季節(jié)性主導(dǎo)全球湖泊水域面積動(dòng)態(tài)
近日，“西風(fēng)—季風(fēng)協(xié)同作用及其影響”任務(wù)“西風(fēng)-季風(fēng)協(xié)同作用對(duì)亞洲水塔變化的影響”專題清華大學(xué)水利水電工程系龍笛教授團(tuán)隊(duì)在全球地表水體遙感監(jiān)測(cè)研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于深度學(xué)習(xí)的遙感大數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全球140萬(wàn)個(gè)面積大于0.1平方千米的湖泊在月尺度、30米空間分辨率下的水域面積連續(xù)監(jiān)測(cè)。研究發(fā)現(xiàn)：季節(jié)性變化是主導(dǎo)全球湖泊水域面積動(dòng)態(tài)的最核心機(jī)制，其空間分布與全球人口分布高度一致，反映出人類活動(dòng)與湖泊季節(jié)性水文過程間緊密的耦合關(guān)系。相關(guān)研究成果以Global dominance of seasonality in shaping lake-surface-extent dynamics為題，于2025年5月28日發(fā)表在國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》（Nature）上。
湖泊不僅是全球水文循環(huán)與生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，還深刻影響碳循環(huán)、溫室氣體排放和人類水資源安全。長(zhǎng)期以來，科研界在湖泊變化研究中多關(guān)注長(zhǎng)期趨勢(shì)和年際波動(dòng)，而對(duì)季節(jié)性動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)刻畫不足。現(xiàn)有權(quán)威數(shù)據(jù)集如歐盟委員會(huì)聯(lián)合研究中心2016年發(fā)布在《自然》上的Global Surface Water（GSW）數(shù)據(jù)集，為全球湖泊變化提供了重要參考，但在時(shí)空連續(xù)性與季節(jié)性動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)方面存在不足。
為解決這一關(guān)鍵瓶頸，龍笛教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地構(gòu)建了一套融合MODIS衛(wèi)星傳感器時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)與GSW空間分辨率優(yōu)勢(shì)的深度學(xué)習(xí)遙感大數(shù)據(jù)融合框架，借助高性能計(jì)算集群和云計(jì)算平臺(tái)，構(gòu)建了迄今為止時(shí)空分辨率最高、覆蓋范圍最廣、連續(xù)性最強(qiáng)的全球湖泊水域面積時(shí)序數(shù)據(jù)集（圖1）。該數(shù)據(jù)集在用戶精度（93%）與生產(chǎn)者精度（96%）方面表現(xiàn)優(yōu)異，缺值面積占比從GSW數(shù)據(jù)集的34%下降至1.2%，顯著提升了湖泊動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的可用性與科學(xué)性。
圖1：基于深度學(xué)習(xí)的遙感大數(shù)據(jù)時(shí)空融合實(shí)現(xiàn)全球百萬(wàn)湖泊的高分辨率水域面積連續(xù)監(jiān)測(cè)
研究顯示，全球66%的湖泊總面積和59%的湖泊數(shù)量，其水域面積動(dòng)態(tài)以季節(jié)性變化為主導(dǎo)（圖2）。更為重要的是，這一季節(jié)性主導(dǎo)分布格局與全球人口分布之間存在高度耦合關(guān)系──全球90%以上人口居住在以季節(jié)性主導(dǎo)湖泊為主的流域。這一發(fā)現(xiàn)從全球尺度上揭示了人類活動(dòng)區(qū)域與水文季節(jié)性變化之間的深層聯(lián)系，預(yù)示著湖泊水文過程正日益受季節(jié)性極端事件與人為調(diào)控的雙重驅(qū)動(dòng)。此外，研究發(fā)現(xiàn)季節(jié)性極端事件可在短期內(nèi)顯著放大或抵消湖泊幾十年來的長(zhǎng)期趨勢(shì)。這一機(jī)制為理解極端氣候事件對(duì)湖泊生態(tài)系統(tǒng)和水資源安全的沖擊提供了科學(xué)依據(jù)，也為未來湖泊溫室氣體通量估算、生態(tài)生境保護(hù)及極端水文事件響應(yīng)策略的制定提供了理論支撐。
圖2：季節(jié)性主導(dǎo)全球約140萬(wàn)湖泊的水域面積動(dòng)態(tài)
本研究不僅在科學(xué)認(rèn)識(shí)上取得關(guān)鍵突破，也在遙感大數(shù)據(jù)處理與人工智能方法論方面具有重要推動(dòng)作用，打破了長(zhǎng)期困擾遙感水文界的“時(shí)間?空間”權(quán)衡瓶頸，推動(dòng)全球湖泊遙感監(jiān)測(cè)從“靜態(tài)觀測(cè)”邁入“高精度動(dòng)態(tài)解析”。
清華大學(xué)水利系博士生李洛祺為論文第一作者，龍笛教授為通訊作者。合作者包括清華大學(xué)博士生王一鳴和英國(guó)班戈大學(xué)R. Iestyn Woolway 教授。研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金和第二次青藏高原綜合科學(xué)考察研究等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09046-3