一顆名為“地表水和海洋地形”（后簡(jiǎn)稱SWOT）的新衛(wèi)星，將使用雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)，繪制全球的海洋、河流、水庫(kù)和湖泊的水位和坡度變化情況圖像。它的技術(shù)基礎(chǔ)來(lái)自名為“高度表”的海洋雷達(dá)衛(wèi)星，但因?yàn)镾WOT使用干涉測(cè)量技術(shù)，與傳統(tǒng)的雷達(dá)高度計(jì)相比，它的圖像具有更精細(xì)的空間像素，因而能測(cè)量并繪制小型內(nèi)陸水體和海洋的圖像。這一任務(wù)是NASA和法國(guó)航天局、加拿大航天局、英國(guó)航天局之間的合作，也囊括了兩個(gè)群體（水文學(xué)和海洋學(xué)）的科學(xué)家以及眾多國(guó)家。SWOT從想法變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，跨越了20年的時(shí)間，經(jīng)歷了數(shù)十次國(guó)際會(huì)議，有數(shù)千人參與其中，也耗費(fèi)了10億多美元的公共資金。

SWOT于2022年啟動(dòng)，它將至少每20天就要以3D方式繪制地球的地表水圖。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(cè)量值。衛(wèi)星的初步測(cè)量數(shù)據(jù)將立即發(fā)布到網(wǎng)上，然后至少每年發(fā)布一次重新處理過(guò)、質(zhì)量有保證的全球數(shù)據(jù)集。這些數(shù)據(jù)將免費(fèi)在線提供給科學(xué)和商業(yè)用途。

SWOT還將提供河流流量的遙感估算。在美國(guó)，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局維護(hù)著8000多個(gè)河流測(cè)量站，并將其數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)上，但是這種透明度相對(duì)來(lái)說(shuō)很少見(jiàn)。在美國(guó)、加拿大、巴西和歐洲以外的地區(qū)，河流水位數(shù)據(jù)通常很少，或者是保密的。水庫(kù)中的水位測(cè)量數(shù)據(jù)則更為罕見(jiàn)。這使得監(jiān)視河流流量以及遵守跨界水共享協(xié)議，對(duì)世界上許多地區(qū)來(lái)說(shuō)都是很難甚至無(wú)法完成的。通過(guò)在線提供實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)，SWOT將改變水計(jì)劃制定者、政府、非政府組織和私營(yíng)部門(mén)監(jiān)測(cè)世界各地重要的淡水資源儲(chǔ)備狀況的能力。

由于SWOT是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)性技術(shù)，因此很難預(yù)測(cè)人們使用這些數(shù)據(jù)的所有方式。目前，全世界湖泊和濕地的水位大多未經(jīng)測(cè)量。任務(wù)規(guī)劃者希望通過(guò)補(bǔ)充測(cè)量站的數(shù)據(jù)，以幫助河漫灘社區(qū)和企業(yè)更好地保護(hù)自己免受洪水的侵害的方式，來(lái)提升河流貿(mào)易的收益。水資源規(guī)劃者可以追蹤水庫(kù)中的蓄水情況，并建立更好的計(jì)算機(jī)模型來(lái)預(yù)測(cè)農(nóng)作物的產(chǎn)量、洪災(zāi)和旱災(zāi)。如果能實(shí)現(xiàn)其中的一些目標(biāo)，那么SWOT將極大地造福于人類，它所執(zhí)行的任務(wù)將取得巨大的成功。

到2022年發(fā)布時(shí)，我已經(jīng)投身SWOT20年了。從一開(kāi)始，我就參與了這項(xiàng)任務(wù)的構(gòu)思和規(guī)劃，有些大膽的想法可以追溯到我在20世紀(jì)90年代中期所寫(xiě)的博士論文。作為一名稚嫩的博士生，我在美國(guó)地球物理學(xué)會(huì)會(huì)議上第一次發(fā)言的題目是“我們可以從太空中測(cè)量河流流量嗎”。我還記得，當(dāng)自動(dòng)扶梯把我?guī)У脚f金山龐大的莫斯克尼中心熙攘的人群中時(shí)，我瞬時(shí)不知所措，隨后忐忑地將我的想法呈現(xiàn)給面露疑色的觀眾。畢竟，在1994年，使用衛(wèi)星測(cè)量河流流量的想法聽(tīng)起來(lái)有些荒謬。

但是，如果這項(xiàng)激動(dòng)人心的新技術(shù)按計(jì)劃進(jìn)行，那么SWOT將只是幫助我們管理世界淡水資源的眾多衛(wèi)星中的第一顆。它將與其他許多成功的衛(wèi)星任務(wù)一起，監(jiān)測(cè)全球水循環(huán)的其他要素。例如，全球降雨測(cè)量計(jì)劃衛(wèi)星和CloudSat衛(wèi)星負(fù)責(zé)測(cè)量降雨量，土壤水分主被動(dòng)探測(cè)計(jì)劃衛(wèi)星負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)土壤含水量，重力恢復(fù)和氣候監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星和即將推出的NASA-ISRO合成孔徑任務(wù)衛(wèi)星，負(fù)責(zé)探測(cè)地下水枯竭地區(qū)。這些水敏感技術(shù)提供了重要的觀測(cè)結(jié)果，也被用于驅(qū)動(dòng)水文模型的發(fā)展，提升它們?cè)谒Y源規(guī)劃洪水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面的作用。

人們將結(jié)合來(lái)自價(jià)格低廉的地面?zhèn)鞲衅骶W(wǎng)絡(luò)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用人工智能算法，篩選從衛(wèi)星輸出的全球數(shù)據(jù)，以監(jiān)測(cè)地球水循環(huán)的喧囂聲。傳感器、衛(wèi)星和模型讓人類越來(lái)越靠近那個(gè)原本不可能實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，這個(gè)目標(biāo)就是：對(duì)世界水資源及其隨時(shí)間和空間的變化進(jìn)行持續(xù)的實(shí)時(shí)記錄。

自圣經(jīng)時(shí)代以來(lái)，如何正確地認(rèn)識(shí)世界的水循環(huán)過(guò)程，是一直困擾著我們的問(wèn)題。米利都的泰勒斯和后來(lái)出現(xiàn)的大批自然哲學(xué)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?！秱鞯罆?shū)》第一章第七節(jié)的作者（一般認(rèn)為是所羅門(mén)王）寫(xiě)到：河流都流入大海，大海卻沒(méi)有滿；河流從那里來(lái)，又回到了那里。但一切是如何發(fā)生的，始終是一個(gè)謎。

亞里士多德認(rèn)為，河流起源于地下洞穴，它是通過(guò)將空氣轉(zhuǎn)化為水形成的。在中世紀(jì)，人們普遍認(rèn)為，河流向海洋的排放是由隱藏的隧道系統(tǒng)來(lái)平衡的，該隧道系統(tǒng)將海水送回陸地。這個(gè)想法一直延續(xù)到了文藝復(fù)興時(shí)期，列奧納多·達(dá)·芬奇接受了這一觀點(diǎn)。他認(rèn)為，正如人類的動(dòng)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(nèi)陸泉水、溪流和河流的地下靜脈，以再次開(kāi)啟循環(huán)。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？它是如何從咸水變成淡水的？）似乎并沒(méi)有令達(dá)·芬奇或其他持這種觀點(diǎn)的人感到困擾。值得注意的是，直到1674年，法國(guó)人皮埃爾·佩羅明確證明降雨是河流流量的主要來(lái)源之后，人們才認(rèn)識(shí)到正確的答案。

皮埃爾·佩羅（Pierre Perrault，1608-1680）

佩羅出生于一個(gè)受過(guò)良好教育的家庭，與他的兩個(gè)弟弟克勞德和查爾斯相比，他遜色不少?？藙诘隆づ辶_是一位成功的解剖學(xué)家和建筑師，他是法國(guó)科學(xué)院的共同創(chuàng)始人，翻譯了維特魯威的《建筑十書(shū)》，并設(shè)計(jì)了盧浮宮的一部分。查爾斯·佩羅因一本名為《附道德訓(xùn)誡的古代故事》的兒童故事書(shū)而名聲大噪。這本書(shū)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(dān)任稅務(wù)員一職，這使他陷入了破產(chǎn)的窘境，之后他對(duì)塞納河產(chǎn)生了興趣。通過(guò)測(cè)量落在陸地上的降水量，然后將其與從河流中收集的流量數(shù)據(jù)進(jìn)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(lái)自雨水和雪。他所采用的定量研究方法，主張通過(guò)測(cè)量和數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)解決問(wèn)題，而不是從軼事或藝術(shù)作品中獲得靈感，這也是當(dāng)時(shí)科學(xué)進(jìn)步的表現(xiàn)之一。他的著作《論水的發(fā)源》解決了一個(gè)被自然哲學(xué)家爭(zhēng)論了2000多年的難題，并開(kāi)辟了定量水文學(xué)領(lǐng)域。

《論水的發(fā)源》扉頁(yè)

《論水的發(fā)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(chǎn)生的影響在很大程度上被遺忘了。然而，他的貢獻(xiàn)為我們?cè)诶斫夂驼瓶睾恿饕约罢w的水循環(huán)方面取得巨大進(jìn)展奠定了基礎(chǔ)。他建立了一種以測(cè)量為基礎(chǔ)的新的實(shí)證科學(xué)，如今，傳感器、衛(wèi)星和模型仍在繼續(xù)推進(jìn)這一科學(xué)。

當(dāng)然，自佩羅時(shí)代以來(lái)，定量水文學(xué)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步?？茖W(xué)家們已經(jīng)確定了水循環(huán)的所有主要組成部分，即降水、地下流量、河流流量、蒸發(fā)、植物蒸騰作用、凝結(jié)和（冰雪的）升華。我們知道，大部分降水最終會(huì)進(jìn)入海洋，但大型儲(chǔ)水庫(kù)——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(dá)。水從海洋和陸地蒸發(fā)到空中，在空中停留幾天，然后以雨或雪的形式落下，完成這個(gè)循環(huán)。

當(dāng)水在全球系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)時(shí)，既不會(huì)增多也不會(huì)減少，而是以相態(tài)轉(zhuǎn)化從一個(gè)地方轉(zhuǎn)移到另一個(gè)地方。就像一個(gè)旋轉(zhuǎn)著不同大小和速度的飛輪的房間一樣，有些水循環(huán)非?？欤ɡ纾诳諝夂秃恿髦辛鲃?dòng)的水），有些水循環(huán)很慢（例如，在地下水、湖泊和積雪中流動(dòng)的水），還有一些水循環(huán)非常慢（例如，在深層化石含水層、深海、冰川和冰蓋中流動(dòng)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(shí)刻，這些形態(tài)都容納著少量的水，但是它們的循環(huán)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(tài)轉(zhuǎn)換而發(fā)生的是能量的大量釋放和吸收。在液態(tài)水蒸發(fā)成氣態(tài)水蒸氣時(shí)，它會(huì)吸收本地環(huán)境中的熱量（這就是汗液蒸發(fā)使皮膚冷卻的原理）。當(dāng)蒸氣上升到較低的高度并凝結(jié)成雨滴時(shí)，潛伏的（存儲(chǔ)的）熱量會(huì)重新釋放到空氣中，從而激發(fā)暴風(fēng)雨、壓力系統(tǒng)和天氣。當(dāng)颶風(fēng)上岸時(shí)，它的主要能量來(lái)源（蒸發(fā)的海水在上升和凝結(jié)時(shí)釋放的熱量）就被切斷了，于是它開(kāi)始減弱和消亡。

像增壓的燃油管線一樣，河流在這個(gè)循環(huán)中不斷奔跑。就絕對(duì)存儲(chǔ)容量而言，它們非常小，在任何給定的時(shí)間點(diǎn)大概擁有2000立方千米的水。相比之下，地球上存儲(chǔ)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，這類似于將燃油管線的容積與油罐的容積進(jìn)行比較。河流之所以如此特別，是因?yàn)樗芸焖偌械剌斔退湍茉?，這也是人類傾向于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(gè)星球上，幾乎98%的水都是咸水，不適合飲用或灌溉農(nóng)作物。降雨過(guò)于分散，不容易利用。因此，作為淡水質(zhì)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。

本文經(jīng)授權(quán)摘自《河流是部文明史》，作者勞倫斯·C.史密斯是美國(guó)布朗大學(xué)地球、環(huán)境和行星科學(xué)教授。

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