全球地表水及其长期变化的高分辨率制图外文翻译资料

 2023-03-16 11:01:04

全球地表水及其长期变化的高分辨率制图

地表水(内陆和沿海)的位置和持久性受到气候和人类活动的影响，并影响气候[2,3]、生物多样性[4]和人类福祉[5,6]。记录地表水位置和季节性的全球数据集来自资料库和国家描述[7]、区域数据[8]和卫星图像[9-12]的统计外推，但高分辨率测量长期变化仍然是一项挑战。在这里，我们使用300万张陆地卫星图像[13]，以30米的分辨率量化过去32年来全球地表水的变化。我们记录了水存在的月份和年份，在哪里发生了变化，以及在季节性和持续性方面采取了什么形式的变化。1984年至2015年间，永久地表水从近9万平方公里的面积上消失，大致相当于苏必利尔湖的面积，尽管在其他地方形成了覆盖18.4万平方公里的新的永久地表水水体。除大洋洲外，所有大陆地区的永久水量都出现了净增加，而大洋洲的净损失率只有1%。虽然气候变化[14]也有影响，但大部分增长来自水库蓄水。亏损在地理上比收益更集中。全球永久净水损失的70%以上发生在中东和中亚，与干旱和人类行动有关，包括河流改道或筑坝和无管制的取水[15,16]。澳大利亚[17]和美国[18]由于长期干旱造成的损失也很明显。这一全球一致的、经过验证的数据集表明，气候变化和气候振荡对地表水发生的影响是可以测量的，可以收集证据来显示人类活动是如何改变地表水的。我们预计，这些免费的数据将改进地表强迫的模拟，提供湿地交错带(生物群落之间的过渡区)状态和变化的证据，并为水资源管理决策提供信息。

在任何两个时间点之间，地球表面的一部分总是在水下，一部分永远不会在水下，其余的在这两个极端之间波动。海岸线、湖泊和河流边界起伏不定，河流蜿蜒曲折，新的永久湖泊形成，其他湖泊空荡荡的，而季节性洪水和洪水灌溉周期周期性地产生临时水体。何时何地在地球表面找到水是非常重要的。水的存在(或不存在)影响气候系统，正如在大气环流模型[2]中所解释的那样，以及二氧化碳的逃逸和甲烷[3]的排放。取水影响到众多物种的迁徙、生存范围和迁徙[4]；它对可持续发展是不可或缺的[5]，并可能威胁到人民、机构和经济的安全[6]。

通过高空间分辨率卫星观测记录了全球表层水动态[12]，利用陆地卫星图像每隔5至10年制作了更高分辨率的季节性地图[11]，几十年来的所有陆地卫星图像用于绘制大陆[19]和次大陆[20]尺度的季节性和变化地图。这里给出的数据集(可从https://global-surface-water.appspot.com/)免费获得)通过使用过去32年的整个多时相正射校正的Landsat 5、7和8档案来绘制全球地表水的空间和时间变异性及其长期变化，从而扩展了以前的工作。

使用专家系统将1823TB的陆地卫星数据(扩展数据图1a-c)中的每个像素分类为开阔水域、陆地或无效观测(见方法、扩展数据图2和3以及补充表2)。开阔水域是指任何大于30米乘30米的向天空开放的水域，包括淡水和咸水。使用40,000多个参考点(方法和扩展数据图4和5)测量的分类性能证实，分类器产生的错误水检测不到1%，漏水不到5%(扩展数据表1)。

图 1 地表水动力学的不同方面。

a.萨克拉门托山谷在美国的位置(红色方块)。b.1984-2015地表水发生情况。c.1984-2015地表水发生变化强度。d.1984-2015地表水复发。e.2014-2015地表水季节性。f. 1984-2015地表水等级过渡。萨克拉门托谷是美国主要的水稻种植区之一，提取自全球数据集。每个面板左下和右下的季节性水区对应的是漫灌，主要是稻田。更永久的水景(每个面板的中间和右上角)是水库。有关水类别的描述，请参阅补充信息。

长期的水资源历史被用来制作专题产品，记录地表水动态的不同方面。图1显示了美国萨克拉门托河谷部分地区全球产品的摘录(见图1a)。图1b显示了1984年3月至2015年10月之间发生的情况(持续性和位置的变化)。在过去的32年中，发生的强度增加或减少，记录了持续性中的得、失和恒定性(图1c)。水在时间序列中年复一年出现的频率被绘制为重现(图1d)，而全年观测中出现的水面与季节性的水面被分开绘制(图1e)。永久性水、季节性水和陆地等级之间的过渡可以在任何两年的观测之间确定；第一年和最后一年的观测之间的过渡如图1f所示。时间剖面记录了每个像素、每个月和每年的水资源历史，全球、大陆和国家尺度的变化测量是通过组合这些互补信息层来产生的(补充表1)。

图 2全球地表水分布及变化全球地图

在右侧和下方显示1°纬度/经度的地表水面积概况。a.2014年10月至2015年10月最大水体范围、永久性和季节性地表水的出现。b.1984 - 2015年永久和季节性地表水面积的损益。所有来自内陆和沿海水域的测量仅由GADM参考层定义(见方法)。

1984年3月至2015年10月间的某个时候，地球上3%(446万平方公里)的陆地被水淹没。图2a显示，其中超过一半(52%)的样本位于44°N以上，这一模式总体上与之前的工作相对应[9-11]。2015年，永久性水体覆盖278万平方公里，其中86%(240万平方公里)在地理和时间上保持不变，在整个观测记录中始终如一地存在；贝加尔湖和坦噶尼喀湖等世界古代湖泊、北美五大湖以及北欧地区的“千湖之地”都是这些真正永久水域的一部分。但图2B也揭示了地表水赋存状态变化的显著模式。

在过去的三十年里，超过162,000平方公里的以前被认为是永久性的水体被证明不是这样的；几乎90,000平方公里已经完全消失，超过72,000平方公里已经从永久状态转变为季节性状态。在同一时期，几乎有21.3万平方公里的新永久水体出现；其中2.9万平方公里过去是季节性洪水，但现在全年都在水下，而在以前没有地表水的地区形成了18.4万平方公里的永久水体。在当代时间框架内(2014年10月至2015年10月)，季节性水覆盖面积为81万平方公里。

地表水只是水资源的一部分，但它是人类最容易获得的水资源[21]，并提供广泛的生态系统服务。地球上真正永久的地表水几乎有52%出现在北美，2015年北美的人口不到5%，而非洲大陆也拥有当代季节性水资源的18%。1984年至2015年间，北美永久水域面积增加了17000平方公里[22]。相比之下，拥有60%人口的亚洲只占真正永久水资源的9%，占当代季节性水资源的35%。亚洲获得了71000平方公里的永久水资源，这对该大陆来说增加了23%。非洲和拉丁美洲拥有几乎相同的世界永久水资源份额，约为9%，尽管它们的人口非常不同，非洲(占总数的16%)养活的人口几乎是拉丁美洲(8.6%)的两倍。欧洲，包括占全球人口10%的俄罗斯，拥有22%的永久水资源和18%的当代季节性水资源。大洋洲是唯一一个永久水资源净流失的大陆地区，尽管面积很小，只有229平方公里。

图 3 永久水面面积变化趋势

a.芬兰。b.澳大利亚新南威尔士州。c.美国西部各州(亚利桑那州、加利福尼亚州、爱达荷州、内华达州、俄勒冈州、犹他州)。d.咸海(哈萨克斯坦、乌兹别克斯坦)。e.伊拉克、伊朗和阿富汗。f.西藏高原。不确定性是根据最大永久水范围的未观测到的成分来估计的。真正的地表水面积在这个范围内。趋势线由未观察到的成分小于5%的年份提供。

大陆摘要掩盖了强烈的区域差异。澳大利亚的千年干旱(2001年至2009年)对水文产生了重大影响[16]，这一影响可以从干旱年份的永久地表水面积趋势中看出(图3B)。美国的地区差异也很明显。尽管自1984年以来，该国的永久地表水总面积增加了0.5%，但干旱和持续的用水需求相结合[17]，导致西部六个州的面积减少了33%，超过6000平方公里(图3C)。这些损失正在改变社会行为，推动当地水资源管理政策的变化，并导致农业生产的转变[17]。

图 4 咸海和青藏高原地表水变化

取得具有代表性的观测结果的第一年与观测结果的最后一年之间的过渡。a.咸海。b.西藏高原。每个位置的区域上下文显示在插图中。这些测绘区域的水面面积的32年趋势如图3d和f所示。季节类别的关键适用于这两个面板。

人类行为可能会因水资源分配而改变，但人类行为本身也在改变地表水模式。全球永久净水损失的70%以上集中在五个国家。以45°N，60°E(图2B)为中心的永久性水面变化的显著负异常对应于这一变化热点。哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦已经失去了咸海南部东部的大部分地区(图3d和图4)。1994年至2009年间，损失速度最大，尽管最近这一趋势有所放缓，甚至部分逆转(图3d)。曾经供养着这个湖的阿姆河和锡尔河的改道和撤退是造成损失的主要原因，但水资源管理的变化给稳定和部分恢复带来了希望[15]。伊朗、阿富汗和伊拉克也遭受了重大损失，2015年永久地表水分别比观测第一年减少了56%、54%和34%(图3e)。这些损失引发了对水安全和跨界水管理的严重问题[23]，其原因包括无节制的开采、改变河流流量和流向的大坝以及干旱[16]。

分布在各大洲的24个国家每个国家都获得了至少1000平方公里的新永久性水体(补充表1)。大部分来自水库建设(扩展数据图6)，其中大多数国家在国际大坝委员会大坝建设者登记中占据突出位置[24]。土库曼斯坦是个例外；超过90%的新增水面--14411平方公里--来自1992年加拉巴加兹湖和里海之间的一座大坝决口后恢复的加拉巴加泽克湖[25]。在青藏高原没有修建大坝的情况下，永久地表水也大大增加(图4)。实际上，该地区所有的内陆湖都在扩张，新的湖泊正在形成，导致面积增加了20%，额外增加了8300平方公里(图3F)。高原上的湖泊扩张与更高的气温和年降水量导致的冰雪融化加速造成的径流增加有关[14]。适应气候变化的挑战包括洪水造成的牧场减少、微咸水扩张后与盐碱化相关的草原退化，以及对交通基础设施的威胁[26]。该地区与气候有关的地表水增加与上述澳大利亚、美国西部各州和中亚/中东与干旱有关的损失形成鲜明对比。

季节性水面可能表现出很强的变异性，在多雨和干旱年份之间移动，甚至在地理上发生变化。捕捉这种变化，特别是对于短持续时间的事件，是具有挑战性的，因为无云卫星观测必须与水的发生同步进行。相应地，季节性水图的精度较低(扩展数据表1)。地点、持续时间和时间的变化取决于当时的天气条件(包括厄尔尼诺-南方涛动等重大扰动造成的变化)，但侵蚀、泥沙输送和沉积(特别是海岸线和河道沿线)和土地利用选择也有影响。这些条件中的任何一个的变化甚至可以驱动永久类和季节性类之间的转换(如方法中所定义的)。例如，孟加拉国和印度的Sundarbans红树林周围的许多季节性洪水淹没的稻田已经转变为永久淹没的鱼塘(扩展数据图7)。这可能是通过选择

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