全球首張精確到“公里級(jí)”的“土壤水力物理背景超級(jí)世界地圖”在天津大學(xué)橫空出世。這張超級(jí)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(mèng)想”

　　一個(gè)網(wǎng)格化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)理論

　　1922年，英國(guó)氣象學(xué)家理查德森曾留下著名的“理查德森夢(mèng)想”，這是一個(gè)以人力計(jì)算天氣的設(shè)想：在一個(gè)大廳里，將歐洲區(qū)域分成網(wǎng)格，將氣象站觀測(cè)數(shù)值插到網(wǎng)格點(diǎn)上，人們手持紙筆忙著計(jì)算描述天氣的數(shù)學(xué)方程，并就計(jì)算方向發(fā)出指令……理論上，只要有足夠多的計(jì)算員不停工作，便可以形成一個(gè)“筆尖上的歐洲氣候數(shù)據(jù)地圖”，算出未來(lái)的天氣。當(dāng)年，實(shí)現(xiàn)這種“數(shù)值預(yù)測(cè)”最大的障礙是人力的巨大消耗：想要及時(shí)計(jì)算出歐洲天氣情況，大約需要6.4萬(wàn)人！理查德森失敗了，但他的“網(wǎng)格化數(shù)值天氣預(yù)報(bào)”理論卻隨著計(jì)算機(jī)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(cè)“做大做強(qiáng)”。土壤水力參數(shù)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)、農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)、天氣預(yù)報(bào)、空氣質(zhì)量等領(lǐng)域具有重大意義。一張能夠精準(zhǔn)預(yù)測(cè)全球土壤水力數(shù)據(jù)的“超級(jí)地圖”是全世界科學(xué)家的夢(mèng)想。

　　現(xiàn)在，使用張永根繪制的這張超級(jí)地圖，科學(xué)家可以“秀才不出門(mén)，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(cè)

　　超級(jí)地圖亦能超級(jí)精確

　　長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家獲取土壤水力參數(shù)主要靠“實(shí)測(cè)”和“預(yù)測(cè)”：“實(shí)測(cè)”需要在土壤深處采樣并送交專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)檢測(cè)，成本高、周期長(zhǎng)，目前，想通過(guò)實(shí)測(cè)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(gè)月時(shí)間，極不方便。

　　通過(guò)轉(zhuǎn)換函數(shù)“預(yù)測(cè)”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(yàn)公式建立，準(zhǔn)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(bǔ)的空白。

　　“我們這項(xiàng)研究成果不是用地圖去預(yù)測(cè)，而是說(shuō)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式是地圖。”張永根表示，“其實(shí)這也不完全是預(yù)測(cè)，而是基于已有大數(shù)據(jù)進(jìn)行的科學(xué)判斷。”

　　張永根的超級(jí)地圖自有其獨(dú)到之處：他利用機(jī)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(diǎn)獲得的5萬(wàn)個(gè)土壤樣品，提取出近12萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)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(jí)世界地圖。“全球有數(shù)以萬(wàn)計(jì)的土壤普查數(shù)據(jù)，我們?cè)谶@些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出一個(gè)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(jí)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(cè)出的數(shù)據(jù)也就更加精確。”

　　無(wú)償向全世界公布

　　下一步將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化

　　超級(jí)地圖系統(tǒng)問(wèn)世以來(lái)，張永根把網(wǎng)站和使用方法無(wú)償向全世界公布。現(xiàn)在每天都有來(lái)自各個(gè)國(guó)家的科研機(jī)構(gòu)和個(gè)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(lái)預(yù)測(cè)和防治水土流失、快速治理地下水污染、計(jì)算干旱地區(qū)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)節(jié)約用水、為數(shù)值天氣預(yù)報(bào)提供陸面過(guò)程的參數(shù)等。

　　下一步，超級(jí)地圖將實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化，研究者可以直接截取需要的國(guó)家或地區(qū)的數(shù)據(jù)。張永根還會(huì)繼續(xù)提升超級(jí)地圖的精度，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行尺度提升。在做全球氣候模型或陸面模型時(shí)，通常需要的數(shù)據(jù)是10公里或者25公里，如何實(shí)現(xiàn)從1公里到25公里的轉(zhuǎn)變，是超級(jí)地圖未來(lái)的主攻方向之一。

　　“希望通過(guò)我們的研究，對(duì)我國(guó)地下水資源保護(hù)，土壤污染治理，發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，提高天氣預(yù)報(bào)和氣候變化預(yù)測(cè)的精度等方面提供有力的科學(xué)支撐。”張永根說(shuō)。