随着气候变化，地球上的水在大气层、地表和地下之间的移动正在不断加速。
旱灾、冰川融化和极端降水事件屡见于新闻标题中，因为世界正在应对一个新的水文常态。气候变化在全球范围对于气候事件、农业和淡水资源的影响早已在发生，在未来将会愈演愈烈。就连地球本身不断增长的自转速度——从而缩短我们一天的时间——都可以归因于水循环的强化。这些影响会有多糟糕，这些影响会如何展开？这个问题的答案依赖于对一个不断暖化的世界里水循环的艰难计算。我和佐治亚大学的同事法比安 · 佐姆（Fabian Zowam）与大卫 · 理查兹（David F. Richards）合作建立一个模型。该模型能阐明细节，让我们看到我们需要为新气候条件下的哪些情况做好准备。
人口增长对于地下水的需求，气候变化的影响和水循环的增强使得地球淡水资源状态处于危急关头。全球范围内，人类使用的水中有超过三分之一来自地下水。更高的气温加大地表蒸发，将更多水带入大气层，减少地下水补给，从而可能阻碍地表水补注地下含水层。
2015年，得克萨斯大学奥斯汀分校的吴文瑛与同事们推断，水在大气层、地表和地下的循环增强可能引起地下水储水量、含水层可持续性的改变。具体来说，他们注意到蒸散量（水进入大气层）上升、融雪量下降、输入减少、输出增加，导致地下水减少。这一情况因为居住要求（譬如饮水和灌溉）带来的地下水抽取需求而进一步恶化。
这个困境的严重程度在各地区有所不同。加利福尼亚州为了确保地下水可持续性，在2014年通过了《可持续地下水管理法》（SGMA）。该法案在一次创纪录的旱灾发生后第三年的严重过量抽水后颁布，要求在地方层级为地下水流域制定计划，在20年内实现地下水可持续利用。
水循环中的变化影响了暴风雨、旱灾、冲蚀和围绕这些现象的不确定性，继而影响到农业。气候变化也会加剧作物损害，影响农用化学品的效力。2020年英国雷丁大学的理查德 · 艾伦（Richard Allan）研究发现，由于地表和大气层之间的水循环水平提高，大气水分的增加已经导致降雨量增加，出现更多强烈湿热季节和更多极端气候事件。
建模的挑战
降水、蒸发和其他物理过程将水在大气层和不同储水处（譬如湖泊、河流和地下水）之间进行重新分配。太阳辐射对水加温，使得水蒸发为水蒸气，水蒸气随着上升而冷却，最终以降水形式落下，水循环再度继续。近些年，由于气候变化的关系，这一系列事件一直在加速，这对于全球农耕体系、气候事件和淡水资源都产生了影响。最近几年，气候科学家和水文地质学家已经发展出越来越有效的方法来研究这个复杂的相互作用。
研究显示，温室气体排放强化了水循环，引起全球气温上升，影响主要的水文过程。然而，不同气候区的循环速率不尽相同，使得水循环的变化不均。
加州极端气候事件促使西北太平洋国家实验室的尹俊浩（Jin－Ho Yoon）与同事在2015年分析了多个采用“通用地球系统第1版”（CESM1）做出的降水和蒸散气候预测。一个预测显示，伴随着从1990年到2070年地表逐渐变暖，加州降水量会逐步增加。他们也发现，“水循环极端事件”（由一年之内出现的极湿和极热事件来定义）可能在加州显著增加。他们预测，极端干旱事件会从1930年至1939年时的大约5次上升到2070年至2079年时的大约10次，而极端湿润事件会从1930年至1939年时的大约4次上升到2070年至2079年时的大约15次。这些预测将意味着：未来会出现更多更久的明显干旱事件，可用的水资源下降；出现更多更频繁的极端降水事件，影响基础设施、食物生产和环境污染。这个研究概括了未来的挑战，给科学家提供了一个可量化潜在影响的机会。
2019年，《水文学报》上一篇由美国地质调查局的托马斯 · 亨廷顿（Thomas G. Huntington）、彼得 · 魏斯克尔（Peter Weiskel）、大卫 · 沃洛克（David M. Wolock）和格雷戈里 · 麦凯布（Gregory J. McCabe）合写的论文发展出一个全新框架来量化陆地水循环的强度。这个指标被称为“水循环强度”，是降水（地下水输入量）和实际蒸散量（地下水输出量）的总和除以感兴趣的时段而得到的平均数。他们对美国水循环强度的分析发现，该指标在研究的目标时期（1945—1974年和1985—2014年）内呈现上升态势，这个转变在很大程度上被归因于美国本土降水量的总体增长。然而，增强的水循环接着导致某些地区的降水、径流和土壤水分储量下降，特别是在美国的西部和东南部地区。
模型显示的一个反直觉模式进一步凸显这个现象的复杂程度：总体降水的增加引起水循环的增强，最终导致美国特定地区的降水下降。从这篇论文发表之日起，作者们建立的水循环强度的空间与时间改变量化框架已经变成评估水资源可利用度变化的一个关键工具。
近期，我和合作者们研发出一个新模型，将基于卫星遥感的方法应用到现有水循环强度框架上，我们在2021年12月的美国地球物理联盟会议上做了介绍。我们用这个方法审视了更近期和更精细的卫星数据。我们使用来自美国宇航局（NASA）和“哈佛数据宇宙”资料库的从2001年到2019年的数据，得到的结果显示该时段内的平均水循环强度大体上由东向西不断降低。美国东南部显示出最高的加速率，在路易斯安那州和佛罗里达州的部分地区，水循环强度超过4 000毫米/年。对于生活在那些地区的民众，这种加速的影响也许包括土地流失扩大、渔业受到负面影响、油井丧失的潜在可能以及墨西哥湾死区的不断扩大。在两个时段（2001—2009年和2010—2019年）之间，水循环强度的最大增长出现在美国西部，尽管该地区有着较低的平均水循环强度（2001—2019年）。这个方法现在能应用到全球范围的地下水储水量分析，更具体地来说，是应用到那些数据不足的环境中。它也能帮助识别出存在地下水风险和脆弱性的地域。
在区域尺度和大陆尺度上评估地下水资源的变化时，许多挑战也随之出现。通过这个方法，我们已经更好地领会到，水循环强度和地下水补给是如何相互关联的，所以我们现在能绕过这些局限。尽管水循环强度和地下水补给之间的正相关关系在美国本土占优势，最强的关系出现在华盛顿州、俄勒冈州和加利福尼亚州的海岸沿线。这项研究进一步表明，地下水补给与水循环强度的差异存在关联。
水循环强度的增长能提高地下水补给，主要是由于降水的增加。水循环较低的区域（譬如加州和美国东南部的部分地区）一般有着较低的地下水补充，更有可能出现旱灾。然而，这个过程很复杂，这个模式在蒸散量更高的地区存在例外，譬如美国西南部。降水的增加可能产生反直觉的局部影响（包括旱灾在内）。最后，结果显示，每年的厄尔尼诺－南方涛动（ENSO）事件正在进一步增强美国西南部和东南部的水循环，同时在其他地区，这种加速更加代表了人为因素。
接下来的研究重心是找到受人类控制的因素（譬如产业、生活方式和技术）和它们对于目前发生的水循环强化的影响之间的联系。我们建立的模型是朝那个方向迈出的一步，因为它有助于回答一些关系到区域水资源可用性、城市增长、可持续农业的问题。
资料来源 American Scientist
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本文作者亚当·米莱夫斯基（Adam M. Milewski）是一位国际知名的水资源专家，佐治亚大学水文地质学和遥感学教授，同时担任佐治亚大学水资源与遥感实验室主任，也是地理空间与水文地质服务有限公司总裁。