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水文、气象领域的尺度转换与炼金术中的元素转换杂拌谈

已有 3061 次阅读 2012-7-11 16:54 |个人分类:水文科学|系统分类:科研笔记|关键词:制图综合 尺度转换  炼金术| 炼金术, 制图综合, 尺度转换

  所谓尺度问题、尺度转换,近些年在气象、水文、土壤、植被等多个涉地学科都成为研究重点与热点话题。
  早年全凭迈脚丈量大地、伏案勾绘河山的地图学、测绘学手段现如今摇身一变为遥感科学与技术,视野猛然界开阔起来,加之计算机技术空前强大,不由得不感叹“地球真小”。与此相关,纵横捭阖的尺度转换问题也进入了研究人员的视野。
  据我看来,“尺度转换”的前身可能是制图学中针对不同比例尺进行取舍的“制图综合”。具体说来,制图综合是地图编绘的专业方法,它是指运用科学方法,根据比例尺、制图区域特点与工作要求等,舍去次要的和非本质的碎部,概括地把制图区域的基本轮廓和典型特征反映在图上。制图综合有助于揭示所在区域、所研究对象固有的、主要的、本质的特征,突出了它们的规律性与相互关系。比例尺对制图综合的影响最为显著,它决定了制图综合的程度。首先,制图比例尺决定了整个制图对象图形的大小,如由详细大比例尺图缩小为概括大比例尺图,或由概括大比例尺进一步缩小为中比例尺,制图对象的几何轮廓都要发生相应的改变。其次,随着地图比例尺的缩小,地图的内容、制图对象的质量和数量特征也会发生变化,概括的程度也不一样。比例尺越小,制图综合的程度越高,图上所显示的内容也越概括,制图对象的轮廓也越简单;反之亦然。
  为了阅读与实用的需要,允许在图上保留的图景、图斑大小是有一定限制的。一言以蔽之:比例尺一旦缩小,小比例尺图必须会丢失大比例尺图中原带的部分特征信息。
  与尺度转换有关的升尺度、降尺度在水文、气候模拟的全球模式、区域模式、局地模式中有着明显的实际需要与应用价值。
  大气科学研究注重通用性、普适性、基础性,追求物理科学的严谨性。地理学尽管发生过定量革命,但仍强调区域的独特性、例外性,“因地制宜”此之谓也。
  依气象学缘自物理学的信心,尺度转换似乎是无疑的、存在的,只不过有待探索与精细化。其实,计算机图像处理、各种专业图像处理可能都涉及所谓尺度转换问题。我不否认,在某些场合或情景下,尺度转换问题会得到一定程度的解决,可能会实现。我从地理学的眼光观察与分析,非常怀疑“尺度转换”是否是普适的、存在的。
  如果,一味地迷信所谓“尺度转换”的神奇,我觉得可能会步入炼金术中“元素转换”盲信的老路。
  我的基本判断是:不同尺度在共性之处,可能具有自身尺度上的独特性,是其它尺度所不具备也不可以转换的。立足于某一种或某几种尺度本身的各种特性,深入分析,发现在本征尺度(Intrinsic:本征的,固有的,内禀的,本质的)上的变化规律,这才是根本。本征特征搞清楚了,即使无法实现“尺度转换”又何妨?
  借用生物学中“生物多样性”、“生态位”的客观差异性、天然合理性,我自创“尺度多样性”表达尺度上可能存在的客观差异性、天然合理性。炼金术中“元素转换”不是万能的,地学领域的“尺度转换”可能也并不是万能的。
  当然,尺度自身特性及转换问题的探索是具有明显的理论意义与现实意义的。
  在水文学领域,胡和平等发表的《物理性流域水文模型研究新进展》(水利学报,2007)简要讨论了水文模型的尺度问题,并指出:“对FH69(指Freeze等1969年提出的一个具有严格物理基础流域水文模型的“蓝本”)模型中内在的尺度不匹配问题的思考构成了当代水文学理论研究的中心内容。”胡和平等介绍了“尺度协调的物理性流域水文模型”的内容,具体如下:“FH69模型中的数学物理方程分别是水力学、地下水动力学和土壤水动力学的基本方程,它们都是微观尺度(点尺度或REV尺度)的方程。为建立适用于宏观尺度的方程,目前出现了两种研究思路:一是基于概率和统计理论将微观尺度的数学物理方程升尺度(upscaling)到宏观尺度;二是基于热力学理论直接建立宏观尺度适用的数学物理方程,并以本构关系的形式将空间变异性的影响耦合到控制方程中。”
  对于胡和平等介绍的第二种方法,我觉得很有意思,宏观尺度或某种尺度可能有其自身的规律,至于用什么理论下一步的问题了。
  为准确起见,下面转述胡和平等对有别于“升尺度”法的“热力学法”(注:非胡原有,笔者名之)的详细表述:“基于热力学建立水文模型的理论最早由Reggiani等提出,称为基于代表性单元流域的水文模拟方法(Representative Elementary Watershed,REW)。随后Haksu等对其中的本构关系进行了深入研究,研制了CREW模型,Tian等对模型结构进行了扩展,并研制了THModel。REW理论的基本思路为:首先将流域离散为代表性单元(REW),并按照流域上发生的水文过程将REW划分为不同的功能子区;其次,在各功能子区上针对各相物质(如土壤骨架、水、气体等)根据连续介质热力学的一般原理分别建立质量、动量和能量的守恒方程及熵的平衡方程,然后对局部方程分别在时间和空间上进行均化,得到REW尺度上描述各相物质的质量、动量、能量守恒规律的常微分方程,由于未知量的个数多于方程的个数,所以是不定方程组。为了求解这些方程组,就要从几何关系和本构关系上构建闭合条件:几何关系与空间尺度无关,并能达到较高的精度;本构关系则与尺度相关(REW方法的本构关系需要建立在REW尺度上),且不可能达到几何关系的精度,本构关系的建立需要新的观测事实和理论分析成果的支撑。”水文学大佬之一的Beven认为“REW理论是建立尺度协调理论的重大创新”。
  胡和平等称,包括水文尺度与转换在内的物理性水文模型研究是一个充满机遇和挑战的活跃领域。我相信,除学者身份外,身兼清华大学党委书记的胡先生此言不虚。水及水问题在未来社会中必将起着越发重要的作用。
  “炼金术中的元素转换”在本文中一笔带过,因为它在本讨论中只相当于中药的药引子而已。


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