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          客觀日本

          【國際人才環流】NIED:通過革新式使用雷達,構建水災韌性社會——專訪Shakti P.C.博士

          2023年10月17日 交流

          加強國際人才環流是研究開發工作充滿活力的必要條件。日本需要積極推進全球“知識”的交流,增強研究和創新能力。為此,在推進研究環境的國際化的同時,促進國際人才的交流,確保日本緊密融入國際人才環流非常重要。

          為此,“國際人才環流”特輯將通過對研究一線的科研人員的采訪,介紹日本研究一線為促進國際人才環流,創造卓越研究成果而實施各種舉措的現狀和課題,同時介紹吸引全球研究人員的重要因素——日本研究環境的魅力。本次我們采訪了日本防災科學技術研究所(NIED)的主任研究員Shakti P.C.博士。

          坐落在太平洋火山帶上的日本,經常遭受包括地震、火山噴發以及海嘯等在內的自然災害的侵襲。此外,每年都有可能會引發洪水和山體滑坡的臺風和暴雨。這些自然災害給社會基礎設施、人的生命安全和經濟造成重大損失。面對這些災害,日本通過開發先進的預警系統、構筑強韌基礎設施以及為公眾提供防災訓練,在最大限度降低災害影響方面取得了長足進步,成為了世界上最具抗災能力的國家之一。當然也還存在改進的空間,為此日本正在開發新技術和對策,以減少國民受災。

          NIED是日本研究自然現象及抗災技術,從而實現社會抗災韌性的國立研究機構之一。尼泊爾國籍的Shakti P. C.博士是NIED水及砂石研究部門的主任研究員,是雷達降雨觀測研究的前沿人物。此次,我們采訪了他對降雨及災害研究的感興趣的機緣,在日本及國外從事研究的經歷,以及對國際人才環流、全球科研流動性的重要性所持的看法。

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          NIED水及砂石研究部門主任研究員Shakti P.C.博士

          尼泊爾山村的童年經歷使他對地球科學萌生興趣

          Shakti博士出生在尼泊爾藍毗尼?。↙umbni)風景如畫的桑迪卡爾卡(Sandhikharka)村,四周環繞著群山、丘陵和河流,靠近著名的佛陀誕生地Shakti博士親切地回顧了自己的童年,講述自己與家鄉村莊自然景觀之間的深厚聯系。他每天上學的路上都必須穿越一條小河,雨季的時候河水會漲水并經常發生洪水,如果超過一定水位線,Shakti和他的同學便無法過河。不過,村民們似乎習慣了洪水,有時他們會從污濁的洪水中游過,因為別無選擇。

          正是這段經歷使年輕的Shakti對水文學和氣象學產生了最初的興趣,“當時還沒有橋,我們只能跟著老師一起趟水過河。我爺爺常說我們要想辦法解決這些洪水以及隨之而來的山體滑坡問題。這些在當地都是涉及人命的大問題。長大后,我時?;叵肫鹱娓傅脑?,最終使我投身到了地球科學領域?!?

          在家鄉高中畢業后,Shakti考入尼泊爾最古老及規模最大的大學——位于首都加德滿都的特里布文大學(Tribhuvan University),繼續深造。童年的經歷激發了他探究水文學和氣象學的興趣,因此他攻讀了理學學士學位,隨后又于2002年取得了碩士學位。Shakti讀書時很勤奮,取得了整個系的最高分,因此在完成碩士學位后被授予“Mahindra Bidhya Bhusan (Kha)”金質獎章——這是當時由尼泊爾國王頒發的榮譽(尼泊爾于2008年廢除了君主制)。此后,Shakti留在母校開始了5年的教學生涯,教授本科和研究生課程。

          在教學期間,Shakti參與了多項研究和野外實驗項目。這使得Shakti產生了在水文氣象領域進一步深造的愿望,于是他開始尋找出國留學的機會。由于海外學習學費昂貴,他不得不尋找獎學金,幸運的是,他獲得了比利時政府的獎學金,從而有機會在比利時魯汶天主教大學攻讀水資源工程的國際碩士課程?!罢n程難度很大,這是一個傳統的老專業,有很多英語授課的課程,許多課程都采用講座形式,教授講述新的知識,然后提問。學生當場便會知道自己是否及格。這是一種非常好的經歷?!闭勂鹱约涸跉W洲的求學時光,Shakti博士接著說道:“那個課程的學生來自非洲、東亞和南亞等多個國家。這段經歷很有挑戰性,也非常寶貴,為深入研究水文模型提供了絕佳機會,尤其是我在那里第一次分析了一些歷史事件的雷達降雨數據,這是一個相當新穎的課題?!?

          在歐洲深造之后,由于個人原因,Shakti回到了家鄉,正是在這個時候,他偶然接觸到了一些有關日本應用雷達進行降雨觀測的論文?!斑@在很大程度上影響了我對這一領域的興趣?!北M管從兒時起,Shakti就知道日本這個國家,但直到他來到日本后,才意識到尼泊爾與日本有許多地質上的相似之處,都有著山地覆蓋(尼泊爾為75%,日本為73%)以及相似的氣候和災害現象。通過論文,他第一次知道了牧雅之教授,這位教授對他日后的研究生涯產生了深遠的影響。

          “牧雅之教授是氣象雷達觀測和雷達氣象學的關鍵人物。他的論文和創新成果激發了我的興趣,所以我主動聯系了牧教授?!盨hakti與當時在NIED擔任水及砂石研究部門負責人兼筑波大學教授的牧雅之先生取得了聯系。幾番交談之后,Shakti決定去日本攻讀博士學位,并于2010年來到了日本?!白罱诔鞘械貐^監測引發城市內澇的局部暴雨時,利用可操作X波段極化氣象雷達進行監測的做法迅速擴大。但在山地地區則由于海拔較高且地形復雜,對降水量的估計仍然存在挑戰。日本整體是一個多山地的國家,約80%的土地都被山地覆蓋。在這些山地地區,雷達波束阻塞的概率較高。由于日本的這一地理特點,這是一個很重要的問題,在與牧雅之教授討論之后,我決定將其作為我的博士研究重點?!?/p>

          Shakti博士表示,在歐洲,最廣泛用于降雨測量的雷達是C波段雷達(頻率范圍為4~8GHz)。這是因為C波段雷達的長波長能夠穿透更多的降水和物體,在地勢平坦和山地較少地區的條件下效果良好。然而,他發現在日本,這種頻率的雷達無法滿足需要,因為在日本降雨通常非常猛烈而密集,雷達會受到部分波束阻塞的影響,這是山區最常見的問題,會導致反射偏差從而引起誤差。

          這成為Shakti博士研究的目標,他發表了題為《利用X波段雙偏振雷達估計山區降雨量》的論文,深入探討了X波段雷達(8~12GHz)的應用,因為這一頻段的雷達更適合日本的環境條件。這是因為X波段雷達具有比C波段雷達更高的頻率,因此更適合檢測較小的物體,創建更詳細的圖像,從而獲得更詳細的氣象系統視圖,在日本的地理環境中獲得效果更好的檢測。

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          NIED總部位于日本筑波市,就在Shakti獲得博士學位的大學附近。

          在研究過程中,Shakti博士獲準使用NIED的設施,并與NIED的研究人員合作取得數據開展研究?!拔遗cNIED的研究人員關系密切,特別是在我的研究方向方面開發新方法的水及砂石研究部門成員。在我博士研究接近尾聲的時候,NIED為名為TOMACS(東京大都市區強降水極端天氣抗災城市研究)的重大國際項目提供了為期兩年的合同職位。我很幸運入選了該項目?!盨hakti博士的主要任務是降雨“短臨預報”,即對一個非常短的時間段(例如在一個小時)內的降雨進行估計,而氣象預報覆蓋的時間段通常更長。由于這一項目,他與來自不同國家的許多重要科研人員展開合作,并前往澳大利亞與澳大利亞氣象局共同開展了為期約一個月的科研活動。他的工作受到了高度贊賞,因為他首次在日本引入了降水短臨集合預報技術。

          自那以后,Shakti博士便留在NIED參與各項工作,包括由日本政府主導的以強韌的防災減災為主題的“戰略創新促進計劃”(SIP)。

          尼泊爾的童年經歷,歐洲的留學歷程,再到如今的NIED正式研究員,Shakti博士充分利用了國際研究流動性的力量,其中的國際經驗則為他的研究工作提供了很大幫助。自2013年加入NIED以來,Shakti博士參與了多個項目,今年他已榮升為主任研究員,繼續充滿熱情地研究水文學和氣象學。

          對氣象災害問題極有見地

          Shakti博士在NIED的研究成果斐然。目前他已在國內和國際期刊上發表了29篇論文,其中22篇是他作為第一作者發表的。這些研究的主題集中在與氣象有關的災害問題上,對于增進對氣象關聯災害的理解以及災害預防和應對措施的改進具有重要意義。

          Shakti博士的第一個課題為山區雷達定量降水估算(QPE),其中很大一部分工作集中在矯正部分波束阻塞導致的反射率問題上?!斑@項研究的重要成果之一是開發了‘修正DEM方法’,矯正了由于部分波束阻塞而導致的反射率偏差,是使用日本一家私營公司提供的觀測數據進行的?!盨hakti博士回憶道?!半S后,我參與了日本關東地區的暴雨氣象雷達研究,我相信我可以繼續為該領域的創新發展做出貢獻?!?/p>

          NIED致力于推動建設一個對自然災害具有抗災韌性的社會,Shakti博士的研究與其有著非常重要的聯系。日本近年來經歷了多次強降雨事件,這些事件誘發的洪災所造成的影響正是他研究的主題。其中包括鬼怒川、小田川和久慈川等地的洪災,以及2020年九州地區的洪災,這些災害進一步突顯了Shakti博士的研究在應對和減輕洪水災害方面的重要性。

          Shakti博士愉快地與我們分享了他的一些研究成果。比如,他采用全新的跨學科方法,帶來了廣泛的發展。特別值得注意的是,通過他的研究成果開發出了洪水淹沒范圍制圖工具。他提出了一種精確提取河流幾何形狀的新方法,并開發了洪水淹沒范圍的繪制方法。這些工具和方法可以幫助人們精確估算洪水的淹沒范圍,有助于應對洪水災害。

          Shakti博士還在日本學術振興會(JSPS)資助的項目中擔任首席研究員,并提出了一種利用Hi-net數據(全國高靈敏度地震儀網絡)來識別洪災發生時間和峰值流量的新技術。包括山區在內,日本各地已建設成逾800個站點進行密集的地震觀測。Shakti博士從這些地震學觀測數據中提取噪音,進行了水文模擬。然后,他對地震噪音和水文數據做了對比,發現如果相關性良好,那么地震噪音可以直接轉化為水位或降水流量數據。這些信息可以在洪水事件中加以利用。通過遠程分析山區的地震數據(通常人們無法直接進入這些地區),可以對下游的洪水情況進行預測。這類信息對于保護人類生命和財產至關重要。這是他開展跨學科研究,特別是與NIED地震部門合作形成的原創性思路。

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          NIED在日本各地設有多個觀測站,用于各種研究項目(圖中LED燈代表關東和中部地區的觀測站點)。這便是Shakti博士在研究中使用的“Hi-net”網絡。

          為更詳細了解他的研究,我們請他談談過去發表過的兩篇論文。他首先提到的是《利用可操作氣象雷達進行定量降水估算的準確性:以2015年9月9日至10日日本關東地區的強降雨為例》。這項研究重點分析使用部分波束阻塞雷達波束進行估算的精度,為減小和控制由突發性洪水引發的損害提供了極其有用的信息。由于這是一項非常重要的成就,Shakti榮獲了日本水文水資源學會(JSHWR)的優秀青年作者論文獎。他表示:“能夠獲得這一獎項我倍感榮幸,也讓我決心繼續推進研究?!?/p>

          他的第二個研究成果是題為《洪水淹沒的快速暴露評估:以日本熊本縣人吉市的洪災為例》的論文。這項研究是針對前面提到的九州洪災開展的,對于協助應急響應和評估暴雨和洪災的社會經濟影響非常重要。Shakti介紹說,在這項研究中開發的洪水淹沒范圍制圖工具,其想法源自社交媒體,“如果發生洪災,公眾中的某人拍照并在社交媒體上發布,我們就可以利用這些信息,追蹤并找到發生洪災的位置。并以此制作淹沒地圖,然后與公眾分享?!蔽覀兤诖吹絊hakti博士進一步的研究成果。

          NIED擁有許多專業的研究設施,其中包括大型降雨模擬設施。該設施可以模擬高達300毫米/小時的降雨(點擊圖片,觀看降雨視頻)

          國際人才環流在災害研究中的作用

          關于國際研究人才環流的重要性,Shakti博士便是一個優秀典范。從尼泊爾到歐洲,再到如今在日本的正式職位,他的國際經歷使他有機會體驗到與水相關的災害研究的各種方法。從在歐洲體驗使用C波段雷達,到將X波段應用于他在日本的研究,再到他最近開發的洪水淹沒范圍制圖工具,可見國際人才環流的經歷對他產生了重要的影響。

          特別是在他的研究領域,雖然不同地區尚有差異,但在全球范圍內都具有很強的適用性。Shakti博士表示“從近年來極端降雨和洪災的趨勢來看,亞洲受到了重大影響。極端降雨和洪災在日本、中國、韓國和印度的許多地區都很常見,影響數百萬人的生活。該地區的任何創新都不僅適用于亞太地區,也適用于全球其他地區”。

          對于Shakti博士而言,研究環境的國際化意味著與國際社區合作,促進思想交流和拓展研究的機會。研究人員及思考的交流有望為Shakti博士的研究領域帶來重大進展?!霸趽碛械淖匀粸暮茖W觀測和歷史數據方面,日本處于前沿地位,任何創新性研究成果均可在國際范圍內獲得應用?!盨hakti博士曾在國際會議和國際大學上發表演講,以分享他的發現,并積極尋找更多的全球協作和信息共享機會。

          我們請Shakti博士分享了他對尼泊爾、比利時和日本研究環境差異的洞見。他表示:“在與水相關的災害方面,由于日本和尼泊爾相似的地理特點,所面臨的問題也非常相似。當然,日本使用的技術和科學設備更為先進。而在比利時,這些問題似乎較少出現,但比利時和德國的強降雨和洪災也有增多趨勢?!?他還提到了使用不同類型的雷達在水文領域開展研究的重要性。日本擁有超過35個X波段雷達站,而在比利時更常見的則是C波段雷達。他最后強調,由于上述三個國家在氣象災害方面面臨的問題具有共性,因此應該鼓勵信息交流,并分享每個國家的創新成果,以促進抗災韌性社會的發展。尤其是由于日本和尼泊爾之間具有地理相似性,他認為可以在兩國之間進行更多的技術交流或轉讓,他還就此主題發表了一篇研究論文。

          在談及為何選擇日本作為研究基地時,Shakti博士給出了三大理由?!笆紫?,日本致力于開展先進和密集的觀測實踐。其次,日本出現極端降雨及其相關的洪災的頻率越來越高,使得這一領域的研究變得日益重要。最后,研究環境本身很支持研究工作,據自己10年來的觀察,日本政府積極支持和推動研究人員在該國開展研究工作?!彼€贊揚了NIED作為國立研究機構,不僅為他的研究提供了便利,還具有國際共享高標準實驗設施的潛力,包括世界上最大的大規模降雨模擬設施,就是這一系列實驗設施之一?!吧院竽銈儠⒂^大規模降雨模擬設施。利用這個設施,可以進行最大約300毫米/小時的人工降雨的各種實驗,例如再現山體滑坡,檢驗雷達和自動駕駛在暴雨條件下的性能等。這樣的研究基礎設施應該更多地向外界推介,以吸引更多的國際研究人員來日本進行研究或交流。數據的可用性和研究設施是日本吸引更多人才及成為國際研究中心的關鍵。我認為在宣傳和交流方面,日本仍存在可以做得更好的空間?!?/p>

          牧雅之教授也是讓Shakti博士留在日本的重要原因,Shakti博士將自己取得的成績的很大一部分成功歸功于他的導師以及在筑波大學期間從牧雅之教授夫婦那里得到的極大幫助?!八麄兿窀改敢粯诱疹櫸?,支持和鼓勵我。我很尊敬他們,能夠有他們作為我在日本的保證人,我認為自己非常幸運?!边@種師生之間的深厚情誼和支持是科研工作中非常寶貴的資源。

          Shakti博士是國際人才環流為日本研究帶來助益的出色典范,展望未來,他希望能為自己的領域進一步做出貢獻。為實現這一目標,他發起了一個以國際合作為重點的跨學科研究項目,我們期待這一項目會產生具有重要影響力的成果。

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          Shakti博士和采訪人樋口義廣/JST參事(全球戰略事務總監)

          未來的目標以及給研究人員的建議

          我們請Shakti博士為希望從事抗災韌性領域研究或在日本生活和工作的研究人員提供一些建議時,Shakti博士給出了一些建議?!白匀粸暮υ谌蚍秶鷥却嬖?,但它們在各國的影響不同。由于地質特征、以及擁有長期推動高質量研究和收集豐富數據的歷史,日本在這一領域獨具優勢?!彼麖娬{日本在該領域的研究環境非常適合希望進行高度創新、一流研究的外國研究人員,無論其領域是抗災韌性還是其他領域。

          隨著氣候的不斷變化及暴雨和洪災的頻繁增加,Shakti博士預計,抗災韌性研究將變得更為重要。作為其中的一分子,他希望參與新數據的開發,并利用數字孿生技術,來增強城市和基礎設施的洪水韌性。他對這一領域的熱情和開發創新技術的愿望表現得非常強烈:“數字孿生技術在呈現、可視化和比較不同地區以及應對洪災的選項或對策方面能夠發揮關鍵作用?!?

          NIED鼓勵其研究人員開發產品,并將研究成果應用于社會。Shakti博士表示:“今年,我和同事們申請了一個專利,讓我們拭目以待吧。不過大多數時候,我會專注于研究論文,因為這樣可以更快地分享研究成果?!盨hakti博士還計劃組織亞太地區的國際研討會和會議,希望日本能夠成為抗災韌性研究的中心。

          關于促進外國研究人員來日本方面存在的問題,Shakti博士回答到:“我當然建議來日本,我自己就是一個很好的例子。但我認為有些政策,包括涉及研究人員招聘的政策需要有一些改進。政府需要考慮如何制定新的政策來接納外國的研究人員,以及如何修改現有政策?!盨hakti博士繼續說道:“在日本,有許多從國外來的博士生。不過一旦學業完成,其中的大多數人都回到了自己的國家。如果想吸引這些博士生留在日本從事研究工作,就需要有良好的政策來接納他們留下。政策應該轉化為具體行動。當然有時這并不容易?!?/p>

          “每位研究人員都有自己的動機。有時他們的重點可能是金錢、周圍環境或其他方面。我的優先考量是能夠在清靜的工作環境中做好研究。如果我能進行高質量的研究并開發出適用于各種社會的有效方法,那么我在任何地方工作都會更容易。我認為自己很幸運,因為我覺得一切都進展得很順利,我在NIED期間,沒有遇到任何困難或問題。我對部門同事、管理委員會和NIED其他工作人員對我的支持表示感謝?!?

          “如果像我這樣的在日本的成功案例能夠介紹給更年輕的研究人員,將會對研究人員是一種鼓舞。這種宣傳對吸引人才而言很重要。應該讓更多的人知曉日本有很好的工作機會?!盨hakti博士分享了自己的一個想法:“有時候,我會想要制作一部關于自己經歷的紀錄片。例如,錄制一段從尼泊爾到比利時再到日本的視頻采訪,展示我的奮斗歷程,我的學習、家庭生活和研究工作,這可能會很有意義。這種基于事實證據的敘事,展現給世界各地的年輕人,能夠增加日本的吸引力,成為促使他們來日本從事研究的動力?!?/p>

          從兒時趟過家鄉小河去上學,到為追求創新性研究成果而跨洋越海,Shakti博士是國際人才環流促進創新研究成果的極好示例。他利用自己在尼泊爾的親身體驗,在比利時分析雷達降雨數據和水文模型方面的實踐,以及在NIED作為研究員工作10年的經驗,為水相關災害研究提出了寶貴的見解。作為在日本工作的研究人員,Shakti博士正在致力于利用技術的創新應用來促進實現具有抗災韌性的社會,讓我們期待他的下一個研究成果。

          (2023年7月19日采訪于筑波市NIED)
          采訪人:JST全球戰略事務總監 樋口義廣
          編輯:Science Japan主編 Matthew Drum

          Shakti P. C.

          人物簡介
          Shakti P. C.

          現任日本防災科學技術研究所(NIED)主任研究員。
          在尼泊爾特里布文大學獲得氣象學碩士學位后,擔任該校教師。之后獲得獎學金前往歐洲比利時魯汶天主教大學攻讀水資源工程碩士學位。2010年來到日本,在筑波大學獲得博士學位后,進入NIED工作。自2023年4月起擔任現職。

           

          【NIED概要】
          國立研究開發法人防災科學技術研究所(NIED)
          以“推進防災科學技術以應對災害實現更強韌社會”作為基本目標,開展廣泛領域的研究。NIED旨在通過科學技術實現預測災害、防止災害的發生、阻止災害的擴大,實現災后恢復和重建。

          NIED官網 https://www.bosai.go.jp/