气候变化对水循环的影响

气候变化对水循环的影响（Effects of climate change on the water cycle）很深远，被描述会对水循环（也称水文循环）产生“强化”（或是整体的“加强”）效果。这种现象至少从1980起就被观察到。其中一例是加剧的强降水事件。这情况对淡水资源可用性，以及海洋、冰盖、大气和陆地表面等储水的所在产生重要连锁反应。水循环对地球上的生命非常重要，对气候和洋流发挥重要作用。有多种原因让地球变暖，导致水循环随之发生变化。例如较暖的大气中含有更多的水汽，而会影响蒸发和降水。海洋可吸收93%来自太阳的热量，也发挥重要的作用。自1971年以来海洋热含量即在增加，对海洋本身和循环产生重大影响。

水循环加剧的根本原因是大气中温室气体增加，这类气体通过温室效应导致大气变暖。物理学显示当气温上升1°C 时，大气中的蒸汽压会增加7%（参见克劳修斯-克拉伯龙方程）。

水循环的强度及其随时间的变化引起人们极大兴趣，尤其是它跟随气候变化而发生。整个水文循环的本质是一边在蒸发水分，另一边在降水。特别是当海洋上蒸发量超过该处的降水量，让多余的水分经大气输送到蒸发量少，而降水量大的陆地上。降水经径流携带进入溪水及河流，再排入海洋，完成一套循环。水循环是地球能量循环中的关键部分，通过地表蒸发冷却作用和让大气潜热，大气系统在把热量向上移动的作用中有重要的功能。

如果有水，额外的热量大多会将其蒸发，如同在海洋上所发生者，温度则会因无水分蒸发而上升。水的可用性加上大气的持水能力会随温度升高而等比增加，这表示水在海洋和热带地区可发挥重要作用，但在大陆和极地的作用会少得多，而成为导致北极和陆地温度升高的主要原因。

水循环所具有的特征，有可能会导致循环发生突然变化。但目前的看法是这种突然变化在21世纪发生的可能性很低。

## 成因

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全球变暖导致整体水循环发生变化。首先是大气中的蒸气压会增加，导致降水模式中的频率和强度发生变化，以及地下水和土壤湿度发生变化。这些变化的加总通常被称为水循环的“强化和加速”作用。而如干旱和洪水、热带气旋、冰河和积雪以及极端天气的重大现象也会受到影响。

大气中温室气体含量增加会让大气变暖。空气中饱和蒸气压随温度上升而升高，表示较暖的空气可包容更多的水蒸气。因为空气中能含有更多的水分，蒸发也随之增强。大气中水量增加后，降水量也会跟着增加。

克劳修斯-克拉伯龙方程指出当温度升高1°C时，蒸气压将增加7%。在人造卫星、无线电探空仪和地面站提供的对流层水汽测量资料中均可观察到。IPCC第五次评估报告的结论是近40年来对流层中水汽已增加3.5%，与气温升高0.5°C并行发生。

## 观察与预测

从20世纪中叶以来，人类活动引起的气候变化导致全球水循环发生明显变化。在2021年发表的政府间气候变化专门委员会第六次评估报告预测，在全球和区域之中，这种变化仍继续会以显著的方式增长。

第六次评估报告还说：陆地降水量自1950年起即开始增加，且从80年代起，增加的速度更快。大气中的水蒸气（尤其是在对流层）至少自1980年代起就已开始增加。由于全球地表温度升高，预计在21世纪内，陆地上的年度降水量将会增加。

通过分析海洋表面盐度和海洋上的“降水减去蒸发 (P–E)”模式，可观察到人类活动对水循环造成的影响。在2012年所发表一项涵盖1950年至2000年期间有关海洋表层盐度的研究，已对全球水循环强化的预测加以证实。在此期间，咸水区域变得盐度更高，而较淡区域的水中盐度则变得更低。

气候变暖让极端湿润和非常干燥的天气情况变得更加严重。大气环流模式也发生变化，而对这些极端事件发生的区域和频率产生影响。在世界大部分地区和所有气候变化情景预测中，水循环变率和伴随的极端值，相对于平均值，预计将会有更大的差异。

### 区域天气模式变化

由于热带海洋变暖，全球各区域的天气模式也发生变化。近几十年来，热带暖池（又称印度洋-太平洋暖池）持续迅速变暖，且范围也在扩大中，主要是因为人类燃烧化石燃料，增加碳排放的结果。暖池面积从1900-1980年的2,200万平方公里，扩大到1981-2018年的4,000万平方公里，几乎扩大一倍。暖池的扩张把马登-朱利安振荡 (MJO) 的生命周期改变，而让全球降雨模式受到更动，马登-朱利安振荡是源自热带，地球上最主要的天气波动模式。

### 循环骤变的可能性

水循环本身的几个特性有可能会导致水循环的突然变化。所谓”突然变化”是区域性，或是全球性的气候系统变化，速度快过以前所发生的，表明气候变化不再依循线性模式进展。由于海洋、大气和地表之间的非线性相互作用，可能会发生“干与湿状态间的快速变动”。

例如，如果真的发生大西洋经向翻转环流 (AMOC) 崩溃，就会产生巨大的区域性水循环影响。太阳能地球工程（又称solar radiation modification）的启动或是终止也会导致水循环突然变化水循环也可能因地表发生变化（如亚马逊雨林砍伐和逐渐干燥、撒哈拉沙漠和撒赫尔地区的绿化以及沙尘加剧干旱，都是可能的肇因）而发生突然的反应。

对水循环发生这种突然变化的可能性，科学上的了解目前并不多。而依据当前的科学知识，人类活动导致这种突然变化的可能性并不能被排除。但目前的看法是这种变化在21世纪发生的可能性仍然很低。

## 测量与建模技术

### 间歇性降水

气候模型尚无法顺利把水循环作模拟。原因之一是降水量很难量化，它本质上是种间歇性发生的现象。通常引用的仅为平均数量。人们倾向于使用“降水”一词，就好像它与“降水量”的意思相同。在描述地球降水模式的变化时，真正重要的并非仅为总量：还与强度（下雨，或是下雪的强度）、频率（次数）、持续时间（时间长度）和类型（是雨，或是雪）有关新西兰气候学家凯文·E.·川伯斯针对降水的特性做研究，发现极端事件的频率和强度很重要，而这些在气候模型中很难估算。

### 海洋盐度变化

由于全球变暖和冰河融化增加，释放进入海洋的淡水量随之增加，会改变温盐环流模式，海洋盐度也会随之改变。温盐环流会从海洋深处带出富含营养的冷水，这是种称为上升流的过程。

海水由淡水和盐分组成，海水中盐分的浓度称为盐度。由于盐不会蒸发，因此降水和蒸发会对盐度有很大影响。水循环发生变化，会对海洋表面的盐度产生明显的影响，这情况自1930年代以来就已为人知。

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科学家在过去50年进行测量海洋表面的盐度已收集有完善的记录，在2000年代开始实施的Argo计划，在海中使用无人操作，会自动浮沉的浮标测量仪所取得的详细资料即为一例。另外是海洋盐度在漫长时间内属于稳定，人为强迫引起的微小差异会更易侦测到。海洋盐度在全球各处分布不均，有明显的区域特性。热带地区因有较多的降雨，海水的盐度相对较低。亚热带地区因海水蒸发较强，海洋的盐度会较高，这类地区也被称为“沙漠纬度”。靠近两极纬度的海水盐度较低，这些地区有最低的盐度，是海水蒸发量低，又有大量海冰融化而造成。

长期的观测记录显示出一种明显的趋势：全球盐度模式正放大中。表示高盐度地区变得更咸，而低盐度地区变得更淡。高盐度区域主要是由蒸发造成，盐度增加表明蒸发量更为强化。低盐度地区的水中盐分降低，系因当地有更多的降水所造成。这种空间模式与蒸发减去降水的空间模式类似。因此观察到盐度模式放大也间接证明水循环在加强之中。

为进一步研究海洋盐度与水循环之间的关系，模型是重要的研究工具。其中大气环流模型(General Circulation Models，GCM) 和最近开发的大气-海洋环流模型 (Atmosphere-Ocean General Circulation Models，AOGCM) 用于模拟全球环流和变化（例如水循环的加强）的影响。此类模型产生的多项结果也支持海洋表面盐度变化与降水减去蒸发模式受到放大之间的关系。

科学家取得高盐度和低盐度海洋区域，深度达2,000米的海水盐度，并发现其间的差异（称为SC2000度量标准）。从1960年到2017年，观察到的差异指标已增长5.2%（范围±0.6%）。但差异趋势是在加速中，从1960年到1990年增长1.9%（范围±0.6%），从1991年到2017年的增长则为3.3%（范围±0.4%）。在海洋表面之下的放大效果较弱。这是因为海洋的表层变暖，下层海水仍维持与较冷气候均衡的状态。此情况表示海洋表层的放大效果比旧模型所预测的，有更强的效果。

在2011年6月发射的SAC-D卫星（也称宝瓶座卫星），其上携带有仪器以测量全球海面盐度。

在1994年至2006年间发射的人造卫星中，观测到流入全球海洋的淡水流量增加18%，部分原因是海冰融化，部分原因是全球海洋蒸发增加导致降水增加。

#### 水循环变化的盐度证据

水循环的基本过程是降水和蒸发。局部降水量减去局部蒸发量（通常以P-E表示）可显示水循环对局部所产生的影响。P-E程度变化常被用来表示水循环变化。但是关于取得降水量和蒸发量变化的可靠结论却甚为复杂。大约85%的地球蒸发和78%的降水发生在海洋表面，十分难以测量。而降水只在陆地表面的当地（称为in-situ（原位））可得长期且准确的观测记录。而对于蒸发则根本无长期且准确的观测记录。这情况导致无法得到全球自第一次工业革命以来关于此类变化，具有高置信度的结论。IPCC第五次评估报告对某个主题的可用文献建立概述，然后再依据科学理解为该主题贴上标签。由于数据不足，他们对1951年之前的降水变化所给的是低置信度，对1951年之后的降水变化则给予中等置信度。而归因于人类影响所产生的变化，也只有中等置信度。

### 预测极端天气的对流允许模型

迄今为止，气候模型中于对流的描述会限制科学家能准确模拟非洲极端天气的能力，也限制对气候变化的预测。对流允许模型 (Convection-permitting model，CPM) 能更好模拟撒赫尔地区热带对流的昼夜循环、垂直云结构以及潮湿对流和辐合与土壤水分对流反馈之间的耦合。CPM的优点也在其他地区得到证明，包括对降水结构和极端情况有更实际的描述。涵盖非洲的对流允许模型（4.5公里网格间距）显示未来西部和中部非洲雨季中的旱期长度会变长。科学家的结论是随着对流能提供更准确描述，非洲干湿两极的预计变化会更加严重。换句话说：“非洲极端天气的干与湿两端将会变得更为严峻”。

## 对水资源管理的影响

人类活动引起的水循环变化将增加水文变率，因此会对水利产业和相关投资决策产生深远影响。这类变化将影响区域、流域以及地方层面的可用水量（水资源）、供水、水需求管理、水安全和水分配。

## 水安全

本节摘自水安全#Climate change。

气候变化造成与水相关的影响，会影响到人们日常用水安全，包括：“强降水频率和强度增加；冰河融化加速；洪水频率、规模和时点发生变化；一些地方的干旱更加频繁和严重；地下水储量下降以及因极端气候而水质恶化”。气候变化会以各种方式影响到水资源。可用的淡水总量会发生变化，例如因短期干旱或是长期干旱所导致。由于气候变化，水质也变得更差。

全球气候变化“会同时增加确保水安全的复杂度和成本”。产生新的威胁和调适挑战。原因是气候变化导致水文变率和极端事件增加。气候变化对水循环造成许多影响，产生更多的气候和水文变异性，而威胁到水安全。水循环变化威胁到现有和未来的水基础设施。因为水循环的未来变率有太多不确定性，对规划水利基础设施的投资而言将更会有困难度，而让社会更易受到与水有关极端事件的影响，水安全因而被降低。

### 缺水

本节摘自水资源短缺#Climate change。

由于气候和水文循环之间有密切联系，气候变化会对世界各地的水资源产生重大影响。气温升高将增加蒸发，并导致降水量增加，但沉降数量会有区域的差异。在不同的地区和不同时间，会发生更频繁的干旱和洪涝，预计在山区内的降雪和融雪会发生剧烈变化。而升高的气温也会以人们尚少了解的方式影响到水质，其中包括优氧化加剧。气候变化也表示对农业灌溉、花园洒水器甚至是游泳池用水的需求会增加。目前已有充分的证据显示水文变率和气候变化的增加已经，并会继续影响全球、区域、流域和地方各级的水文循环、水资源可用性、水资源需求和水资源分配，继而对水资源部门产生巨大的挑战。

联合国农粮组织（FAO）表示世界到2025年将会有19亿人生活在绝对缺水的国家或地区内，世界3分之2的人口会有水资源不足的压力。世界银行补充说，气候变化会深刻改变未来水资源的可用性和使用模式，而增加全球和各依赖水资源部门的用水压力和不安全程度。

#### 干旱

本节摘自气候变化的影响#Draughts

气候变化会影响到多种与干旱相关的因素，例如降水量和降水再次受到蒸发的速度。陆地变暖导致世界大部分地区干旱的严重程度和频率都在增加。在某些热带和亚热带地区会因气候变暖而降雨减少，更有发生干旱的机会，这些地区包括中美洲、亚马逊盆地和南美洲西南部、西非和南部非洲，以及地中海和澳大利亚西南部。

较高的气温会增加蒸发的速度，结果是土壤逐步干燥和植物受到更大的压力，继而对农业产生影响。因此，即使如中欧和北欧，原本预计整体降雨量会维持相对稳定的地区也会受到这类影响。如果气候变化未受到减缓，预计全球约有3分之1的陆地面积将会在2100年之前发生干旱（中度或更严重）而这类干旱会比过去更为严重。

由于过去有关干旱的可用数据有限，通常无法能肯定把特定干旱归因为受到人为影响的缘故。但在一些地区，例如地中海和美国加利福尼亚州，已有受到人类活动影响的证据。由于许多地区的用水需求增加、人口增长、城市蔓延和环境保护工作，人为影响让情况变得更糟。土地复育，特别是利用混农林业，有助于减少干旱的影响。

### 洪水

本节摘自气候变化的影响#Floods

气候变暖将会产生更多的大雨。当这类洪水在暖化的环境发生时，会更加极端。但降水与洪水间的互动关系复杂。一些地区的洪水预计会减少发生，这取决于几个因素，例如雨水和融雪的变化，以及土壤的湿度。

### 地下水数量与水质

本节摘自地下水#Climate change。

气候变化对地下水的影响最为严重，因为经增加的蒸发散而会直接强化对灌溉用水的需求。世界许多地方的地下水储量都在下降，原因为有更多的地下水被抽取而用于农业灌溉，特别是在旱地。灌溉用水之会增加，部分原因是由于气候变化对水循环产生影响，让缺水问题变得更为严重。

气候变化导致水循环受到影响，进而以多种方式影响到地下水：极端天气事件会导致地下水储量下降、地下水补给减少和水质恶化。而在热带地区，由于强烈的降水和洪水事件，似乎会造成更多的地下水补给。

但科学界仍在持续调查气候变化对地下水的确切影响。原因为从地下水监测中取得的科学数据（例如空间和时间的变化、归纳的数据和“地下水补给过程的数据”）仍然不足。

气候变化对地下水储存会产生不同的影响：预期更强烈（但频率更少）的大型降雨事件会导致许多环境中的地下水补给增加。但更强烈的干旱期间会导致土壤干燥及压实，而让地表水渗入地下的数量降低。