1889年，在新墨西哥州偏远边境小镇恩布多附近，大峡谷著名探险家、美国地质调查局第二任局长约翰·韦斯利·鲍威尔，开启了一场悄然发生的科学革命。
他知道水对美国西部将日益重要，但当时还没有人找到办法弄清可用水量。鲍威尔设立了一处野外营地，召集14名学生、3名教师、2名劳工和1名厨师，并让他们研制第一台用于测量美国河流流量的水位计。
他们取得成功后，人们便能知道从格兰德河中取多少水用于灌溉，才不会导致河流无法通航，甚至更糟——彻底干涸。
一个多世纪后，美国地质调查局运营着遍布全国的1万多个河流水位站。它们与恩布多的第一台水位计十分相似。其他国家也运营着数千个水位站。
如今，像我这样的水文学家使用河流水位站网络，以及规模同样庞大的其他传感器网络，测量降雨、土壤湿度、积雪深度和水循环的其他环节。这些工具有助于了解人类和生态系统可利用的水量，以及水如何在不同地点之间流动。
迈向太空
过去30年里，水文学遇到了一个棘手的问题：传感器数量远远不足以回答水文学家想要探究的问题。
例如，试着测量加利福尼亚州内华达山脉这样的山脉中储存了多少积雪。这些水是该州至关重要的资源。内华达山脉有大约130个“雪枕”，用于测量其正上方积雪中储存的水量。但这些传感器测量的面积，仅占内华达山脉总面积的约百分之二百万分之一。
如果要计算内华达山脉储存的总水量，就会遇到方法上的瓶颈。没有可靠的方法可以直接得出结果。
从积雪、土壤湿度，到河流和水库，水文学的各个领域都会遇到这类问题。虽然增加传感器是一种选择，但维护成本高昂，而且不可能布设足够多的传感器来测量整座山脉。更好的办法是一次测量大片区域。
大约20年前，一小群科学家提出了一个新思路：能否从太空测量水循环？
萨斯喀彻温大学的杰伊·法米利耶蒂就是这些科学家之一。法米利耶蒂的许多研究都利用了重力恢复与气候实验（GRACE）任务——两颗于2002年发射的卫星。这两颗卫星被昵称为汤姆和杰瑞，在地球周围彼此追逐，并利用它们之间距离的细微变化测量地球引力的变化。这些变化中有许多源于水的流动。GRACE追踪地下、地表和大气中的总储水量变化。
“[GRACE]描绘出一幅引人注目的图景，因为它让我们看到人类活动对水资源可用性的影响，以及气候变化对水资源可用性的影响，”法米利耶蒂告诉我。他利用GRACE开展的一些研究显示，印度北部、中东及其他地区的地下水正在大量减少，这些地方未来可能面临缺水风险。最初的两颗GRACE卫星于2017年停止运行，但新的一对卫星于次年发射。
黄金时代
大约在GRACE投入运行的同时，其他用于测量水循环特定环节的卫星也开始运行，不过它们存在一些局限。
IceSAT于2003年至2009年间运行，测量冰川和冰盖形状的变化，但其激光器存在一些技术问题，缩短了任务寿命。热带降雨测量任务提供了低纬度地区的降水数据，但在积雪地区和强雷暴区域效果不佳。科学家改进了利用被动微波传感器数据估算土壤湿度的方法；其中一些传感器早已在轨运行，但它们提供的数据空间尺度相对较粗。
从2014年开始，新一代卫星带来了改进。全球降水测量任务由一组卫星组成，对TRMM进行了大幅改进。IceSAT-2由NASA于2018年发射，其激光器比前代产品先进得多。欧洲航天局和NASA发射的专用土壤湿度探测任务，提供了比以往传感器更精细的测量数据。
我参与了一个国际团队，该团队将发射首个专门测量地球上最易获取水资源的项目：河流和湖泊。地表水和海洋地形（SWOT）任务采用主动传感器技术，将从2021年起向地球发射雷达脉冲，并测量脉冲返回卫星所需的时间。借助精细调校的算法，SWOT将测量全球数百万个湖泊和水库储水量的变化，并从太空估算全球大多数主要河流的流量。
有了这些卫星，水文学家将能够利用太空观测追踪水循环的许多具体环节。接下来的挑战是以连贯的方式整合所有测量结果。每颗卫星都有其自身特点。科学家正努力将卫星过去和现在收集的所有数据，与地球水循环的计算机模拟结合起来。
这些观测结果结合起来，有助于更准确地预测干旱、追踪洪水，并让世界了解气候变化如何改变人们获取水资源的机会。例如，一组卫星显示，全球内流盆地正迅速失水；这些盆地本已是地球上最干旱的地区之一，其中最显著的例子是中亚的咸海。
航天机构也在设计新的任务，以观测当前卫星尚无法充分监测的水循环环节，例如内华达山脉的积雪。估算蒸发量仍是一项重大挑战。现有方法得出的全球分布格局差异很大，如何开发新的解决方案，可靠地从太空估算蒸发量，仍不明朗。
卫星已从水文学领域边缘的稀罕事物，成为理解全球水循环的核心工具。当约翰·韦斯利·鲍威尔派遣美国地质调查局新组建团队中约20名成员前往格兰德河畔时，他大概无法想象，130年后，像我这样的水科学家会追随他的脚步，利用在数百英里高空轨道上运行的卫星开展研究。
