在全球氣候變化背景下，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)多年凍土區(qū)的土壤水分，對(duì)保障生態(tài)安全和重大工程穩(wěn)定至關(guān)重要。近日，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種融合模型與智能算法的“高精度導(dǎo)航”方法，顯著提升了東北多年凍土區(qū)土壤水分的模擬預(yù)測(cè)能力，其研究成果于3月22日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《水文學(xué)：區(qū)域研究》上。
東北多年凍土區(qū)是重要的生態(tài)屏障，但該區(qū)域土壤水分的精確監(jiān)測(cè)和模擬一直面臨挑戰(zhàn)。復(fù)雜的凍融過程、茂密植被和厚層有機(jī)質(zhì)，使得傳統(tǒng)站點(diǎn)觀測(cè)和衛(wèi)星遙感均難以準(zhǔn)確反映實(shí)際情況。
為攻克難題，東北林業(yè)大學(xué)單煒教授團(tuán)隊(duì)以“Noah-MP”陸面過程模型為基礎(chǔ)，首次系統(tǒng)性地為其優(yōu)化了針對(duì)東北凍土環(huán)境的十余種關(guān)鍵物理參數(shù)方案，使模型能更準(zhǔn)確地“理解”凍土的特殊水熱行為。
團(tuán)隊(duì)的核心創(chuàng)新在于引入了“數(shù)據(jù)同化”技術(shù)，為模型裝上“實(shí)時(shí)智能糾錯(cuò)系統(tǒng)”。該系統(tǒng)利用集合卡爾曼濾波等多種算法，持續(xù)將地面和衛(wèi)星觀測(cè)的真實(shí)數(shù)據(jù)與模型模擬進(jìn)行融合比對(duì)，動(dòng)態(tài)修正預(yù)測(cè)軌跡，從而大幅減少誤差。
研究表明，這套優(yōu)化方案效果顯著。改進(jìn)后的模型將土壤凍結(jié)深度的模擬誤差減少了約0.09米，在0-100厘米關(guān)鍵土層的土壤水分模擬誤差降低了20%至50%。其中，擴(kuò)展卡爾曼濾波算法表現(xiàn)最優(yōu)，顯著提升了以往最薄弱的寒冷季節(jié)模擬能力。
這項(xiàng)研究的價(jià)值遠(yuǎn)不止于學(xué)術(shù)論文。單煒教授表示，精確的土壤水分信息是理解凍土退化與生態(tài)反饋的關(guān)鍵，同時(shí)能為“中蒙俄經(jīng)濟(jì)走廊”穿越凍土區(qū)的公路、鐵路、管線等重大基礎(chǔ)設(shè)施，提供路基水分和溫度變化的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，對(duì)預(yù)警融沉、凍脹災(zāi)害，保障工程全生命周期安全具有不可替代的科技支撐作用。
“我們的目標(biāo)是為這片對(duì)氣候變化極為敏感的區(qū)域，建立一個(gè)更可靠的‘預(yù)警系統(tǒng)’。”單煒教授表示。該研究標(biāo)志著我國(guó)在寒區(qū)水文學(xué)與陸地過程模擬領(lǐng)域取得了新的重要進(jìn)展。
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（原題：為凍土“把脈” 我科學(xué)家創(chuàng)新方法提升土壤水分預(yù)測(cè)精度）