遥感综合观察与模型集成研究为黑河流域生态情况掩护与可连续生长提供科技支撑

本文刊载于《中国科学院院刊》2020年第11期“中国科学院野外台站”车 涛 李弘毅 晋 锐 盖迎春 谭俊磊 张 阳 任志国 王旭峰 李 新中国科学院西北生态情况资源研究院 中国科学院黑河遥感试验研究站黑河流域是我国第二大内陆河流域，面积约 14.3万平方公里。在黑河流域从上游至下游，形成了以水为纽带的多元自然景观，包罗冰川、积雪、冻土、草原、森林、河流/湖泊、绿洲、沙漠、沙漠等。黑河流域寒区旱区并存，上游属于极端严寒情况，而下游属于极端干旱情况。

黑河流域历史悠久，早在汉朝时期这里已经有大规模的农田水利设施。多元的自然景观与庞大的人文历程交织在一起，使得黑河流域成为开展星机地综合遥感观察与模型集成的理想天然地球科学实验室。

近年来，随着气候变化与经济生长，黑河流域泛起了一系列的生态情况问题。例如：黑河流域上游冰雪、冻土快速退化，过分放牧和矿产开发对上游高寒生态系统造成了严重的影响和破坏；中下游农业浇灌与生态用水矛盾突出，曾经一度随着上中游人口增加与耗水增多，大幅挤占下游生态用水，最终导致下游天然绿洲大面积萎缩、居延海干枯、沙尘暴频发等严重的生态灾难。

虽然通过行政手段制定了中、下游分水方案，使得下游的生态获得了一定的恢复，可是黑河流域仍然面临着严重的生态情况问题，威胁着该区域的可连续生长。当前急需流域尺度的立体化网络化的综合观察与模型集成研究来科学评估和指导黑河流域的可连续生长，并为寒旱区内陆河流域科学治理提供支撑。中国科学院黑河遥感试验研究站（以下简称“黑河遥感站”）围绕黑河流域生态情况掩护与流域可连续生长，致力于生态水文要素综合监测与模型集成研究，建设了涵盖上、中、下游的流域尺度水文气象综合观察体系，生长和生产了一批寒旱区遥感数据产物，革新和开发了一系列针对寒旱区历程的生态、水文模型，支撑了黑河流域水资源治理与优化、生态掩护与修复等相关政策制定。1构建了黑河流域生态水文观察综合观察系统流域观察系统是流域科学研究中的新手段，兼顾流域中水文、生态、气象等观察的时空尺度，地面观察与遥感观察相配合，从流域整体的角度出发思量观察的代表性，将监测与控制试验并重，重视新兴观察手段与信息系统和模型的高度集成。

黑河遥感站在黑河流域开端建成了流域观察系统。从区域代表性上，该系统包罗了黑河上游的高寒生态系统、中游的人工绿洲与荒原生态系统和下游的天然绿洲生态系统；从观察要素上，包罗植被（如碳通量、树干液流、叶面积、物候期、生物量、太阳诱导叶绿素荧光）、大气（如温度廓线、湿度廓线、辐射、降水、潜热通量、感热通量等）、土壤（如温度廓线、湿度廓线、热通量）等；从观察手段上，将单点观察与网络化观察相联合，可以获取米级到千米级差别遥感尺度上的代表性观察。针对我国生态系统监测设备严重依赖入口、观察设备自动化和信息化水平低，以及与遥感和模型尺度不匹配等瓶颈问题，通过原始和集成创新，研发了国产自动化、智能化新型生态系统关键参量监测设备，并研制了生态监测物联网关键设备（如通用型数据记载传输仪、低功耗长距离无线组网中继和终端设备）和生态监测物联网信息系统（图 1）。针对我国生态系统监测设备严重依赖入口、观察设备自动化和信息化水平低，以及与遥感和模型尺度不匹配等瓶颈问题，通过原始和集成创新，研发了国产自动化、智能化新型生态系统关键参量监测设备，并研制了生态监测物联网关键设备（如通用型数据记载传输仪、低功耗长距离无线组网中继和终端设备）和生态监测物联网信息系统（图 1）。

图 1 黑河遥感站研发的无人机物联网中继系统收罗无网络笼罩观察站点数据示范黑河流域生态水文观察系统构建了我国第一个多要素-多尺度-精致化流域综合观察系统，包罗水文气象观察（增强观察期有 23 个观察站，现在恒久运行站点为 11 个）、生态水文传感器网络及卫星遥感，引领了我国流域系统综合观察研究（图 2）。流域内恒久运行 11 个气象观察站、11 个涡动相关仪（EC）、2 套双波段水热观察大孔径闪烁仪（OMS）、3 套大孔径闪烁仪、1 套积雪观察系统。该综合观察系统笼罩黑河流域上、中、下游区域，涵盖草地/草甸、农田、湿地、柽柳林、胡杨林、荒原、沙漠等主要地表类型，观察时间序列最长的站点已有 13 年的数据积累。

图 2 黑河上游高寒山区试验区、中游人工绿洲试验区和下游天然绿洲试验区空间漫衍图2深入开展定量遥感反演及遥感产物真实性磨练研究基于电磁波辐射传输模型，黑河遥感站在大量地基遥感与星机地同步观察试验的基础上，生长了面向寒旱区陆地关键参量的定量遥感算法。包罗：积雪、冻土、冰川、河湖冰等陆地冰冻圈要素，以及植被、碳循环、水循环和能量循环等干旱区地表关键参量。在对长时间序列遥感观察数据的基础上，黑河遥感站研发了面向冰冻圈与寒旱区关键参量的遥感产物。

其中，我国逐日长时间序列雪深遥感数据产物、地表冻融遥感产物等，被海内外学者认可并广泛应用在气候变化、水文水资源和灾害等领域。真实性磨练是评价遥感产物质量、可靠性和适用性的唯一手段，也是提高遥感产物精度的主要依据。遥感产物真实性磨练要依靠大量的地面观察来获取遥感象元尺度的地表真值。

这也是黑河遥感站的主要目的之一。在黑河上、中、下游试验区设计了多尺度嵌套的土壤水分和地表温度观察网络，来应对从米级到千米级差别分辨率遥感数据的真实性磨练。

经由多年努力，黑河遥感站构建了异质性地表遥感产物真实性磨练的理论框架和方法体系（图 3），系统地生长了异质性地表优化采样、多尺度观察、尺度上推、空间代表性误差预计的新理论、新方法，解决了异质性地表遥感产物真实性磨练的难题；并制定了多项遥感产物真实性磨练国家尺度。图 3 黑河遥感站构建的遥感产物真实性磨练方法体系3研发了流域“水-土-气-生-人”庞大历程的综合集成模型开发冰川-冻土-积雪历程高寒区水文模型黑河上游高寒山区径流的预测精度直接影响中下游水资源分配，传统的漫衍式水文模型多针对温带地域设计，直接用于积雪、冰川、冻土广泛漫衍的寒区时，模型机剖析失效，模拟能力和应用效果也显着变差。

因此，鉴于寒区水文历程的特点，开发适合该区域特征的寒区生态水文模型对黑河流域水资源治理具有重要意义。黑河遥感站使用黑河上游漫衍式的气象水文观察系统、积雪和冻土观察系统、径流观察等恒久观察数据，在漫衍式水文模型（GBHM）中增加积雪、冰川和冻土模块。积雪历程综合了多套积雪模型方案，构建了关键的积雪能量平衡方程，生长了基于能量平衡方程的多层积雪模块。

思量到黑河上游面积小于 1 平方公里的冰川占绝对优势，冰川模块接纳了盘算历程相对简朴且对冰川规模无严格限制的高阶冰流模型。冻融历程是在 GBHM 的框架内，耦合了具有较强物理意义且能细致形貌寒区冻土水热历程的 SHAW（Simultaneous Heat and Water Model）模型。

思量了积雪、冰川、冻土要素后漫衍式水文模型对黑河上游径流模拟精度显著提高（图 4）。图 4 黑河上游寒区水文模型的整体框架研制耦合生态-水文-经济的集成模型黑河流域综合观察系统获取的观察数据，为构建耦合生态-水文-经济的全流域生态水文集成模型提供了数据基础，保障了集成模型的顺利完成；集成模型整体框架如图 5 所示。在该框架下，模拟分析了历史时期（1981—2010 年）黑河上游的生态水文现状及空间漫衍格式，并联合气候变化情景（RCP 4.5）开展了长时间序列的预估。

思量上游来水变化，模拟了2001—2060 年期间黑河中下游的生态水文历程变化。首次使用模型和观察手段闭合了黑河流域水量平衡。模拟了黑河流域差别空间尺度（如上、中、下游，以及灌区、河流、景观等）的水量平衡，定量化了水循环历程各个分量的孝敬。

预测了黑河流域社会经济生长路径，联合团结国政府间气候变化专门委员会（IPCC）2010 年提出的共享社会经济路径，综合思量人口、经济、技术进步、水资源使用等因素，形成黑河流域的共享社会经济路径（SSPs）差别生长路径，并定量评价了差别 SSPs 路径下水压力、社会经济等要素的响应的关系。图 5 黑河流域生态 - 水文 - 经济系统模型的整体框架4建设了黑河流域可连续生长决议支持系统在团结国可连续生长目的（SDGs）和 IPCC SSPs研究框架下，联合黑河流域自然特征和关键流域生长问题，将 SDGs 和 SSPs 降尺度到流域尺度，建设了流域可连续生长目的（RiSDGs）和流域共享社会经济路径（RiSSPs）。使用署理建模技术对黑河流域生态水文模型降维，生成上游生态水文署理模型和中下游生态水文署理模型，并通过地表需水和供水、土地使用变化、温度、降水等界面参数将上游生态水文署理模型、中下游生态水文署理模型、经济系统模型（CGE）、土地使用模型、人口增长模型、都会化模型、指标盘算模型和可连续性评价模型集成，形成了黑河流域生态水文-社会经济集成模型。

以此为基础，开发建设了黑河流域可连续生长决议支持系统（图 6），该系统为 SDGs 在流域尺度和区域尺度上的实施和监测提供了新途径。图 6 黑河流域可连续生长决议支持系统的焦点设计思路5结语黑河遥感站围绕流域科学中的地面与遥感综合观察、模型集成与可连续生长等科学问题，建设了流域漫衍式、多尺度生态水文观察网络及遥感像元尺度地面真实性磨练场，研发了一系列定量遥感产物，建设了流域集成模型，支持了遥感产物的真实性磨练和自然与人文庞大历程的流域综合集成研究。

黑河遥感站的观察和研究将在我国山水林田湖草等综合自然资源监测、祁连山国家公园建设，以及流域可连续生长战略中继续发挥先锋示范与科技支撑的重要作用。车 涛 中国科学院西北生态情况资源研究院遥感与地理信息科学研究室主任、研究员，中国科学院黑河遥感站站长。

主要从事冰冻圈遥感研究。揭晓研究论文100余篇，获省部级科技结果奖一等奖 2 项。文章源自：车涛,李弘毅,晋锐,盖迎春,谭俊磊,张阳,任志国,王旭峰,李新.遥感综合观察与模型集成研究为黑河流域生态情况掩护与可连续生长提供科技支撑.中国科学院院刊,2020,(11):1417-1423.。

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