2025-11-27 | 科研部 南科大姜丽光团队在宽刈幅测高卫星SWOT的水文应用领域取得系列成果

近日，南方科技大学环境科学与工程学院助理教授姜丽光团队在世界首颗宽刈幅测高卫星SWOT（Surface Water and Ocean Topography）的水文应用研究中取得系列成果，两篇相关论文相继发表在国际地球物理学领域权威期刊Geophysical  Research Letters上。

研究评估了SWOT在监测河流和水库的水位及水面坡度方面的能力和精度，揭示了SWOT在捕捉洪水演进过程、刻画水库水动力特征及河流汇合处回水效应等方面的独特优势，为监测和理解地表水体动态及水文过程提供了新思路。

成果一：SWOT有效捕捉到洪水演进空间特征及干支流汇合处的回水效应

河道洪水过程具有很强的时空特征，但基于水文或水位站点的传统监测方法，无法刻画洪水波在相邻站点之间的动态过程。SWOT卫星设计具备二维水面高程观测能力，为瞬时观测河段尺度水面高程提供了可能。二维水面高程数据将为研究诸多水文现象和水文过程提供观测数据支撑。为探索SWOT监测河流动态过程潜力，本研究率先开展了其在Missouri流域的实证研究。

图1.密苏里河流域地理图及水位高程（WSE）、水面坡度（WSS）评估。(a)密苏里河干流沿线的河网与主要湖泊分布。绿色圆点标注SWOT覆盖范围内的美国地质调查局（USGS）水文站，图中同时标示了主要湖泊（水库）信息。各水文站的详细资料请参阅表S1。(b)基于无偏均方根误差（ubRMSE）的SWOT水位高程数据在39个站点相对于USGS实测数据的评估精度，左上角箱形图展示ubRMSE的离散分布。(c)基于均方根误差（RMSE）的SWOT水面坡度数据在16个河段相对于USGS实测数据的评估精度

本研究利用SWOT校准和验证阶段的逐日观测数据，量化了SWOT在Missouri流域大中小不同河流的水位和水面坡度观测精度，整体水位观测误差仅为0.25米，坡度误差为0.74厘米/公里；逐日的河流水位剖面清晰地显示了洪水向下游传播的过程，揭示了SWOT具备刻画洪水波时空动态的能力；通过SWOT观测Missouri-Yellowstone干支流河段水面坡度变化，揭示了支流Yellowstone洪水过程造成干流Missouri的水位壅高，加剧了洪水漫滩风险。

图2.密苏里河与詹姆斯河支流（河段o与p，见图1c）的水面坡度（WSS）分析。(a-c)展示三处水文站实测水位过程线；(d-e)为对应站点的双站坡度计算结果；(f)呈现洪水事件期间的瞬时纵向剖面。图(f)中灰色区域突显SWOT捕捉到的洪峰传播过程

图3.密苏里河与黄石河汇流段回水效应分析。(a)河网示意图，展示用于研究回水效应的两个河段及水文站分布，这些水文站的流量过程线见图(b)；(c)基于SWOT数据获得的两个河段三日移动平均水面坡度（WSS），对应图(a)中蓝色与红色标记河段；(d)与(e)分别显示5月洪水事件期间，密苏里河与黄石河在选定日期的河流纵剖面.

研究成果以“SWOT Reveals Detailed Dynamics of Longitudinal River Slope in the Missouri River Basin”为题发表在Geophysical Research Letters期刊。南方科技大学为论文第一单位。姜丽光为论文第一作者兼通讯作者。合作单位包括丹麦科技大学和华北水利水电大学。该研究得到国家自然科学基金、重点研发计划、河南省水圈与流域水安全重点实验室开放基金及南方科技大学高水平专项资金支持。

成果二：SWOT揭示三峡水库水位、坡度和水库运行规则特征

众所周知，水坝建设会显著改变河流的自然水动力条件。目前对大型水库调度如何影响上下游水动力过程的认知，主要依赖于水动力模型模拟。然而此类模拟往往存在较大不确定性，且缺乏观测证据支撑。此外，以往研究缺乏对水库自身水动力特征的刻画，诸多问题尚待研究。例如，水库水面高程的空间异质性是否可以忽略？其形成的原因是什么？水库入流与出流对水库水位和坡度的影响又如何？

图4.SWOT卫星观测的水位剖面及对应进出库流量（单位：千立方米/秒）。(a) 测站7处水位高程时间序列，阴影标注重点关注时段；(b) 测站7处出现相似水位高程时，三个日期对应的水位剖面；(c) 同(b)，但展示水位骤降期的剖面；(d) 同(b)，但展示水位显著波动期的剖面。图中标注数值分别为入库与出库流量

图5.水面坡度与回水效应。(a-r) 基于SWOT卫星21天重访周期栅格产品生成的水位高程剖面。散点颜色标识不同SWOT轨道：粉色为577轨道，绿色为6轨道，黄色为271轨道；其中577轨道与6轨道观测时间相隔约10小时。红色十字标记显示同步水文站观测数据。菱形符号标注各剖面中观测到最低水位高程的位置。红色与蓝色线条分别代表上游段与下游段的独立线性回归结果，其中上游回归线向下游延伸。假设上游水面坡度保持稳定，在最近坝体位置处标注两条拟合线的高程差值，以凸显回水效应引起的水位变化

该研究充分挖掘SWOT卫星提供的水位数据——该卫星能够采集高精度的水面高程观测值——构建了水库表面地形快照。研究人员发现，单纯依靠库首的观测水位不能准确反映水库整体的高程剖面；水库水位的空间异质性挑战传统用单一站点代表水库水位的方法。而SWOT卫星的一日重访周期数据能更精准解析水库表面地形的时空动态特征，为深刻认识三峡水库水动力特征提供了重要参考。此外，研究表明基于SWOT反演的水位与坡度数据，相比单纯依靠入流来估算水库泄流量的方法更准确。该技术方案为水库泄流估算提供了创新方法，有望应用于全球范围水库的水动力特征解析与泄流量推估。

图6.水面坡度（WSS）与进出库流量关系。(a)WSS与入库、出库流量的相关性，左上角标注皮尔逊相关系数；(b)基于LSTM的泄流量估算，各情景模型性能通过KGE和NSE指标表征

研究成果以“SWOT Unveils the Hidden Hydrodynamics of the Three Gorges Reservoir”为题发表在Geophysical Research Letters期刊。南方科技大学为论文第一单位。环境科学与工程学院硕士研究生明洁为论文第一作者，姜丽光为通讯作者。合作单位包括华北水利水电大学。该研究得到国家自然科学基金、重点研发计划、河南省水圈与流域水安全重点实验室开放基金及南方科技大学高水平专项资金支持。

论文1链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025GL115953

论文2链接：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2025GL118488

供稿：环境科学与工程学院

通讯员：周亦潆

编辑：任奕霏