SWOT卫星正在帮助科学家评估水体上的洪峰浪潮，例如图中2024年10月拍摄于蒙大拿州的黄石河。SWOT可测量地表水的高度，覆盖范围包括海洋以及美国境内成千上万条河流、湖泊和水库。
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近日，NASA与弗吉尼亚理工大学的研究人员首次利用卫星数据成功测量了在美国河流中传播的潜在危险洪峰浪潮的高度与速度。他们追踪的三次洪峰事件，很可能由极端降雨或冰坝松动引发。目前尚无专门收录河流洪峰卫星数据的数据库，而这项新研究则突显了空间观测在支持水文专家与工程师方面的潜力，尤其是对那些缺乏堤坝和防洪闸等设施的河流沿岸社区具有重要意义。
与通常由风和潮汐驱动、稳定向岸推进的海浪不同，河流浪（也称为洪峰波或流波）是一种临时性的洪水浪潮，可延伸数十至数百英里。它们通常由降雨或季节性雪融引发，不仅是河流中营养物质与生物运输的关键动力，也可能带来严重的洪水灾害：由持续强降雨或大坝决堤引发的强烈洪峰浪可能造成灾难性洪水。
“我们都熟悉冲浪和航海中的海浪，但河流才是地球的动脉，我们希望更深入了解其动态变化。”NASA喷气推进实验室（JPL）水文学家、该研究的合著者塞德里克·大卫（Cedric David）如此表示。这项研究已于5月14日发表在《地球物理研究快报》（Geophysical Research Letters）期刊上。
SWOT卫星在本艺术概念图中被描绘为正在轨运行，阳光反射在其太阳能电池板上，其关键仪器——Ka波段雷达干涉仪（KaRIn）的两根天线也已展开。该天线可在卫星两侧各收集30英里（约50公里）范围内的地表数据。
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测量速度与规模
为撰写博士论文，弗吉尼亚理工学院的哈娜·瑟曼（Hana Thurman）将目光投向了一颗2022年发射的卫星——SWOT（地表水与海洋地形）卫星。该卫星由NASA与法国国家太空研究中心（CNES）联合开发，利用高灵敏度的Ka波段雷达干涉仪（KaRIn），测量地球几乎所有淡水和咸水地表水体的高度。该仪器通过发射微波信号并测量其返回时间，从而绘制出水体的高度和宽度图。
“除了监测湖泊和河流的水储量外，我们还聚焦于水体运动和变化的动态影响。”——NASA总部SWOT项目科学家娜迪娅·维诺格拉多娃·希弗（Nadya Vinogradova Shiffer）表示。
瑟曼知道SWOT已帮助科学家追踪海平面上升、探测海啸震荡和绘制海底地形，但她想知道：是否可以利用该数据识别出河流中移动的洪水浪潮？
她找到了三个洪峰波的明确案例。其中之一是在2023年4月突然出现在蒙大拿州黄石河上的洪峰。当卫星经过上空时，它记录到一个高达2.8米的洪峰正向北达科他州的密苏里河流动。这个洪峰分为一个6.8英里（11公里）长的陡峭波峰，后面是一个较长的尾波。瑟曼表示，这些细节从轨道上观察令人兴奋，展现了KaRIn仪器独特的高空间分辨率。
通过对哨兵2号（Sentinel-2）卫星的光学影像分析，她判断这次洪峰可能是由上游冰坝崩解释放积水所致。
团队发现的另两次洪峰则由降雨径流引发。第一起发生在2024年1月25日，SWOT在德克萨斯州奥斯汀南部的科罗拉多河上观测到该地区年度最大洪水。该洪峰超过9米高，长达267公里，速度约为每秒1.07米，最终流入马塔戈达湾。
另一波洪水发生在2024年3月的乔治亚州梅肯附近的奥克穆尔吉河。该洪峰高达6米，延伸超过165公里，传播速度约为每秒0.33米。
“我们正在进一步了解洪峰波的形态和速度，以及它们在长距离河道中是如何变化的。”瑟曼表示，“这将有助于回答诸如洪水多快会到达、基础设施是否面临风险等问题。”
协同观测
长期以来，工程师和水务管理者依赖河道水位计测量洪峰波。这些水位计在美国由美国地质调查局（USGS）等机构维护，而在世界其他地区则布设较少。
“卫星数据具有互补性，能帮助填补这些空白。”——该研究的导师、弗吉尼亚理工大学水文学家兼遥感专家乔治·艾伦（George Allen）说。
如果说水位计像是高速公路上的收费站，记录车辆通过情况，那么SWOT就像一架交通直升机，从空中拍摄整个道路状况。
艾伦表示，SWOT测得的波速与水位计数据计算结果基本一致，这表明该卫星可用于没有水位计的流域监测洪峰波。了解洪峰波何时、何地形成，有助于全球科学家追踪不断变化的洪水模式。
SWOT每天多次绕地球运行，预计将在其生命周期内观测到约55%的大规模洪水事件。“一旦我们在数据中发现异常，就能发布预警。”NASA喷气推进实验室的塞德里克·大卫（Cedric David）说，“过去我们只能站在河岸边观察河流，现在，我们第一次能从全新的视角了解它们。”
关于SWOT的更多信息
SWOT卫星由NASA与法国国家太空研究中心（CNES）联合开发，加拿大航天局（CSA）和英国航天局也提供了支持。NASA喷气推进实验室（JPL）负责项目的美国部分，由加州理工学院管理。
NASA提供了Ka波段雷达干涉仪（KaRIn）、GPS科学接收器、激光反射器、双波束微波辐射计及其他仪器运行支持。CNES负责DORIS卫星定位系统、Poseidon双频高度计（由泰雷兹阿莱尼亚宇航公司开发）、KaRIn射频子系统（与泰雷兹阿莱尼亚宇航公司合作并获得英国航天局支持）、卫星平台和地面运营。KaRIn高功率发射器由加拿大航天局提供。
参考来源:
NASA-French Satellite Spots Large-Scale River Waves for First Time
