Page 99 - 2023年第54卷第3期

２ 关键科学问题

２．１ 大范围大深度土壤水分连续监测原理 特大干旱的显著特征就是影响范围大、受灾面积广。我国
作为农业大国，快速准确获取特大干旱下土壤水分变化情况对于抗旱决策具有重要实践意义。由于影
响土壤水分的因素众多，大范围、实时准确地监测土壤水分面临诸多挑战。虽然站点观测在精度上是
最可靠的，但其空间代表性有限，难以支撑大范围的土壤水分监测。卫星遥感具有空间连续、成本低
廉、覆盖范围广等优势。其中土壤水分光学遥感的优势在于其大范围监测能力和较高的空间分辨率，
但其受云、大气和植被影响明显。土壤水分微波遥感虽然具有较好的物理基础并对云层和大气的穿透
能力更强。但其受到地表粗糙度和植被覆盖的影响导致精度有较大不确定性，且空间分辨率偏低，只
能以千米乃至数十千米级别分辨率的应用为主 ［５９ － ６０］ 。除此之外，无论是光学遥感还是微波遥感基本都
是以 ０～５ｃｍ深度的土壤水分作为反演目标 ［６１］ ，对影响作物生长的大深度土壤水分尚无法实现遥感精
准监测。相比地面和遥感监测，陆面模型通过融合多种观测数据，不仅可以生成时空连续、深度分层
的土壤水分模拟数据，而且能够更好地反映土壤水分与降水、蒸散发等其他水文要素的物理一致性，
在大范围大深度土壤水分连续监测方面具有独特优势 ［６２］ 。但陆面模型需要大量气象、水文及下垫面要
素的支撑，各种数据要素空间分辨率存在很大的不一致性以及参数不确定性，这在很大程度上影响了
土壤水分模拟精度。为此，未来应以针对大范围大深度土壤水分连续监测原理这一关键科学问题开展
攻关，系统揭示大范围多源遥感土壤水表层监测协同机制、土壤水盐垂向运移对深层土壤水分监测影
响机制，识别土壤水分同化技术多要素融合的协同机理与多监测方式开展的组织机制，为实现特大干
旱下土壤水分连续精准监测提供科学基础。
２．２ 多系统交互作用下特大干旱形成及演变机理 特大干旱的形成受气象、水文、农业、社会经济等
多系统的影响，气象干旱、水文干旱、农业干旱和生态干旱之间也存在复杂的相互作用，导致在特大
干旱的应对过程中存在干旱态势难预判、干旱规模难诊断、干旱应对时机难把握等诸多实际问题。在
全球变化的背景下，水循环进一步发生变异，导致水资源的时空分布更加不均匀，深刻改变了干旱发
生的降水量阈值、频率和分布格局等，直接增加了干旱的发生风险，如研究表明青藏高原东侧地区干
旱的原因是气候变化引发的高度场大气环流加剧 ［６３］ 。要深入揭示干旱形成机理，准确预测干旱的时空
变化，需解析干旱的多影响要素交互作用关系。当前国内外多系统交互作用研究大多针对气象、水
文、植被长序列互馈关系，主要刻画变量之间的线性关系 ［６４ － ６６］ ，无法探究不同干旱情景下气象、农业
及生态干旱的非线性交互作用，难以捕捉到特大干旱形成过程中的累积叠加、阶跃突变效应和多要素
交互影响关系。此外，当前对干旱的时空演变特征关注点仍以游程理论中的干旱强度、历时和烈度为
主 ［６７］ ，对干旱重心（质心）、空间上的迁移速度、迁移方向与路径关注不足，对特大干旱的形成与演
变机理认知与理解有限，无法回答多系统交互作用下不同类型干旱传播特征、机理与驱动力。从而使
得当前主流模型难以准确模拟与预测特大干旱的时空变化。为此，未来应重点关注多系统交互作用下
特大干旱形成及演变机理这一关键科学问题，揭示特大干旱迁移速度、路径，以及传播特征的时空演
变规律，解析气候、土壤、植被以及典型人类活动对干旱传播的影响，识别多系统交互作用下特大干
旱多时空尺度形成与演变的主要驱动力，以支撑特大干旱的精准诊断与预报，为特大干旱的早期预警
与应对调控奠定科学基础。
２．３ 特大干旱情景下区域供需水双向调控机制 特大干旱下水资源系统处于一种水分亏缺的极限供需
状态，这种状态下抗旱水源系统与用水系统之间的相互影响关系与常态情景有很大差别。国内外研究
的重点是从供给侧进行挖潜增供，主要方法有洪水径流利用、地下水应急增供，以及利用旱限水位的
风险对冲策略来控制水库供水过程，提高抗旱水源的应对能力。对于极限状态下的水资源调控，国内
外针对不同用水对象水源配置展开了一些研究，如 Ｌｕｎｄ等 ［１４］ 提出的干旱条件下的水资源配置策略已
经在美国加州地区水资源管理与调控中得到应用，Ｄｉ等 ［６８］ 提出的基于生态经济学的水资源配置理论
与方法，在黄河流域干旱应对中进行了应用，张弛等 ［６９ － ７０］ 提出了枯水情况下的水库群调度方案。但是

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