南卓銅：引航西部地學(xué)信息化研究

2014-01-05 　　 　　

他建立的青藏高原年平均地溫模型被用于近年出版的中國冰川凍土沙漠圖，該圖是研究青藏高原多年凍土分布的權(quán)威地圖；他負(fù)責(zé)的中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心是西部地學(xué)研究數(shù)據(jù)資源最豐富的數(shù)據(jù)中心，是進(jìn)入世界知識庫的中國兩家機(jī)構(gòu)之一；他主持的黑河流域空間決策支持系統(tǒng)部署于甘肅省水文局、張掖市、縣水務(wù)部門及下屬灌區(qū)，為黑河流域水資源合理利用決策發(fā)揮作用。 　　

他就是中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所南卓銅研究員。多年來，南卓銅研究員致力于地理信息系統(tǒng)與空間決策支持系統(tǒng)的建立、寒區(qū)水文/陸面過程建模及方法論的研究、科學(xué)數(shù)據(jù)共享，不斷為傳統(tǒng)的地學(xué)研究注入信息技術(shù)的新方法，并在此過程中取得了卓有成效的收獲。 　　

集大成：黑河流域地理空間決策支持系統(tǒng) 　　 　　

決策支持系統(tǒng)是流域科學(xué)研究成果轉(zhuǎn)化的重要工具。受到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、科技部高新技術(shù)863項(xiàng)目的支持，南卓銅研究員課題組結(jié)合地理信息系統(tǒng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和多種決策方法，圍繞黑河流域中上游水土資源問題，設(shè)置水權(quán)轉(zhuǎn)化、退耕還水、生態(tài)補(bǔ)償、水源涵養(yǎng)林保護(hù)等情景，建立水土資源情景評估體系，演示基于決策支持系統(tǒng)為流域管理提供科學(xué)決策依據(jù)的能力，主要解決如何發(fā)展一個易于使用、便于擴(kuò)展、集成多學(xué)科科學(xué)模型的滿足流域集成管理需求的空間決策支持系統(tǒng)，以及如何集成多種學(xué)科模型從而提供中上游水土資源的情景評價能力，理解政策如何影響水土資源利用等關(guān)鍵科學(xué)問題。 　　

目前南卓銅研究員等人已設(shè)計(jì)和建成了一個通用的基于科學(xué)模型的多準(zhǔn)則決策支持系統(tǒng)，在易用性、擴(kuò)展性、模型庫集成方面做了大量的工作，并創(chuàng)新性地提出了一種支持多學(xué)科模型集成和技術(shù)層面解決模型多時空尺度集成難題的決策支持系統(tǒng)方案。對決策支持系統(tǒng)必需的知識系統(tǒng)進(jìn)行了較細(xì)致的研究，尤其是對水文建模相關(guān)知識進(jìn)行了較好的歸納和組織。成果特色在于將水文、陸面過程、生態(tài)、土地利用變化、社會經(jīng)濟(jì)等多學(xué)科模型集成在統(tǒng)一的決策支持系統(tǒng)框架內(nèi)。他領(lǐng)導(dǎo)的課題組建成的決策支持系統(tǒng)已經(jīng)初步部署在甘肅省水文水資源勘測局、甘肅省張掖市、縣水務(wù)部門及33個灌區(qū)開展實(shí)際應(yīng)用測試。 　　

走新路：凍土分布和情景模擬 　　 　　

南卓銅研究員是國內(nèi)較早將地理信息技術(shù)應(yīng)用于凍土研究的學(xué)者。受到青藏鐵路重大項(xiàng)目、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金、科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)的支持，他對青藏高原多年凍土分布進(jìn)行較系統(tǒng)的研究，評價了國內(nèi)外流行的多年凍土分布模型在青藏高原的適用性，其中基于年平均地溫模型的模擬結(jié)果應(yīng)用于2005年出版的《中國冰川凍土沙漠分布圖》，是目前最新的被廣泛應(yīng)用的凍土圖。該成果創(chuàng)新性地?cái)U(kuò)展了經(jīng)典的尼爾森凍土分布模型，具備比原模型更好的模擬性能；較早地應(yīng)用探地雷達(dá)進(jìn)行野外多年凍土調(diào)查，證實(shí)了西大灘多年凍土退化的事實(shí)。結(jié)合氣候變化情景，他們模擬了未來50年、100年的青藏高原多年凍土變化情況，并結(jié)合鉆孔含冰量數(shù)據(jù)，第一次估計(jì)了青藏高原多年凍土含冰量。情景模擬和含冰量估算結(jié)果是青藏鐵路重大項(xiàng)目的匯報內(nèi)容之一。同時，這也是國內(nèi)較早的將遙感和地理信息系統(tǒng)手段成功應(yīng)用于青藏高原凍土分布、凍土區(qū)植被和土壤分類。 　　

在目前承擔(dān)的凍土工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題“Noah陸面過程模型熱力學(xué)參數(shù)化方案改進(jìn)及青藏高原凍土水熱狀況模擬”上，他們在Noah LSM的熱力學(xué)參數(shù)化方案評價的基礎(chǔ)上，進(jìn)行Noah LSM的熱力學(xué)參數(shù)化方案的改進(jìn)以提高對凍土水熱狀況的模擬性能；利用改進(jìn)后的Noah模型對青藏高原凍土水熱狀況進(jìn)行分布式模擬，在此基礎(chǔ)上，將探討青藏高原多年凍土空間分布和凍土層含冰量時空分布等凍土學(xué)研究關(guān)心的問題。 　　

填空白：地表過程建模環(huán)境 　　 　　

流域科學(xué)問題是復(fù)雜的多學(xué)科交叉問題，而多學(xué)科（水文、陸面過程、生態(tài)、社會經(jīng)濟(jì)等）模型集成是重要的工具，然而多模型的集成不僅涉及模型機(jī)理、尺度等科學(xué)問題，還有很大的技術(shù)工作量將模型代碼連接到一起。依托計(jì)算機(jī)平臺的建模環(huán)境是較好的進(jìn)行模型集成的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)高效的建模流程。國際上從上世紀(jì)80年代開始就考慮依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)搭建模塊化的建模平臺，2000年后出現(xiàn)一些主要的用于水文和生態(tài)建模的平臺。國內(nèi)也開始e-Science等科研信息化的研究內(nèi)容，但此工作一直是國內(nèi)的空白。受中科院重點(diǎn)方向項(xiàng)目的支持，南卓銅研究員項(xiàng)目組圍繞地表過程建模，突破了集成環(huán)境的模型控制、模型參數(shù)優(yōu)化與數(shù)據(jù)匹配等關(guān)鍵技術(shù)方法，標(biāo)準(zhǔn)化和集成了近70個水文、陸面過程、生態(tài)、人文等地表子過程模型，建成了一個復(fù)雜地表過程綜合建模環(huán)境平臺，在模型重用、模塊創(chuàng)建、基于知識的模塊組合等方面具有特色，為地表過程集成建模奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，提高了地表過程建模的方法論研究。此工作填補(bǔ)了國內(nèi)該領(lǐng)域的空白，此后國家自然科學(xué)基金委啟動的“黑河流域水文—生態(tài)集成研究”重大計(jì)劃開始啟動類似研究的項(xiàng)目。 　　

建門戶：數(shù)據(jù)共享研究 　　 　　

受到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、青海湖數(shù)據(jù)中心項(xiàng)目、科技部基礎(chǔ)條件平臺項(xiàng)目的支持，南卓銅研究員團(tuán)隊(duì)建成了基金委重點(diǎn)項(xiàng)目中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心（http://westdc.westgis.ac.cn，西部數(shù)據(jù)中心），整理、規(guī)范和共享中國西部的環(huán)境和生態(tài)數(shù)據(jù)。從2006年試運(yùn)行，截止到2012年11月，網(wǎng)站注冊用戶超7500人，來自80多個國家的20多萬人次訪問，數(shù)據(jù)總服務(wù)量50TB以上，向300多家國內(nèi)外科研單位提供了數(shù)據(jù)服務(wù)，至少有369篇期刊文章顯著標(biāo)注了數(shù)據(jù)來源于西部數(shù)據(jù)中心。截止2012年10月，數(shù)據(jù)中心為50個973項(xiàng)目、11個863項(xiàng)目、114個自然科學(xué)基金項(xiàng)目、33個西部計(jì)劃項(xiàng)目、39個國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、10個中科院知識創(chuàng)新重大工程項(xiàng)目、45個基金委重大計(jì)劃黑河流域計(jì)劃項(xiàng)目、148個研究生論文等提供了數(shù)據(jù)支持，已經(jīng)成為地學(xué)口數(shù)據(jù)共享的主要門戶之一。數(shù)據(jù)服務(wù)成效得到了科技部主管領(lǐng)導(dǎo)的好評，并希望將經(jīng)驗(yàn)推廣到國內(nèi)其他學(xué)科數(shù)據(jù)中心。 　　

同時，他們建成了擁有自主產(chǎn)權(quán)的全部基于開源軟件的科學(xué)數(shù)據(jù)共享平臺，基于此平臺，為青海省環(huán)保廳建立了“青海湖流域生態(tài)環(huán)境綜合數(shù)據(jù)中心”（http://deep.qherc.org/）；率先在國內(nèi)數(shù)據(jù)中心開展數(shù)據(jù)和知識的集成、在線模型服務(wù)等工作，實(shí)現(xiàn)青海湖流域各類生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的管理和共享，實(shí)現(xiàn)青海湖流域生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，并提供生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。 　　

在科技部科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)“青藏高原多年凍土本底調(diào)查”子課題“青藏高原多年凍土遙感與本底數(shù)據(jù)共享”上，南卓銅研究員等人整理、分析、集成了多年凍土本底調(diào)查典型區(qū)內(nèi)各類調(diào)查數(shù)據(jù)，整合、融合以往數(shù)據(jù)，深入分析數(shù)據(jù)的內(nèi)在關(guān)系，最終構(gòu)建青藏高原多年凍土本底信息共享系統(tǒng)；以遙感數(shù)據(jù)為信息源，結(jié)合野外調(diào)查、監(jiān)測數(shù)據(jù)資料，建立地面覆被特征和環(huán)境變量的遙感提取方法；在分析凍土特征和環(huán)境因素的基礎(chǔ)上，進(jìn)行青藏高原多年凍土分布模型研究，結(jié)合陸面過程模型研究青藏高原多年凍土的發(fā)生、發(fā)展和演化規(guī)律。 　　

專家簡介 　　

南卓銅，中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所研究員、博士生導(dǎo)師。1977年1月出生。1998年畢業(yè)于蘭州大學(xué)地理科學(xué)系獲本科學(xué)位；2003年畢業(yè)于中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所獲理學(xué)博士學(xué)位；2007-2009年在美國匹茲堡大學(xué)做博士后研究。近年主持科技部863、國家自然科學(xué)基金面上、中科院重點(diǎn)方向等多項(xiàng)科研項(xiàng)目；在國內(nèi)外期刊發(fā)表論文60余篇；出版專著1部、地圖1部；建立數(shù)據(jù)共享平臺2個、軟件著作9個；指導(dǎo)研究生10余名。任九三學(xué)社甘肅省第7屆委員會委員、西北師范大學(xué)兼職教授 (2010-)、蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院兼職副教授(2006-)、中國科學(xué)院北京研究生院兼職副教授(2005-)、聯(lián)合國教科文組織國際水文計(jì)劃“干旱區(qū)全球水與發(fā)展信息網(wǎng)絡(luò)”亞洲秘書處秘書、國家863計(jì)劃專家?guī)鞂＜摇�GIS協(xié)會理論與方法專業(yè)委員會委員、國家自然科學(xué)基金委地學(xué)學(xué)科函評專家、江蘇省科技咨詢專家等；擔(dān)任《冰川凍土》、《干旱區(qū)地理》、《中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報》、《Advances in Information Sciences and Service Sciences》、IEEE J-STARS等多家國內(nèi)外期刊評審。

來源：科學(xué)中國人 2013年 第1期