中國(guó)網(wǎng)／中國(guó)發(fā)展門戶網(wǎng)訊  黑河流域是我國(guó)第二大內(nèi)陸河流域，面積約?14.3萬平方公里。在黑河流域從上游至下游，形成了以水為紐帶的多元自然景觀，包括冰川、積雪、凍土、草原、森林、河流/湖泊、綠洲、戈壁、沙漠等。黑河流域寒區(qū)旱區(qū)并存，上游屬于極端寒冷環(huán)境，而下游屬于極端干旱環(huán)境。黑河流域歷史悠久，早在漢朝時(shí)期這里已經(jīng)有大規(guī)模的農(nóng)田水利設(shè)施。多元的自然景觀與復(fù)雜的人文過程交織在一起，使得黑河流域成為開展星機(jī)地綜合遙感觀測(cè)與模型集成的理想天然地球科學(xué)實(shí)驗(yàn)室。

近年來，隨著氣候變化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，黑河流域出現(xiàn)了一系列的生態(tài)環(huán)境問題。例如：黑河流域上游冰雪、凍土快速退化，過度放牧和礦產(chǎn)開發(fā)對(duì)上游高寒生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的影響和破壞；中下游農(nóng)業(yè)灌溉與生態(tài)用水矛盾突出，曾經(jīng)一度隨著上中游人口增加與耗水增多，大幅擠占下游生態(tài)用水，最終導(dǎo)致下游天然綠洲大面積萎縮、居延海干涸、沙塵暴頻發(fā)等嚴(yán)重的生態(tài)災(zāi)難。雖然通過行政手段制定了中、下游分水方案，使得下游的生態(tài)得到了一定的恢復(fù)，但是黑河流域仍然面臨著嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題，威脅著該區(qū)域的可持續(xù)發(fā)展。當(dāng)前急需流域尺度的立體化網(wǎng)絡(luò)化的綜合觀測(cè)與模型集成研究來科學(xué)評(píng)估和指導(dǎo)黑河流域的可持續(xù)發(fā)展，并為寒旱區(qū)內(nèi)陸河流域科學(xué)管理提供支撐。

中國(guó)科學(xué)院黑河遙感試驗(yàn)研究站（以下簡(jiǎn)稱“黑河遙感站”）圍繞黑河流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)與流域可持續(xù)發(fā)展，致力于生態(tài)水文要素綜合監(jiān)測(cè)與模型集成研究，建立了涵蓋上、中、下游的流域尺度水文氣象綜合觀測(cè)體系，發(fā)展和生產(chǎn)了一批寒旱區(qū)遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品，改進(jìn)和開發(fā)了一系列針對(duì)寒旱區(qū)過程的生態(tài)、水文模型，支撐了黑河流域水資源管理與優(yōu)化、生態(tài)保護(hù)與修復(fù)等相關(guān)政策制定。

構(gòu)建了黑河流域生態(tài)水文觀測(cè)綜合觀測(cè)系統(tǒng)

流域觀測(cè)系統(tǒng)是流域科學(xué)研究中的新手段，兼顧流域中水文、生態(tài)、氣象等觀測(cè)的時(shí)空尺度，地面觀測(cè)與遙感觀測(cè)相配合，從流域整體的角度出發(fā)考慮觀測(cè)的代表性，將監(jiān)測(cè)與控制試驗(yàn)并重，重視新興觀測(cè)手段與信息系統(tǒng)和模型的高度集成。黑河遙感站在黑河流域初步建成了流域觀測(cè)系統(tǒng)。從區(qū)域代表性上，該系統(tǒng)包含了黑河上游的高寒生態(tài)系統(tǒng)、中游的人工綠洲與荒漠生態(tài)系統(tǒng)和下游的天然綠洲生態(tài)系統(tǒng)；從觀測(cè)要素上，包含植被（如碳通量、樹干液流、葉面積、物候期、生物量、太陽誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓?、大氣（如溫度廓線、濕度廓線、輻射、降水、潛熱通量、感熱通量等）、土壤（如溫度廓線、濕度廓線、熱通量）等；從觀測(cè)手段上，將單點(diǎn)觀測(cè)與網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)相結(jié)合，可以獲取米級(jí)到千米級(jí)不同遙感尺度上的代表性觀測(cè)。

針對(duì)我國(guó)生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)備嚴(yán)重依賴進(jìn)口、觀測(cè)設(shè)備自動(dòng)化和信息化程度低，以及與遙感和模型尺度不匹配等瓶頸問題，通過原始和集成創(chuàng)新，研發(fā)了國(guó)產(chǎn)自動(dòng)化、智能化新型生態(tài)系統(tǒng)關(guān)鍵參量監(jiān)測(cè)設(shè)備，并研制了生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備（如通用型數(shù)據(jù)記錄傳輸儀、低功耗長(zhǎng)距離無線組網(wǎng)中繼和終端設(shè)備）和生態(tài)監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)信息系統(tǒng)（圖?1）。

黑河流域生態(tài)水文觀測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建了我國(guó)第一個(gè)多要素-多尺度-精細(xì)化流域綜合觀測(cè)系統(tǒng)，包括水文氣象觀測(cè)（加強(qiáng)觀測(cè)期有?23?個(gè)觀測(cè)站，目前長(zhǎng)期運(yùn)行站點(diǎn)為?11?個(gè)）、生態(tài)水文傳感器網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星遙感，引領(lǐng)了我國(guó)流域系統(tǒng)綜合觀測(cè)研究（圖?2）。流域內(nèi)長(zhǎng)期運(yùn)行?11?個(gè)氣象觀測(cè)站、11?個(gè)渦動(dòng)相關(guān)儀（EC）、2?套雙波段水熱觀測(cè)大孔徑閃爍儀（OMS）、3?套大孔徑閃爍儀、1?套積雪觀測(cè)系統(tǒng)。該綜合觀測(cè)系統(tǒng)覆蓋黑河流域上、中、下游區(qū)域，涵蓋草地/草甸、農(nóng)田、濕地、檉柳林、胡楊林、荒漠、戈壁等主要地表類型，觀測(cè)時(shí)間序列最長(zhǎng)的站點(diǎn)已有?13?年的數(shù)據(jù)積累。

深入開展定量遙感反演及遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)研究

基于電磁波輻射傳輸模型，黑河遙感站在大量地基遙感與星機(jī)地同步觀測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，發(fā)展了面向寒旱區(qū)陸地關(guān)鍵參量的定量遙感算法。包括：積雪、凍土、冰川、河湖冰等陸地冰凍圈要素，以及植被、碳循環(huán)、水循環(huán)和能量循環(huán)等干旱區(qū)地表關(guān)鍵參量。在對(duì)長(zhǎng)時(shí)間序列遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，黑河遙感站研發(fā)了面向冰凍圈與寒旱區(qū)關(guān)鍵參量的遙感產(chǎn)品。其中，我國(guó)逐日長(zhǎng)時(shí)間序列雪深遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品、地表凍融遙感產(chǎn)品等，被國(guó)內(nèi)外學(xué)者認(rèn)可并廣泛應(yīng)用在氣候變化、水文水資源和災(zāi)害等領(lǐng)域。

真實(shí)性檢驗(yàn)是評(píng)價(jià)遙感產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性和適用性的唯一手段，也是提高遙感產(chǎn)品精度的主要依據(jù)。遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)要依靠大量的地面觀測(cè)來遙感象元尺度的地表真值。這也是黑河遙感站的主要目標(biāo)之一。在黑河上、中、下游試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)了多尺度嵌套的土壤水分和地表溫度觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，來應(yīng)對(duì)從米級(jí)到千米級(jí)不同分辨率遙感數(shù)據(jù)的真實(shí)性檢驗(yàn)。經(jīng)過多年努力，黑河遙感站構(gòu)建了異質(zhì)性地表遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)的理論框架和方法體系（圖?3），系統(tǒng)地發(fā)展了異質(zhì)性地表優(yōu)化采樣、多尺度觀測(cè)、尺度上推、空間代表性誤差估計(jì)的新理論、新方法，解決了異質(zhì)性地表遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)的難題；并制定了多項(xiàng)遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

研發(fā)了流域“水-土-氣-生-人”復(fù)雜過程的綜合集成模型

開發(fā)冰川-凍土-積雪過程高寒山區(qū)水文模型

黑河上游高寒山區(qū)山徑流的預(yù)測(cè)精度直接影響中下游水資源分配，傳統(tǒng)的分布式水文模型多針對(duì)溫帶地區(qū)設(shè)計(jì)，直接用于積雪、冰川、凍土廣泛分布的寒區(qū)時(shí)，模型機(jī)理會(huì)失效，模擬能力和應(yīng)用效果也明顯變差。因此，鑒于寒區(qū)水文過程的特點(diǎn)，開發(fā)適合該區(qū)域特征的寒區(qū)生態(tài)水文模型對(duì)黑河流域水資源管理具有重要意義。

黑河遙感站利用黑河上游分布式的氣象水文觀測(cè)系統(tǒng)、積雪和凍土觀測(cè)系統(tǒng)、徑流觀測(cè)等長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)，在分布式水文模型（GBHM）中增加積雪、冰川和凍土模塊。積雪過程綜合了多套積雪模型方案，構(gòu)建了關(guān)鍵的積雪能量平衡方程，發(fā)展了基于能量平衡方程的多層積雪模塊?？紤]到黑河上游面積小于?1?平方公里的冰川占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，冰川模塊采用了計(jì)算過程相對(duì)簡(jiǎn)單且對(duì)冰川規(guī)模無嚴(yán)格限制的高階冰流模型。凍融過程是在?GBHM?的框架內(nèi)，耦合了具有較強(qiáng)物理意義且能細(xì)致描述寒區(qū)凍土水熱過程的?SHAW（Simultaneous Heat and Water Model）模型?？紤]了積雪、冰川、凍土要素后分布式水文模型對(duì)黑河上游徑流模擬精度顯著提高（圖?4）。

研制耦合生態(tài)-水文-經(jīng)濟(jì)的集成模型

黑河流域綜合觀測(cè)系統(tǒng)獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)，為構(gòu)建耦合生態(tài)-水文-經(jīng)濟(jì)的全流域生態(tài)水文集成模型提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，保障了集成模型的順利完成；集成模型整體框架如圖?5?所示。在該框架下，模擬分析了歷史時(shí)期（1981—2010?年）黑河上游的生態(tài)水文現(xiàn)狀及空間分布格局，并結(jié)合氣候變化情景（RCP4.5）開展了長(zhǎng)時(shí)間序列的預(yù)估?？紤]上游來水變化，模擬了2001—2060?年期間黑河中下游的生態(tài)水文過程變化。首次利用模型和觀測(cè)手段閉合了黑河流域水量平衡。模擬了黑河流域不同空間尺度（如上、中、下游，以及灌區(qū)、河道、景觀等）的水量平衡，定量化了水循環(huán)過程各個(gè)分量的貢獻(xiàn)。預(yù)測(cè)了黑河流域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展路徑，結(jié)合聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）2010?年提出的共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑，綜合考慮人口、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)進(jìn)步、水資源利用等因素，形成黑河流域的共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑（SSPs）不同發(fā)展路徑，并定量評(píng)價(jià)了不同?SSPs?路徑下水壓力、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等要素的響應(yīng)的關(guān)系。

建立了黑河流域可持續(xù)發(fā)展決策支持系統(tǒng)

在聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（SDGs）和?IPCC SSPs研究框架下，結(jié)合黑河流域自然特征和關(guān)鍵流域發(fā)展問題，將?SDGs?和?SSPs?降尺度到流域尺度，建立了流域可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)（RiSDGs）和流域共享社會(huì)經(jīng)濟(jì)路徑（RiSSPs）。利用代理建模技術(shù)對(duì)黑河流域生態(tài)水文模型降維，生成上游生態(tài)水文代理模型和中下游生態(tài)水文代理模型，并通過地表需水和供水、土地利用變化、溫度、降水等界面參數(shù)將上游生態(tài)水文代理模型、中下游生態(tài)水文代理模型、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型（CGE）、土地利用模型、人口增長(zhǎng)模型、城市化模型、指標(biāo)計(jì)算模型和可持續(xù)性評(píng)價(jià)模型集成，形成了黑河流域生態(tài)水文-社會(huì)經(jīng)濟(jì)集成模型。以此為基礎(chǔ)，開發(fā)建立了黑河流域可持續(xù)發(fā)展決策支持系統(tǒng)（圖?6），該系統(tǒng)為?SDGs?在流域尺度和區(qū)域尺度上的實(shí)施和監(jiān)測(cè)提供了新途徑。

結(jié)語

黑河遙感站圍繞流域科學(xué)中的地面與遙感綜合觀測(cè)、模型集成與可持續(xù)發(fā)展等科學(xué)問題，建立了流域分布式、多尺度生態(tài)水文觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)及遙感像元尺度地面真實(shí)性檢驗(yàn)場(chǎng)，研發(fā)了一系列定量遙感產(chǎn)品，建立了流域集成模型，支持了遙感產(chǎn)品的真實(shí)性檢驗(yàn)和自然與人文復(fù)雜過程的流域綜合集成研究。黑河遙感站的觀測(cè)和研究將在我國(guó)山水林田湖草等綜合自然資源監(jiān)測(cè)、祁連山國(guó)家公園建設(shè)，以及流域可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中繼續(xù)發(fā)揮先鋒示范與科技支撐的重要作用。（作者：車濤、李弘毅、晉銳、蓋迎春、譚俊磊、張陽、任志國(guó)、王旭峰、李新，中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，中國(guó)科學(xué)院黑河遙感試驗(yàn)研究站；《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）

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