还有高手？！| 盘点那些年用GEE登上Nature/Science正刊的硬核研究

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Nature正刊系列

地表水的位置和持久性既受气候和人类活动的影响，也影响气候、生物多样性和人 类福祉。 记录地表水位置和季节性的全球数据集已从清单和国家描述区域数据的统计推断和卫星图像中生成，但以高分辨率测量长期变化仍然是一个挑战。在这里， 使用 三百万幅 Landsat 卫星图像，以 30 米的分辨率量化过去 32 年来全球地表水的变化 。 我们记录了地表水存在的月份和年份、发生变化的位置以及变化的形式，包括季节性和持久性。 1984 ~2015 年间，永久地表水从近 90,000 平方公里的区域中消失，大致相当于苏必利尔湖的面积，不过其他地方形成了新的永久地表水体，面积达 184,000 平方公里。 所有大陆地区的永久性水量均呈现净增长，大洋洲除外，该洲的净损失为 1%。大部分增加来自水库蓄水，但气候变化也与此有关。地表水的损失在地理上比增加更集中。 全球 70% 以上的永久性净水量损失发生在中东和中亚，与干旱和人类活动有关，包括河流改道或筑坝和无管制取水 。 澳大利亚和 美国的损失也与长期干旱有关。这组全球一致、经过验证的数据集表明，气候变化和气候振荡对地表水的影响是可以衡量的，并且可以收集证据来表明人类活动如何改变地表水。我们预计这些免费提供的数据将改善地表强迫的建模，提供湿地生态交错带的现状和变化证据，并为水资源管理决策提供信息。

自由流动的河流 (FFR) 支持着全球多样、复杂和动态的生态系统，提供重要的社会和经济服务。 基础设施发展威胁着这些河流所支持的生态系统过程、生物多样性和服务。在这里， 我们评估了全球 1200 万公里河流的连通性状态，并确定了哪些河流在整个长度上保持自由流动。只有 37% 的长度超过 1,000 公里的河流在其整个长度上保持自由流动，23% 的河流不间断地流入海洋。 非常长的 FFR 主要局限于北极和亚马逊和刚果盆地的偏远地区。在人口稠密的地区，只有少数非常长的河流保持自由流动，例如伊洛瓦底江和萨尔温江。水坝和水库及其上下游传播的碎片化和流量调节是导致河流连通性丧失的主要原因。 通过应用新方法量化河流连通性并绘制 FFR 地图，我们为制定协调一致的全球和国家战略来维护或恢复 FFR 提供了基础。

Grill G, Lehner B, Thieme M, et al. Mapping the world’s free-flowing rivers[J]. Nature, 2019, 569(7755): 215-221.

自 2009 年以来，光伏 (PV) 太阳能发电能力每年增长 41% 。缓解气候变化和帮助实现普遍能源使用的能源系统预测显示， 到 2040 年，光伏太阳能发电能力将增长近十倍 。 描述能源系统的地理空间数据是管理发电间歇性、缓解气候变化风险以及确定光伏部署所需的土地使用和土地覆盖变化与生物多样性、保护和土地保护优先事项之间的权衡所必需的。目前可用的太阳能发电能力清单无法完全满足这些需求。在这里， 我们使用纵向遥感图像语料库、机器学习和大型云计算基础设施，提供商业、工业和公用事业规模光伏装置的全球清单（即标称容量超过 10 千瓦的光伏发电站）。 我们定位并核实了 68,661 处设施，与之前可用的资产级数据相比，设施数量增加了 432% 。 借助手工标记的测试集，我们估计 2018 年底全球安装的发电容量为 423 千兆瓦（-75/+77 千兆瓦）。通过设施安装日期、历史土地覆盖分类和与脆弱地区的距离估计，丰富了我们的数据集，使我们能够表明， 大多数光伏太阳能设施都位于农田上，其次是干旱地和草地。 我们的清单可以帮助实现与可持续发展目标相一致的光伏交付。

获得安全管理的饮用水 (SMDW) 仍然是一项全球挑战，影响着 22 亿人。 具有连续循环功能的太阳能驱动大气水收集 (AWH) 设备可以通过分散从空气中提取水来加速进展，但较低的比产量 (SY) 和较低的日间相对湿度 (RH) 引发了人们对其性能的质疑（以每天产水量为单位）。然而， 据我们所知，尽管热带地区的条件有利，三分之二没有 SMDW 的人生活在那里，但没有任何分析绘制出 AWH 的全球潜力。 在这 里， 我们表明 AWH 可以为 10 亿人提供 SMDW 。我们的 评估使用 Google Earth Engine，引入了一个假设的 1 米见方的设备，其 SY 曲线分别为 0.2 至 2.5 升/千瓦时（2 米见方的设备为 0.1 至 1.25 升/千瓦时），相对湿度为 30% 至 90%。 这样的设备可以满足每人每天 5 升的目标日均饮用水需求。我们绘制了现有设备和新吸附剂类别的影响潜力，这表明这些目标可以通过持续的技术发展来实现，并且完全在热力学极限之内。事实上，这些性能目标已经在吸附剂材料的演示中通过实验实现。 我们的工具可以为大气水收集设备的设计权衡提供信息，以最大限度地发挥全球影响，同时持续努力利用现有技术实现可持续发展目标 (SDG)。

确定非本土植物入侵的驱动因素对于管理本土生态系统和限制入侵物种的传播至关重要 。 树木入侵尤其被忽视，尽管它们有可能改变生态系统和经济。在这里， 利用全球树木数据库，我们探索本土树木群落的系统发育和功能多样性、人类压 力和环境如何影响非本土树种的建立以及随后的入侵严重程度。 我们发现， 人为因素是预测某个地方是否被入侵的关键，但入侵严重程度是由本土多样性决定的，多样性越高，入侵严重程度越低 。温度和降水量成为入侵策略的有力预测因素，当非本土物种在寒冷或干燥的极端条件下与本土群落相似时，它们就会成功入侵。然而，尽管这些 生态力量在决定入侵策略方面有影响，但我们发现证据表明，这些模式可能会被人类活动所掩盖，在距离航运港口较近的地区，生态信号较低。 我们对非本地树种入侵的全球视角强调，人类驱动因素影响非本地树种的存在，而本地系统发育和功能多样性在后续入侵的建立和传播中发挥着关键作用。

世界人口越来越依赖海洋来获取食物、生产能源和进行全球贸易，但人类在海上的活动尚未得到很好的量化。 我们结合卫星图像、船舶 GPS 数据和深度学习模型，绘制了 2017 年至 2021 年全球沿海水域的工业船舶活动和海上能源基础设施。我们发现， 世界上 72-76% 的工业渔船没有公开跟踪，其中大部分捕捞活动发生在南亚、东南亚和非洲。 我们还发现， 21-30% 的运输和能源船舶活动没有出现在公共跟踪系统中 。 2020 年 COVID-19 疫情爆发之初，全球捕捞量下降了 12±1%，到 2021 年 仍未恢复到疫情前的水平。相比之下，运输和能源船舶活动在同一时期相对未受影响。海上风电正在迅速发展，尽管大多数风力涡轮机仅局限于海洋的一小部分区域，但到 2021 年其数量将超过石油结构。 我们的海洋工业化地图揭示了一些最广泛、最具经济意义的人类海上活动的变化。

地下水是全球最普遍的液态淡水来源，但它在支持多样化生态系统方面的作用却很少被承认。 然 而，许多地区都不知道依赖地下水的生态系统 (GDE) 的位置和范围，而且缺乏保护措施。在这里， 我们以高分辨率（大约 30 米）绘制了 GDE 地图，发现它们存在于所分析的全球三分之一以上的干旱地区，包括重要的全球生物多样性热点。 在以畜牧业为主、地下水枯竭率较低的景观中，GDE 更为广泛和连续，这表明许多 GDE 可能已经因水和土地使用实践而消失。然而， 53% 的 GDE 存在于地下水呈下降趋势的地区，这凸显了保护 GDE 免受地下水枯竭威胁的迫切需要 。 然 而，我们发现只有 21% 的 GDE 存在于受保护的土地或具有可持续地下水管理政策的管辖区，这呼吁人们采取行动保护这些重要的生态系统。此外，我们研究了 GDE 与大萨赫勒地区的文化和社会经济因素之间的联系，GDE 在支持生物多样性和农村生计方面发挥着重要作用，以探索在政治不稳定地区保护 GDE 的其他方法。 我们的 GDE 地图提供了重要信息，可用于确定优先事项并制定各种地方、区域或国际范围内的政策和保护机制，以保护这些重要的生态系统及其依赖的社会。

Rohde M M, Albano C M, Huggins X, et al. Groundwater-dependent ecosystem map exposes global dryland protection needs[J]. Nature, 2024: 1-7.

森林是重要的陆地碳汇，但人类活动引起的土地利用和气候变化已大大减少了该系统的规模 。 用于量化全球森林碳损失的遥感估计值具有相当大的不确定性，而且我们缺乏全面的地面来源评估来对这些估计值进行基准测试。在这里，我们结合了几种地面来源和卫星来源的方法，以评估农业和城市用地以外的全球森林碳潜力的规模。尽管存在地区差异，但预测在全球范围内表现出了显著的一致性，地面来源和卫星来 源的估计值之间仅有 12% 的差异。 目前， 全球森林碳储量明显低于自然潜力，在人类足迹较低的地区，总缺口为 226 Gt（模型范围 = 151-363 Gt）。这一潜力的大部分（61%，139 Gt C）位于现有森林的地区，在这些地区，生态系统保护可以使森林恢复成熟。剩余 39%（87 Gt C）的潜在碳储量位于森林被砍伐或破碎的地区 。 尽 管森林不能替代减排，但我们的研究结果支持以下观点：多样化森林的保护、恢复和可持续管理为实现全球气候和生物多样性目标做出了宝贵贡献。

洪水影响的人数比任何其他环境灾害都要多，并阻碍可持续发展。 投资于洪水适应战略可能会减少洪水造成的生命和生计损失。由于快速的城市化、防洪基础设施和洪泛区定居点的增加，洪水发生的地点和方式以及受影响的人群正在发生变化。由于缺乏观测数据，以前对全球受洪水影响人口的估计受到限制，而是依赖于具有高度不确定性的 模型。在这里， 我们使用分辨率为 250 米的每日卫星图像来估计 2000 年至 2018 年 913 次大洪水事件的洪水范围和人口受影响情况。 我们 确定总淹没面积为 223 万平方公里，2.55 亿至 2.9 亿人直接受到洪水影响。 我们估计， 2000 年至 2015 年，卫星观测到洪水泛滥的地区总人口增长了 5800 万至 8600 万。 这意味着全球受洪水影响的人口比例增加了 20% 至 24%，比之前的估计高出十倍。 2030 年的气候变化预测表明，受洪水影响的人口比例将进一步增加。 卫星观测的高空间和时间分辨率将提高我们对洪水变化地点以及如何最佳适应的了 解。 根据这些观测生成的全球洪水数据库将有助于改进脆弱性评估、全球和当地洪水模型的准确性、适应干预措施的有效性以及我们对土地覆盖变化、气候和洪水之间相互作用的理解。