測(cè)量地球上的河流

編譯 之涵

水與我們面臨的每一個(gè)全球性風(fēng)險(xiǎn)都息息相關(guān)。世界經(jīng)濟(jì)論壇宣稱，在過(guò)去的7年中，水危機(jī)已經(jīng)成為全球五大風(fēng)險(xiǎn)之一。造成這種擔(dān)憂的原因是各種環(huán)境、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)（從生物多樣性喪失、生態(tài)系統(tǒng)崩潰到糧食危機(jī)，從城市規(guī)劃失敗到能源價(jià)格沖擊）都和水唇齒相依。緩解與水有關(guān)的生態(tài)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)需要對(duì)淡水資源進(jìn)行可靠的核算，第一步是要了解地球的淡水蘊(yùn)藏于何處。在2018年《科學(xué)》雜志中，艾倫（Allen）和帕維爾斯基（Pavelsky）利用衛(wèi)星觀測(cè)結(jié)果改進(jìn)了對(duì)全球河流表面積的估算，從而朝著這個(gè)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(duì)區(qū)域生物多樣性仍然做出了重大貢獻(xiàn)。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量表明，與先前認(rèn)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(zhǎng)期以來(lái)，人們認(rèn)為河流主要是連接陸地和海洋有機(jī)物質(zhì)的通道，這一觀測(cè)結(jié)果對(duì)此提出了挑戰(zhàn)。因此，除了它們?cè)谥С稚锒鄻有越M合方面的作用外，流動(dòng)水域可能也是碳儲(chǔ)存的重要場(chǎng)所，也是全球生物地球化學(xué)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(guó)西北地區(qū)

為了擴(kuò)大現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量范圍，以評(píng)估河流對(duì)生物多樣性或氣體通量的全球貢獻(xiàn)，科學(xué)家不僅必須應(yīng)對(duì)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(gè)問(wèn)題。他們利用衛(wèi)星數(shù)據(jù)和統(tǒng)計(jì)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(guò)去，對(duì)全球河流表面積的估算依賴于分支網(wǎng)絡(luò)或流量演算算法的統(tǒng)計(jì)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(guó)和加拿大各地用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)驗(yàn)證了他們的河寬估計(jì)值。

這項(xiàng)工作之所以重要，至少有三個(gè)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(xué)通量。其次，它與生物多樣性相關(guān)，在生物多樣性高度發(fā)達(dá)的地區(qū)，如美國(guó)、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(yàn)數(shù)據(jù)可以更準(zhǔn)確地估算出一些有特殊地貌的地方的表面積。河流網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會(huì)對(duì)人類活動(dòng)做出反應(yīng)而收縮或擴(kuò)張。在高度發(fā)達(dá)的地區(qū)，河道可能會(huì)被用于排水，流量可能會(huì)增加或重新分配，這些都會(huì)對(duì)它們的表面積產(chǎn)生影響。以前的方法沒(méi)有將這種可能性考慮在內(nèi)，這是一個(gè)重大疏漏。

利用遙感技術(shù)來(lái)量化淡水的分布和時(shí)間變異性正成為一個(gè)充滿活力的研究領(lǐng)域，科學(xué)家理解全球水循環(huán)變化的能力將隨著遙感技術(shù)中空間分辨率和時(shí)間分辨率的不斷提高而進(jìn)一步提升。在驗(yàn)證過(guò)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(lái)的河流寬度對(duì)于寬度超過(guò)90米的河流來(lái)說(shuō)是準(zhǔn)確和完整的。不久的未來(lái)，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(yīng)側(cè)重于提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率。歐洲航天局（ESA）的哨兵二號(hào)衛(wèi)星目前正每隔5天收集一次10米分辨率的觀測(cè)數(shù)據(jù)，捕捉小型水體的時(shí)間動(dòng)態(tài)。

艾倫和帕維爾斯基所做的工作可能會(huì)帶動(dòng)更深入的研究，這些研究可利用免費(fèi)獲得的數(shù)據(jù)來(lái)改進(jìn)對(duì)全球被淹沒(méi)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(shí)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(jìn)展。

未來(lái)，與水相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)依然存在。不過(guò)，得益于遙感技術(shù)，對(duì)全球淡水分布和趨勢(shì)的估算將會(huì)日益精確。這些數(shù)據(jù)可以使淡水科學(xué)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(kāi)辟新的途徑。

資料來(lái)源 Science