用数学研究环境的科学家

来源 :科学之谜 | 被引量 : 0次 | 上传用户:bai408
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  把复杂的環境数据化
  了解世界各地土壤成分、水文过程或者气候类型的变化规律,对于改善地球环境、为人类造福很有益处。为此,科学家每天都会测量并记录环境数据,然后将这些数据抽象成数学变量和矩阵,再通过数学理论加以分析。
  比如,科学家想要了解一条河流将会何去何从(是否会干涸、是否会改道等),他们就需要标识出径流各处的时空坐标、流速、径流量,以及考察河流流域的地理特征,包括流域面积、河网密度、河道坡度、沿岸植被状况等数据,然后通过电脑模拟画出各种“水文过程线”;又比如,科学家想预测某个时期某地的降雨概率,就至少要处理气温、降雨量、气压、风力风向的长期观测值,它们可以是月平均值、年平均值、也可以是每日特定时刻的数值,然后根据统计学的知识作出判断。
  显然,这些环境数据的规模之庞大、构成之复杂是超乎了常人想象的,科学家需要高超的数据处理能力才能尽可能准确合理地利用它们,而中国,就有一位非常善于利用数据来研究环境的科学家,她就是孙莹。
  孙莹生于中国山东,她天资聪颖,求学阶段一直是位“学霸”级别的人物。2003年,孙莹本科毕业于清华大学数学系,3年后,她又在清华大学拿到了数学硕士学位。出于对统计学的兴趣,孙莹随后前往美国德克萨斯农工大学专攻统计学理论。在2011年拿到博士学位后,孙莹来到气象学氛围浓厚的芝加哥大学做博士后,在那里她将自己所学的统计学理论用于大气和海洋科学,多次成功预测出极端天气。不久之后,俄亥俄州立大学统计学系又聘请她来做助理教授。
  年轻的数据新星
  虽然在美国的学术生涯很顺利,但孙莹还是想得到更多的挑战。2014年,沙特阿拉伯投资重金新建的“土豪”大学——阿卜杜拉国王科技大学向她发起了执教邀请。这座世界上国际化程度最高的大学,从世界各地网罗了大批国际人才,考虑到这里实力雄厚且有利于开阔眼界,孙莹接受了邀请,成为该校的第二位统计学方面的专家。
  在阿卜杜拉国王科技大学,孙莹迅速组建了自己的研究团队。她在数学最高学府已经学习多年,在计算数学、统计学方面早已有了扎实的功底,现在她与环境科学的精英们合作,继续用数据来研究环境。
  2016年,孙莹开发出一种用于检测臭氧浓度是否异常的统计学方法。虽然在高层大气中,臭氧能够使我们免受来自太阳的紫外线的伤害,但是在地面环境,臭氧是一种污染物,可以使人眼睛过敏、呼吸困难,并能造成光化学烟雾(这种有毒的烟雾能够造成交通事故)等严重的空气质量问题。因此,科学家常常需要测量并分析与臭氧水平相关的环境数据。孙莹发明了一种统计学方法,能够从大量传感器数据中迅速得出某一时段或者某一区段的臭氧浓度的局部峰值,准确检测出臭氧浓度的异常情况——该理论已经成功地应用于法国诺曼底地区的空气质量监控系统中。
  数据控大展才华
  基于孙莹对于环境统计学的贡献,她获得了2016年美国统计学协会以及美国交通运输研究学会的“最佳研究论文奖”,还获得了2016年“阿卜杜勒·艾尔—沙拉维青年研究员奖”——这一奖项由国际环境计量学会颁发,很少会授予助理教授。
  2017年,孙莹的研究更上一层楼,高质量论文一篇又一篇发出来,震动了科学界。每天,世界各地700多处气候监测站都会释放两次无线电探空仪,用来收集高层大气的压力、温度、风速等数据,这是科学家目前唯一一种可以直接测量地球高层大气的方式。但是,无线电探空仪上的传感器身处高空环境,常常会产生不准确的数据,影响天气预报和气候建模。2017年2月,孙莹发表了能够帮助无线电探空仪自动清除错误测量数据的统计学方法。孙莹利用独特的统计学方法,就能够从传感器数据中区分出“极端值”(正确的数据)和“随机错误值”,并把后者滤除。3月,孙莹又发表论文,提出一种特殊的箱线图绘制法,能够让庞大、复杂的测量数据可视化,从而更容易从中提取信息。10月,孙莹又发明了一种数学近似方法,能够帮助科学家准确快捷地处理规模庞大的数据集,减轻计算负担,她的这种方法帮助科学家分析了200多万份美国密西西比河流域的土壤、水分测量数据,准确地解释了当地的水文过程。这一年,孙莹又获得了美国统计学协会的“杰出成就勋章和前沿研究家奖”。
  在自然环境较差的中东,孙莹希望自己今后的数据分析技术能够多用于研究沙尘污染或者极端天气,这对中东以及全世界都有好处。孙莹明白,影响环境的因素非常复杂,只有正确的、科学的方法才能帮助科学家充分利用那些复杂数据的价值,所以,自己的研究意义重大,还需要继续努力。
其他文献
科技发展的脚步越来越快,人类已经置身于信息时代。作为最重要的信息获取技术之一,传感器技术受到高度重视,也得到了极大发展。随着技术的不断革新和突破,科学家们各显神通陆续开发出了五花八门的传感器,分别应用于日常生活、医疗护理等不同领域。下面,让我们一起来看一些最新的传感器小发明吧。  微型牙齿传感器  想减肥,但迈不开腿,又管不住嘴?没关系,微型牙齿传感器可以帮你控制饮食。节食是现在年轻人最热衷的减肥
期刊
在我们日常生活中,所用的产品大多是由塑料制成。由于紫外线或者人类施加的外力影响,塑料的高分子纤维容易断裂,最终造成塑料的磨损和老化。所以,商品的寿命期都很短,那么,如果塑料也能够自我愈合,会不会省去不少麻烦呢?  实际上,科学家们还真的发明了不少方法让塑料能够自我疗伤。一种方法是在塑料制造期间,就会将含有修补剂的胶囊植入塑料中。如果塑料中的分子结构出现裂缝,胶囊也会损坏,释放出修补剂,修补剂与塑料
期刊
海底世界难测绘  地质学家绘制了山川、河流、森林、沙漠、冻土的地图;天文学家描绘了太阳系、银河系的图像;而人类对地球海洋的了解却知之甚少,至今为止没有一张详尽、完整的海地地图。有人说,人类对月球和火星的了解甚至远超对地球海洋的了解,的确如此。  我们知道,海底世界并非一马平川,它像陆地上一样,有山有谷。那么我们是否有必要像绘制陆地地形图一样绘制出海底地形图呢?  答案是肯定的。因为海底的山峰、山谷
期刊
人类的驯化综合征  你知道吗?人类是被驯化的动物,而且是第一个被驯化的动物!  从狗到羊、猪、牛、猫、马,在过去的3万年间,人类驯养了各种动物,把它们当作食物、宠物,运输工具。如果说野外的动物所经历的是自然选择,那么家养的动物经历的则是人为选择,但在人类驯化这些动物之前,最先被驯化的应该是人类自己。  首先,我们需要了解一下动物从野生到被驯化的过程中会发生什么变化。1959年,前苏联遗传学家德米特
期刊
如果运气好一点  阳光明媚的一天,街上熙熙攘攘,巨大的阴影落了下来,人们顿时觉得凉快了许多。抬头一看,一群体型肥硕的鸟脚龙正在城市上空盘旋,它们扇动着10多米宽的翅膀,遮住了大片阳光。不过,人们并没有感到惊慌,因为每当天气不错的时候,野生的恐龙总会来城里逛一逛。善于飞翔的鸟脚龙喜欢俯瞰城市的美景,贪吃的霸王龙会到市场求购上好的食材,聪明的伤齿龙更加智能,它们常常给演唱会捧场,偶尔还去听听中学老师的
期刊
海洋是个神秘的地方,有许多领域人类尚未踏足,尤其是深海,那里生活著许多未知的生物。一次偶然的机会,人类与一种深海动物相遇了。  一支欧盟科研团队在大西洋捕鱼用于研究,意外捕获了一只神秘的海洋生物——皱腮鲨。皱腮鲨是地球上现存最古老的生物之一,早在3.8亿年前就已经存在,同时代的霸王龙、三角龙已经灭绝,它被称为地球上最原始的鲨鱼。  虽说是鲨鱼,皱腮鲨长得却不像我们印象中的鲨鱼。它通体灰色,最显眼的
期刊
大型动物越来越小  现今陆地上最大的动物是什么?非洲大象。一头雄性非洲大象,15岁时,身高4米左右;体重7000~8000千克。  但在远古时期,大陆上的巨型哺乳动物比比皆是。3万年以前,有一种古菱齿象,它可以轻易地把自己的下巴放在成年的现代非洲象的头顶。现代犀牛也很大,体长2.2~4.5米,高1.2~2米,体重2800~3000千克。而生活在渐新世的巨犀体重至少是现代犀牛的10倍。不仅如此,在远
期刊
达尔文的进化树  1837年,英国皇家海军帆船“小猎犬号”上,担任随船博物学家的达尔文手捧着他的日记,陷入沉思。随后,他描绘出了生物学上的第一棵被众多进化研究者奉若标杆的进化树。  进化树用形象直观的图像阐释了物种形成理论,即一个物种是如何分化为多个物种的,它们之间有怎样的亲缘关系。在遗传和分化之后,由于多种原因,出现了生殖隔离,一种生物分化为两种不同的生物。从基因尺度来看,就是一个基因库变得无法
期刊
一对孪生兄弟,两人皆是25岁,哥哥被选为宇航员,以光速在太空中航行,70年后回到地球,此时弟弟几岁?哥哥几岁?这道题也许你并不陌生,这是一道物理题,旨在帮助理解狭义相对论。  美国宇航局做了一个类似的研究,虽然没有光速飞行,也没有那么长的时间跨度,但同样是研究双生子在太空与地球上生活后的差异。一对同卵双胞胎宇航员,斯科特·凯利和马克·凯利,就是他们本次研究的对象。斯科特·凯利于2016年3月被送到
期刊
我们的面部、喉咙在进化过程中发生了变化,为我们能够进行复杂的交谈打下基础。  在人类进化的历史长河中,人类从诞生之初就能够开口说话吗?跟我们有共同原始祖先的类人猿,为什么没有进化出像我们一样能够通过复杂语言进行交谈的能力?  从基因的甲基化入手  以色列希伯来大学的科学家注意到,在进化过程中,与类人猿相比,我们的脸型和喉咙结构逐渐发生了明显改变,这也许为我们能够进行复杂的言语交谈奠定了基础。  为
期刊