Новый подход основан исключительно на измерениях ширины реки с течением времени, которые могут быть получены из свободно доступных спутниковых снимков.В настоящее время гидрологи рассчитывают расход реки — объем воды, протекающей через нее в любой момент времени — путем проведения серии измерений на земле, включая не только ширину реки, но также ее глубину в нескольких точках и скорость ее движения. потоки. Политика, финансовые соображения и местность часто препятствуют получению таких измерений.«Наш новый метод не требует доступа в страну или захода в реку, чтобы безопасно проводить измерения в полевых условиях», — сказал Колин Глисон, ведущий автор исследования и докторант по географии в Колледже литературы и науки Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Если мы можем получить несколько снимков реки и применить к ним этот метод, мы сможем сказать вам, сколько воды протекало в реке во время съемки».
Открытие освещается 17 марта в онлайн-издании Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).Ожидается, что новый подход, потенциально применимый в любой точке мира, предоставит информацию, которая принесет пользу сельскому хозяйству, санитарии и подготовке к наводнениям, особенно в странах, не имеющих ресурсов для физического измерения и мониторинга своих рек.Кроме того, это обещает повысить точность климатических моделей, которые отслеживают рециркуляцию воды между атмосферой и сушей, и обеспечить соблюдение странами с трансграничными реками международных соглашений о совместном использовании водных ресурсов.
«Эта работа представляет собой прорыв в нашей способности решать одну из самых насущных экологических проблем 21 века, которая заключается в обеспечении доступа к достаточному водоснабжению для людей и экосистем», — сказал Лоуренс С. Смит, соавтор исследования. и председатель географического отдела Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Я очень взволнован этим открытием».Известный специалист по изменению климата и его влиянию на Арктику, Смит последние 20 лет пытался найти способ оценки речного стока на Земле из космоса. Ближе всего к цели он смог приблизиться к подходу, в котором использовались спутниковые снимки, но все же требовалась проверка на месте.
«Вам по-прежнему нужны измерения на земле, чтобы откалибровать метод, который не оправдал себя», — сказал он. «Но теперь мы можем оценить расход только по ширине реки, а ширину мы можем видеть из космоса».Для проверки концепции PNAS Глисон и Смит использовали свою новую систему и спутниковые снимки из программы Landsat правительства США, чтобы измерить сток трех рек — Миссисипи, канадской Атабаски и китайской Янцзы. Затем они сравнили эти результаты с данными о расходах от уважаемых правительственных агентств, которые следят за этими реками и чьи расчеты признаны очень точными.
Оценки географов Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе находятся в пределах от 20 до 30 процентов от этих цифр.«Это может показаться большой ошибкой, но сейчас мы не имеем представления о скорости течения большинства рек по всему миру», — сказал Смит. «Очень полезно получить число, которое находится в пределах даже 30 процентов от точности».Смит пригласил Глисона для полевых работ на ледяном щите, потому что у Глисона был опыт разработки инновационных приложений дистанционного зондирования.
Например, в 2012 году он создал алгоритм для расчета количества крон деревьев в лесу с помощью технологии лазерного сканирования с воздуха.Ледяной щит Гренландии, второй по величине ледяной покров в мире после антарктического ледяного покрова, первоначально занимал 660 000 квадратных миль, но он быстро тает из-за изменения климата. Ожидается, что сток с пласта резко повысит уровень моря, и Смит использует полевые измерения, чтобы проверить текущие прогнозы этого подъема, основанные на компьютерных моделях.
Перед Глисоном, которому было поручено вычислить скорость стока рек, несущих таяние с ледникового покрова, в течение первых двух летних месяцев в полевых условиях было нелегко. С берегами, которые действуют как зыбучие пески, и быстро движущейся водой, несущей куски льда размером с машину, более отдаленные реки ледникового покрова оказались слишком опасными для подхода, не говоря уже о том, чтобы заходить и проводить измерения.«Мы не могли даже подойти ближе 10 футов к реке — и к тому же она толкала ее», — сказал Глисон.Кроме того, реки переплетены друг с другом, что усложняет расчет.
Даже инструменты для измерения глубины были бесполезны; реки были слишком полны наносов и были такими бурными, что выбросили их прямо из воды.Однако Глисон смог методично сфотографировать реки с обеих сторон, а затем использовать эту информацию для расчета ширины водных путей. Вернувшись в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе, он изучил литературу о формуле, которая использовалась в течение последних 60 лет для расчета расхода воды в реке.
По оценкам Глисона, он прочитал более 100 исследований по гидрологической геометрии. Несмотря ни на что, его усилия обнаружили в проверенной временем формуле избыточность.
«Ларри не поверил мне вначале, поэтому он все время повторял:« Хорошо, проверьте это с этими данными », — со смехом вспоминает Глисон.Открытие Глисона позволило ему упростить уравнение, так что для него требовался только один ввод — ширина — вместо трех. Подход позволяет отслеживать колебания по ширине через определенные промежутки времени на реке с течением времени. Смит по-прежнему качает головой, не веря открытию.
«Это довольно удивительно для этого пыльного старого поля, что его раньше никто не обнаружил», — сказал Смит.После подачи статьи в публикацию Глисон и Смит протестировали этот метод еще на 19 реках по всему миру.
До сих пор этот метод достиг, по крайней мере, того же уровня точности, что и в PNAS, за исключением одной конкретной топологии: географы обнаружили, что этот подход не работает на реках с вертикальными бетонными берегами, таких как река, которая протекает через Лос-Анджелес.В конечном итоге географы планируют опробовать метод в общей сложности на более чем 30 реках по всему миру. По крайней мере, четыре реки на каждом континенте, тестовые реки отбираются из-за разнообразия условий, которые они представляют.
«Мы на полпути, и подход продолжает работать, и я заставил его работать быстрее и точнее, чем в статье PNAS», — сказал Глисон.А что насчет рек Гренландии?
Когда Глисон вернулся в прошлом году, он случайно увидел стадо карибу, пересекающее водный путь, который доставил ему столько хлопот. Основываясь на том, где уровень воды достиг животных, он мог экстраполировать измерение глубины, которое ускользнуло от него два предыдущих лета. Вместе со Смитом он импровизировал подход к измерению скорости, бросая ватные ивовые шары в реку и рассчитывая их движение вниз по течению.
Наконец, у Глисона была информация, позволяющая вычислить расход реки с использованием обычного подхода.Как бы он ни был взволнован, достижение прозвучало несколько бессмысленно.
«Было здорово, наконец, получить измерения, но к тому времени я был уже настолько зациклен на открытии, которое явилось результатом обходного пути», — сказал он. «Многое можно сделать с помощью этого нового алгоритма, который мы разработали».
