自20世紀以來，衛星已廣泛應用於通訊、氣象、地質、防災、農業、生態、海洋、軍事…等各個領域，太空科技也成為未來世界各國競相發展的重點。本期電子報將介紹衛星觀測於地下水補注研究、碳循環、以及監測農業用水的應用。

地下水補注(Groundwater Recharge)資訊係為地下水模式建立與管理時至關重要的環節，但由於地下水層的複雜性，往往使研究人員難以進行大範圍的觀察和評估。科學家們發現，加州中央山谷的地表變形與地下水儲量有關，因此尼利等人嘗試以Sentinel-1衛星的干涉合成孔徑雷達 (InSAR)，並通過連續全球定位系統 (cGPS) 定位進行整合，計算出加州聖華金谷連續枯水年 (dry water year，2016) 和豐水年 (wet water year，2017) 之季節性地表變形幅度和相位。同時尼利等人將地表變形時間序列中的趨勢和季節性的地表變形分離，並在地表和地下水水文背景下對其進行解釋，藉以探究估算地下水含水層流動 (aquifer flow dynamics，包含補注與排放) 的可能性。

該研究發現 2016 年的地表沉陷率(平均 -42.0 mm/year；峰值 -345 mm/year)是 2017 年的兩倍(平均 -20.4 mm/year；峰值 -177 mm/year)，與 2016 年乾旱期間，該地區農業增加的地下水抽取量一致。同時，在 2017 年的豐水期間，因地下水抽取量較少，地表沉陷率最大的位置則從山谷軸向外遷移。這些觀測到的地表隆起或沉陷的區域可能代表地下水層的補注路徑，該研究成果對整個加州及全球相似的含水層之地下水研究和管理具有重要意義，也成功讓衛星藉由觀測地表變化進而為該領域開啟新的篇章。

近年來保護熱帶森林已為全球共識，近期的研究也發現熱帶森林對全球陸地碳平衡的貢獻明顯高於其他森林且逐年增加。自 1980 年代初以來，科學家運用衛星觀測氣候和森林覆蓋變遷的資訊，使其能夠了解熱帶碳循環(Tropical carbon cycle)的變化並建立預測模式。現今的衛星已提升至能夠進行森林結構、碳庫、生產能力以及碳和通水的通量相關的量測，藉由這些觀測資訊，我們更能理解不管是對當地還是全球氣候，熱帶森林具有無可取代的重要性。

從這些衛星觀測中得出的新興模式顯示，氣候變遷在影響熱帶森林吸收大氣二氧化碳的能力方面，與其遭受大量採伐造成的衝擊一樣巨大，而且這些熱帶森林更容易受到水資源壓力的影響。熱帶森林對水的脆弱性(Vulnerability)在不同熱帶地區與各大洲也不盡相同，這個結果顯示還有其他科學家尚未發現的隱性因子可以緩和水的變異性 (Water variability) 並如何影響碳循環。

雖然衛星科技已廣泛應用於許多不同領域，在農業上也有許多豐碩的成果。不過，目前衛星科技在農業用水的量化監測上，仍然有很大的空間需要突破。在前次電子報中提及氣候變遷導致極端氣候造成農業用水短缺的問題，為了準確衡量灌溉用水量，許多科學家嘗試使用衛星觀測農業灌溉用水的使用情形。Foster 等人蒐集1980-2020 年間發表的諸多研究論文，並使用後設分析法(Meta-analysis)統計發現，透過衛星來估算農業灌溉用水的準確性其實不高，更可能間接造成農民財產損失。

另一項研究則是審核過往的研究是如何驗證衛星能夠準確且有效的預估用水量，並深入探討這些研究是如何將衛星觀測數據與現地測量資料進行比對，以評估衛星預估的準確性。結果發現在26 項研究中，僅有 7 項有將觀測結果與現地測量進行比較，此外研究也顯示出透過衛星的估算量和實際用水量相差達20-60%。由此可知，衛星遙測技術雖可進行即時或短期用水監測，但如欲將其運用於長期監測與推估農業灌溉用水量，則仍需透過頻繁地將結果與現地調查結果做比對，以提升預估的準確性。

衛星等航遙測所收集的數據，透過各種新發展的理論與模式，已能快速、有效及廣域地進行各個領域的應用。然而，越深入探討的研究，也需更新型且廣泛的數據模型，不僅用於匹配變量且頻繁地更新和監控變量的過程。衛星觀測固然是新興科技中一項強而有力的利器，惟建立最佳化模型參數，並確保模型與現地量測和衛星測量相匹配才是解決問題的不二法門。

1.　D. Long. (2021 April 26). Satellites Detect Groundwater Recharge for San Joaquin Valley. EOS. Retrieved from https://eos.org/editor-highlights/satellites-detect-groundwater-recharge-for-san-joaquin-valley

2.　Worden, J., S. Saatchi, and A. Bloom (2021 April 6). Tropical Carbon and Water Observed from Above. EOS, 102. Retrieved from https://doi.org/10.1029/2021EO156852

3.　Shultz, D (2020 December 1). Can Satellites Fill Gaps in Agricultural Water Monitoring? Eos, 102. Retrieved from https://doi.org/10.1029/2020EO151953