Влияние изменения климата на круговорот воды является глубоким и описывается как интенсификация или усиление круговорота воды (также называемого гидрологическим циклом). [2] : 1079 Этот эффект наблюдался, по крайней мере, с 1980 года. [2] : 1079 Одним из примеров является усиление сильных осадков . Это оказывает серьезное негативное воздействие на доступность ресурсов пресной воды , а также других водоемов, таких как океаны, ледниковые щиты, атмосфера и поверхность суши. Круговорот воды необходим для жизни на Земле и играет большую роль в глобальном климате и циркуляции океана . Ожидается, что потепление нашей планеты вызовет изменения в круговороте воды по разным причинам. [3] Например, более теплая атмосфера может содержать больше водяного пара, что влияет на испарение и количество осадков .
Основной причиной усиления круговорота воды является увеличение количества парниковых газов, которые приводят к потеплению атмосферы за счет парникового эффекта . [3] Физика подсказывает, что давление насыщенного пара увеличивается на 7% при повышении температуры на 1 °C (как описано в уравнении Клаузиуса-Клапейрона ). [4]
Сила круговорота воды и ее изменения во времени представляют значительный интерес, особенно по мере изменения климата. [5] Сущностью общего гидрологического цикла является испарение влаги в одном месте и выпадение осадков в других местах. В частности, испарение превышает количество осадков над океанами, что позволяет влаге переноситься атмосферой из океанов на сушу, где осадки превышают суммарное испарение, а сток стекает в ручьи и реки и сбрасывается в океан, завершая цикл. [5] Круговорот воды является ключевой частью энергетического цикла Земли благодаря испарительному охлаждению на поверхности, которое обеспечивает скрытое тепло в атмосфере, поскольку атмосферные системы играют основную роль в перемещении тепла вверх. [5]
Если есть вода, дополнительное тепло уходит в основном на испарение, как это всегда происходит в океанах, в противном случае оно идет на повышение температуры воздуха. [6] Наличие воды плюс водоудерживающая способность атмосферы, которая увеличивается пропорционально повышению температуры, означает, что вода играет важную роль в океанах и тропиках, но гораздо меньшую — на континентах и полярных регионах. Вот почему повышение температуры преобладает в Арктике ( полярное усиление ) и на суше. [6]
Некоторые присущие характеристики могут вызвать внезапные (резкие) изменения в круговороте воды. [7] : 1148 Однако вероятность того, что такие изменения произойдут в XXI веке, в настоящее время оценивается как низкая. [7] : 72
Глобальное потепление приводит к изменениям в глобальном водном цикле . [9] К ним в первую очередь относится повышенное давление водяного пара в атмосфере . Это вызывает изменения в характере осадков с точки зрения частоты и интенсивности, а также изменения влажности грунтовых вод и почвы. В совокупности эти изменения часто называют «интенсификацией и ускорением» круговорота воды. [9] : xvii Ключевые процессы, которые также будут затронуты, - это засухи и наводнения , тропические циклоны , отступление ледников , снежный покров , паводки с заторами льда и экстремальные погодные явления.
Увеличение количества парниковых газов в атмосфере приводит к потеплению атмосферы. [3] Давление насыщенного пара воздуха увеличивается с температурой, а это означает, что более теплый воздух может содержать больше водяного пара. Поскольку воздух может содержать больше влаги, а земля становится теплее, испарение усиливается. Как следствие, увеличение количества воды в атмосфере приводит к более интенсивным дождям. [10]
Эта связь между температурой и давлением насыщенного пара описывается уравнением Клаузиуса-Клапейрона , которое утверждает, что давление насыщения увеличится на 7% при повышении температуры на 1 ° C. [4] Это видно по измерениям водяного пара в тропосфере , которые проводятся спутниками, [11] радиозондами и наземными станциями. В ДО5 МГЭИК сделан вывод, что количество водяного пара в тропосфере увеличилось на 3,5% за последние 40 лет, что согласуется с наблюдаемым повышением температуры на 0,5 °C. [12]
С середины 20-го века антропогенное изменение климата привело к заметным изменениям в глобальном водном цикле . [7] : 85 В Шестом оценочном докладе МГЭИК в 2021 году прогнозируется, что эти изменения будут продолжать значительно расти на глобальном и региональном уровне. [7] : 85
В отчете также указано, что: Количество осадков над сушей увеличилось с 1950 года, а темпы их увеличения стали быстрее с 1980-х годов и в более высоких широтах. Количество водяного пара в атмосфере (особенно в тропосфере ) увеличилось, по крайней мере, с 1980-х годов. Ожидается, что в течение XXI века ежегодное глобальное количество осадков над сушей увеличится из-за более высокой глобальной приземной температуры . [7] : 85
Влияние человека на круговорот воды можно наблюдать, анализируя соленость поверхности океана и закономерности «осадки минус испарение (P – E)» над океаном. Оба повышены. [7] : 85 Исследования, опубликованные в 2012 году и основанные на солености поверхности океана за период с 1950 по 2000 год, подтверждают этот прогноз об усилении глобального водного цикла, при котором соленые районы становятся более солеными, а более пресные районы становятся более пресными за этот период. [13] МГЭИК указывает на высокую степень достоверности того, что сильные осадки, связанные как с тропическими, так и с внетропическими циклонами, а также с атмосферным переносом влаги и сильными осадками будут усиливаться. [14]
Потепление климата делает чрезвычайно влажные и очень засушливые явления более суровыми. Могут также произойти изменения в характере циркуляции атмосферы . Это повлияет на регионы и частоту возникновения этих экстремальных явлений. Ожидается , что в большинстве частей мира и при всех сценариях выбросов изменчивость водного цикла и сопутствующие экстремальные явления будут расти быстрее, чем изменения средних значений. [7] : 85
Региональные погодные условия по всему миру также меняются из-за потепления тропического океана . Теплый бассейн Индо-Тихоокеанского региона быстро нагревался и расширялся в течение последних десятилетий, в основном в ответ на увеличение выбросов углерода в результате сжигания ископаемого топлива. [15] Теплый бассейн увеличился почти вдвое: с площади 22 миллионов км 2 в 1900–1980 годах до площади 40 миллионов км 2 в 1981–2018 годах. [16] Это расширение теплого бассейна изменило глобальные закономерности выпадения осадков, изменив жизненный цикл безумного Джулианского колебания (MJO), которое является наиболее доминирующим режимом погодных колебаний, происходящим в тропиках.
Некоторые характеристики водного цикла могут вызвать внезапные (резкие) изменения водного цикла. [7] : 1148 Определение «резкого изменения» следующее: изменение климатической системы в региональном или глобальном масштабе, которое происходит быстрее, чем в прошлом, что указывает на то, что реакция климата не является линейной. [7] : 1148 Могут происходить «быстрые переходы между влажным и сухим состояниями» в результате нелинейных взаимодействий между океаном, атмосферой и поверхностью суши.
Например, коллапс атлантической меридиональной опрокидывающей циркуляции (AMOC), если бы он действительно произошел, мог бы иметь серьезные региональные последствия для водного цикла. [7] : 1149 Начало или прекращение воздействия солнечной радиации также может привести к резким изменениям в круговороте воды. [7] : 1151 Также могут возникнуть резкие реакции водного цикла на изменения поверхности суши: вырубка и высыхание лесов Амазонки , позеленение Сахары и Сахеля , усиление засухи пылью – все это процессы, которые могут способствовать этому.
Научное понимание вероятности таких резких изменений водного цикла пока не ясно. [7] : 1151 Внезапные изменения в водном цикле из-за деятельности человека являются возможностью, которую нельзя исключать с учетом современных научных знаний. Однако вероятность того, что такие изменения произойдут в XXI веке, в настоящее время оценивается как низкая. [7] : 72
Климатические модели не очень хорошо моделируют круговорот воды. [17] Одна из причин заключается в том, что с осадками трудно справиться, поскольку они по своей природе непостоянны. [6] : 50 Часто учитывается только средняя сумма. [18] Люди склонны использовать термин «осадки», как если бы он был тем же самым, что и «количество осадков». Что на самом деле имеет значение при описании изменений в характере осадков на Земле, так это больше, чем просто общее количество: речь идет также об интенсивности (насколько сильный дождь или снег), частоте (как часто), продолжительности (как долго) и типе (будь то дождь или снег). или снег). [6] : 50 Новозеландский климатолог Кевин Э. Тренберт и бывший ученый NCAR исследовали характеристики осадков и обнаружили, что именно частота и интенсивность имеют значение для экстремальных явлений, а их трудно рассчитать в климатических моделях. [17]
Из-за глобального потепления и увеличения таяния ледников модели термохалинной циркуляции могут измениться из-за увеличения количества выбрасываемой в океаны пресной воды и, следовательно, изменения солености океана. Термохалинная циркуляция отвечает за подъем холодной, богатой питательными веществами воды из глубин океана; этот процесс известен как апвеллинг . [19]
Морская вода состоит из пресной воды и соли, а концентрация соли в морской воде называется соленостью. Соль не испаряется, поэтому осадки и испарение пресной воды сильно влияют на соленость. Таким образом, изменения в водном цикле хорошо заметны при измерении поверхностной солености, которая известна уже с 1930-х годов. [20] [21]
Преимущество использования поверхностной солености заключается в том, что она хорошо документирована за последние 50 лет, например, с помощью систем измерения на месте , таких как ARGO . [23] Еще одним преимуществом является то, что соленость океана стабильна в очень длительных временных масштабах, что позволяет легче отслеживать небольшие изменения, вызванные антропогенным воздействием. Океаническая соленость неравномерно распределена по земному шару, существуют региональные различия, которые демонстрируют четкую закономерность. Тропические регионы относительно пресные, так как в этих регионах преобладают осадки. Субтропики более соленые, поскольку в них преобладает испарение, эти регионы еще называют «пустынными широтами». [23] Широты, близкие к полярным регионам, снова менее соленые, с самыми низкими значениями солености в этих регионах. Это связано с тем, что в этом регионе наблюдается низкое испарение [24] и большое количество пресной талой воды, поступающей в Северный Ледовитый океан. [25]
Данные долгосрочных наблюдений показывают четкую тенденцию: глобальные закономерности солености в этот период усиливаются. [26] [27] Это означает, что регионы с высокой соленостью стали более солеными, а регионы с низкой соленостью стали менее солеными. В областях высокой солености преобладает испарение, причем увеличение солености показывает, что испарение еще больше увеличивается. То же самое касается и регионов низкой солености, которые становятся менее засоленными, что свидетельствует о том, что осадки только усиливаются. [23] [28] Эта пространственная картина аналогична пространственной структуре испарения за вычетом осадков. Таким образом, усиление динамики солености является косвенным свидетельством усиления круговорота воды.
Для дальнейшего изучения связи между соленостью океана и круговоротом воды большую роль в текущих исследованиях играют модели. Модели общей циркуляции (МОЦ) и, в последнее время, модели общей циркуляции атмосферы и океана (МОЦЦ) моделируют глобальные циркуляции и последствия таких изменений, как усиление круговорота воды. [23] Результаты многочисленных исследований, основанных на таких моделях, подтверждают взаимосвязь между изменениями поверхностной солености и увеличением количества осадков минус испарение. [23] [29]
Показатель, отражающий разницу в солености между областями с высокой и низкой соленостью в верхних 2000 метрах океана, фиксируется в метрике SC2000. [20] Наблюдаемый рост этого показателя составляет 5,2% (±0,6%) с 1960 по 2017 год. [20] Но эта тенденция ускоряется, поскольку с 1960 по 1990 год он увеличился на 1,9% (±0,6%) и на 3,3% ( ±0,4%) с 1991 по 2017 год. [20] Под поверхностью усиление картины слабее. Это связано с тем, что потепление океана увеличивает приповерхностную стратификацию, а подземный слой все еще находится в равновесии с более холодным климатом. Это приводит к тому, что поверхностное усиление оказывается сильнее, чем предсказывали старые модели. [30]
Прибор , установленный на спутнике SAC-D «Водолей», запущенном в июне 2011 года, измерял глобальную соленость поверхности моря . [31] [32]
В период с 1994 по 2006 год спутниковые наблюдения показали увеличение на 18% притока пресной воды в мировой океан, частично из-за таяния ледниковых щитов, особенно Гренландии [33] , а частично из-за увеличения количества осадков, вызванного увеличением глобального океанского испарения. [34]
Важнейшими процессами круговорота воды являются осадки и испарение. Местное количество осадков за вычетом испарения (часто обозначаемое как PE) показывает местное влияние круговорота воды. Изменения величины PE часто используются для отображения изменений в круговороте воды. [20] [35] Но надежные выводы об изменениях количества осадков и испарения сложны. [36] Около 85% испарения с Земли и 78% осадков происходит над поверхностью океана, где измерения затруднены. [37] [38] Осадки, с одной стороны, имеют только долгосрочные точные записи наблюдений над поверхностью суши, где количество осадков можно измерить локально (так называемое « на месте »). С другой стороны, испарение вообще не имеет точных записей долговременных наблюдений. [37] Это не позволяет делать уверенные выводы об изменениях, произошедших после промышленной революции. AR5 ( Пятый оценочный отчет) МГЭИК представляет собой обзор доступной литературы по теме и маркирует эту тему как научное понимание. Они присваивают лишь низкую достоверность изменениям осадков до 1951 года и среднюю достоверность после 1951 года из-за нехватки данных. Эти изменения относят к человеческому влиянию, но также со средней степенью достоверности. [39] В XX веке наблюдались ограниченные изменения в региональных муссонных осадках, поскольку их увеличение, вызванное глобальным потеплением, было нейтрализовано охлаждающим воздействием антропогенных аэрозолей. Различные региональные климатические модели прогнозируют изменения в количестве муссонных осадков, при этом в большем количестве регионов прогнозируется увеличение количества осадков, чем в регионах с уменьшением. [2]
Представление конвекции в климатических моделях до сих пор ограничивало возможности ученых точно моделировать экстремальные погодные условия в Африке, ограничивая прогнозы изменения климата. [40] Модели, допускающие конвекцию (CPM), способны лучше моделировать суточный цикл тропической конвекции, вертикальную структуру облаков и связь между влажной конвекцией и конвергенцией, а также обратными связями между влажностью почвы и конвекцией в Сахеле . Преимущества CPM также были продемонстрированы в других регионах, включая более реалистичное представление структуры осадков и экстремальных явлений. Модель с учетом конвекции (шаг сетки 4,5 км) на территории всей Африки показывает будущее увеличение продолжительности засушливых периодов во время сезона дождей над западной и центральной Африкой. Ученые приходят к выводу, что при более точном представлении конвекции прогнозируемые изменения как влажных, так и засушливых экстремальных явлений в Африке могут быть более серьезными. [41] Другими словами: «на обоих концах Африки экстремальные погодные условия станут более суровыми». [42]
Вызванные деятельностью человека изменения в водном цикле увеличат гидрологическую изменчивость и, следовательно, окажут глубокое влияние на водный сектор и инвестиционные решения. [9] Они повлияют на наличие воды ( водные ресурсы ), водоснабжение , спрос на воду , водную безопасность и распределение воды на региональном, бассейновом и местном уровнях. [9]
Последствия изменения климата , связанные с водой, ежедневно влияют на водную безопасность людей. Они включают более частые и интенсивные обильные осадки, которые влияют на частоту, размер и время наводнений. [43] Кроме того, засухи могут изменить общий объем пресной воды и вызвать сокращение запасов подземных вод , а также сокращение пополнения запасов подземных вод . [44] Также может произойти снижение качества воды из-за экстремальных явлений. [45] : 558 Также может произойти более быстрое таяние ледников. [46]
Глобальное изменение климата, вероятно, сделает обеспечение водной безопасности более сложным и дорогостоящим. [47] Это создает новые угрозы и проблемы адаптации . [48] Это связано с тем, что изменение климата приводит к увеличению гидрологической изменчивости и экстремальных явлений. Изменение климата оказывает множество воздействий на круговорот воды. Это приводит к повышению климатической и гидрологической изменчивости, что может поставить под угрозу водную безопасность. [49] : VII Изменения в водном цикле угрожают существующей и будущей водной инфраструктуре. Будет сложнее планировать инвестиции в будущую водную инфраструктуру, поскольку существует много неопределенностей относительно будущей изменчивости водного цикла. [48] Это делает общество более уязвимым к рискам экстремальных явлений, связанных с водой, и, следовательно, снижает водную безопасность. [49] : VIIИзменение климата может оказать существенное воздействие на водные ресурсы во всем мире из-за тесной связи между климатом и гидрологическим циклом . Повышение температуры увеличит испарение и приведет к увеличению количества осадков, хотя в количестве осадков будут наблюдаться региональные различия . Как засухи , так и наводнения могут стать более частыми и более серьезными в разных регионах в разное время, как правило, в более теплом климате выпадает меньше снегопадов и больше осадков [50] , а в горных районах ожидаются резкие изменения в количестве снегопадов и таяния снега . Более высокие температуры также повлияют на качество воды, но пока еще не совсем понятно. Возможные последствия включают усиление эвтрофикации . Изменение климата может также означать увеличение спроса на орошение ферм, садовые разбрызгиватели и, возможно, даже на бассейны. В настоящее время имеется достаточно доказательств того, что возросшая гидрологическая изменчивость и изменение климата оказывают и будут оказывать глубокое воздействие на водный сектор. Эти эффекты будут проявляться через гидрологический цикл, наличие воды, спрос на воду и распределение воды на глобальном, региональном, бассейновом и местном уровнях. [51]
ФАО ООН заявляет, что к 2025 году 1,9 миллиарда человек будут жить в странах или регионах с абсолютной нехваткой воды, а две трети населения мира могут находиться в состоянии стресса. [52] Всемирный банк добавляет, что изменение климата может глубоко изменить будущие модели как доступности, так и использования воды, тем самым увеличивая уровень водного стресса и отсутствия безопасности, как в глобальном масштабе, так и в секторах, которые зависят от воды. [53]Изменение климата влияет на многие факторы, связанные с засухами . К ним относятся, сколько дождя выпадает и как быстро он снова испаряется . Потепление суши увеличивает серьезность и частоту засух во многих странах мира. [54] [55] : 1057 В некоторых тропических и субтропических регионах мира, вероятно, будет меньше дождей из-за глобального потепления. Это сделает их более склонными к засухе. Засухи будут усиливаться во многих регионах мира. К ним относятся Центральная Америка, Амазонка и юго-запад Южной Америки. В их число также входят Западная и Южная Африка. Средиземноморье и юго-запад Австралии также являются одними из этих регионов. [55] : 1157
Более высокие температуры увеличивают испарение. Это сушит почву и увеличивает стресс растений . В результате страдает сельское хозяйство. Это означает, что даже регионы, где ожидается, что общее количество осадков останется относительно стабильным, испытают эти воздействия. [55] : 1157 Эти регионы включают Центральную и Северную Европу. Без смягчения последствий изменения климата около трети земельных территорий, вероятно, испытают умеренную или более сильную засуху к 2100 году. [55] : 1157 Из-за глобального потепления засухи станут более частыми и интенсивными, чем в прошлом. [56]
Некоторые воздействия усугубляют последствия. Это возросший спрос на воду, рост населения и расширение городов во многих регионах. [57] Восстановление земель может помочь уменьшить последствия засух. Одним из примеров этого является агролесомелиорация . [58]Воздействие изменения климата на грунтовые воды может быть наибольшим из-за его косвенного воздействия на спрос на оросительную воду за счет увеличения суммарного испарения. [59] : 5 Во многих частях мира наблюдается сокращение запасов подземных вод. Это связано с тем, что больше грунтовых вод используется для ирригационной деятельности в сельском хозяйстве, особенно в засушливых районах . [60] : 1091 Частично это увеличение орошения может быть связано с проблемой нехватки воды, которая усугубляется воздействием изменения климата на круговорот воды. Прямое перераспределение воды в результате деятельности человека, составляющее ~24 000 км 3 в год, примерно вдвое превышает ежегодное глобальное пополнение подземных вод. [60]
Изменение климата вызывает изменения в водном цикле , которые, в свою очередь, влияют на подземные воды несколькими способами: может произойти сокращение запасов подземных вод, сокращение пополнения запасов подземных вод и ухудшение качества воды из-за экстремальных погодных явлений. [61] : 558 В тропиках интенсивные осадки и наводнения, по-видимому, приводят к увеличению пополнения подземных вод. [61] : 582
Однако точное воздействие изменения климата на грунтовые воды все еще изучается. [61] : 579 Это связано с тем, что научные данные, полученные в результате мониторинга подземных вод, до сих пор отсутствуют, такие как изменения в пространстве и времени, данные по забору воды и «числовые представления процессов пополнения подземных вод». [61] : 579
Последствия изменения климата могут иметь различные последствия для хранения подземных вод: ожидаемое более интенсивное (но меньшее количество) крупных осадков может привести к увеличению пополнения подземных вод во многих средах. [59] : 104 Однако более интенсивные периоды засухи могут привести к высыханию и уплотнению почвы, что уменьшит проникновение в грунтовые воды. [62]