超速運(yùn)轉(zhuǎn)的水循環(huán)

編譯 姚人杰

旱災(zāi)、冰川融化和極端降水事件屢見于新聞標(biāo)題中，因?yàn)槭澜缯趹?yīng)對(duì)一個(gè)新的水文常態(tài)。氣候變化在全球范圍對(duì)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(huì)愈演愈烈。就連地球本身不斷增長(zhǎng)的自轉(zhuǎn)速度——從而縮短我們一天的時(shí)間——都可以歸因于水循環(huán)的強(qiáng)化。這些影響會(huì)有多糟糕，這些影響會(huì)如何展開？這個(gè)問題的答案依賴于對(duì)一個(gè)不斷暖化的世界里水循環(huán)的艱難計(jì)算。我和佐治亞大學(xué)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(gè)模型。該模型能闡明細(xì)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(zhǔn)備。

人口增長(zhǎng)對(duì)于地下水的需求，氣候變化的影響和水循環(huán)的增強(qiáng)使得地球淡水資源狀態(tài)處于危急關(guān)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(bǔ)給，從而可能阻礙地表水補(bǔ)注地下含水層。

2015年，得克薩斯大學(xué)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(qiáng)可能引起地下水儲(chǔ)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(jìn)入大氣層）上升、融雪量下降、輸入減少、輸出增加，導(dǎo)致地下水減少。這一情況因?yàn)榫幼∫螅ㄆ┤顼嬎凸喔龋淼牡叵滤槿⌒枨蠖M(jìn)一步惡化。

這個(gè)困境的嚴(yán)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(jì)錄的旱災(zāi)發(fā)生后第三年的嚴(yán)重過量抽水后頒布，要求在地方層級(jí)為地下水流域制定計(jì)劃，在20年內(nèi)實(shí)現(xiàn)地下水可持續(xù)利用。

水循環(huán)中的變化影響了暴風(fēng)雨、旱災(zāi)、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(huì)加劇作物損害，影響農(nóng)用化學(xué)品的效力。2020年英國(guó)雷丁大學(xué)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(dǎo)致降雨量增加，出現(xiàn)更多強(qiáng)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(chǔ)水處（譬如湖泊、河流和地下水）之間進(jìn)行重新分配。太陽(yáng)輻射對(duì)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(guān)系，這一系列事件一直在加速，這對(duì)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(xué)家和水文地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)發(fā)展出越來越有效的方法來研究這個(gè)復(fù)雜的相互作用。

研究顯示，溫室氣體排放強(qiáng)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的尹俊浩（Jin-Ho Yoon）與同事在2015年分析了多個(gè)采用“通用地球系統(tǒng)第1版”（CESM1）做出的降水和蒸散氣候預(yù)測(cè)。一個(gè)預(yù)測(cè)顯示，伴隨著從1990年到2070年地表逐漸變暖，加州降水量會(huì)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(yù)測(cè)，極端干旱事件會(huì)從1930年至1939年時(shí)的大約5次上升到2070年至2079年時(shí)的大約10次，而極端濕潤(rùn)事件會(huì)從1930年至1939年時(shí)的大約4次上升到2070年至2079年時(shí)的大約15次。這些預(yù)測(cè)將意味著：未來會(huì)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(chǔ)設(shè)施、食物生產(chǎn)和環(huán)境污染。這個(gè)研究概括了未來的挑戰(zhàn)，給科學(xué)家提供了一個(gè)可量化潛在影響的機(jī)會(huì)。

2019年，《水文學(xué)報(bào)》上一篇由美國(guó)地質(zhì)調(diào)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(gè)全新框架來量化陸地水循環(huán)的強(qiáng)度。這個(gè)指標(biāo)被稱為“水循環(huán)強(qiáng)度”，是降水（地下水輸入量）和實(shí)際蒸散量（地下水輸出量）的總和除以感興趣的時(shí)段而得到的平均數(shù)。他們對(duì)美國(guó)水循環(huán)強(qiáng)度的分析發(fā)現(xiàn)，該指標(biāo)在研究的目標(biāo)時(shí)期（1945—1974年和1985—2014年）內(nèi)呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì)，這個(gè)轉(zhuǎn)變?cè)诤艽蟪潭壬媳粴w因于美國(guó)本土降水量的總體增長(zhǎng)。然而，增強(qiáng)的水循環(huán)接著導(dǎo)致某些地區(qū)的降水、徑流和土壤水分儲(chǔ)量下降，特別是在美國(guó)的西部和東南部地區(qū)。

模型顯示的一個(gè)反直覺模式進(jìn)一步凸顯這個(gè)現(xiàn)象的復(fù)雜程度：總體降水的增加引起水循環(huán)的增強(qiáng)，最終導(dǎo)致美國(guó)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(qiáng)度的空間與時(shí)間改變量化框架已經(jīng)變成評(píng)估水資源可利用度變化的一個(gè)關(guān)鍵工具。

近期，我和合作者們研發(fā)出一個(gè)新模型，將基于衛(wèi)星遙感的方法應(yīng)用到現(xiàn)有水循環(huán)強(qiáng)度框架上，我們?cè)?021年12月的美國(guó)地球物理聯(lián)盟會(huì)議上做了介紹。我們用這個(gè)方法審視了更近期和更精細(xì)的衛(wèi)星數(shù)據(jù)。我們使用來自美國(guó)宇航局（NASA）和“哈佛數(shù)據(jù)宇宙”資料庫(kù)的從2001年到2019年的數(shù)據(jù)，得到的結(jié)果顯示該時(shí)段內(nèi)的平均水循環(huán)強(qiáng)度大體上由東向西不斷降低。美國(guó)東南部顯示出最高的加速率，在路易斯安那州和佛羅里達(dá)州的部分地區(qū)，水循環(huán)強(qiáng)度超過4 000毫米/年。對(duì)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(kuò)大、漁業(yè)受到負(fù)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(kuò)大。在兩個(gè)時(shí)段（2001—2009年和2010—2019年）之間，水循環(huán)強(qiáng)度的最大增長(zhǎng)出現(xiàn)在美國(guó)西部，盡管該地區(qū)有著較低的平均水循環(huán)強(qiáng)度（2001—2019年）。這個(gè)方法現(xiàn)在能應(yīng)用到全球范圍的地下水儲(chǔ)水量分析，更具體地來說，是應(yīng)用到那些數(shù)據(jù)不足的環(huán)境中。它也能幫助識(shí)別出存在地下水風(fēng)險(xiǎn)和脆弱性的地域。

在區(qū)域尺度和大陸尺度上評(píng)估地下水資源的變化時(shí)，許多挑戰(zhàn)也隨之出現(xiàn)。通過這個(gè)方法，我們已經(jīng)更好地領(lǐng)會(huì)到，水循環(huán)強(qiáng)度和地下水補(bǔ)給是如何相互關(guān)聯(lián)的，所以我們現(xiàn)在能繞過這些局限。盡管水循環(huán)強(qiáng)度和地下水補(bǔ)給之間的正相關(guān)關(guān)系在美國(guó)本土占優(yōu)勢(shì)，最強(qiáng)的關(guān)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(xiàng)研究進(jìn)一步表明，地下水補(bǔ)給與水循環(huán)強(qiáng)度的差異存在關(guān)聯(lián)。

水循環(huán)強(qiáng)度的增長(zhǎng)能提高地下水補(bǔ)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(guó)東南部的部分地區(qū)）一般有著較低的地下水補(bǔ)充，更有可能出現(xiàn)旱災(zāi)。然而，這個(gè)過程很復(fù)雜，這個(gè)模式在蒸散量更高的地區(qū)存在例外，譬如美國(guó)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(zāi)在內(nèi)）。最后，結(jié)果顯示，每年的厄爾尼諾-南方濤動(dòng)（ENSO）事件正在進(jìn)一步增強(qiáng)美國(guó)西南部和東南部的水循環(huán)，同時(shí)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(shù)）和它們對(duì)于目前發(fā)生的水循環(huán)強(qiáng)化的影響之間的聯(lián)系。我們建立的模型是朝那個(gè)方向邁出的一步，因?yàn)樗兄诨卮鹨恍╆P(guān)系到區(qū)域水資源可用性、城市增長(zhǎng)、可持續(xù)農(nóng)業(yè)的問題。

資料來源 American Scientist