基于遥感星座协同的亚洲高山区河流水文变化立体监测
河流作为地球水循环的重要组成部分，对社会经济发展和生态系统健康等方面具有重要意义。气候变化和人类活动加速了全球水循环，使河流变得越来越脆弱和不稳定，该问题在气候暖湿化的亚洲高山区尤为突显。然而，地面监测资料缺失和实时监测能力的不足限制了对该地区河流水文变化时空动态规律的科学理解。
中国科学院南京地理与湖泊研究所宋春桥研究员课题组发展遥感星座协同观测方法（ISPRS J Photogramm,2023），开展亚洲高山区河流水文变化的高时频、立体（水平维度：河流水域，垂直维度：河流水位）监测研究，定量揭示了亚洲高山区河流水文的季节性波动规律与年际变化特征，对促进理解该地区河流水文情势变化提供有力方法与数据支撑。相关研究成果发表在Journal of Hydrology（2025a,b）期刊，曾繁轩博士为论文第一作者。
青藏高原内流区河流主要依赖夏季降水和冰川融水补给，流程短、流量小，多为冬季断流的季节性河流，且大多位于人烟稀少（无人区）地区，缺乏地面水文观测。研究利用Sentinel哨兵卫星遥感星座协同观测，绘制了青藏高原内流区河流水域多年水淹频率空间分布图，揭示了内流河网特征，量化河流（河宽>10 m）多时空尺度的水文参数，包括长度、宽度、密度和水域范围等。研究揭示：在多年最大水淹状态下，遥感提取的青藏高原内流河总长度约为20686.67 km，河流水域面积为1514.92 km2，河流平均宽度为87.53 m，最宽处为3763.82 m，河网密度为0.02 km/km2；在多年平均水淹状态下，河流水域面积、总长度和平均宽度分别为最大水淹状态的34.27%、60.16%和32.29%；空间分布上，河网在羌塘高原南部和柴达木盆地东南部更密，羌塘高原中部和柴达木盆地北部河网相对较稀疏，以狭窄的季节性河流为主。研究还发现青藏高原内流河的分布格局受构造地貌和气候影响明显：复杂地形区的内流河更宽、更密；气候则主要影响河网的密度，其随气候变化表现出明显的非线性变化特征；此外，冰川融水作为高原内流河主要水源之一，对河网发育有明显的正向促进作用。
图1 青藏高原内流区河流水域面积与河宽的空间分布特征
亚洲高山区作为十余条大河的发源地，是下游数亿人口水资源安全的关键保障和重要生态屏障，成为全球水文变化研究的热点区域。研究提出一套筛选河流水文监测遥感虚拟站的有效方案，构建河流虚拟站的水域与水位变化的经验模型，基于遥感卫星星座的高时频观测重建了亚洲高山区及周边157个河流虚拟站的水位时间序列。重建后的亚洲高山区河流虚拟站水位时间序列得到了显著的时段延长和频次提升，约63%的虚拟站时段平均延长了1.47倍，观测频率平均增加了7.26倍，水位观测频次提高到约每6天一次；与初始水位时间序列相比，重建后时间序列可以捕捉到更精细水位变化特征，观测水位季节性变幅相对原始测高水位序列增加了1.22倍。研究结果显示：发源亚洲高山区的河流在气候湿润的东南部水位波动较大，而在气候干燥的西北部水位季节性变幅较小；2017-2022年萨尔温江水位波动最为明显，平均振幅为17.34 m，其次是湄公河（平均振幅为10.76米）和长江（平均振幅为10.32米）；阿姆河和伊犁河水位变幅较小，平均振幅分别为2.64米和2.81米；各流域水位波动的峰值通常发生在雨季（四月至九月）。2017-2022年期间，萨尔温江、雅鲁藏布江、恒河、黄河和长江水位年际变化表现为先增后降，分别在2020年、2019年、2021年、2019年和2020年达到峰值；印度河水位的年际变化则呈现出逐年上升趋势。虽然不同流域受到不一致的季风环流模式影响，但导致水位波动主要影响因素是降雨径流、融雪、冰川补给。
图2 基于遥感虚拟站监测方法的亚洲高山区主要河流的水位季节性变幅特征
图3 基于遥感虚拟站监测方法的亚洲高山区主要河流的水位年内与年际变化特征
总体而言，卫星时空覆盖程度和观测手段进步有效提高了遥感星座协同的立体观测能力，极大促进了缺测（少测）地区河流水文的年际与亚季节性变化规律探测，对于理解区域水文动态与水资源状况，尤其是全球变化影响热点区——亚洲高山区的河流水文规律意义显著。
以上研究成果得到了国家自然科学基金项目、第二次青藏科考项目、研究所自主部署项目、江苏省自然科学基金项目和中国博士后科学基金项目共同资助。
论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169425005293
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022169425005529
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0924271623002538