合作方进行密切合作，采用合作研发的陆面参数遥感模型（LPRM）提取土壤湿度。LPRM 模型是一个较为成熟的辐射传输遥感模型，在国际上有很高的知名度，已经被应用于多颗卫星资料来研发全球土壤湿度产品，包括SMMR、SSM/I、TRMM、AMSR-E、WindSat、AMSR-2 等。利用成熟的土壤湿度反演技术和风云三号气象卫星微波亮温资料，王国杰已经研发了空间分辨率为 25km、时间分辨率为 12 小时的全球土壤湿
4、度产品，效果极优;并且基于 WebGIS 技术搭建了数据服务器，成立“信大遥感数据网”（http：/） ，供全球用户在线浏览、查询和下载土壤湿度数据。目前，这一产品已经用于国家自然科学基金委中德科学中心“中德合作组项目“水资源综合管理：模型模拟到适应措施”的工作之中。 王国杰介绍说，利用风云三号 B 星和最近发射的风云三号 C 星资料，可以把土壤湿度产品的时间分辨率提高到 6 小时;利用风云气象卫星多载荷融合技术，可以把土壤湿度产品的空间分辨率提高到 1km。提高风云卫星土壤湿度产品的时、空分辨率，是王国杰研究工作的一个重要方向。 通过这一系列的工作，王国杰为后续的水文气象过程研究提供了高质量
5、的基础数据。与此同时，他也与荷兰阿姆斯特丹自由大学、澳大利亚新南威尔士大学和美国 NOAA 的土壤湿度遥感团队建立了长期、紧密的学术联系，为今后的进一步研究奠定了基础。 揭秘东亚季风区降水机制 东亚季风区是我国人口最稠密、经济最发达的地区。在过去 30 年来，随着全球气温变暖，东亚季风区极端降水的频率和强度显著增加。极端降水所导致的洪涝灾害，对社会经济和人们生活产生了重要的影响。这使得人类对水资源的调控及洪水风险管理，对于大气降水尤其是极端降水的预报提出了更高的要求。然而，大气过程具有混沌特征，并且极端降水频率和强度增加，使得大气降水的可预报性降低。因此，在全球变暖的条件下，加强对我国东部季风
6、区夏季降水的预报能力，是我国水文气象工作者迫在眉睫的任务。 众多研究表明，中国东部地区夏季土壤湿度对同期降水可能存在正反馈机制，但是尚无法厘清是直接反馈还是间接反馈。同时，东亚季风区春季土壤湿度对夏季大气降水的动力反馈，不仅会改变夏季风的强度，也可能改变其路径。因而，这种反馈机制对夏季降水的影响及其空间分布更加复杂。 近几年，陆面水文遥感技术快速发展，开始提供大尺度的土壤湿度观测资料。在对现有成果深入分析研究后，王国杰认为，以数值模拟手段研究土壤湿度对大气降水的反馈作用，不同数值模式输出的结果有很大分歧;而单纯采用数学手段则难以准确地分离出反馈信号并确定反馈机制。要厘清土壤湿度对大气降水的反馈
7、机制，需要综合利用数值模拟和数据分析两种手段。 为了在这一领域获得突破，王国杰带领课题组成员开展了国家自然科学基金项目“东亚季风区土壤湿度对大气降水的反馈作用研究” 。在这项工作中，王国杰潜心科研，着重解决关键科学和技术问题，瞄准土壤湿度遥感产品的交叉验证和优化处理，为该项研究提供高质量的数据基础。土壤湿度与大气降水之间存在双向的相互作用，相关分析等传统手段无法捕捉和量化土壤湿度对大气降水的影响。为了有效地分析反馈信号，王国杰采用反映统计因果关系的 Granger causality 等方法分离土壤湿度和大气降水之间的相互作用，并试图提出新的数学方法以剔除外生变量如 SST 所导致的虚假信号。
8、同时，王国杰领导的研究团队采用集合卡尔曼滤波等技术手段，把卫星遥感土壤湿度产品同化到 WRF 等数值模式中，进行陆面-大气相互作用的数值模拟。目前，这项研究还在进行中，王国杰说，项目进展非常顺利，东亚季风区土壤湿度相关研究初见成效。 同时，在手头工作量很重的情况下，王国杰不畏辛劳，与荷兰国际航天测量与地球科学学院、美国海洋与大气管理局开展合作，主持开展了国家自然科学基金重大研究计划项目“青藏高原春夏季土壤湿度热力效应及其对东亚夏季风和季风降水的影响”的研究。 青藏高原热力作用显著地影响东亚夏季风和季风降水。春夏季土壤湿度对高原热源有重要影响，但土壤湿度观测数据不足，学术界对土壤湿度的热力效应及
9、其对东亚夏季风和季风降水的影响仍然缺乏研究。为此，王国杰带领团队利用高质量的土壤湿度遥感数据，综合利用诊断分析和数值模拟两种手段，研究青藏高原春夏季土壤湿度的热力效应，及其对东亚夏季风和季风降水的影响机制。 在这一过程中，王国杰将研究重点放在三个方面，集中优势资源优化现有多源卫星资料，建立全国最近 20 多年土壤湿度数据库。同时，他诊断分析青藏高原春夏季土壤湿度的热力效应，及其与东亚夏季风环流和季风降水的关系。除此之外，他以土壤湿度遥感数据驱动区域气候模式进行敏感性实验，揭示土壤湿度异常通过热力效应影响东亚夏季风和季风降水的具体过程和物理机制。 探索土壤湿度与气候变化之间关系的奥秘 气候变化对
10、人类社会和生态系统带来的最直接和最重要的影响，是导致地表水资源短缺;而地表水资源短缺，尤其是土壤水分缺乏，又会通过反馈机制作用于大气过程，放大变暖的信号。那么，在我国东部地区，气候变化和地表土壤湿度之间有什么样的具体联系呢？2015 年底，王国杰受国家自然科学基金国际合作项目资助，与加拿大谢布克大学合作开展“我国东部地区土壤湿度卫星反演及其对气候变化的响应机制研究” ，共同研究我国东部地区土壤湿度对气候变化的响应机制。 王国杰认为，要认识土壤湿度对气候变化的响应机制，需要从水平衡原理入手。地表土壤湿度，取决于大气降水和蒸散发的差值;大气降水的变化易于研究，而陆地蒸散发是陆地水循环中最大的不确定
11、项，受太阳辐射、风速、气温等诸多因素的影响，难以厘清并量化它们之间的复杂关系。因而，这是一个比较艰巨的任务。经过大量的文献调研，王国杰发现， “基于传统水量平衡原理计算过的干旱指数，并不能够准确反映气候变化对地表水资源及水循环的影响;只有采用大尺度土壤湿度观测资料开展研究，才能更加准确描述气候变化对我国东部地区水资源的影响，探明陆地-大气界面水循环对气候变化的响应机制” 。 那大尺度的土壤湿度观测资料又来源于何处呢？ 基于近十年来，国际卫星遥感反演手段的快速发展，为获取大尺度长序列的土壤湿度数据提供了可行途径。王国杰很有信心：“可能当前土壤水分卫星遥感技术并不尽完美，但可以为我们提供一个独立于
12、气象观测的地表土壤湿度数据集，这种客观的数据是极其重要的” ，利用卫星遥感技术建立土壤湿度数据库，并对其进行详细分析，可以量化气候变化对地表水循环的影响。 可是，问题又来了！是不是拟采用的卫星反演手段就一定能准确测定土壤湿度呢？ 在查阅大量文献后，王国杰发现并非如此。每颗卫星的原始观测资料，都有自己的优势和缺陷;不同的土壤湿度反演算法同样如此。因此，采用多卫星、多传感器联合反演手段，可以整合各种卫星数据和各种反演算法的优点，提高土壤湿度的反演精度。另外，基于单颗卫星资料反演土壤湿度，其时间序列较短;采用多卫星资料融合，可以延长土壤湿度时间序列，更有利于分析气候变化对土壤湿度的影响。通过国家自然
13、科学基金委中-加合作项目，可以充分利用双方团队的科研和技术优势，开发高质量的土壤湿度产品。王国杰领导的研究团队，擅长利用微波遥感技术反演土壤湿度产品。加拿大团队则擅长采用合成孔径雷达反演土壤湿度，尤其擅长利用 L 波段开发高植被覆盖地区的土壤湿度产品。 王国杰介绍说，欧美国家近年斥巨资研发专门卫星以探测土壤湿度。2010 年，欧洲空间局（ESA）耗资 3.15 亿欧元，发射了“土壤湿度和海水盐度” （SMOS）卫星;2015 年，美国 NASA 耗资 9.16 亿美元，发射了“土壤水分主被动探测”卫星（SMAP） 。我国目前尚没有土壤湿度专门卫星。基于中国自主知识产权的风云卫星资料研发自主知识
14、产权的土壤湿度和植被光学深度数据，可以满足并保障国家重大需求，也可促进我国卫星资料的深化利用，参与在该领域内的国际竞争。加强国际合作与交流，并可借鉴和吸收 SMAP 和 SMOS 的优秀研究成果，为发展我国遥感反演土壤数据集提供技术支持和参考。 勇于发现，开拓创新。在梳理科研工作中面临的诸多问题后，王国杰及合作团队决定利用卫星反演高质量的土壤湿度资料，从地表水平衡原理及水循环动力机制出发，重新厘定中国东部地区土壤湿度对气候变化的响应机制。 鉴于这项研究的复杂性，必定会面临诸多意料不到的困难。但，利用越发先进的卫星遥感技术，能够把原本离我们遥远不可视的自然空间“拉”到眼前。正因王国杰等科学家们用
15、勇气与智慧试图去探索自然，揭开我们脚下土地、周围空气的奥秘，人类社会才会与自然和谐相处，从而得以长远发展。 穿梭在一个又一个科研项目之间，王国杰的生活忙碌又充实。现在，他一方面利用我国风云三号系列卫星资料研发高时间分辨率和高空间分辨率的土壤湿度产品;另一方面，他也利用数据同化技术把反演的土壤湿度产品同化到数值预报模式，提高天气尺度和季节尺度的预报精度。南京信息工程大学的前身是始建于 1960 年、享有“中国气象人才摇篮”之美誉的南京气象学院;在此处开展气象学研究，有着得天独厚的优势。学校和学院对王国杰的研究工作给予了高度重视和全方位支持，提供了坚实的保障;王国杰说，这是压力，更是动力。目前，各项工作顺利展开，而王国杰也继续奋战在科研一线，以己之力，带领团队，铿锵前行。
