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张珂:纵横江河二十年

来源:  发布时间:2021-10-15

范佳乐

  
  
  2000多年前,太史公南登庐山,俯瞰大禹疏浚九江之遗迹,行走四方考察,遍览天下之水,最终发出“甚哉,水之为利害也”的千古感叹。
  这一声感叹道出几千年来人与水之间紧密相连的关系。水利则万物生,水为患则民生不安。面对水资源时空分布极不均衡,水旱灾害频发这一基本国情,中华人民共和国成立后,党和政府多次召开水利工作会议,部署实施了一系列重要的水利工程,对大江大河进行治理。为了防治中小河流洪灾频繁发生,我国政府于2010年启动了全国中小河流水文监测系统等项目建设。许许多多水文水资源领域的科研工作者投身其中,为水旱灾害的防治工作默默奉献。
  来自河海大学的教授张珂正是其中一员。近20年来,他牢记使命,在水旱灾害形成机理、监测与预报预警、水文过程卫星遥感技术及应用、陆气耦合机理与模拟、气候变化和人类活动对生态水文过程的影响等方面取得了一系列科研成果,发表学术论文100余篇,申请授权发明专利、软件著作权近20项,编写著作7部,为我国水利科学的发展作出了贡献。
  
天下有溺犹己溺,此志毋稍弛
  
  张珂身上的使命感来自1998年那场百年一遇的大洪水。
  那年夏季湿热异常,入汛以来,从6月12日到8月27日,整整77天,江南、华南大部分地区及东北局部地区连降暴雨,引发特大洪水,全国共有29个省、自治区、直辖市遭受触目惊心的洪涝灾害。在这场牵动全国的天灾中,湖北利川的土家族少年张珂完成了自己的志愿填报和高考。
  “利川在清江上游,洪水不算大,但是整个长江流域洪水肆虐,这强烈激发了我战胜天灾的想法,因而选择了河海大学的王牌专业水文与水资源学……当时的想法其实还挺单纯的。”23年后,已经是水文水资源领域知名中青年专家的张珂,提起这份科研初心仍然有些动容。
  作为灾难的亲历者,18岁的张珂已经深刻意识到人与水的利害关系。这在往后的岁月中数次提醒他,一定要把水文与水资源学研究做好。“天下有溺犹己溺,此志毋稍弛。”河海大学校歌中的这句词,成为张珂内心的真实写照。
  1998年,张珂进入河海大学就读水文与水资源利用专业,通过4年的学习,取得了优异的成绩,获评为校优秀毕业生,作为极少数成绩优异的本科生被推荐免试在河海大学继续攻读硕士学位。硕士期间,他跟随导师李致家教授研究水文物理规律模拟及水文预报,李致家教授是水文预报领域的著名专家,师承我国著名水文学家赵人俊教授。李致家教授很早就发掘了张珂的科研潜力,非常支持张珂的研究想法,给了他极大的科研自由度和信心,指导他在分布式水文模型研发上取得重要成果。2005年,张珂以优异成绩毕业,其学位论文获评为江苏省优秀硕士论文。为了学习世界最新科技和探索国际学术前沿,他勇敢踏出国门,远赴美国蒙大拿大学攻读生态水文学博士学位。
  在蒙大拿大学,张珂的导师是美国生态水文领域的顶级专家Steven Running和陆面遥感领域的著名专家John Kimball。Steven Running教授虽然年纪较大,但思维活跃、视野开阔,为人和蔼可亲,善于四两拨千斤,在轻松的氛围当中给予学生精准的点拨。John Kimball教授当时40余岁,精力充沛,做事勤勉高效,是一位行动派人士。最令张珂印象深刻的是,每次“论文交上去,他通常3天就会修改好,连细微语法错误都不会放过”。两位导师的科研风格深深地影响了张珂,多年后他走上自己的工作岗位时,这些都成为难能可贵的经验财富。
  博士期间,张珂的研究主要围绕泛北极地区陆地生态水文过程对气候变化和波动的响应。在导师指导下,张珂成长迅速,相关研究也成为他的代表性研究成果之一。2009年博士毕业后,他顺利获得了全球顶级高校哈佛大学的博士后研究岗位。2010年到2014年,张珂在哈佛大学有机体和进化生物系历任博士后研究员和副研究员。
  在哈佛大学,张珂参与到一项备受瞩目的课题中。当时,世界上最大的热带雨林——“地球之肺”亚马孙热带雨林在20世纪后半叶遭到了难以逆转的过度开发,导致雨林急剧减少,截至2010年,其热带雨林的面积减少了整整一半,引起国际各方高度关注。
  “我在哈佛大学的博士后导师Paul Moorcroft教授对水文生态研究领域做得非常深入,引领了全球植被动态模型的研究,他十分善于探究本质。他特别执着,给我做了很好的指引。他当时带领团队开发了一个引领学科国际前沿的全球动态植被模型,叫Ecosystem Demography-2.0模型。2010年受戈登和贝蒂·摩尔基金会600多万美元资助,Paul Moorcroft带领团队开始研究和预测21世纪在不同气候变化和人类活动情境下,亚马孙热带雨林碳-水循环变化及其生态效应。”这是一个充满挑战又蕴含重要科研价值的研究项目,张珂在哈佛大学期间,有相当长的时间投身其中。后来,他还加入美国宇航局的AirMOSS研究计划中,为此工作长达3年。“我在这两个项目当中主要的工作就是运用最新的遥感和模型模拟技术来研究陆地生态系统对气候系统的变化和波动的响应及反馈作用。后来陆续有多篇高质量成果发表在相关领域的顶级期刊上。”这些成果的发表令张珂在学术界得以崭露头角。
  早在哈佛大学做博士后研究期间,张珂就接到了母校河海大学的热切邀请,希望他回校任教。出于积累经验、全面提升的打算,张珂没有立即答应。后来,他又受邀前往俄克拉何马大学中尺度气象研究联合所任研究员,进一步从事水文气象领域研究工作。2014年至2015年,张珂相继担任了俄克拉何马大学遥感应用和地理信息系统研讨会发起人和主持人。2015年,他又担任了美国地球物理学会“Advances in Remote Sensing of Natural Hazards”分会发起人和主持人,并从这年开始受邀担任美国地球物理学会Remote Sensing and Natural Hazards专著主编。至今,他还担任Frontiers in Earth Science副主编、Advances in Meteorology特邀主编。学术地位得到肯定,掌声与鲜花一同涌来的时候,张珂再次收到了母校河海大学伸出的橄榄枝,此时的他认为时机终于成熟,欣然答应。
  大禹治水,足迹遍布九州,三过家门而不入。张珂海外求学、科研十余载,辗转多地,不敢懈怠。为天地立仁心,为生民担使命,这个从清江源头走出的土家族少年,为着心里始终涌动着的那份悲悯博大的情怀,从传统水文到生态水文、遥感水文、水文气象,如饥似渴地汲取,从不拘泥于某一方向,尽可能通才达识形成多元交叉的学科体系。这条路虽辛苦,但他走得稳稳当当,深深扎根,缓缓开出了花。
  
横流浩劫永断绝,拯救数兆黎
  
  在河海大学,张珂迎来了自己的科研成果井喷期。
  河海大学作为国内水利学科的王牌院校,近10年来,大力开展走出去和引进来的学术交流战略,具备了浓郁的国际化科研氛围。借助河海大学这一广阔平台,回国后,短短6年,张珂先后成为国家高层次人才青年项目入选者、江苏省杰出青年基金获得者、江苏省“双创计划”双创人才、江苏省“六大人才高峰”高层次人才、南京“科技顶尖专家集聚计划”人才;相继主持包括国家重点研发项目课题、国家自然科学基金委面上项目在内的国家和省部级项目近20项,取得了一系列可喜的成绩;并于2020年当选国际环境建模与软件协会(iEMSs)秘书长,国际水文科学协会(IAHS)中国委员会委员等:同时,他还是Journal of Hydrology、Environmental Modelling & Software、Hydrology Research、Water Science and Engineering、Hydrology Research、Advances in Atmospheric Sciences等国际著名学术期刊的副主编或编委。
  张珂继承了导师们的实干、勤勉、高效、开明,又将这些传递给与自己并肩作战的团队成员们。他欣赏思维活跃的学生,并注意引导他们沉下心来,将科研成果真正形成科研产出,用于造福社会。他鼓励学生学好语言工具,如当初John Kimball教授通篇不放过一个细小错误地给自己改论文那样,极其认真地对待学生交上来的文章。他将自己对夯实水文与水资源学基础,提升交叉学科背景的理念贯彻始终,因而他的团队能做的课题多,研究起来有信心。在这支由4名青年教师、3名博士后研究员、30多名硕博士研究生组成的课题组中,到处都是张珂的烙印。
  带着这样的队伍,张珂通过一个又一个项目,践行着“横流浩劫永断绝,拯救数兆黎”这句河海大学校歌歌词道出的科研理想。
  2016年起,面对我国水旱灾害频发,在气候变化与高强度人类活动共同作用下,水文节律非稳态增强,不确定性加剧,洪旱灾害预测预报面临巨大挑战的实际情况,张珂带领团队展开“多遥感与大数据技术推动的水灾害预报研究”。他们利用大数据技术挖掘水文规律,实现模型结构和参数的优化,提高了对下垫面时空变异性的体现程度;辨析了星地多源降水数据误差特性并研究含多源降水产品的高效融合与降尺度方法;厘清了土壤含水量同蒸散发过程的相互作用机制,实现了土壤湿度微波物理反演与蒸散发反演模型的有效结合,建立了土壤湿度与蒸散发的协同反演方法;结合最新信息同化技术,研究多源信息场同精细化分布式水文模型的同化方法,从而提高了洪旱水灾害的模拟预报精度。
  2018年起,张珂团队开始了对“典型湿润山丘区异质下垫面下生态水文学过程耦合机理与模拟”课题的研究。团队选取了新安江“大-中-小”三级嵌套流域开展野外立体观测实验和机理分析,建立了基于多源、多平台遥感手段的植被组成与结构协同反演方法,探明了植被的空间异质性,揭示了精细尺度下流域下垫面空间异质性对生态水文过程的影响机制,构建了流域下垫面物理条件空间异质性对生态水文过程影响的非均化概化、精细化模拟和尺度转换方法,发展了基于哈佛大学Ecosystem Demography-2.1动态植被模型的生态水文模型,阐明了典型湿润山丘区生态水文过程的时空分布规律。在研究湿润山丘区的生态水文耦合机理、下垫面概化方法和模型模拟技术等方面取得了一系列创新。
  针对宁夏三河源地区水资源“量少、质差、分散,蒸渗损失大、利用效率低”,水源涵养林建设存在“成活率低、保存率低、配置不合理”,以及水土保持工程措施导致水资源无效损失加大等问题严重影响当地200万居民生存和发展的现状,张珂和团队围绕气候和下垫面变化下如何实现三河源区的水资源挖潜,选择具有代表性的3个流域,开展三河源气候和下垫面条件变化下水循环过程和水资源潜力评估与挖潜等研究,重点解决了该地区水资源潜力挖掘和水资源高效利用的关键技术和方法,为大规模开展生态建设和经济建设提供了技术支撑。
  在张珂及其团队目前在研的项目中,最重要的一项是关于中小河流防控这一难题。“1998年之后,我国在大江大河的治理上取得了突破性的成功。大江大河的洪涝灾害发生频率显著下降,但是随着城镇化发展,一些中小河流旁边聚集起越来越多的人口。中小河流洪涝灾害频发,造成大量人员财产损失,已成为我国洪涝灾害损失的主体 。”
  2018年,河海大学获得科技部资助承担国家重点研发项目“中小河流防控与应急管理关机技术研究与示范”,张珂带领团队主持了“不同水文气象分区和下垫面产汇流演变规律及响应机理”课题。围绕厘清中小河流产汇流规律和提升洪水预报精度的科学目标,通过结合产汇流机理分析、多源遥感方法、信息融合技术和模型模拟方法,他们提出了蓄满与超渗产流模式的空间组合模拟方法、流域土壤湿度初始状态场和实际蒸散发耗散的卫星遥感估算方法等,形成了基于多源遥感和信息融合的中小河流洪水预报方法与模型。该研究成果经过应用对比发现,比原有的固定产流模式模型方法的洪水预报合格率提升了15%~40%,显著地提升了预报精度。
  “未来,我们打算把这套技术推广到全国,让它能够真正落地,为全国的防控减灾服务,我希望它能达到如1998年之后国家对大江大河的治理所取得的效果。”张珂相信那一天很快会到来。大江大河、中小河流相继得到有效治理,奔腾肆虐的洪魔被锁在水利科学的大网中,可防可治,可监测可预报,不受约束的洪灾成为传说,水利而万物生发。
  

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2022年4月

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