陳宣安(英國布里斯托大學博士候選人)

編註:本研究已獲刊登於 Nature。全文連結請見參考資料。

河川縱剖面為河道高程從源頭到下游的連線。地形學家大多認為氣候會影響河川縱剖面的型態,因為氣候控制降雨─逕流特性,進而影響集水區內的河川流量與土砂移動。一般認為,若忽略地質、人為活動的影響,河川縱剖面將呈現凹面向上的型態,因為河川流量往下游隨著集水面積而增加,使得水流的侵蝕能力增加,導致河道坡度從上游往下游變緩。此外,河道土砂因著淘選與磨蝕,粒徑會往下游減少,也使得河道坡度難以維持,最終形成凹面向上的縱剖面。

然而,過去數十年於乾燥地區的研究,顯示乾燥地區的河川似乎較濕潤地區平直,這可能是因兩者的水文特性不同所致。由於目前科學家缺乏全球大尺度、系統性的跨氣候區河川資料庫,且在全球尺度下,集水區之間的環境因子差異極大,因此難以完整探討氣候與河川型態間的連結。

為了瞭解全球尺度下,氣候是否會影響河川縱剖面,我們首先提出適用於乾、濕氣候區的縱剖面曲率指標,接著以美國航空暨太空總署(NASA)30 公尺解析度的SRTM數值高程模型擷取河道縱剖面,最後透過柯本與乾燥指數兩種氣候分類法,比較不同氣候區的縱剖面曲率差異。

我們共擷取全球超過 33 萬條河川,並建立公開資料庫。分析結果顯示,儘管不同氣候區的河川縱剖面都大致呈現凹面向上的型態,濕潤地區的縱剖面彎曲度較大,而越乾燥的地區,剖面則逐漸變得平直(見圖 1)。

 

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圖1 全球不同氣候區的河川縱剖面曲率分布,包含柯本氣候分類(上)及乾燥指數分類(下)。圖中顯示越乾燥的氣候區,縱剖面越平直。(作者製圖)

 

為了解釋造成這種結果的原因,我們蒐集美國地質調查所(USGS)的水文站資料,並以一維數值模型模擬流量對河川縱剖面的影響。結果顯示濕潤地區的河川因為常年有水,且流量往下游增加,該水流持續移動土砂並侵蝕剖面,最終會產生凹面向上的剖面。而乾燥地區由於雨量少,降雨也多呈現小範圍、短暫與高強度的特性,因此河川多屬於間歇河;一旦有水流時,因著較高的蒸發與入滲率,流量平均而言往下游不變,這會發育出較平直的剖面(圖2)。另外,我們也比較不同環境因子對河川縱剖面的影響,結果發現水流特性的影響大於其他因子,顯示不同氣候對水流的影響,可以解釋資料庫中縱剖面形狀在不同氣候區之間的差異。

 

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圖2 濕潤地區(左)與乾燥地區(右)的河川水文特性及縱剖面示意圖。(作者製圖;陳宣安、K. Michaelides/照片提供)

 

數十年來,教科書中的傳統理論都描述河川縱剖面呈現凹面向上的形狀。然而既有理論多建立於對濕潤地區河川的觀測,相較於乾燥地區的河川,前者在已出版的研究中有遠較完善的研究成果與較高的代表性。我們的研究顯示,世界上許多河川的剖面並非凹面向上,在乾燥環境中,較平直的剖面才是常見的。雖然乾燥地區佔據全球約40%的地表面積,但其地形特性一直較少受到關注。本研究較完整的呈現全球氣候對地表作用與型態的影響,在未來探討氣候變遷的影響時,也將有助於推測當集水區的乾濕度改變時,水、沙特性的變化如何造成地形變遷。

 

參考資料:

Chen, S. A., Michaelides, K., Grieve, S. W. D., Singer, M. B. (2019) Aridity is expressed in river topography globally. Nature, 573, 573-577, https://doi.org/10.1038/s41586-019-1558-8