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引言
河流与流域的形状在水动力、生态系统多样性等方面具有重要影响。研究者利用90米分辨率地形数据提取全球67万个流域。每个流域包含一条最长河道。提供面积、长宽比、坡度、海拔等描述流域尺寸与形状的参数。此外，还包含河流长度与弯曲度。在上述数据基础上，研究者进行了多种统计学分析。比如，根据67万个流域的面积及其主河道长度拟合得到Hack's law。数据集与分析结果以A global dataset of the shape of drainage systems为题发表在Earth System Science Data期刊。
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方法
根据HydroSHEDS数据库提供的全球流域边界，将全球地形分割成130块(图1)。通过编写一个Matlab代码，全自动提取河道、流域、及所有形貌参数(图2)。此代码随文章发表，供学者使用。
图1. 分割全球地形
图2. 提取流域、河道、及所有形貌参数的流程
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水系等级
数据库包含667629个流域，分属9个水系等级(stream order)(图3)。等级最高的流域有三个，包括南美洲亚马逊、非洲尼罗河与刚果流域。长江包含8个水系等级。
图3. 水系等级
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形貌参数
八个描述流域与河道的形貌参数都具有较宽的分布范围(图4)。虽然在空间上，形貌参数的分布大都较为随机，但也存在一些空间聚集现象(图5)。比如，青藏高原周缘的流域往往具有更高的流域长宽比，即流域更狭长。
图4. 八个形貌参数
图5. 形貌参数空间分布
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形貌参数间的相关性
八个形貌参数从不同维度描述流域与河道的尺寸与形貌。描述类似特征的参数之间往往存在更高的相关性。比如流域长度与河道长度的相关系数为0.97，表明流域与主河道往往协同演化。Hack's Law (L=kAh)是一个用来描述河流长度(L)与流域面积(A)之间关系的经验定律。使用67万个流域及河流数据拟合得到全球尺度的Hack's Law为L=2.1A0.54 (图7)。
图6. 形貌参数间的相关性。相关系数介于-1至1，绝对值越大，相关性越高。正负数分别指示正相关和负相关。
图7. 基于全球数据拟合得到的Hack's Law
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与其它数据库对比准确性
目前使用最广泛的全球流域水系数据库为HydroSHEDS，其空间分辨率约为500米。以南美洲安第斯山脉一个流域(图8)以及横跨北美洲的10个流域(图9)为例，通过与HydroSHEDS及其它数据库对比，证实本数据库具有更高的准确性。主要是因为本数据库的空间分辨率更高(90米)。
图8. 空间准确性-以南美洲流域为例
图9. 流域面积准确性-以北美洲流域为例
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数据库使用说明
数据库包含流域面积大于50 km2的全球667629个流域。每个流域包含一条从分水岭至出水口的最长河道。所有形貌参数都保存在流域文件的属性表中。流域与河道的格式为shapefile,可在ArcGIS等平台打开并编辑。流域与河道文件大小分别为7.8与2.5 GB。
He C., Yang C., Turowski J.M., et al. A global dataset of the shape of drainage systems. Earth System Science Data, 16(2): 1151-1166.
https://doi.org/10.5194/essd-16-1151-2024
*作者：贺传奇(MIT博后)、Ci-Jian Yang (台湾大学教授)、Jens Turowski (德国地学中心GFZ, Senior Scientist)、Richard Ott (阿姆斯特丹大学教授)、Jean Braun (GFZ, Section Head)、Hui Tang (GFZ, Senior Scientist) , Shadi Ghantous (波茨坦大学研究生)、袁小平(地大武汉教授), Gaia Stucky de Quay (MIT教授)
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审核丨DoraGeomon
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