當大資料遇上全球水域

一顆名為“地表水和海洋地形”（後簡稱SWOT）的新衛星，將使用雷達干涉測量技術，繪製全球的海洋、河流、水庫和湖泊的水位和坡度變化情況影象。它的技術基礎來自名為“高度表”的海洋雷達衛星，但因為SWOT使用干涉測量技術，與傳統的雷達高度計相比，它的影象具有更精細的空間畫素，因而能測量並繪製小型內陸水體和海洋的影象。這一任務是NASA和法國航天局、加拿大航天局、英國航天局之間的合作，也囊括了兩個群體（水文學和海洋學）的科學家以及眾多國家。SWOT從想法變為現實，跨越了20年的時間，經歷了數十次國際會議，有數千人參與其中，也耗費了10億多美元的公共資金。

SWOT於2022年啟動，它將至少每20天就要以3D方式繪製地球的地表水圖。在陸地上，它將收集100米或更寬的河流，以及250米×250米的湖泊的水面高度和坡度的測量值。衛星的初步測量資料將立即釋出到網上，然後至少每年釋出一次重新處理過、質量有保證的全球資料集。這些資料將免費線上提供給科學和商業用途。

SWOT還將提供河流流量的遙感估算。在美國，美國地質調查局維護著8000多個河流測量站，並將其資料釋出到網上，但是這種透明度相對來說很少見。在美國、加拿大、巴西和歐洲以外的地區，河流水位資料通常很少，或者是保密的。水庫中的水位測量資料則更為罕見。這使得監視河流流量以及遵守跨界水共享協議，對世界上許多地區來說都是很難甚至無法完成的。透過線上提供實時測量資料，SWOT將改變水計劃制定者、政府、非政府組織和私營部門監測世界各地重要的淡水資源儲備狀況的能力。

由於SWOT是一項實驗性技術，因此很難預測人們使用這些資料的所有方式。目前，全世界湖泊和溼地的水位大多未經測量。任務規劃者希望透過補充測量站的資料，以幫助河漫灘社群和企業更好地保護自己免受洪水的侵害的方式，來提升河流貿易的收益。水資源規劃者可以追蹤水庫中的蓄水情況，並建立更好的計算機模型來預測農作物的產量、洪災和旱災。如果能實現其中的一些目標，那麼SWOT將極大地造福於人類，它所執行的任務將取得巨大的成功。

到2022年釋出時，我已經投身SWOT20年了。從一開始，我就參與了這項任務的構思和規劃，有些大膽的想法可以追溯到我在20世紀90年代中期所寫的博士論文。作為一名稚嫩的博士生，我在美國地球物理學會會議上第一次發言的題目是“我們可以從太空中測量河流流量嗎”。我還記得，當自動扶梯把我帶到舊金山龐大的莫斯克尼中心熙攘的人群中時，我瞬時不知所措，隨後忐忑地將我的想法呈現給面露疑色的觀眾。畢竟，在1994年，使用衛星測量河流流量的想法聽起來有些荒謬。

但是，如果這項激動人心的新技術按計劃進行，那麼SWOT將只是幫助我們管理世界淡水資源的眾多衛星中的第一顆。它將與其他許多成功的衛星任務一起，監測全球水迴圈的其他要素。例如，全球降雨測量計劃衛星和CloudSat衛星負責測量降雨量，土壤水分主被動探測計劃衛星負責監測土壤含水量，重力恢復和氣候監測實驗衛星和即將推出的NASA-ISRO合成孔徑任務衛星，負責探測地下水枯竭地區。這些水敏感技術提供了重要的觀測結果，也被用於驅動水文模型的發展，提升它們在水資源規劃洪水風險評估方面的作用。

人們將結合來自價格低廉的地面感測器網路的觀測資料，運用人工智慧演算法，篩選從衛星輸出的全球資料，以監測地球水迴圈的喧囂聲。感測器、衛星和模型讓人類越來越靠近那個原本不可能實現的目標，這個目標就是：對世界水資源及其隨時間和空間的變化進行持續的實時記錄。

自聖經時代以來，如何正確地認識世界的水迴圈過程，是一直困擾著我們的問題。米利都的泰勒斯和後來出現的大批自然哲學家們，曾為搞清每年穿越沙漠的尼羅河洪水的源頭而絞盡腦汁。《傳道書》第一章第七節的作者（一般認為是所羅門王）寫到：河流都流入大海，大海卻沒有滿；河流從那裡來，又回到了那裡。但一切是如何發生的，始終是一個謎。

亞里士多德認為，河流起源於地下洞穴，它是透過將空氣轉化為水形成的。在中世紀，人們普遍認為，河流向海洋的排放是由隱藏的隧道系統來平衡的，該隧道系統將海水送回陸地。這個想法一直延續到了文藝復興時期，列奧納多·達·芬奇接受了這一觀點。他認為，正如人類的動脈將血液從心臟中抽出，靜脈將血液送回心臟一樣，地球上也有將海水輸送到內陸泉水、溪流和河流的地下靜脈，以再次開啟迴圈。這種邏輯的許多缺陷（海水是如何被輸送到陸地上海拔更高的地方的？它是如何從鹹水變成淡水的？）似乎並沒有令達·芬奇或其他持這種觀點的人感到困擾。值得注意的是，直到1674年，法國人皮埃爾·佩羅明確證明降雨是河流流量的主要來源之後，人們才認識到正確的答案。

皮埃爾·佩羅（Pierre Perrault，1608-1680）

佩羅出生於一個受過良好教育的家庭，與他的兩個弟弟克勞德和查爾斯相比，他遜色不少。克勞德·佩羅是一位成功的解剖學家和建築師，他是法國科學院的共同創始人，翻譯了維特魯威的《建築十書》，並設計了盧浮宮的一部分。查爾斯·佩羅因一本名為《附道德訓誡的古代故事》的兒童故事書而名聲大噪。這本書就是如今在英文世界為人所知的《鵝媽媽的故事》。

皮埃爾·佩羅曾擔任稅務員一職，這使他陷入了破產的窘境，之後他對塞納河產生了興趣。透過測量落在陸地上的降水量，然後將其與從河流中收集的流量資料進行比較，他證明，塞納河河水的絕大部分水量（即使不是全部）來自雨水和雪。他所採用的定量研究方法，主張透過測量和數學計算來解決問題，而不是從軼事或藝術作品中獲得靈感，這也是當時科學進步的表現之一。他的著作《論水的發源》解決了一個被自然哲學家爭論了2000多年的難題，並開闢了定量水文學領域。

《論水的發源》扉頁

《論水的發源》插圖

與盧浮宮、“小紅帽”和“灰姑娘”這樣著名的作品和故事相比，皮埃爾·佩羅所產生的影響在很大程度上被遺忘了。然而，他的貢獻為我們在理解和掌控河流以及整體的水迴圈方面取得巨大進展奠定了基礎。他建立了一種以測量為基礎的新的實證科學，如今，感測器、衛星和模型仍在繼續推進這一科學。

當然，自佩羅時代以來，定量水文學取得了長足的進步。科學家們已經確定了水迴圈的所有主要組成部分，即降水、地下流量、河流流量、蒸發、植物蒸騰作用、凝結和（冰雪的）昇華。我們知道，大部分降水最終會進入海洋，但大型儲水庫——尤其是冰川冰和地下水蓄水層——顯著地阻止或延遲了部分水的抵達。水從海洋和陸地蒸發到空中，在空中停留幾天，然後以雨或雪的形式落下，完成這個迴圈。

當水在全球系統中迴圈流動時，既不會增多也不會減少，而是以相態轉化從一個地方轉移到另一個地方。就像一個旋轉著不同大小和速度的飛輪的房間一樣，有些水迴圈非常快（例如，在空氣和河流中流動的水），有些水迴圈很慢（例如，在地下水、湖泊和積雪中流動的水），還有一些水迴圈非常慢（例如，在深層化石含水層、深海、冰川和冰蓋中流動的水）。在各大洲，小而快速的飛輪（水汽、降雨和地表水）控制著陸地和陸地上的大部分生命。在任何給定的時刻，這些形態都容納著少量的水，但是它們的迴圈速度很快，從而能夠不斷被生物體利用和再利用。

伴隨著水的相態轉換而發生的是能量的大量釋放和吸收。在液態水蒸發成氣態水蒸氣時，它會吸收本地環境中的熱量（這就是汗液蒸發使面板冷卻的原理）。當蒸氣上升到較低的高度並凝結成雨滴時，潛伏的（儲存的）熱量會重新釋放到空氣中，從而激發暴風雨、壓力系統和天氣。當颶風上岸時，它的主要能量來源（蒸發的海水在上升和凝結時釋放的熱量）就被切斷了，於是它開始減弱和消亡。

像增壓的燃油管線一樣，河流在這個迴圈中不斷奔跑。就絕對儲存容量而言，它們非常小，在任何給定的時間點大概擁有2000立方千米的水。相比之下，地球上儲存的淡水（主要在冰川、冰原和地下水含水層中），總量約為14億立方千米。但是，這類似於將燃油管線的容積與油罐的容積進行比較。河流之所以如此特別，是因為它能快速集中地輸送水和能源，這也是人類傾向於在河流而不是湖泊附近定居的主要原因。

此外，河流攜帶著淡水，在這個星球上，幾乎98%的水都是鹹水，不適合飲用或灌溉農作物。降雨過於分散，不容易利用。因此，作為淡水質量和能量的巨大物理集中地的河流，成了人類文明和生物生命的重要支持者。

《河流是部文明史》，【美】勞倫斯·C。史密斯/著，中信出版集團，2022年7月版