有這張圖，任意一公里內(nèi)土壤含水量一目了然
全球首張精確到“公里級”的“土壤水力物理背景超級世界地圖”在天津大學(xué)橫空出世。這張超級地圖由天津大學(xué)表層地球系統(tǒng)科學(xué)研究院副教授張永根繪制，有望成為土壤水力參數(shù)研究的革命性工具。
“理查德森夢想”
一個網(wǎng)格化數(shù)值天氣預(yù)報理論
1922年，英國氣象學(xué)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(shè)想：在一個大廳里，將歐洲區(qū)域分成網(wǎng)格，將氣象站觀測數(shù)值插到網(wǎng)格點上，人們手持紙筆忙著計算描述天氣的數(shù)學(xué)方程，并就計算方向發(fā)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(shù)據(jù)地圖”，算出未來的天氣。當(dāng)年，實現(xiàn)這種“數(shù)值預(yù)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(wǎng)格化數(shù)值天氣預(yù)報”理論卻隨著計算機技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展最終獲得成功。
而在土壤水力參數(shù)研究領(lǐng)域，科學(xué)家也在呼喚網(wǎng)格化精確預(yù)測“做大做強”。土壤水力參數(shù)對農(nóng)作物生長、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、天氣預(yù)報、空氣質(zhì)量等領(lǐng)域具有重大意義。一張能夠精準預(yù)測全球土壤水力數(shù)據(jù)的“超級地圖”是全世界科學(xué)家的夢想。
現(xiàn)在，使用張永根繪制的這張超級地圖，科學(xué)家可以“秀才不出門，便知天下事”，得到全球任意一公里網(wǎng)格范圍內(nèi)表層土壤的殘余含水量、飽和含水量、飽和滲透系數(shù)、田間持水量、植物可利用水分等參數(shù)，極大降低了土壤水力研究及污染治理的成本。
基于大數(shù)據(jù)預(yù)測
超級地圖亦能超級精確
長久以來，科學(xué)家獲取土壤水力參數(shù)主要靠“實測”和“預(yù)測”：“實測”需要在土壤深處采樣并送交專業(yè)機構(gòu)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(shù)據(jù)，常常需要數(shù)星期甚至幾個月時間，極不方便。
通過轉(zhuǎn)換函數(shù)“預(yù)測”是一種高效獲得土壤水力參數(shù)的方法，然而目前的轉(zhuǎn)換函數(shù)大多基于經(jīng)驗公式建立，準確性很差。一張基于物理背景土壤水分特征建立的、涵蓋世界各地土壤水力不同特性狀況的轉(zhuǎn)換函數(shù)“地圖”，是學(xué)界亟待填補的空白。
“我們這項研究成果不是用地圖去預(yù)測，而是說數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式是地圖。”張永根表示，“其實這也不完全是預(yù)測，而是基于已有大數(shù)據(jù)進行的科學(xué)判斷。”
張永根的超級地圖自有其獨到之處：他利用機器學(xué)習(xí)方法建立了全新的土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)模型，并利用從世界各地采集點獲得的5萬個土壤樣品，提取出近12萬個數(shù)據(jù)對模型進行驗證，從而構(gòu)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(shù)以萬計的土壤普查數(shù)據(jù)，我們在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)出一個有物理背景的模型，把這些數(shù)據(jù)物理化。”張永根介紹道，“超級地圖得出的數(shù)據(jù)基于土壤質(zhì)地分布曲線與土壤水分特征曲線，這些參數(shù)有具體物理意義，有均值有方差，最終預(yù)測出的數(shù)據(jù)也就更加精確。”
無償向全世界公布
下一步將實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化
超級地圖系統(tǒng)問世以來，張永根把網(wǎng)站和使用方法無償向全世界公布。現(xiàn)在每天都有來自各個國家的科研機構(gòu)和個人利用這一成果獲得土壤水力數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)正在被全球科研工作者用來預(yù)測和防治水土流失、快速治理地下水污染、計算干旱地區(qū)精準農(nóng)業(yè)節(jié)約用水、為數(shù)值天氣預(yù)報提供陸面過程的參數(shù)等。
下一步，超級地圖將實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，研究者可以直接截取需要的國家或地區(qū)的數(shù)據(jù)。張永根還會繼續(xù)提升超級地圖的精度，并對數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)是10公里或者25公里，如何實現(xiàn)從1公里到25公里的轉(zhuǎn)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(fā)展精準農(nóng)業(yè)，提高天氣預(yù)報和氣候變化預(yù)測的精度等方面提供有力的科學(xué)支撐。”張永根說。
