测量地球上的河流

编译 之涵

水与我们面临的每一个全球性风险都息息相关。世界经济论坛宣称，在过去的7年中，水危机已经成为全球五大风险之一。造成这种担忧的原因是各种环境、社会和经济风险（从生物多样性丧失、生态系统崩溃到粮食危机，从城市规划失败到能源价格冲击）都和水唇齿相依。缓解与水有关的生态系统风险需要对淡水资源进行可靠的核算，第一步是要了解地球的淡水蕴藏于何处。在2018年《科学》杂志中，艾伦（Allen）和帕维尔斯基（Pavelsky）利用卫星观测结果改进了对全球河流表面积的估算，从而朝着这个方向迈出了重要一步。

生物圈中的大多数淡水以极地冰、冰川、永久雪和地下水的形式存在；液态地表水仅占淡水总量的0.3%左右。这一小部分水不成比例地集中在湖泊和湿地，这些湖泊和湿地的水量约为河流的50倍。尽管如此，河流和溪流对区域生物多样性仍然做出了重大贡献。

现场测量表明，与先前认为的情况相比，活水系统也是更大的甲烷和二氧化碳排放源。长期以来，人们认为河流主要是连接陆地和海洋有机物质的通道，这一观测结果对此提出了挑战。因此，除了它们在支持生物多样性组合方面的作用外，流动水域可能也是碳储存的重要场所，也是全球生物地球化学循环的重要组成部分。

奴河由加拿大东北部的众多河流汇合而成，流入该国西北地区

为了扩大现场测量范围，以评估河流对生物多样性或气体通量的全球贡献，科学家不仅必须应对其变化，而且还要精确估算水的表面积。艾伦和帕维尔斯基以一种新颖的方式解决了这个问题。他们利用卫星数据和统计工具组合，确定出全球河流的表面积比此前的数据多29%至59%。在过去，对全球河流表面积的估算依赖于分支网络或流量演算算法的统计特性，而不是直接观察。艾伦和帕维尔斯基使用陆地卫星图像创建出水平的河流形状，并在美国和加拿大各地用现场测量数据验证了他们的河宽估计值。

这项工作之所以重要，至少有三个原因。首先，使用的分辨率适用于全球各地的河流系统模型，并可估算温室气体排放等生物地球化学通量。其次，它与生物多样性相关，在生物多样性高度发达的地区，如美国、新西兰和东南亚大部分地区，河流的表面积被低估了。第三，使用经验数据可以更准确地估算出一些有特殊地貌的地方的表面积。河流网络经常会对人类活动做出反应而收缩或扩张。在高度发达的地区，河道可能会被用于排水，流量可能会增加或重新分配，这些都会对它们的表面积产生影响。以前的方法没有将这种可能性考虑在内，这是一个重大疏漏。

利用遥感技术来量化淡水的分布和时间变异性正成为一个充满活力的研究领域，科学家理解全球水循环变化的能力将随着遥感技术中空间分辨率和时间分辨率的不断提高而进一步提升。在验证过程中，艾伦和帕维尔斯基发现，采用具有30米分辨率的陆地卫星数据估算出来的河流宽度对于宽度超过90米的河流来说是准确和完整的。不久的未来，还可以为宽度仅为5米的溪流绘制地图。

今后的制图工作还应侧重于提高观测数据的时间分辨率。欧洲航天局（ESA）的哨兵二号卫星目前正每隔5天收集一次10米分辨率的观测数据，捕捉小型水体的时间动态。

艾伦和帕维尔斯基所做的工作可能会带动更深入的研究，这些研究可利用免费获得的数据来改进对全球被淹没的湿地和溪流表面积的估算，并更好地了解这些地区如何随着时间的推移而发生变化。这有助于在区域和全球生态模型、地球系统模型方面取得重大进展。

未来，与水相关的风险依然存在。不过，得益于遥感技术，对全球淡水分布和趋势的估算将会日益精确。这些数据可以使淡水科学家和管理人员受益，从而为全球水循环的研究和可持续管理开辟新的途径。

资料来源 Science