数字黑河的思考与实践2:数据集成

数据集成是流域集成研究的核心环节,是发展、改进和验证模型的基础。介绍了"数字黑河"数据集成研究的进展:①定义了数据集成;提出数据库集成应具有数据的完整性、可获取性和有效管理3个基本特征;而模型数据集可根据流域集成模型对科学数据的需求,概化为驱动数据、参数集、验证和诊断数据三大类。②进一步丰富和完善了"数字黑河"信息系统;扩展了黑河数据库,较为系统地收集了黑河流域的基础地理数据、各类观测数据、科学试验数据和现有的模型数据集,在线数据量已扩充至1 000 GB,并且广泛共享。③介绍了模型数据集取得的进展及目前存在的问题;发展了制备高分辨率驱动数据的统计和动力降尺度方法;依靠数据融合方法制备了适用于模型的黑河流域土地覆盖图和土壤图。④指出了数据集成所面临的挑战和需要优先完成的迫切任务,核心是以发展流域集成模型为导向,进一步完善"数字黑河"信息系统,并且制备高分辨率和可靠的模型数据集。     

数字黑河的思考与实践4:流域观测系统

数字化的流域观测系统是数字流域的重要组成部分.①首先介绍了水循环卫星遥感和地面观测的最新进展,以及航空遥感在流域观测中的重要作用.②介绍了对于流域观测系统的构想.认为流域观测系统应兼顾陆面过程、水文、生态观测的不同空间尺度和时间尺度,监测与控制试验并重,地面与遥感配合,重视采样设计,重视新兴观测手段,与信息系统扣模型高度集成,科学目标导向,模型需求驱动.③黑河流域观测系统由位于流域上中下游不同景观带的野外研究站、综合观测试验以及气象水文业务化观测网络组成,在流域内先后开展了HEIFE实验、金塔试验和黑河综合遥感联合试验.④介绍了对于流域观测系统的进一步构想:增强遥感观测能力是关键,集成遥感、地面观测和模型模拟才能更好地定量估计水循环,流域观测系统应和信息系统、综合模型等共同构成流域科学研究的信息基础设施,更好地为流域科学服务.     

数字黑河的思考与实践3:模型集成

介绍了"数字黑河"模型集成研究的进展.①流域科学研究中的模型集成由发展流域集成模型和建模环境这2个主题所构成,前者可概括为"水-土-气-生-人"集成模型,后者是支持集成模型的高效开发的软件工具,注重于应用先进的信息技术为建模提供支撑.②将模型集成分为知识途径和技术途径,讨论了建模环境在模型集成中的作用,以及科学模型和流域管理模型的关系.③回顾了黑河流域模型集成的总体目标是发展两种类型的集成模型,其中第一种回应科学目标,是地球系统模型在流域尺度上的具体体现,以建成能够综合反映流域水文-生态-经济相互作用的模型为标志;第二种集成模型回应管理目标,以建成空间显式的流域水资源决策支持系统为目标.④对黑河流域已有的水文、地下水、水资源、陆面过程、土地利用、生态、社会经济与生态经济建模工作做了系统的综述.⑤分析了黑河流域集成模型研究中存在的问题和所面临的挑战.     

黑河流域水文信息系统设计与实现

水文数据建模和数据共享是流域科学研究的重点工作, 也是"数字流域"研究的基础.目前集成观测数据和环境信息的流域信息基础设施已经成为"数字地球"技术在流域科学方面的重要应用.以水文数据模型和"协同促进水文科学发展大学联盟"水文信息系统(CUAHSI-HIS)为原型, 设计一个适合于黑河流域的集流域地理数据库、 观测系统数据库和数据共享发布系统于一体的流域水文信息系统.系统实现集成各种观测数据类型、 数据来源及观测数据的流域观测数据库, 通过统一地表和地下水的通用数据模型实现流域地表水和地下水信息的一体化存储管理, 同时存储、 组织和在线共享发布流域相关的观测数据和空间数据, 为流域科学研究提供在线生态环境数据的网络服务以及相应的流域观测数据服务, 有效的推动流域科学计划的研究.     

新版数字黑河信息系统的设计与实现

随着黑河流域时空数据的快速增长,已有的黑河信息系统在共享效率、数据分析及平台架构等方面存在缺陷,已无法满足现实的需要。本研究针对目前平台的缺陷重新设计新版数字黑河信息系统（NDHRIS）的整体框架,从观测、数据及模型三个角度实现新版数字黑河信息系统的新功能。首先从基础设施、服务及应用三个层面介绍系统整体设计,其次详细阐述系统实现的关键技术及功能改进,最后,讨论了该系统仍然存在的问题及未来发展方向。目前该系统已业务化运行,数据量超过5 T,共1 058条元数据,向大约100个研究所和50个项目提供了大约8 TB数据集和5 000个数据服务,有效提升了黑河流域科学数据的共享效率,支撑全球寒区监测计划的实施。     

流域科学研究中的观测和模型系统建设

流域是地球系统的缩微,是自然界的基本单元。流域科学从基础研究角度可以被看作是地球系统科学研究方法在流域尺度上的具体体现;从流域综合管理的应用角度看,流域科学是在流域尺度上通过对自然资源和人类活动的优化配置而为可持续发展服务的应用科学。流域观测系统和模型系统的建设是发展流域科学的前提。提出了建立遥感—地面观测一体化的、覆盖流域能水和生物化学循环及社会经济活动的流域观测系统的设想,规划了系统各组成部分,以高效、高分辨率、高精度、多尺度、集成和现代化为流域观测系统的基本衡量准则。流域模型系统可概括为“水—土—气—生—人”集成模型的发展,[JP2]应该科学目标和流域管理目标并重,既要发展具有综合模拟能力的流域集成模型,也要建成流域水土资源和社会经济资源可持续利用决策支持系统。流域集成模型应由分布式水文模型、陆面过程模型、地下水模型、渠系模型、动态植被模型和社会经济模型构成。     

黑河流域生态—水文观测试验与水—生态集成管理研究

对黑河流域水—生态—经济系统研究的主要内容“流域生态—水文观测试验与流域水—生态集成管理”做了概要论述。认为流域水循环、生态水、集成水管理三大科学问题的解决必需加强该领域的研究;结合黑河流域的前期基础、研究现状和能力建设,提出了近期研究的4个领域：流域水循环、水平衡与可利用水资源;流域生态—水文过程与生态环境用水;人类活动驱动的流域水—生态系统演变;流域生态—水文野外平台与流域集成环境。对此进行了进一步的阐述,对该方面研究的方法论和技术难点亦做了简述。     

黑河流域生态系统服务的价值

生态系统服务的价值评估研究是可持续发展评估研究的关键内容和焦点 ,是生态经济学、环境经济学和生态学的前沿研究领域 ,是开展环境 经济综合核算的基础工作 .以黑河流域 1987年和 2 0 0 0年的 1∶10 0 0 0 0LandsatTM图像解译数据为基础 ,在分析黑河流域土地利用和土地覆盖变化状况的同时 ,对黑河流域生态系统服务的价值进行了评估 ,结果表明 :按当前价计算 ,1987年黑河流域生态系统服务的年价值为 2 1.6 2 3× 10 8＄ ,相当于 178.82 2× 10 8元人民币 ;2 0 0 0年黑河流域生态系统服务的年价值为 17.6 74× 10 8＄ ,相当于 146 .16 4× 10 8元人民币 .与 1999年黑河流域的国内生产总值 (GDP) 10 2 .5 4× 10 8元人民币相比 ,2 0 0 0年黑河流域生态系统服务的年价值相当于GDP的 1.42 5倍 .由于缺乏对盐碱地、永久积雪 /冰川、建筑用地、沙丘 /戈壁、裸岩 /裸土地等服务价值的相关研究信息 ,该结果是对流域生态系统服务价值的保守估计 .     

黑河流域节水生态农业与流域水资源集成管理研究领域

概述了中国内陆河流域面临的水问题和日益激化的用水矛盾,强调了内陆河地区支柱产业--绿洲农业应该坚持节水和生态的方向,流域集成管理是持续农业的基础.长期从事该方面研究的黑河流域是个较好借鉴,同时也提供了深入开展相关研究的基础,为此提出了以黑河流域为背景的四大研究流域:水文、生物、经济系统水循环与水资源形成演变,节水农业的生物学研究与抗旱品种繁育,农业节水新材料研发与工程节水技术集成,水资源合理配置与流域集成管理;并简述了各领域的主要方向.     

黑河流域节水生态农业与流域水资源集成管理研究领域

概述了中国内陆河流域面临的水问题和日益激化的用水矛盾,强调了内陆河地区支柱产业——绿洲农业应该坚持节水和生态的方向,流域集成管理是持续农业的基础。长期从事该方面研究的黑河流域是个较好借鉴,同时也提供了深入开展相关研究的基础,为此提出了以黑河流域为背景的四大研究流域：水文、生物、经济系统水循环与水资源形成演变,节水农业的生物学研究与抗旱品种繁育,农业节水新材料研发与工程节水技术集成,水资源合理配置与流域集成管理;并简述了各领域的主要方向。     

Research Progress of the Heihe River Basin Based on Bibliometrics

Water resource is the focus and hinge between ecological environment and socio-economic development. Watershed is the basic unit of hydrology and water resource studies. It is the current hotspot in water science research to carry out the integrated research of the hydrology and water resource at the watershed scale. The Heihe River Basin is the second largest inland river basin in northwestern China, which becomes one of the hot watersheds for its unique hydrological and geographical characteristics. Based on the Web of Science Core Collection, the scientific advances achieved in the Heihe River Basin were estimated from the new sight by combining disciplinary development and problem focus, time evolution and spatial variations. The results indicated that the Heihe River Basin has made positive contribution to the world science in remote sensing, evapotranspiration, water cycle, water resources management and utilization, and climate change research in arid areas. The great achievements has promoted the Heihe River Basin up to the same levels as the international typical basins in the past 30 years, especially after the performances of the major research program entitled “Integrated Study of Eco-hydrological Processes in the Heihe River Basin” (referred to as “Heihe River Program”) supported by a grant from the National Natural Science Foundation of China and large field observation experiments. The number of published articles has ranked the top 20 in the global watershed science research. Some important scientific achievements have been obtained at the mechanisms of eco-hydrological processes in inland river basins, which can actively serve the decision making of the water resource management and sustainable development in the Heihe River Basin. The data mining and contrastive study based on bibliometrics can afford scientific reference for the watershed science research.     

黑河流域观测通量的空间代表性研究

地表湍流通量包括显热通量和潜热通量,它的准确测定对天气气候预报、农业节水和水资源管理等意义重大。目前应用较为广泛的通量测量技术有涡动相关仪(EC)和大孔径闪烁仪(LAS),前者是单点观测,观测范围通常只有几百米;后者近年来得到长足的发展,可以观测从几百米到十几公里尺度上的区域湍流通量。建立了EC和LAS通量解析足迹模型,详细介绍了足迹模型的理论依据和建立方法,并对二者模型的异同进行了阐释。在黑河流域遥感—地面观测同步试验中,以高寒与干旱区伴生的黑河流域为试验区,包括寒区水文试验、森林水文试验和干旱区水文试验,使用足迹模型分别分析了临泽草地站、阿柔冻融观测站的EC、LAS观测通量的源区,结合风向变化规律,对二者通量观测差异进行分析解释;分析了盈科灌区绿洲站、大野口关滩森林站的EC观测数据,以及阿柔冻融观测站的EC、LAS观测数据,选择具有代表性的月份,进行观测站点的空间代表性分析。结果表明:对通量观测站点进行空间代表性分析是十分必要的,可得到观测站点通量源区的时空变化特征,同时足迹模型在通量观测数据的分析中有很大的实用价值,可为今后通量观测数据的应用提供参考。     

黑河流域地表反照率估算及其时空特征分析

基于不同空间尺度、长时间序列的地表反照率产品探究黑河流域2000—2012年的反照率时空变化特征。首先基于角度格网化(AB)算法对黑河流域30 m环境卫星一号HJ-1/CCD大气层顶方向反射率进行了地表反照率估算,作为高空间分辨率的地表反照率产品;选择同种算法计算的1 km空间分辨率的Global LAnd Surface Satellite(GLASS)反照率产品作为低空间分辨率反照率产品。结果表明:1利用AB算法反演的HJ卫星反照率具有较高精度,满足流域尺度反照率时空特征分析的精度要求;2黑河流域地表反照率空间分布差异显著,流域上游植被覆盖区域反照率较低,中下游荒漠地表反照率较高;3流域地表反照率的年内变化与季节性降雪和作物物候周期性变化一致。从季节变化角度,黑河流域反照率月平均值的年变化呈"U"字型,其中,冬季反照率最高,春季和秋季次之,夏季最低。从年际变化角度,黑河下游反照率呈上升趋势,上游和整个流域呈下降趋势。     

黑河流域不同下垫面区域的气候变化特征

通过对黑河流域上中下游典型气象站长期观测记录的分析 ,建立了 196 1— 1995年气温、降水变化速率与流域垂直分带的关系 .结果显示 ,流域内不同区域存在着不同的气候变化响应过程 .2 0世纪 90年代与 6 0年代相比 ,上游中高山湿润半湿润区气温升高幅度在 0 .6℃左右 ,降水升高幅度较大 ;前山荒漠区升温幅度较大 ,在 1.3℃左右 ,而降水变化极不稳定 ;山前平原干旱区中的较大面积人工绿洲区 ,升温幅度相对较低 ,大约为 0 .5～ 0 .6℃ ,降水呈稳定的小幅度上升 ;下游尾闾段极端干旱区温度升高、降水减少的趋势极为明显 ,分别为 1.4℃和 - 0 .5mm·a-1左右 .究其原因 ,主要是由于不同区域气候类型的差异和局地环境的影响 ,如大面积人工灌溉绿洲的小气候效应等     

黑河流域年冻融指数及其时空变化特征分析

利用黑河流域气象站点的逐日平均温度数据计算空气及地表冻融指数,并分析其变化趋势以及空间分布。结果表明,黑河流域空气冻结指数、空气融化指数、地表冻结指数和地表融化指数变化范围依次为:673~2 135℃·d,1 028~4 177℃·d,682~1 702℃·d,1 956~5 278℃·d;黑河流域冻结指数出现明显的下降趋势,其中空气冻结指数(1951—2007年)下降速率为56.0℃·d/10a,地表冻结指数(1954—2005年)下降速率为35.4℃·d/10a;融化指数表现为上升,其中空气融化指数(1951—2008年)整体以每年47.8℃·d/10a的速率上升,地表融化指数在1954—1975年以135.9℃·d/10a的速率下降,在1976—2006年以185.3℃·d/10a的速率上升;黑河流域各站点冻结指数受海拔及纬度双重影响,而融化指数则主要受海拔影响;年平均气温与冻融指数有非常强的线性关系。