Nature：冻土减缓北极河岸侵蚀
期刊：Nature
英文题目：Permafrost slows Arctic riverbank erosion
中文题目：冻土减缓北极河岸侵蚀
作者：Emily C. Geyman，Madison M. Douglas，Jean-Philippe Avouac，Madison M. Douglas
发表日期：2024年10月9日
摘要：
北极河流迁移速率对北极地区基础设施和社区的稳定性至关重要，并显著影响碳、营养物质和沉积物向海洋的输送通量。然而，关于冻土是减缓还是加速河流迁移的争论持续存在，这阻碍了对正在变暖的北极地区河流迁移速率变化预测的准确性。研究团队新开发了能够在亚像素尺度上检测河岸侵蚀的计算方法，可以在比卫星图像像素尺寸小5-10倍的尺度上量化侵蚀，并在亚月时间尺度上分析河流最大水温和流量变化的侵蚀情况。研究团队通过对阿拉斯加Koyukuk河的高分辨率数据分析，发现冻土的存在使河岸侵蚀速率降低了47 %。基于这些观测结果，校准并验证了一个数值模型，该模型可以广泛应用于不同的北极河流。模型预测显示，如果冻土全面融化，北极河流的迁移速率可能会增加30-100 %。因此，明确冻土在减缓或加速河流侵蚀中的作用，对于理解北极流域如何响应未来世纪的气候变化（北极气温预计上升约4 °C和冻土减少约40 %）具有重要意义。
研究背景：
北极地区正在经历快速的气候变化，其中气温上升和冻土融化是两大显著特征，这些变化对北极河流系统产生了深远影响，特别是河岸侵蚀速率的改变。河岸侵蚀是河流动态的重要组成部分，它不仅影响河流的形态和稳定性，还对河流输送碳、营养物质和沉积物到海洋的过程起着关键作用。然而，关于冻土如何影响河岸侵蚀速率的问题，科学界一直存在争议。一些研究认为由于冻土增强了河岸沉积物的稳定性，进而减缓了河岸侵蚀，而另一些研究则指出，解冻的河岸更容易被流水侵蚀，冻土融化可能加速河岸侵蚀。为了解决这一争议，研究团队采用新的计算方法和高分辨率卫星影像技术，量化了冻土对河岸侵蚀速率的具体影响。研究团队选择了阿拉斯加州的Koyukuk河作为研究对象，该河流流经连续的冻土区和非冻土区，为比较冻土和非冻土区的河岸侵蚀速率提供了理想的自然条件。
研究结果
结果1：冻土对河岸侵蚀速率的影响
研究团队通过对Koyukuk河河岸侵蚀速率的量化分析，发现冻土区的河岸侵蚀速率明显低于非冻土区，冻土区的河岸侵蚀速率比非冻土区低约47 %（图2、3），表明冻土显著减缓了河岸侵蚀，冻土在稳定河岸和维持河流形态方面具有重要作用。
图1 阿拉斯加Huslia附近约450公里长的Koyukuk河冲积河段的河岸迁移速率量化结果
a. 阿拉斯加区域图。b-d. 通过应用亚像素算法，对2016年8月30日和2022年7月13日的两幅Sentinel-2卫星图像进行处理，计算得出河岸迁移速率；图像坐标采用UTM 4N区系统。c, d. 展示了河岸位移的详细情况，揭示了迁移速率与河道曲率之间存在显著关联。e. 三个空间序列-（1）归一化河道曲率（河道宽度W除以曲率半径R）（2）右岸迁移（3）左岸迁移，三条曲线的相似性凸显了河道曲率对迁移速率的强烈控制作用，河道迁移相对于曲率存在约700米的滞后，即大约2.2个河道宽度的距离。f. 当河流绕过弯道时，高速水流核心会在弯道顶点下游一定距离处冲击外侧河岸。g-k. 滞后调整的归一化曲率能够很好地解释局部外侧河岸侵蚀速率（见e），k表示曲率归一化的河岸侵蚀速率，g-k中的颜色方案与b中的位置相对应。
图2 空间观测数据揭示了侵蚀永久冻土的河湾相较于侵蚀非永久冻土地形的河湾，其河岸侵蚀速率显著较慢的现象
a. RGB卫星影像。b. 近地表永久冻土概率分布图。c. Koyukuk河河湾地形简化分类（见图：图示清晰地指出了河流如何分别冲击古老的永久冻土地形（北侧）与年轻的非永久冻土地形（南侧）。d. 滞后调整的归一化曲率与河岸侵蚀速率的空间序列分析：该序列展示了滞后调整的归一化曲率与河岸侵蚀速率之间的关系，其中交叉点标志着河流侵蚀方向的转变；通过颜色编码的阴影区域，直观呈现了侵蚀侧河湾的平均永久冻土概率。对于每个河湾，我们通过将河岸侵蚀速率（A2）除以滞后调整的归一化曲率（A1），计算得出曲率归一化侵蚀速率（k，单位：m/yr），从而实现了对侵蚀过程的量化分析。e. 基于永久冻土分类的河湾侵蚀速率对比：被明确分类为永久冻土的河湾（扩展数据图10），其平均曲率归一化侵蚀速率（k）为4.6 m/yr，显著低于被分类为非永久冻土的河湾，后者平均k值为8.8 m/yr。f, g. 曲率归一化侵蚀速率与永久冻土含量的关系：分析表明，随着河湾弯曲处平均（f）和最大（g）永久冻土含量的增加，k值呈系统性下降趋势。图中L标注指示了每个平均和峰值永久冻土含量区间内河流河段的长度，进一步证实了地形因素与河岸侵蚀速率之间的紧密联系。a中的卫星影像来源于Bing Maps Aerial，已获得Microsoft Corporation的授权使用。
结果2：数值模型的构建与验证
基于观测数据，研究团队构建了一个数值模型来预测不同条件下河岸侵蚀速率的变化（图3）。模型考虑了水流速度、水温、河岸沉积物性质以及冻土状态等多个因素。通过与实际观测数据进行对比验证，模型展现了良好的预测性能，尤其是模型成功预测了冻土融化对河岸侵蚀速率的潜在影响，即全面冻土融化可能导致河岸侵蚀速率增加30-100 %。
图3 河流侵蚀时间模式的模型预测与观测结果对比
a-c. 基于Koyukuk河的水温和流量时间序列，对全年周期内河岸侵蚀速率在不同侵蚀机制下的预测结果。a图反映了在融化限制条件下的侵蚀速率预测，b图则展示了携带限制条件下的预测结果，而c图综合了两者，呈现了组合条件下的预测；这些预测为理解河岸侵蚀的复杂过程提供了理论基础。d.基于2016年至2022年数据的实际观测结果（d图）与模型预测对比，融化限制和携带限制组合模型的预测与观测到的年度侵蚀速率模式最为吻合。a-c图中的R2值量化了模型预测与观测数据之间的拟合程度，进一步验证了组合模型的准确性和有效性；需要指出的是，研究主要聚焦于河流侵蚀侧的河岸位移季节性模式，而河流淤积侧则可能展现出植被定植和沉积物沉积的不同季节性特征。e.年际尺度上，模型对河岸侵蚀的预测结果（e图）与观测数据同样表现出高度的一致性；误差条反映了通过留一交叉验证方法（即使用数据集中除一年外的其余四年数据来迭代优化模型参数）评估的模型参数不确定性；结果表明，融化与携带组合模型能够最好地解释观测到的河岸侵蚀年际变化模式（R2=0.85），进一步强调了该模型在河岸侵蚀研究中的应用价值。
结果3：季节性和年际变化的分析
研究团队分析了河岸侵蚀的季节性和年际变化，指出河岸侵蚀速率在春季融雪期和夏季高温期达到峰值，这与水流速度和水温的季节性变化密切相关。此外，不同年份间由于降水、气温等气候条件的差异，河岸侵蚀速率也存在显著变化。这些发现为了解河岸侵蚀的动态过程提供了重要依据。
研究意义
本研究揭示了冻土对河岸侵蚀速率的显著影响，进而对北极生态系统的稳定性和多样性产生了深远影响。本研究通过量化冻土对河岸侵蚀速率的影响，为理解气候变化如何影响河流系统提供了重要视角。同时，模型预测结果显示冻土融化将加剧河岸侵蚀，这可能进一步加速碳循环和温室气体排放，形成正反馈效应。本研究的结果对于评估气候变化对北极地区基础设施和社区安全的影响具有重要参考价值，有助于制定有效的应对措施和适应策略。
研究亮点
（1）研究团队开发了新的计算方法，能够在亚像素尺度上量化河岸侵蚀速率。这一方法克服了传统卫星影像技术在分辨率上的限制，提高了河岸侵蚀速率量化的精度和可靠性。
（2）研究团队结合了空间和时间两个维度的观测数据，对河岸侵蚀速率进行了多尺度的综合分析。这种分析方法不仅揭示了冻土对河岸侵蚀速率的直接影响，还探讨了河岸侵蚀的季节性和年际变化规律。
（3）研究团队构建了一个数值模型来预测不同条件下河岸侵蚀速率的变化。该模型具有广泛的应用前景，可用于评估气候变化、人类活动等因素对河流动态的影响，为河流管理和保护提供科学依据。
对我们今后工作的启示
研究团队利用高分辨率卫星影像和创新的计算方法，在亚像素尺度上成功量化了河岸侵蚀。在未来研究中，我们应充分利用高分辨率遥感技术和创新的计算方法，以实现对微观尺度地理过程的精确量化和深入理解。同时，跨学科合作成为解决综合地理问题的关键，通过结合地质学、水文学、气候学和生态学等多学科知识，能够更全面地揭示地理现象的内在机制。此外，该研究还强调了模型预测在地理学研究中的重要性，通过构建和验证数值模型，可以对未来地理过程的变化趋势进行科学预测，为生态保护、资源管理和政策制定提供有力支持。
文献来源：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07978-w
声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。
撰稿人：沈俊杰
审核：杜军
终审：鲁鹏