文章信息：Dongmei Feng, & Colin J. Gleason. (2024). More flow upstream and less flow downstream: The changing form and function of global rivers. Science, 386(6702), 1305–1311. https://doi.org/10.1126/science.adl5728

整理人：闫甲祺，2024级硕士研究生

整理时间：2025年1月18日

Abstract: We mapped daily streamflow from 1984 to 2018 in approximately 2.9 million rivers to assess recent changes to global river systems. We found that river outlets were dominated by significant decreases in flow, whereas headwaters were 1.7 times more likely to have significantly increased flow than decreased. These changes result in a significant upstream shift in streamflow experienced by about 29% of the global land surface. We found the most changes in the smallest steams in our study: increases in erosion potential (approximately 5% increase in stream power), flood frequency (approximately 42% increase in 100-year floods), and likely nutrient dynamics (altered seasonal flow regimes). We revealed these changes using “detail at scale” by mapping millions of individual rivers. Widely adopting this approach could reveal other changes to the hydrosphere.

摘要：我们在大约290万条河流中绘制了从1984年到2018年的每日水流，以评估最新的全球河流系统变化。我们发现，河流的流量大幅下降，而河流的流水显着增加了流量的1.7倍。这些变化导致大约29％的全球土地表面经历的水流发生了重大上游变化。我们发现研究中最小的蒸汽变化最大：侵蚀潜力的增加（河流功率增加了5％），洪水频率（大约100年洪水增加了42％）和可能的营养动态（改变了季节性流动方案）。我们通过绘制数百万个单独的河流来揭示了这些变化。广泛采用这种方法可以揭示水圈的其他变化。

1. 研究背景

• 河流是树状且分层组织的系统，从源头到河口，调节着水、能量、泥沙和营养物质的运输与处理，对人类和生态系统有着重要影响。
• 河流的物理和水文条件（如流量、坡度、泥沙颗粒大小）沿河流形成连续梯度，创造了多种环境，支持不同的生态群落和提供不同的社会经济功能。
• 河流流量（即单位时间内通过河流断面的水量）是衡量河流功能的关键指标之一，它反映了河流的输沙能力和营养物质、碳、能量的交换，进而控制整个河流系统的功能。
• 尽管目前对全球水从陆地表面流入海洋的总量及其近期变化有一定了解，但对全球河流流量的空间分布、时间变化以及这些变化对人类社会和生态系统的影响仍缺乏系统性认识。

2. 研究意义

• 本研究通过整合卫星数据和水文模型，全面分析了1984年至2018年全球约290万条河流的日流量变化，揭示了全球河流系统在流量分布、侵蚀潜力、洪水频率和营养物质动态等方面的显著变化。
• 研究结果表明，全球河流流量在源头地区显著增加，而在下游地区显著减少，导致约29%的全球陆地面积经历了流量的显著上游转移。这些变化对河流的生态和社会经济功能产生了深远影响。
• 该研究不仅为理解全球河流系统的动态变化提供了新的视角，还为未来水资源管理、生态保护和气候变化适应提供了重要的科学依据。

3. 研究方法

• 数据整合与模型构建：研究者整合了主要卫星数据和水文模型，创建了全球河流流量再分析（Global River Discharge Reanalysis, GRDR）数据集，涵盖了1984年至2018年期间约290万条河流的日流量数据。
• Strahler河流等级系统：使用经典的Strahler河流等级（Stream Order, SO）系统对河流进行分类，从源头的1级开始，随着支流的汇合逐级增加。通过这种方式，研究者能够分析不同等级河流的流量变化。
• 流量变化分析：通过计算每个等级河流的流量变化率，分析了全球范围内河流流量的时空分布变化。此外，研究者还开发了纵向水文分布指数（Longitudinal Hydrologic Distribution Index, LHDI），用于量化河流流量分布的上游或下游转移。
• 验证与对比：将GRDR数据与全球8155个地面监测站的实测数据进行对比验证，确保研究结果的可靠性。

4. 研究主要结论

• 流量变化趋势：全球河流流量在源头地区显著增加，而在下游地区显著减少。源头河流（SO1）中，17.1%的河流流量显著增加，而9.9%的河流流量显著减少；下游河流（SO≥8）中，11.9%的河流流量显著增加，而44.2%的河流流量显著减少。
• 流量上游转移：全球约29%的陆地面积经历了流量的显著上游转移。这种转移与降水和融雪的上游转移同步发生，但流量变化的幅度与降水和融雪的变化之间没有显著相关性，表明流量变化是多种水文因素相互作用的结果。
• 人类活动影响：流量上游转移的流域比下游转移的流域受到更高程度的人类调节，表明人类活动对河流流量变化也有重要影响。
• 生态和社会经济影响：源头河流流量增加导致侵蚀潜力和洪水频率显著增加，可能对生态系统和人类社会产生深远影响。例如，在高海拔地区，冰川融化和冻土不稳定增加了河流的泥沙供应，结合流量增加，可能导致泥沙运输能力增强，进而影响水电站的运行和下游生态系统的健康。

5. 研究展望

• 进一步研究方向：未来的研究可以进一步探索流量变化对全球河流生态系统和人类社会的详细影响，特别是在不同地理和气候背景下的具体表现。
• 数据和技术改进：随着更多卫星数据的可用，如Surface Water and Ocean Topography（SWOT）任务，未来的研究可以更精确地监测和分析全球河流的变化。
• 政策和管理应用：研究结果可以为水资源管理和生态保护政策提供科学依据，帮助制定更有效的应对策略，以适应气候变化和人类活动对河流系统的影响。

6. 研究主要图表：

01 随着河流从源水流到口腔，年平均流量从增加变为减少的主要变化

02 使用8155个地面仪表的原位每日观察来验证GRDR的流汇率趋势信号

03 使用8155个基于地面的测量值的原位每日观察来验证GRDR的流趋流趋势信号，其LHDI的变化与气候变化和人类调节水平一致

04 在SOs之间，流功率和洪水频率的幅度和时间变化差异很大

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5728                         

原文转引：https://mp.weixin.qq.com/s/IOd0hlhPB6Zan4M8P6SGZQ