超速運轉的水循環

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。氣候變化在全球范圍對于氣候事件、農業和淡水資源的影響早已在發生，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·理查茲（David F. Richards）合作建立一個模型。該模型能闡明細節，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的增強使得地球淡水資源狀態處于危急關頭。全球范圍內，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，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、地表和地下的循環增強可能引起地下水儲水量、含水層可持續性的改變。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有所不同。加利福尼亞州為了確保地下水可持續性，在2014年通過了《可持續地下水管理法》（SGMA）。該法案在一次創紀錄的旱災發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年內實現地下水可持續利用。

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

建模的挑戰

降水、蒸發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，水循環再度繼續。近些年，由于氣候變化的關系，這一系列事件一直在加速，這對于全球農耕體系、氣候事件和淡水資源都產生了影響。最近幾年，氣候科學家和水文地質學家已經發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，引起全球氣溫上升，影響主要的水文過程。然而，不同氣候區的循環速率不盡相同，使得水循環的變化不均。

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。他們也發現，“水循環極端事件”（由一年之內出現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：未來會出現更多更久的明顯干旱事件，可用的水資源下降；出現更多更頻繁的極端降水事件，影響基礎設施、食物生產和環境污染。這個研究概括了未來的挑戰，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·沃洛克（David M. Wolock）和格雷戈里·麥凱布（Gregory J. McCabe）合寫的論文發展出一個全新框架來量化陸地水循環的強度。這個指標被稱為“水循環強度”，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。他們對美國水循環強度的分析發現，該指標在研究的目標時期（1945—1974年和1985—2014年）內呈現上升態勢，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，增強的水循環接著導致某些地區的降水、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。

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

近期，我和合作者們研發出一個新模型，將基于衛星遙感的方法應用到現有水循環強度框架上，我們在2021年12月的美國地球物理聯盟會議上做了介紹。我們用這個方法審視了更近期和更精細的衛星數據。我們使用來自美國宇航局（NASA）和“哈佛數據宇宙”資料庫的從2001年到2019年的數據，得到的結果顯示該時段內的平均水循環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，水循環強度超過4 000毫米/年。對于生活在那些地區的民眾，這種加速的影響也許包括土地流失擴大、漁業受到負面影響、油井喪失的潛在可能以及墨西哥灣死區的不斷擴大。在兩個時段（2001—2009年和2010—2019年）之間，水循環強度的最大增長出現在美國西部，盡管該地區有著較低的平均水循環強度（2001—2019年）。這個方法現在能應用到全球范圍的地下水儲水量分析，更具體地來說，是應用到那些數據不足的環境中。它也能幫助識別出存在地下水風險和脆弱性的地域。

在區域尺度和大陸尺度上評估地下水資源的變化時，許多挑戰也隨之出現。通過這個方法，我們已經更好地領會到，水循環強度和地下水補給是如何相互關聯的，所以我們現在能繞過這些局限。盡管水循環強度和地下水補給之間的正相關關系在美國本土占優勢，最強的關系出現在華盛頓州、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強度的差異存在關聯。

水循環強度的增長能提高地下水補給，主要是由于降水的增加。水循環較低的區域（譬如加州和美國東南部的部分地區）一般有著較低的地下水補充，更有可能出現旱災。然而，這個過程很復雜，這個模式在蒸散量更高的地區存在例外，譬如美國西南部。降水的增加可能產生反直覺的局部影響（包括旱災在內）。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，同時在其他地區，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（譬如產業、生活方式和技術）和它們對于目前發生的水循環強化的影響之間的聯系。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域水資源可用性、城市增長、可持續農業的問題。

資料來源 American Scientist