測量地球上的河流

編譯 之涵

水與我們面臨的每一個全球性風險都息息相關。世界經(jīng)濟論壇宣稱，在過去的7年中，水危機已經(jīng)成為全球五大風險之一。造成這種擔憂的原因是各種環(huán)境、社會和經(jīng)濟風險（從生物多樣性喪失、生態(tài)系統(tǒng)崩潰到糧食危機，從城市規(guī)劃失敗到能源價格沖擊）都和水唇齒相依。緩解與水有關的生態(tài)系統(tǒng)風險需要對淡水資源進行可靠的核算，第一步是要了解地球的淡水蘊藏于何處。在2018年《科學》雜志中，艾倫（Allen）和帕維爾斯基（Pavelsky）利用衛(wèi)星觀測結果改進了對全球河流表面積的估算，從而朝著這個方向邁出了重要一步。

生物圈中的大多數(shù)淡水以極地冰、冰川、永久雪和地下水的形式存在；液態(tài)地表水僅占淡水總量的0.3%左右。這一小部分水不成比例地集中在湖泊和濕地，這些湖泊和濕地的水量約為河流的50倍。盡管如此，河流和溪流對區(qū)域生物多樣性仍然做出了重大貢獻。

現(xiàn)場測量表明，與先前認為的情況相比，活水系統(tǒng)也是更大的甲烷和二氧化碳排放源。長期以來，人們認為河流主要是連接陸地和海洋有機物質的通道，這一觀測結果對此提出了挑戰(zhàn)。因此，除了它們在支持生物多樣性組合方面的作用外，流動水域可能也是碳儲存的重要場所，也是全球生物地球化學循環(huán)的重要組成部分。

奴河由加拿大東北部的眾多河流匯合而成，流入該國西北地區(qū)

為了擴大現(xiàn)場測量范圍，以評估河流對生物多樣性或氣體通量的全球貢獻，科學家不僅必須應對其變化，而且還要精確估算水的表面積。艾倫和帕維爾斯基以一種新穎的方式解決了這個問題。他們利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)和統(tǒng)計工具組合，確定出全球河流的表面積比此前的數(shù)據(jù)多29%至59%。在過去，對全球河流表面積的估算依賴于分支網(wǎng)絡或流量演算算法的統(tǒng)計特性，而不是直接觀察。艾倫和帕維爾斯基使用陸地衛(wèi)星圖像創(chuàng)建出水平的河流形狀，并在美國和加拿大各地用現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)驗證了他們的河寬估計值。

這項工作之所以重要，至少有三個原因。首先，使用的分辨率適用于全球各地的河流系統(tǒng)模型，并可估算溫室氣體排放等生物地球化學通量。其次，它與生物多樣性相關，在生物多樣性高度發(fā)達的地區(qū)，如美國、新西蘭和東南亞大部分地區(qū)，河流的表面積被低估了。第三，使用經(jīng)驗數(shù)據(jù)可以更準確地估算出一些有特殊地貌的地方的表面積。河流網(wǎng)絡經(jīng)常會對人類活動做出反應而收縮或擴張。在高度發(fā)達的地區(qū)，河道可能會被用于排水，流量可能會增加或重新分配，這些都會對它們的表面積產(chǎn)生影響。以前的方法沒有將這種可能性考慮在內，這是一個重大疏漏。

利用遙感技術來量化淡水的分布和時間變異性正成為一個充滿活力的研究領域，科學家理解全球水循環(huán)變化的能力將隨著遙感技術中空間分辨率和時間分辨率的不斷提高而進一步提升。在驗證過程中，艾倫和帕維爾斯基發(fā)現(xiàn)，采用具有30米分辨率的陸地衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算出來的河流寬度對于寬度超過90米的河流來說是準確和完整的。不久的未來，還可以為寬度僅為5米的溪流繪制地圖。

今后的制圖工作還應側重于提高觀測數(shù)據(jù)的時間分辨率。歐洲航天局（ESA）的哨兵二號衛(wèi)星目前正每隔5天收集一次10米分辨率的觀測數(shù)據(jù)，捕捉小型水體的時間動態(tài)。

艾倫和帕維爾斯基所做的工作可能會帶動更深入的研究，這些研究可利用免費獲得的數(shù)據(jù)來改進對全球被淹沒的濕地和溪流表面積的估算，并更好地了解這些地區(qū)如何隨著時間的推移而發(fā)生變化。這有助于在區(qū)域和全球生態(tài)模型、地球系統(tǒng)模型方面取得重大進展。

未來，與水相關的風險依然存在。不過，得益于遙感技術，對全球淡水分布和趨勢的估算將會日益精確。這些數(shù)據(jù)可以使淡水科學家和管理人員受益，從而為全球水循環(huán)的研究和可持續(xù)管理開辟新的途徑。

資料來源 Science