慧眼俯瞰神舟变 四海寰球竞风流——记清华大学地球系统科学研究中心卢麾副教授之遥感水文技术

本刊记者 萧 宇

2009年非洲水循环-数据同化培训Tunis考察

您知道人类迄今为止面临的规模最大、范围最广、影响最为深远的挑战之一是什么吗？您知道影响未来世界经济和社会发展、重构全球政治和经济格局的最重要因素之一是什么吗？答案是全球气候变化问题。

全球气候变化已经对人类的生产生活，产生了前所未有的深远影响，其中一个重要问题就是引起了愈来愈频繁的极端气候和极端水文事件。近十年来，中国频繁发生该类事件，如连续几年发生的西南特大干旱灾害等。如何应对这些危难事件，做到防微杜渐？成为当今许多科学家绞尽脑汁向要解决的问题。

清华大学地球系统科学研究中心青年科学家卢麾副教授所研究的内容代表了时下全球气候变化和水文环境研究最前沿、最先进的手段——卫星遥感观测和计算机处理技术。

一双“慧眼”照亮寰球路

众所周知，干旱是我国主要自然灾害之一。开展在气候变化背景下干旱监测与模拟研究，是国家现实而迫切的重大需求，具有重大科学意义。据2006年《中国水旱灾害公报》统计，过去50年我国干旱受灾面积呈显著增加趋势，20世纪80年代以来的受灾面积较之前增加33%，成灾面积增加了90%。

过去很长一段时间以来，我国水文环境监测多采用地面监测手段，如气象部门建立的土壤湿度监测站网，其采样点有限，维护费用高，在一些偏远地区甚至没有观测，数据收集时效性差。仅靠地面观测点的资料很难对土壤水分及干旱进行大范围、快速、连续的监测。

20世纪60年代，计算机处理技术的发展和遥感观测的出现无疑为人类提供了以全面崭新的方式观察地球系统的机会。遥感技术是从远距离感知目标反射或自身辐射的电磁波、可见光、红外线，对目标进行探测和识别的技术。它就如同人类新增的一双“慧眼”，腾空凌驾于高天之上，放眼寰球，神舟大地一览无遗。在全球尺度上，以多种空间分辨率对地进行实时、持续地观测。遥感具有站点观测所不具备的空间优势，也具有比模式模拟更强的客观性。运用遥感技术，人们可以很轻松地看到地球系统主要组分的基本分布格局，验证了许多理论推算和模拟结果，也发现了许多原来未知的现象。遥感技术也因其神奇功能在全世界范围内刮起了一股持续的研究浪潮。

浪潮之上，激流涌进。卢麾就是在遥感技术前景一片看好的形势下，开始步入这一神奇领域的。但卢麾“遥感之路”的开启，可以说是偶然，也是必然。

卢麾，出生于彩云之南——云南普洱，彝族人。从小天资聪颖，勤奋好学，成绩优异。1995年，他以出色成绩考取清华大学水利水电工程系。水木清华，钟灵蕴秀，恰同学少年风华正茂，在良好的学术氛围和水利名师的指导下，卢麾迅速成长，在农田水利灌溉等方面累积了丰富的理论基础知识和实践能力，分别于2000年7月和2003年1月获得清华大学水利水电工程系学士学位和水文水资源硕士学位。之后，卢麾在清华硕士导师胡和平教授的推荐下远赴日本东京大学土木系攻读博士学位，期间因导师工作变动需要，他被推向了重新研究方向的境地。当时有流域水文和遥感等方向可供卢麾选择，前者是卢麾之前就有过接触的研究方向，要做起来轻车熟路；后者是全新领域，在国际领域是研究热点方向。通过多方征求意见和自己综合考虑，卢麾毅然选择了遥感这一对他来说全新的领域，师从于当时在国际享有盛名的遥感专家——Toshio Koike，在名师的悉心指导下，他逐渐走向了遥感和水文研究结合的道路。后来事实证明，这是一条顺应全球变化科学研究的必要之路。“走上遥感研究之路，对我来说，有很多巧合的过程但同时也是个必然。随着卫星遥感相关技术的发展，其作用日益凸显，能将其用于水文研究，走结合之路，我相信如果能做好一定会有很好的成就感。”对于自己而今所从事的事业，卢麾踌躇满志，充满信心。

正因为相信，在确定方向后，卢麾一直坚定不移地向前走着：2006年9月获得日本东京大学土木工程工学博士学位；2006-2010年，在东京大学历任工学部土木工程系特任助手、特任助理教授和东京大学地球观测统融合中心特任研究员；2007-2010年成为日本国际协力组织（JICA）“中日气象灾害合作研究中心项目”日方专家组成员。

在海外漂泊七年，卢麾不仅扩展了视野，还奠定了自己今后主要的科研方向，“羽翼”逐渐丰满起来。虽如此，他心里总有一份对祖国的眷恋，对清华深厚的情感也一直埋藏在心底。2010年12月，当清华大学地球系统科学研究中心向他抛去“橄榄枝”的时候，他毫不犹豫地选择了回国，回到了他曾经熟悉的水木清华，担任该中心副教授，博士生导师。主要从事生态水文、遥感水文以及全球变化研究。

尽显遥感技术魅力

清华大学地球系统科学研究中心是一个校级跨学科综合交叉研究机构，拥有优越的研究工作平台，包括生物地球化学实验室和地球系统数值模拟教育部重点实验室等。在遥感机理研究、数值模拟、实地观测、生态水文和农田水利等方面积累了丰富的研究经验。中心为刚回国的卢麾提供了一个能够发挥所能的优良平台，而卢麾的加盟，无疑为他所在的课题组注入了一股新鲜的血液，可以说是“锦上添花”，新的征程由此开启。

早在清华大学学习期间，卢麾就开始从事水利信息化和灌溉决策支持系统的研发工作；到东京大学留学、工作期间，他参与了日本宇航机构的AMSR-E标准土壤水分算法的开发。通过田间观测实验与数值模拟，研究微波在干砂介质中辐射传输机理，验证了体散射在干砂介质的辐射传输过程中的主导作用。并在此基础上，建立了综合考虑土层体散射及地表面散射的微波辐射传输模型。该模型应用于JAXA的AMSR-E土壤水反演算法，提高了反演算法在蒙古验证区的土壤水反演精度，利用这一验证资料，卢麾及所在团队还实施了产品校验和参数校正。回顾曾经走过的历程，卢麾在水文生态及农田水利领域有近10年的研究经历，在微波辐射传输理论、地表参数反演以及陆面数据同化系统等方面已有7年以上的研究经历。

值得一提的是，卢麾长期从事数据同化研究，曾经发展了东京大学陆面同化系统（LDAS-UT），并已将其成功的应用到蒙古高原、青藏高原和非洲大陆等热点研究区域。从卫星观测的角度研究分析了气候变化对地表水循环关键参数的影响，推进了气候变化下的水文学研究。

JAXA AMSR-E地表土壤水反演算法田间验证实验

回国后，卢麾将主要的精力致力于气候变化对水资源的影响机理研究上，主要涉及气候变化对极端事件（洪涝与旱灾）的影响机理和规律研究，以及卫星遥感对地观测技术在全球变化及水文水资源研究中的应用等，先后主持及参与科研项目6项，包括作为项目主持人负责国家自然科学基金项目“华北平原高时空分辨率多源遥感土壤水分反演模型研究”，和清华大学自主科研项目“气候变化下我国华北农业干旱监测与模拟研究”；作为专题负责人参与国家高技术研究发展计划(863计划)“面向服务的区域河流遥感监测关键技术”研究；作为学术骨干，先后参与了国家自然科学基金重点项目“流域水文过程对环境变化响应的模拟与预测”研究，和水利部公益性行业科研专项“气候变化下塔河典型源流径流预测研究”。其中，在863计划专题“遥感驱动的澜沧江－湄公河流域水文模型系统开发”的研究中，卢麾利用其在遥感方面的技术优势，帮助解决了澜沧江－湄公河流域有关于水环境变化的纷争。

遥感技术的魅力在体现在哪里？对普通大众来说，或许它只是一个模糊的、被“神化”了的“魔镜”，而对卢麾等从事遥感观测的科学家来说，遥感的神奇功能渗透在地球的每一个角落里，“江河流淌着数据，大地蕴藏着信息”，亟待他们去寻找，挖掘。

华北水文运筹帷幄

在这浩大的世界里，人类肉眼所能直接触及的范围显得很渺小。遥感技术的出现，为人类“足不出户，尽览天下百态”提供了可能，而遥感技术，也常常被用于观测区域范围内的地理活动。卢麾近年来利用遥感技术针对华北平原气候因素引起水文环境变化所做的努力工作引人关注，成为近期其主要的科研项目之一。

正如文首提到的，干旱问题一直是困扰我国的主要的自然灾害之一。近些年来，北方主要农业区的干旱范围有明显扩大的趋势，尤以华北地区干旱程度和范围不断增加趋势最为显著。而空间遥感观测，可以克服过去地面监测存在的诸多缺点，快速获得大面积的土壤水分信息，具有大范围、动态、经济等优势。因此，利用卫星遥感数据，提供及时、准确的田间土壤含水量及其变化趋势，能为干旱的监测与评价提供宝贵资料，能为防灾减灾提供科学的理论支撑，对保障国家粮食安全和社会经济稳定发展都具有重要意义。

2011年11月，卢麾作为主要负责人开展清华大学自主科研项目“气候变化下我国华北农业干旱监测与模拟研究”，该项目以华北平原为研究区域，综合应用包括被动微波遥感、红外近红外遥感、实地观测资料等多源数据，通过研究卫星遥感机理，改进辐射传播模型，开发基于多平台多波段的卫星数据的土壤水反演算法，提高地表土壤水卫星监测的精度和时空分辨率，实现对农业干旱的实时监测；通过综合卫星遥感资料、陆面过程模型、作物生长模型和实地观测资料，开发陆面数据同化系统，提高包括土壤墒情在内的地表状态关键参数的模拟精度和时空分辨率，实现华北农田旱情精确模拟；利用陆面数据同化系统和历史气象观测资料，建立过去30年华北平原区域的地表状态数据库，分析气候变化对研究区内干旱灾害的影响。课题的研究结果可为抗旱减灾提供直接的决策支持和科技支撑，可为气候变化研究提供客观的数据资料，具有重要的参考价值和实践指导意义。

在此基础上，2012年初，卢麾又成功申请了国家自然科学基金项目“华北平原高时空分辨率多源遥感土壤水分反演模型研究”，该项目以华北平原农田土壤水反演为研究对象，利用被动微波卫星观测的快速、大范围的特点以及MODIS资料高空间分辨率的特点，紧密结合旱情监测与评估所需的实时、准确、动态的要求，综合应用辐射传输模型、作物生长模型、数值模拟方法、非线性统计方法、参数优化，以及实地观测等多种模型方法进行研究，具有明显的多学科交叉特点与地域特色。

基于微波遥感的本世纪初中国区域地表温湿变化趋势

两个项目无论是从观测平台、数据基础，还是从开发经验和国际合作上，都具有获得预期研究目标的充分基础：合作伙伴清华大学水利系水文水资源所杨大文教授自2004年起在位山灌区建立了农田水分与能量耦合循环观测系统，到现在已积累了5年多关于水文、气象和农业珍贵资料。而卢麾在辐射模型和算法开发上，具有丰富的经验。除此之外，凭借多年在海外累积的人脉，和日本宇航机构、东京大学有着长期的合作关系，从日本宇航机构可以较快的获得AMSR-E L1B级的亮温观测数据，以及A M S R-E标准土壤水产品。他还与美国农业部（USDA）和蒙大拿大学（University of Montana）保持有良好的合作关系。这些良好的国际合作关系，是研究达到国际领先水平的重要保证。目前，两个项目进展顺利。

科研之外，卢麾还承担着园丁育人的角色，虽然时间很有限，但他一直坚持每周都抽出时间来与学生讨论。“我希望自己多年所学所感能够对我的学生有所提点和帮助，如我希望他们能除了算法理论之外，多做一些与应用结合的研究，在我看来而今很多数学、物理理论已经远远超出我们的实际应用范围，我们所要做的是能够为这些理论寻找到通向实用的‘连接桥梁’，拉近彼此的距离。很多理论成果唯有搬下高阁，给普通老百姓带去实惠，才能真正体现其价值。遥感技术用于水文研究，帮助老百姓应对干旱问题，就是一个重要体现。”

“悠悠清华园，浓浓水木情”，虽然毕业多年，但何其幸运，卢麾与清华的情缘能够继续延续下去，所以他的身上始终洋溢着清华特有的印记：善于学习，精力充沛，坚持锻炼身体……“为祖国健康工作五十年”是清华特有的口号，也是卢麾奋斗的目标。