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）。
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。
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
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