遥感综合观测与模型集成研究为黑河流域生态环

本文刊载于《中国科学院院刊》2020年第11期“中国科学院野外台站”

车 涛 李弘毅 晋 锐 盖迎春 谭俊磊 张 阳 任志国 王旭峰 李 新

中国科学院西北生态环境资源研究院 中国科学院黑河遥感试验研究站

黑河流域是我国第二大内陆河流域，面积约?14.3万平方公里。在黑河流域从上游至下游，形成了以水为纽带的多元自然景观，包括冰川、积雪、冻土、草原、森林、河流/湖泊、绿洲、戈壁、沙漠等。黑河流域寒区旱区并存，上游属于极端寒冷环境，而下游属于极端干旱环境。

黑河流域历史悠久，早在汉朝时期这里已经有大规模的农田水利设施。多元的自然景观与复杂的人文过程交织在一起，使得黑河流域成为开展星机地综合遥感观测与模型集成的理想天然地球科学实验室。

近年来，随着气候变化与经济发展，黑河流域出现了一系列的生态环境问题。例如：黑河流域上游冰雪、冻土快速退化，过度放牧和矿产开发对上游高寒生态系统造成了严重的影响和破坏；中下游农业灌溉与生态用水矛盾突出，曾经一度随着上中游人口增加与耗水增多，大幅挤占下游生态用水，最终导致下游天然绿洲大面积萎缩、居延海干涸、沙尘暴频发等严重的生态灾难。

虽然通过行政手段制定了中、下游分水方案，使得下游的生态得到了一定的恢复，但是黑河流域仍然面临着严重的生态环境问题，威胁着该区域的可持续发展。当前急需流域尺度的立体化网络化的综合观测与模型集成研究来科学评估和指导黑河流域的可持续发展，并为寒旱区内陆河流域科学管理提供支撑。

中国科学院黑河遥感试验研究站（以下简称“黑河遥感站”）围绕黑河流域生态环境保护与流域可持续发展，致力于生态水文要素综合监测与模型集成研究，建立了涵盖上、中、下游的流域尺度水文气象综合观测体系，发展和生产了一批寒旱区遥感数据产品，改进和开发了一系列针对寒旱区过程的生态、水文模型，支撑了黑河流域水资源管理与优化、生态保护与修复等相关政策制定。

流域观测系统是流域科学研究中的新手段，兼顾流域中水文、生态、气象等观测的时空尺度，地面观测与遥感观测相配合，从流域整体的角度出发考虑观测的代表性，将监测与控制试验并重，重视新兴观测手段与信息系统和模型的高度集成。黑河遥感站在黑河流域初步建成了流域观测系统。

从区域代表性上，该系统包含了黑河上游的高寒生态系统、中游的人工绿洲与荒漠生态系统和下游的天然绿洲生态系统；从观测要素上，包含植被（如碳通量、树干液流、叶面积、物候期、生物量、太阳诱导叶绿素荧光）、大气（如温度廓线、湿度廓线、辐射、降水、潜热通量、感热通量等）、土壤（如温度廓线、湿度廓线、热通量）等；从观测手段上，将单点观测与网络化观测相结合，可以获取米级到千米级不同遥感尺度上的代表性观测。

针对我国生态系统监测设备严重依赖进口、观测设备自动化和信息化程度低，以及与遥感和模型尺度不匹配等瓶颈问题，通过原始和集成创新，研发了国产自动化、智能化新型生态系统关键参量监测设备，并研制了生态监测物联网关键设备（如通用型数据记录传输仪、低功耗长距离无线组网中继和终端设备）和生态监测物联网信息系统（图?1）。

针对我国生态系统监测设备严重依赖进口、观测设备自动化和信息化程度低，以及与遥感和模型尺度不匹配等瓶颈问题，通过原始和集成创新，研发了国产自动化、智能化新型生态系统关键参量监测设备，并研制了生态监测物联网关键设备（如通用型数据记录传输仪、低功耗长距离无线组网中继和终端设备）和生态监测物联网信息系统（图?1）。

图 1 黑河遥感站研发的无人机物联网中继系统采集无网络覆盖观测站点数据示范

黑河流域生态水文观测系统构建了我国第一个多要素-多尺度-精细化流域综合观测系统，包括水文气象观测（加强观测期有?23?个观测站，目前长期运行站点为?11?个）、生态水文传感器网络及卫星遥感，引领了我国流域系统综合观测研究（图?2）。流域内长期运行?11?个气象观测站、11?个涡动相关仪（EC）、2?套双波段水热观测大孔径闪烁仪（OMS）、3?套大孔径闪烁仪、1?套积雪观测系统。该综合观测系统覆盖黑河流域上、中、下游区域，涵盖草地/草甸、农田、湿地、柽柳林、胡杨林、荒漠、戈壁等主要地表类型，观测时间序列最长的站点已有?13?年的数据积累。

文章来源：《科学管理研究》 网址: http://www.kxglyjzz.cn/zonghexinwen/2021/0210/573.html