近日，南方科技大学环境科学与工程学院助理教授姜丽光课题组以“Tracking River's Pulse From Space: A Global Analysis of River Stage Fluctuations”为题在地球物理学领域学术期刊Geophysical Research Letters上发表了最新研究成果。该研究首次量化了全球大型河流水位波动幅度，追踪了2016年至2022年间河流水位波动幅度年际变化，揭示了全球河流水位波动幅度的空间格局，并分析了河流水位波动幅度与气候变化以及人类活动之间的潜在关系。

河流水位波动对河流形态、底栖水生生物栖息、悬移质和生源要素输移、地表-地下水交互等多个物理-生物-化学过程具有重要影响。然而，受传统水位监测方法的限制，河流水位数据匮乏，严重阻碍了相关研究的开展。例如一些最基本的科学问题：全球河流水位波动的幅度有多大？不同河流的波动幅度差异有多大？目前没有可用的数据来回答这些问题。

针对这一研究空白，姜丽光研究团队及合作者，基于哨兵3号卫星测高数据，构建了包含3272个全球河流虚拟站点的水位时间序列数据集，量化了河流水位波动幅度。研究结果显示奥里诺科河、密西西比河、长江、伊洛瓦底江和亚马逊流域，平均水位波动幅度较大，均超过7米。单一站点的水位波动幅度差异很大，从不足1米到高达18米。

利用哨兵3号卫星测高数据提取了世界主要大河的水位变化时间序列，量化了河流水位波动幅度，揭示了全球河流长期水位波动幅度的空间特征（见图1）及人类活动对河流水位波动的影响。

图1 全球河流长期水位波动幅度的分布及统计图

为研究气候特征与河流水位波动的关系，研究团队结合全球干旱指数数据，对不同气候区域的河流水位波动进行了统计分析（见图2）。结果表明，半干旱区的河流水位波动幅度相较于其他气候区更为显著。这可能是因为在相对较干旱的地区，河流更容易失去水分以补充地下含水层。这一现象意味着气候干旱区河流-地下水有着复杂的相互影响，为进一步研究地表水-地下水交互提供了重要线索。

图2 全球范围内不同气候带下河流水位波动空间分布图（a）S3A （b）S3B

河流波动幅度除了受气候因素的影响，还会受到人类活动的干扰。该研究利用河流连通性指数CSI（connectivity status index）表征人类活动，分析了人类活动对河流波动的影响。研究团队采用加权线性回归方法，探究了不同连通性指数范围内河流波动幅度。如图3所示，波动幅度与CSI呈显著正相关（p <0.005），CSI解释了51.2%的水位波动，这一结果揭示了人类活动对河流水位波动的实质性影响。

图3 河流水位波动幅度与CSI 的拟合关系

这项研究首次尝试利用卫星测高数据估算全球大型河流的水位波动，刻画了全球大河水位波动幅度及其空间格局。未来研究将扩展到中小河流，为研究全球河流水位波动提供更加详细的信息。

南方科技大学环境科学与工程学院2022级博士生赵亚楠为论文第一作者，姜丽光助理教授为通讯作者，南科大为论文第一单位，合作作者还包括中国科学院地理资源所助理研究员张星星和南方科技大学讲席教授刘俊国。该研究得到了深圳市城市环境健康风险精准测量与预警技术重点实验室、深圳市科技计划和南方科技大学启动基金的资助。

论文链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2023GL106399

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：孟珍

编辑：曾昱雯