地球那些事|水循环是如何变化的?

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本文节选自美国国家研究理事会(NRC)发布的《时域地球——美国国家科学基金会地球科学十年愿景(2020-2030)》(A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time)第9个科学优先题目。


水循环对于所有的陆生生物至关重要,因而开展由人类活动和睦候变化引起的水循环变化日益急迫。环球的陆地储水体系,特殊是地下水含水层和包气带,是在几千乃至上百万年天气和构造演化的影响下形成的。人类社会的生产生存用水和废水处理(如提高油气采收率过程产生的水)均依赖于这些储水体系。地球科学在提高水循环过程及其与地球体系中别的物理、化学和生物过程相互作用的根本认知方面,具有重要作用(NRC, 2012; NASEM, 2018)。

天气变化对水循环的影响及其对人类文明的衍生影响促进了当代水文学的诞生与发展。其中,尤其令人关注的是天气变化怎样影响干旱、洪水和火警等极度事件的性子和发生频率,以及这些事件对人类的影响。随着可用开源模型和盘算资源的增多,促进了模型在更大时空尺度下的应用(Wood et al., 2011; Bierkens et al., 2015)。特殊地,将来十年,综合考虑了从含水层到大气层的这类更加靠近实际条件的水文体系模型,将会得到越来越多地应用(Fan et al., 2019)。由于地下水流动是水循环中不可或缺的一部分,因此需要可靠地量化流经地表、浅部泥土和深部含水层之间的水通量。与此同时,流域或更大尺度上的生物地球化学研究,也亟需综合考虑水文和反应溶质运移的模型(Dwivedi et al., 2018; Li, 2019)。包罗呆板学习在内的数据融合和数据同化方法的进步,将是联合利用模型和数据的关键。

人类也逐渐认识到水循环和人类活动是密切相干的(Sivapalan et al., 2014; Sarojini et al., 2016)。因此,在水文模仿过程中综合考虑水文和人类体系愈加重要(NRC, 2012; Farhadi et al., 2016)。别的,将来食品和能源生产需要斲丧大量的水,但水资源能否满意这一用水需求尚不明白(D’Odorico et al., 2018)。因此,有用解决模型的不足是满意科学和社会用水需求的关键(Givens et al., 2018; Lesmes et al., 2019)。

正在发生快速变化的高纬度和高海拔地区的地理学研究改变了水文学的认识。科学界和社会都想要相识不停减小的冰冻圈对水循环的影响(Williams et al., 2012; IPCC, 2019)。冰冻圈体积减小,例如冰川融化,可能会增加陆地别的储水体系的水储量(Liljedahl et al., 2017; Somers et al., 2019)。永冻土的融化促进了地表水和地下水的水量互换(Walvoord and Kurylyk, 2016; Evans and Ge, 2017),但关于冰冻圈变化对水循环的恒久影响的研究尚处于起步阶段(图2-14)。现在对于永冻土区域水文特性的时空变化、融化的永冻土区域中水和生物地球化学通量的变化过程同样知之甚少。

在已往的十年中,用于丈量水储量和水通量的新技术手段激增。新的地球物理方法展现了降水和蒸腾作用对地下水流的影响(Voytek et al., 2019)。利用大地丈量观测雪水和泥土水分含量方法的精度也在不停提高(Larson et al., 2008; McCreight et al., 2014; Koch et al., 2019)。传感器、微控制器和无线通信技术的进步也将继承促进水文观测体系的创新。太空观测对量化水循环不同部分的体积和时间变化将变得越来越重要。地下水动力学遥感表征的提高将有利于在更大的空间和深度尺度上研究水文体系。美国国家航空航天局GRACE卫星的观测效果帮助学界发现了推导的模型和基于太空观测的大陆水储存模型之间的差别,这可能暗示着模型在表征和睦候逼迫方面的缺陷(Scanlon et al., 2018)。在已往的十年中,美国航天局发射了各种卫星,分别重点关注降水(GPM),泥土湿度(SMAP)和地下水(GRACE-FO)等。别的,即将发射的卫星将重点关注地表水(SWOT)、地下水(GRACE2)和积雪(Deeb et al., 2017)。

由于其复杂性和重要性,水循环可以支持美国国家科学基金会(NSF)在根本知识发展领域的推进。这其中特殊令人感爱好的是整合十年尺度下的天气、浅海、环球水资源和人类过程。美国国家航空和宇航局(NASA)的地球观测卫星正在以惊人的速度产生新的观测数据,包罗冰川和积雪、土地利用和土地覆盖、海平面和泥土湿度的变化等丈量数据。地球科学部(EAR)和NASA可以考虑在水循环方面开展互助研究筹划,可能的互助包罗以应用和社会需求为重点的任务,以量化淡水储量的变化,并相识冰冻圈和陆地表面水流通量的动态变化。EAR的其他互助同伴包罗美国能源部(DOE)和美国地质调查局(USGS)等联邦机构,以及美国国家科学基金会(NSF)内的其他董事会和项目都对水循环有关的过程感爱好(例如,SBE,ENG,生物科学局的环境生物学部, GEO的极地筹划办公室,以及美国国家科学基金会(NSF)盘算机与信息科学与工程局的内部智能体系及其他部分)。


地球那些事|水循环是怎样变化的?

图2-14 当前天气(左图)和将来变暖天气(右图)条件下永冻土区域的水循环潜在变化表示图。陆表的季节性融冻活跃层的厚度预计会随着天气变暖而增加。增厚的活跃层使高地内的水更多地流向下游的河道和湖泊中。当高地内来自冰川或积雪的水源淘汰,可能会使其内部的水流消散,进而导致高地变得干燥。图修改自USGS。


来源:https://www.toutiao.com/a6844536587003363844/
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