在全球氣候變化背景下，準確預測多年凍土區(qū)的土壤水分，對保障生態(tài)安全和重大工程穩(wěn)定至關(guān)重要。近日，我國科研團隊研發(fā)出一種融合模型與智能算法的“高精度導航”方法，顯著提升了東北多年凍土區(qū)土壤水分的模擬預測能力，其研究成果于3月22日發(fā)表在國際知名期刊《水文學：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)測和模擬一直面臨挑戰(zhàn)。復雜的凍融過程、茂密植被和厚層有機質(zhì)，使得傳統(tǒng)站點觀測和衛(wèi)星遙感均難以準確反映實際情況。
為攻克難題，東北林業(yè)大學單煒教授團隊以“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，使模型能更準確地“理解”凍土的特殊水熱行為。
團隊的核心創(chuàng)新在于引入了“數(shù)據(jù)同化”技術(shù)，為模型裝上“實時智能糾錯系統(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)星觀測的真實數(shù)據(jù)與模型模擬進行融合比對，動態(tài)修正預測軌跡，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。
這項研究的價值遠不止于學術(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，同時能為“中蒙俄經(jīng)濟走廊”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確預測，對預警融沉、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。
“我們的目標是為這片對氣候變化極為敏感的區(qū)域，建立一個更可靠的‘預警系統(tǒng)’。”單煒教授表示。該研究標志著我國在寒區(qū)水文學與陸地過程模擬領(lǐng)域取得了新的重要進展。
（受訪者供圖）
（原題：為凍土“把脈” 我科學家創(chuàng)新方法提升土壤水分預測精度）