編譯 姚人杰

旱災、冰川融化和極端降水事件屢見于新聞標題中，因為世界正在應對一個新的水文常態(tài)。氣候變化在全球范圍對于氣候事件、農(nóng)業(yè)和淡水資源的影響早已在發(fā)生，在未來將會愈演愈烈。就連地球本身不斷增長的自轉速度——從而縮短我們一天的時間——都可以歸因于水循環(huán)的強化。這些影響會有多糟糕，這些影響會如何展開？這個問題的答案依賴于對一個不斷暖化的世界里水循環(huán)的艱難計算。我和佐治亞大學的同事法比安·佐姆（Fabian Zowam）與大衛(wèi)·理查茲（David F. Richards）合作建立一個模型。該模型能闡明細節(jié)，讓我們看到我們需要為新氣候條件下的哪些情況做好準備。

人口增長對于地下水的需求，氣候變化的影響和水循環(huán)的增強使得地球淡水資源狀態(tài)處于危急關頭。全球范圍內(nèi)，人類使用的水中有超過三分之一來自地下水。更高的氣溫加大地表蒸發(fā)，將更多水帶入大氣層，減少地下水補給，從而可能阻礙地表水補注地下含水層。

2015年，得克薩斯大學奧斯汀分校的吳文瑛與同事們推斷，水在大氣層、地表和地下的循環(huán)增強可能引起地下水儲水量、含水層可持續(xù)性的改變。具體來說，他們注意到蒸散量（水進入大氣層）上升、融雪量下降、輸入減少、輸出增加，導致地下水減少。這一情況因為居住要求（譬如飲水和灌溉）帶來的地下水抽取需求而進一步惡化。

這個困境的嚴重程度在各地區(qū)有所不同。加利福尼亞州為了確保地下水可持續(xù)性，在2014年通過了《可持續(xù)地下水管理法》（SGMA）。該法案在一次創(chuàng)紀錄的旱災發(fā)生后第三年的嚴重過量抽水后頒布，要求在地方層級為地下水流域制定計劃，在20年內(nèi)實現(xiàn)地下水可持續(xù)利用。

水循環(huán)中的變化影響了暴風雨、旱災、沖蝕和圍繞這些現(xiàn)象的不確定性，繼而影響到農(nóng)業(yè)。氣候變化也會加劇作物損害，影響農(nóng)用化學品的效力。2020年英國雷丁大學的理查德·艾倫（Richard Allan）研究發(fā)現(xiàn)，由于地表和大氣層之間的水循環(huán)水平提高，大氣水分的增加已經(jīng)導致降雨量增加，出現(xiàn)更多強烈濕熱季節(jié)和更多極端氣候事件。

建模的挑戰(zhàn)

降水、蒸發(fā)和其他物理過程將水在大氣層和不同儲水處（譬如湖泊、河流和地下水）之間進行重新分配。太陽輻射對水加溫，使得水蒸發(fā)為水蒸氣，水蒸氣隨著上升而冷卻，最終以降水形式落下，水循環(huán)再度繼續(xù)。近些年，由于氣候變化的關系，這一系列事件一直在加速，這對于全球農(nóng)耕體系、氣候事件和淡水資源都產(chǎn)生了影響。最近幾年，氣候科學家和水文地質學家已經(jīng)發(fā)展出越來越有效的方法來研究這個復雜的相互作用。

研究顯示，溫室氣體排放強化了水循環(huán)，引起全球氣溫上升，影響主要的水文過程。然而，不同氣候區(qū)的循環(huán)速率不盡相同，使得水循環(huán)的變化不均。

加州極端氣候事件促使西北太平洋國家實驗室的尹俊浩（Jin-Ho Yoon）與同事在2015年分析了多個采用“通用地球系統(tǒng)第1版”（CESM1）做出的降水和蒸散氣候預測。一個預測顯示，伴隨著從1990年到2070年地表逐漸變暖，加州降水量會逐步增加。他們也發(fā)現(xiàn)，“水循環(huán)極端事件”（由一年之內(nèi)出現(xiàn)的極濕和極熱事件來定義）可能在加州顯著增加。他們預測，極端干旱事件會從1930年至1939年時的大約5次上升到2070年至2079年時的大約10次，而極端濕潤事件會從1930年至1939年時的大約4次上升到2070年至2079年時的大約15次。這些預測將意味著：未來會出現(xiàn)更多更久的明顯干旱事件，可用的水資源下降；出現(xiàn)更多更頻繁的極端降水事件，影響基礎設施、食物生產(chǎn)和環(huán)境污染。這個研究概括了未來的挑戰(zhàn)，給科學家提供了一個可量化潛在影響的機會。

2019年，《水文學報》上一篇由美國地質調查局的托馬斯·亨廷頓（Thomas G. Huntington）、彼得·魏斯克爾（Peter Weiskel）、大衛(wèi)·沃洛克（David M. Wolock）和格雷戈里·麥凱布（Gregory J. McCabe）合寫的論文發(fā)展出一個全新框架來量化陸地水循環(huán)的強度。這個指標被稱為“水循環(huán)強度”，是降水（地下水輸入量）和實際蒸散量（地下水輸出量）的總和除以感興趣的時段而得到的平均數(shù)。他們對美國水循環(huán)強度的分析發(fā)現(xiàn)，該指標在研究的目標時期（1945—1974年和1985—2014年）內(nèi)呈現(xiàn)上升態(tài)勢，這個轉變在很大程度上被歸因于美國本土降水量的總體增長。然而，增強的水循環(huán)接著導致某些地區(qū)的降水、徑流和土壤水分儲量下降，特別是在美國的西部和東南部地區(qū)。

模型顯示的一個反直覺模式進一步凸顯這個現(xiàn)象的復雜程度：總體降水的增加引起水循環(huán)的增強，最終導致美國特定地區(qū)的降水下降。從這篇論文發(fā)表之日起，作者們建立的水循環(huán)強度的空間與時間改變量化框架已經(jīng)變成評估水資源可利用度變化的一個關鍵工具。

近期，我和合作者們研發(fā)出一個新模型，將基于衛(wèi)星遙感的方法應用到現(xiàn)有水循環(huán)強度框架上，我們在2021年12月的美國地球物理聯(lián)盟會議上做了介紹。我們用這個方法審視了更近期和更精細的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。我們使用來自美國宇航局（NASA）和“哈佛數(shù)據(jù)宇宙”資料庫的從2001年到2019年的數(shù)據(jù)，得到的結果顯示該時段內(nèi)的平均水循環(huán)強度大體上由東向西不斷降低。美國東南部顯示出最高的加速率，在路易斯安那州和佛羅里達州的部分地區(qū)，水循環(huán)強度超過4 000毫米/年。對于生活在那些地區(qū)的民眾，這種加速的影響也許包括土地流失擴大、漁業(yè)受到負面影響、油井喪失的潛在可能以及墨西哥灣死區(qū)的不斷擴大。在兩個時段（2001—2009年和2010—2019年）之間，水循環(huán)強度的最大增長出現(xiàn)在美國西部，盡管該地區(qū)有著較低的平均水循環(huán)強度（2001—2019年）。這個方法現(xiàn)在能應用到全球范圍的地下水儲水量分析，更具體地來說，是應用到那些數(shù)據(jù)不足的環(huán)境中。它也能幫助識別出存在地下水風險和脆弱性的地域。

在區(qū)域尺度和大陸尺度上評估地下水資源的變化時，許多挑戰(zhàn)也隨之出現(xiàn)。通過這個方法，我們已經(jīng)更好地領會到，水循環(huán)強度和地下水補給是如何相互關聯(lián)的，所以我們現(xiàn)在能繞過這些局限。盡管水循環(huán)強度和地下水補給之間的正相關關系在美國本土占優(yōu)勢，最強的關系出現(xiàn)在華盛頓州、俄勒岡州和加利福尼亞州的海岸沿線。這項研究進一步表明，地下水補給與水循環(huán)強度的差異存在關聯(lián)。

水循環(huán)強度的增長能提高地下水補給，主要是由于降水的增加。水循環(huán)較低的區(qū)域（譬如加州和美國東南部的部分地區(qū)）一般有著較低的地下水補充，更有可能出現(xiàn)旱災。然而，這個過程很復雜，這個模式在蒸散量更高的地區(qū)存在例外，譬如美國西南部。降水的增加可能產(chǎn)生反直覺的局部影響（包括旱災在內(nèi)）。最后，結果顯示，每年的厄爾尼諾-南方濤動（ENSO）事件正在進一步增強美國西南部和東南部的水循環(huán)，同時在其他地區(qū)，這種加速更加代表了人為因素。

接下來的研究重心是找到受人類控制的因素（譬如產(chǎn)業(yè)、生活方式和技術）和它們對于目前發(fā)生的水循環(huán)強化的影響之間的聯(lián)系。我們建立的模型是朝那個方向邁出的一步，因為它有助于回答一些關系到區(qū)域水資源可用性、城市增長、可持續(xù)農(nóng)業(yè)的問題。

資料來源 American Scientist