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全球地表水的高分辨率绘图及其长期变化

Jeanshy;Franccedil;ois Pekel, Andrew Cottam, Noel Gorelick amp; Alan S. Belward

摘要：地表水（内陆和沿海）的位置和持久性都受到气候和人类活动的影响，并影响气候，生物多样性和人类福祉。已经产生了记录地表水位置和季节性的全球数据集。从清单和国家描述，区域数据和卫星图像的统计推断，但测量高分辨率的长期变化仍然是一个挑战。在这里，我们使用300万个Landsat卫星图像，量化了过去32年30m分辨率下全球地表水的变化。我们记录水存在的月份和年份，发生变化的情况以及季节性和持久性方面的变化。在1984年至2015年期间，永久地表水已经从近9万平方公里的面积消失，大致相当于苏必利尔湖的面积，尽管其他地方已形成新的地表水永久性面积184,000平方公里。除大洋洲外，所有大陆地区的永久性水均净增加，而大洋洲的净损失则为百分之一（1％）。尽管气候变化也受到影响，但增加的大部分来自储层填充。损失在地理上更集中于收益。全球70％以上的净永久性水损失发生在中东和中亚，与干旱和人类活动有关，包括河流改道或拦河坝和不受管制的撤离。澳大利亚和美国与长期干旱有关的损失也很明显。这一全球一致，经过验证的数据集表明，可以测量气候变化和气候振荡对地表水发生的影响，并且可以收集证据以显示人类活动如何改变地表水。我们预计这些免费提供的数据将改善地表强迫的模拟，提供湿地生态交错带状态和变化的证据（生物群落之间的过渡区域），并为水管理决策提供信息。

主要内容

在任何两个时间点之间，地球表面的一部分经常在水下，部分从不在水下，其余部分在这些极端之间波动。海岸线和湖泊和河流边界前进和后退，河流蜿蜒曲折，新的永久性湖泊形成，其他空旷，而季节性洪水和洪水灌溉周期定期产生临时水体。你何时何地发现地球表面的水是非常重要的。水的存在（或不存在）影响气候系统，如一般循环模型中所述，以及CO逃逸和甲烷排放.水的获取影响多种物种的运动，可行范围和迁移;它是可持续发展不可或缺的，并可能威胁到人民、机构和经济的安全。

从空间分辨率卫星观测中记录了全球地表水动态，使用Landsat卫星图像以5到10年的间隔生成了更高分辨率的季节性地图，并且使用了几十年来所有Landsat图像来绘制大陆和次大陆的季节性和变化。此处提供的数据集（可从https://globalsurfacewater.appspot.com/免费获得）通过使用过去32年中整个多时间正射校正的Landsat 5,7和8档案来扩展以前的工作，以绘制全球的空间和时间的地表水变化图及其长期变化。

1823TB Landsat数据（扩展数据图1a-c）中的每个像素被分类为开放水域，土地或使用专家系统的无效观测（参见方法，扩展数据图2和3以及补充表2） 。开阔水域是任何大于30米times;30米的天空中开放的水域，包括淡水和咸水。使用超过40,000个参考点（方法和扩展数据图4和5）测量的分类性能证实，分类器产生的假水检测不到1％，缺少少于5％的水（扩展数据表1）。

长期水历史被用于生产记录地表水动态不同方面的主题产品。图1显示了美国萨克拉门托山谷部分地区的全球产品摘录（见图1a）。图1b显示了1984年3月到2015年10月之间发生的事件（持续性和位置的变化）。在32年中，发生率增加或减少的强度是持久性的增加，减少和持续性（图1c）。水在时间序列中每年重新出现的频率被映射为重现（图1d），并且在整个一年的观测中存在的水面分别与季节性的那些相映射（图1e）。永久水，季节性水和土地类别之间的过渡可以在任何两年的观察之间确定;观察的第一年和最后一年之间的过渡如图1f所示。时间概况记录每个像素，每月和每年的水历史，并通过组合这些互补信息层产生全球，大陆和国家尺度的变化测量（补充表1）。

图1：地表水动态的不同方面

1. 显示萨克拉门托山谷位置（红色方块）的美国地图。 b，1984 - 2015年地表水发生。 c，地表水发生变化强度1984-2015。 d，地表水复发1984-2015。 e，2014 - 2015年地表水季节性。 f，1984 - 2015年地表水类别的过渡。萨克拉门托山谷是美国主要的水稻种植区之一，从全球数据集中提取。每个小组左下方的季节性水域对应于洪水灌溉，主要是稻田。更永久的水景（每个面板的中心和右上）是水库。有关水类的说明，请参见补充信息。

1984年3月至2015年10月期间，地球陆地面积的3％（446万平方公里）处于水下。图2a显示，超过一半（52％）的土地位于44°N以上，这一模式与以前的工作9,10,11。2015年，永久性水体覆盖了278万平方公里，其中86％（240万平方公里）在地理和时间上不变，始终存在于整个观测记录中;世界古老的湖泊如贝加尔湖和坦噶尼喀岛，北美洲的五大湖和北欧地区的“千湖之国”是这些真正永久水域的一部分。但是图2b也揭示了地表水发生变化的惊人模式。

图2：全球地表水分布和变化。

全球地图，右侧和下方显示1°纬度/经度的地表水面积摘要。 a，2014年10月至2015年10月的最大水位，永久和季节性地表水发生.b，1984年至2015年期间永久和季节性地表水面积的增加和损失。所有内陆和沿海水域的测量仅由GADM参考定义图层（参见方法）

在过去的三十年中，超过162,000平方公里的水体以前被认为是永久性的，事实证明并非如此;近90,000平方公里已经完全消失，超过72,000平方公里已从永久状态转变为季节性状态。在同一时期，大约213,000平方公里的新永久水体成立;其中29,000平方公里曾经季节性淹水，但现在全年都在水下，而以前没有地表水的地区形成了184,000平方公里的永久性水。在当代时间框架（2014年10月至2015年10月），季节性水资源覆盖了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，并提供广泛的生态系统服务。地球上几乎52％的真正永久性地表水发生在北美，2015年人口不到5％，而非洲大陆也拥有18％的当代季节性水。 1984年至2015年间，北美的永久水域面积增加了17,000平方公里。相比之下，拥有60％人口的亚洲仅占真正永久性水资源的9％，占当代季节性水资源的35％。亚洲已经增加了71,000平方公里的永久性水，这个大陆增加了23％。非洲和拉丁美洲的世界永久性水资源占比约为9％，尽管其人口差异很大，非洲（占总数的16％）支持的人口几乎是拉丁美洲的两倍（8.6％）。欧洲，包括俄罗斯，占全球人口的10％，拥有22％的永久性水和18％的当代季节性水。大洋洲是唯一一个净流失永久性水域的大陆地区，尽管面积仅为229平方公里。

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）严重影响了水文，在干旱年份的永久地表水面积趋势中可以看到这种可测量的影响（图3b）。区域差异在美国也很明显。虽然自1984年以来该国的永久地表水面积总体上增加了0.5％，但干旱和持续的水需求的结合使西部六个州减少了33％，超过6,000平方公里（图3c）。这些损失正在改变社会行为，推动当地水管理政策的变化，并导致农业生产的转变。

图3：年度永久水面积的趋势。

1. 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，Aral Sea（哈萨克斯坦，乌兹别克斯坦）。 e，伊拉克，伊朗和阿富汗。 f，青藏高原。根据最大永久水位的未观察到的分量估算不确定性。真正的地表水面积在此范围内。趋势线是从未观察到的组分小于5％的年份提供的。

人类行为可能会随着水的分布而发生变化，但人类行为本身正在改变地表水模式。全球70％以上的净永久性水损失集中在五个国家。永久水覆盖变化的显着负异常集中在45°N，60°E（图2b）对应于这个变化的热点。哈萨克斯坦和乌兹别克斯坦失去了咸海南部东部大部分地区（图3d和4）。 1994年至2009年期间的损失率最大，尽管最近这种情况已经放缓甚至部分逆转（图3d）。曾经给湖泊输水的Amu和Syr河的转移和撤离是造成损失的主要原因，但水管理的变化提供了稳定和部分恢复的希望.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察第一年减少56％，54％和34％（图3e）。这些损失引起了有关水安全和跨界水资源管理的严重问题，其原因包括不受管制的撤离，改变流量和河流方向的水坝以及干旱。

图4：咸海和青藏高原的地表水变化。

获得代表性观察的第一年与观察的最后一年之间的过渡。 a，咸海。 b，青藏高原。每个位置的区域上下文显示在插图中。这些映射区域的水面面积的32年趋势如图3d和f所示。季节性类的关键适用于两个面板。

遍布各大洲的24个国家每个都获得了至少1,000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登记大坝建设者中占据突出地位.土库曼斯坦是一个例外;超过90％的额外水面--14411平方公里 - 1992年在泻湖和里海之间的大坝遭到破坏后，Garabogazkouml;lYylagy泻湖恢复的结果.在青藏高原没有筑坝的情况下，永久地表水也大大增加（图4）。事实上，该地区所有的内陆湖泊正在扩张，新的湖泊正在形成，导致增加20％，增加8,300平方公里（图3f）。高原湖泊扩张与高温和年降水量引起的加速雪和冰川融化导致的径流增加有关.气候变化适应挑战包括淹没造成的放牧土地减少，与咸水扩张后的盐化有关的草地退化以及威胁运输基础设施.该地区地表水的气候相关增长与澳大利亚，美国西部各州以及上述中亚/中东地区与干旱相关的损失形成鲜明对比。

季节性水面可以显示出强烈的变化，在潮湿和干燥年份之间移动，甚至在地理上移动。捕获这种可变性，特别是对于短期事件，具有挑战性，因为无云卫星观测必须与水的发生同时进行。季节性水图的准确性相应较低（扩展数据表1）。位置，持续时间和时间的变化取决于主要的天气条件（包括由厄尔尼诺 - 南方涛动等主要扰动引起的变化），尽管侵蚀，沉积物运输和沉积（特别是在海岸线和河道周围）和土地利用选择也有一种影响。任何这些条件的变化甚至可以驱动永久类和季节类之间的转换（如方法中所定义）。例如，孟加拉国和印度的孙德尔本斯红树林周围的许多季节性淹水稻田已经转变为永久性淹没的鱼塘（扩展数据图7）。这可能是通过选择和市场力量，但也可能是必要的，因为稻田水和土壤变得越来越咸，海平面上升和三角洲地区下降.季节性洪水淹没的土地也可能在新水坝的回水中被淹没，而下游河流系统变得越来越分散和干燥;淹没，破碎和干燥对于许多拦河而言都很明显，例如Paranaacute;（扩展数据图8），科罗拉多河和湄公河。这些过程对人类和生物多样性产生广泛影响，虽然准确的绘图将导致改善水资源管理，并更深入地了解连通性，时间特征和土地管理决策的后果。

这里报告的调查结果强化了对水资源管理战略的需求，这些战略整合了气候和社会经济方面，正如已经提出的那样.该分析对Landsat观测的所有32年应用一致的算法，以生成记录全球地表水的经过验证的数据集具有新水平的空间细节和准确性的动力学。将这些信息与卫星测高仪等互补数据集联系起来，可以得出地表水量，河流流量甚至海平面上升的新估计值.目前以简单方式处理地表水的一般环流模型应立即受益于准确的真正永久水面的位置。绘制全球地表水发生的长期变化，记录多年代际趋势并确定诸如湖泊扩张和退缩或河道迁移等事件的时间（在给定月份或年内），可以深入了解气候变化和气候振荡对地表水的影响分布，并同时捕捉人类对地表水资源分布的影响。

研究方法

数据：1984年3月16日至2015年10月10日使用期间收购的Landsat 5 Thematic Mapper（TM），Landsat 7增强型专题Mapperplus（ETM ）和Landsat 8操作陆地成像仪（OLI）正射校正，顶部大气反射和亮度温度图像（L1T）的整个档案。

陆地5,7和8处于近极轨道，每16天重复覆盖一次;两颗卫星同时运行8天。由相邻轨道成像的地面区域在赤道处重叠7.3％，在纬度70°处增加到68.3％重叠。相邻轨道在前一个轨道的西侧相隔一周收集，因此两个轨道的侧面区域中的像素是独特的看法。沿轨道轨道的连续图像帧也重叠，但这些是相同的数据，而不是唯一的视图;我们排除了endlap但保留了sidelap像素进行分析。 1984年3月1日发射的Landsat 5收集了TM图像，直到2011年11月.Landsat 7于1999年4月15日发射并正常获取图像，直到2003年5月31日扫描线校正器（SLC）失效，Landsat 8于2013年4月开始运行成像SLC故障导致每个场景的22％左右丢失。这种损失从中心增加，使SLCoff图像在边缘处呈现板条状外观。

扩展数据图1a-c显示了地理覆盖范围，成像的第一年和每年获得的图像数量的变化。 Landsat 5没有机载数据记录器，其与数据中继卫星的连接随着时间的推移而失败，因此覆盖范围通常仅限于接收站的视线，而这些并未提供完整的全球覆盖范围.从1985年开始对该方案进行商业管理。 20世纪90年代早期意味着收购往往只有在预订时才能获得。在1999年之前，地理和时间的不均匀性特别明显;美国，西欧和非洲在1986年首次成像，1986年在澳大利亚和东南亚，但Kolyma直到1995年和西伯利亚高原的东北部才直到1999年才成像。这些差距是基于Landsat 30m档案的所有全球数据集的特征.两个Landsa

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