当大数据遇上全球水域

一颗名为“地表水和海洋地形”（后简称SWOT）的新卫星，将使用雷达干涉测量技术，绘制全球的海洋、河流、水库和湖泊的水位和坡度变化情况图像。它的技术基础来自名为“高度表”的海洋雷达卫星，但因为SWOT使用干涉测量技术，与传统的雷达高度计相比，它的图像具有更精细的空间像素，因而能测量并绘制小型内陆水体和海洋的图像。这一任务是NASA和法国航天局、加拿大航天局、英国航天局之间的合作，也囊括了两个群体（水文学和海洋学）的科学家以及众多国家。SWOT从想法变为现实，跨越了20年的时间，经历了数十次国际会议，有数千人参与其中，也耗费了10亿多美元的公共资金。

SWOT于2022年启动，它将至少每20天就要以3D方式绘制地球的地表水图。在陆地上，它将收集100米或更宽的河流，以及250米×250米的湖泊的水面高度和坡度的测量值。卫星的初步测量数据将立即发布到网上，然后至少每年发布一次重新处理过、质量有保证的全球数据集。这些数据将免费在线提供给科学和商业用途。

SWOT还将提供河流流量的遥感估算。在美国，美国地质调查局维护着8000多个河流测量站，并将其数据发布到网上，但是这种透明度相对来说很少见。在美国、加拿大、巴西和欧洲以外的地区，河流水位数据通常很少，或者是保密的。水库中的水位测量数据则更为罕见。这使得监视河流流量以及遵守跨界水共享协议，对世界上许多地区来说都是很难甚至无法完成的。通过在线提供实时测量数据，SWOT将改变水计划制定者、政府、非政府组织和私营部门监测世界各地重要的淡水资源储备状况的能力。

由于SWOT是一项实验性技术，因此很难预测人们使用这些数据的所有方式。目前，全世界湖泊和湿地的水位大多未经测量。任务规划者希望通过补充测量站的数据，以帮助河漫滩社区和企业更好地保护自己免受洪水的侵害的方式，来提升河流贸易的收益。水资源规划者可以追踪水库中的蓄水情况，并建立更好的计算机模型来预测农作物的产量、洪灾和旱灾。如果能实现其中的一些目标，那么SWOT将极大地造福于人类，它所执行的任务将取得巨大的成功。

到2022年发布时，我已经投身SWOT20年了。从一开始，我就参与了这项任务的构思和规划，有些大胆的想法可以追溯到我在20世纪90年代中期所写的博士论文。作为一名稚嫩的博士生，我在美国地球物理学会会议上第一次发言的题目是“我们可以从太空中测量河流流量吗”。我还记得，当自动扶梯把我带到旧金山庞大的莫斯克尼中心熙攘的人群中时，我瞬时不知所措，随后忐忑地将我的想法呈现给面露疑色的观众。毕竟，在1994年，使用卫星测量河流流量的想法听起来有些荒谬。

但是，如果这项激动人心的新技术按计划进行，那么SWOT将只是帮助我们管理世界淡水资源的众多卫星中的第一颗。它将与其他许多成功的卫星任务一起，监测全球水循环的其他要素。例如，全球降雨测量计划卫星和CloudSat卫星负责测量降雨量，土壤水分主被动探测计划卫星负责监测土壤含水量，重力恢复和气候监测实验卫星和即将推出的NASA-ISRO合成孔径任务卫星，负责探测地下水枯竭地区。这些水敏感技术提供了重要的观测结果，也被用于驱动水文模型的发展，提升它们在水资源规划洪水风险评估方面的作用。

人们将结合来自价格低廉的地面传感器网络的观测数据，运用人工智能算法，筛选从卫星输出的全球数据，以监测地球水循环的喧嚣声。传感器、卫星和模型让人类越来越靠近那个原本不可能实现的目标，这个目标就是：对世界水资源及其随时间和空间的变化进行持续的实时记录。

自圣经时代以来，如何正确地认识世界的水循环过程，是一直困扰着我们的问题。米利都的泰勒斯和后来出现的大批自然哲学家们，曾为搞清每年穿越沙漠的尼罗河洪水的源头而绞尽脑汁。《传道书》第一章第七节的作者（一般认为是所罗门王）写到：河流都流入大海，大海却没有满；河流从那里来，又回到了那里。但一切是如何发生的，始终是一个谜。

亚里士多德认为，河流起源于地下洞穴，它是通过将空气转化为水形成的。在中世纪，人们普遍认为，河流向海洋的排放是由隐藏的隧道系统来平衡的，该隧道系统将海水送回陆地。这个想法一直延续到了文艺复兴时期，列奥纳多·达·芬奇接受了这一观点。他认为，正如人类的动脉将血液从心脏中抽出，静脉将血液送回心脏一样，地球上也有将海水输送到内陆泉水、溪流和河流的地下静脉，以再次开启循环。这种逻辑的许多缺陷（海水是如何被输送到陆地上海拔更高的地方的？它是如何从咸水变成淡水的？）似乎并没有令达·芬奇或其他持这种观点的人感到困扰。值得注意的是，直到1674年，法国人皮埃尔·佩罗明确证明降雨是河流流量的主要来源之后，人们才认识到正确的答案。

皮埃尔·佩罗（Pierre Perrault，1608-1680）

佩罗出生于一个受过良好教育的家庭，与他的两个弟弟克劳德和查尔斯相比，他逊色不少。克劳德·佩罗是一位成功的解剖学家和建筑师，他是法国科学院的共同创始人，翻译了维特鲁威的《建筑十书》，并设计了卢浮宫的一部分。查尔斯·佩罗因一本名为《附道德训诫的古代故事》的儿童故事书而名声大噪。这本书就是如今在英文世界为人所知的《鹅妈妈的故事》。

皮埃尔·佩罗曾担任税务员一职，这使他陷入了破产的窘境，之后他对塞纳河产生了兴趣。通过测量落在陆地上的降水量，然后将其与从河流中收集的流量数据进行比较，他证明，塞纳河河水的绝大部分水量（即使不是全部）来自雨水和雪。他所采用的定量研究方法，主张通过测量和数学计算来解决问题，而不是从轶事或艺术作品中获得灵感，这也是当时科学进步的表现之一。他的著作《论水的发源》解决了一个被自然哲学家争论了2000多年的难题，并开辟了定量水文学领域。

《论水的发源》扉页

《论水的发源》插图

与卢浮宫、“小红帽”和“灰姑娘”这样著名的作品和故事相比，皮埃尔·佩罗所产生的影响在很大程度上被遗忘了。然而，他的贡献为我们在理解和掌控河流以及整体的水循环方面取得巨大进展奠定了基础。他建立了一种以测量为基础的新的实证科学，如今，传感器、卫星和模型仍在继续推进这一科学。

当然，自佩罗时代以来，定量水文学取得了长足的进步。科学家们已经确定了水循环的所有主要组成部分，即降水、地下流量、河流流量、蒸发、植物蒸腾作用、凝结和（冰雪的）升华。我们知道，大部分降水最终会进入海洋，但大型储水库——尤其是冰川冰和地下水蓄水层——显著地阻止或延迟了部分水的抵达。水从海洋和陆地蒸发到空中，在空中停留几天，然后以雨或雪的形式落下，完成这个循环。

当水在全球系统中循环流动时，既不会增多也不会减少，而是以相态转化从一个地方转移到另一个地方。就像一个旋转着不同大小和速度的飞轮的房间一样，有些水循环非常快（例如，在空气和河流中流动的水），有些水循环很慢（例如，在地下水、湖泊和积雪中流动的水），还有一些水循环非常慢（例如，在深层化石含水层、深海、冰川和冰盖中流动的水）。在各大洲，小而快速的飞轮（水汽、降雨和地表水）控制着陆地和陆地上的大部分生命。在任何给定的时刻，这些形态都容纳着少量的水，但是它们的循环速度很快，从而能够不断被生物体利用和再利用。

伴随着水的相态转换而发生的是能量的大量释放和吸收。在液态水蒸发成气态水蒸气时，它会吸收本地环境中的热量（这就是汗液蒸发使皮肤冷却的原理）。当蒸气上升到较低的高度并凝结成雨滴时，潜伏的（存储的）热量会重新释放到空气中，从而激发暴风雨、压力系统和天气。当飓风上岸时，它的主要能量来源（蒸发的海水在上升和凝结时释放的热量）就被切断了，于是它开始减弱和消亡。

像增压的燃油管线一样，河流在这个循环中不断奔跑。就绝对存储容量而言，它们非常小，在任何给定的时间点大概拥有2000立方千米的水。相比之下，地球上存储的淡水（主要在冰川、冰原和地下水含水层中），总量约为14亿立方千米。但是，这类似于将燃油管线的容积与油罐的容积进行比较。河流之所以如此特别，是因为它能快速集中地输送水和能源，这也是人类倾向于在河流而不是湖泊附近定居的主要原因。

此外，河流携带着淡水，在这个星球上，几乎98%的水都是咸水，不适合饮用或灌溉农作物。降雨过于分散，不容易利用。因此，作为淡水质量和能量的巨大物理集中地的河流，成了人类文明和生物生命的重要支持者。

本文经授权摘自《河流是部文明史》，作者劳伦斯·C.史密斯是美国布朗大学地球、环境和行星科学教授。

《河流是部文明史》，【美】劳伦斯·C.史密斯/著，中信出版集团，2022年7月版