Влияние изменения климата на водный цикл является глубоким и описывается как интенсификация или усиление водного цикла (также называемого гидрологическим циклом). [2] : 1079 Этот эффект наблюдается по крайней мере с 1980 года. [2] : 1079 Одним из примеров является то, что сильные дожди становятся еще сильнее. Влияние изменения климата на водный цикл имеет важное негативное влияние на доступность ресурсов пресной воды , а также других водных резервуаров, таких как океаны , ледяные щиты , атмосфера и влажность почвы . Водный цикл необходим для жизни на Земле и играет большую роль в глобальной климатической системе и циркуляции океана . Ожидается, что потепление нашей планеты будет сопровождаться изменениями в водном цикле по разным причинам. [3] Например, более теплая атмосфера может содержать больше водяного пара, который влияет на испарение и осадки .
Основной причиной усиления круговорота воды является увеличение количества парниковых газов в атмосфере, что приводит к потеплению атмосферы за счет парникового эффекта . [3] Фундаментальные законы физики объясняют, как давление насыщенного пара в атмосфере увеличивается на 7% при повышении температуры на 1 °C. [4] Это соотношение известно как уравнение Клаузиуса-Клапейрона .
Сила круговорота воды и его изменения с течением времени представляют значительный интерес, особенно по мере изменения климата. [5] Гидрологический цикл — это система, в которой испарение влаги в одном месте приводит к выпадению осадков (дождя или снега) в другом месте. Например, испарение всегда превышает количество осадков над океанами. Это позволяет атмосфере переносить влагу из океанов на сушу, где количество осадков превышает суммарное испарение . Сток с суши впадает в ручьи и реки и сбрасывается в океан, что завершает глобальный цикл. [5] Водный цикл является ключевой частью энергетического цикла Земли через испарительное охлаждение на поверхности, которое обеспечивает скрытое тепло атмосфере, поскольку атмосферные системы играют основную роль в перемещении тепла вверх. [5]
Наличие воды играет важную роль в определении того, куда уходит дополнительное тепло. Оно может пойти либо на испарение, либо на повышение температуры воздуха. Если вода доступна (например, над океанами и тропиками), дополнительное тепло идет в основном на испарение. Если воды нет (например, над сухими районами на суше), дополнительное тепло идет на повышение температуры воздуха. [6] Кроме того, водоудерживающая способность атмосферы увеличивается пропорционально повышению температуры. По этим причинам повышение температуры преобладает в Арктике ( полярное усиление ) и на суше, но не над океанами и тропиками. [6]
Несколько присущих характеристик могут вызвать внезапные (резкие) изменения в водном цикле. [7] : 1148 Однако вероятность того, что такие изменения произойдут в течение 21 века, в настоящее время считается низкой. [7] : 72
Нагревание Земли приводит к большему круговороту энергии в ее климатической системе , вызывая изменения в глобальном круговороте воды . [8] [9] К ним относятся, прежде всего, повышенное давление водяного пара в атмосфере . Это вызывает изменения в характере осадков с точки зрения частоты и интенсивности, а также изменения в грунтовых водах и влажности почвы. В совокупности эти изменения часто называют «интенсификацией и ускорением» круговорота воды. [9] : xvii Ключевыми процессами, которые также будут затронуты, являются засухи и наводнения , тропические циклоны , отступление ледников , снежный покров , наводнения из-за ледяных заторов и экстремальные погодные явления.
Увеличение количества парниковых газов в атмосфере приводит к дополнительному нагреву нижних слоев атмосферы, также известных как тропосфера . [3] Давление насыщенного пара воздуха растет вместе с его температурой, что означает, что более теплый воздух может содержать больше водяного пара. Передача тепла на сушу, океан и ледяные поверхности дополнительно способствует большему испарению. Большее количество воды в тропосфере затем увеличивает вероятность более интенсивных ливней. [10]
Эта связь между температурой и давлением насыщенного пара описывается уравнением Клаузиуса-Клапейрона , которое гласит, что давление насыщения увеличится на 7% при повышении температуры на 1 °C. [4] Это видно из измерений тропосферного водяного пара, которые предоставляются спутниками, [11] радиозондами и наземными станциями. IPCC AR5 приходит к выводу, что тропосферный водяной пар увеличился на 3,5% за последние 40 лет, что согласуется с наблюдаемым повышением температуры на 0,5 °C. [12]
Влияние человека на водный цикл можно наблюдать, анализируя соленость поверхности океана и модели «осадки минус испарение (P–E)» над океаном. Оба показателя повышены. [7] : 85 Исследования, опубликованные в 2012 году, основанные на солености поверхности океана за период с 1950 по 2000 год, подтверждают эту проекцию интенсификации глобального водного цикла, когда соленые районы становятся более солеными, а более пресные районы становятся более пресными за этот период. [13] МГЭИК указывает на высокую степень уверенности в том, что сильные осадки, связанные как с тропическими, так и с внетропическими циклонами, а также перенос атмосферной влаги и сильные осадки усилятся. [14]
Климатические модели не очень хорошо моделируют водный цикл. [15] Одна из причин заключается в том, что осадки — это сложная величина для работы, поскольку они по своей природе прерывисты. [6] : 50 Часто рассматривается только среднее количество. [16] Люди склонны использовать термин «осадки», как будто это то же самое, что и «количество осадков». На самом деле при описании изменений в характере осадков на Земле важно не только 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). [6] : 50 Ученые исследовали характеристики осадков и обнаружили, что для экстремальных значений важны частота и интенсивность, а их трудно рассчитать в климатических моделях. [15]
С середины 20-го века антропогенное изменение климата включало наблюдаемые изменения в глобальном водном цикле . [7] : 85 В Шестом оценочном докладе МГЭИК за 2021 год прогнозируется, что эти изменения будут продолжать значительно расти на глобальном и региональном уровне. [7] : 85
В отчете также установлено, что: Осадки над сушей увеличились с 1950 года, и скорость увеличения стала быстрее с 1980-х годов и в более высоких широтах. Водяной пар в атмосфере (в частности, тропосфере ) увеличился по крайней мере с 1980-х годов. Ожидается, что в течение 21-го века годовое количество глобальных осадков над сушей увеличится из-за более высокой глобальной температуры поверхности . [7] : 85
Потепление климата делает чрезвычайно влажные и очень сухие явления более суровыми. Могут также произойти изменения в моделях циркуляции атмосферы . Это повлияет на регионы и частоту возникновения этих экстремальных явлений. В большинстве частей света и при всех сценариях изменения климата ожидается, что изменчивость водного цикла и сопутствующие экстремальные явления будут расти быстрее, чем изменения средних значений. [7] : 85
В 2024 году Всемирная метеорологическая организация опубликовала отчет, в котором говорилось, что изменение климата серьезно дестабилизировало водный цикл в 2023 году, вызвав как более сильные осадки, так и более сильную засуху. Реки мира пережили самый засушливый год по крайней мере за 30 лет, и многие из крупнейших речных бассейнов мира пересыхали, как бассейны Миссисипи, Амазонки, Ганга, Брахмапутры и Меконга. В течение 3 лет подряд более 50% мировых водосборных площадей имели более низкие, чем обычно, речные стоки. Ледники потеряли более 600 гигатонн воды — самая большая потеря воды за последние 50 лет. Это был второй год подряд, когда все ледниковые регионы потеряли лед. [18] [19]
Региональные погодные условия по всему миру также меняются из-за потепления тропического океана . Индо-Тихоокеанский теплый бассейн быстро нагревался и расширялся в течение последних десятилетий, в основном в ответ на увеличение выбросов углерода от сжигания ископаемого топлива. [20] Теплый бассейн расширился почти вдвое, с площади 22 миллионов км 2 в 1900–1980 годах до площади 40 миллионов км 2 в 1981–2018 годах. [21] Это расширение теплого бассейна изменило глобальные модели осадков, изменив жизненный цикл колебания Маддена-Джулиан (MJO), которое является наиболее доминирующим режимом погодных колебаний, возникающих в тропиках.
Несколько характеристик водного цикла могут вызывать внезапные (резкие) изменения водного цикла. [7] : 1148 Определение «резкого изменения» следующее: изменение в климатической системе в масштабах от регионального до глобального, которое происходит быстрее, чем в прошлом, что указывает на то, что реакция климата не является линейной. [7] : 1148 Могут быть «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 произошел, мог бы иметь большие региональные последствия для водного цикла. [7] : 1149 Начало или прекращение изменения солнечной радиации также могло бы привести к резким изменениям в водном цикле. [7] : 1151 Также могут быть резкие реакции водного цикла на изменения поверхности суши: обезлесение и высыхание Амазонки, позеленение Сахары и Сахеля , усиление засухи из-за пыли — все это процессы, которые могли бы внести свой вклад.
Научное понимание вероятности таких резких изменений в водном цикле пока не ясно. [7] : 1151 Внезапные изменения в водном цикле из-за деятельности человека являются возможностью, которую нельзя исключить, исходя из современных научных знаний. Однако вероятность того, что такие изменения произойдут в течение 21-го века, в настоящее время считается низкой. [7] : 72
Из-за глобального потепления и усиленного таяния ледников термохалинные циркуляции могут быть изменены за счет увеличения количества пресной воды, выбрасываемой в океаны, и, следовательно, изменения солености океана. Термохалинная циркуляция отвечает за подъем холодной, богатой питательными веществами воды из глубин океана, процесс, известный как апвеллинг . [22]
Морская вода состоит из пресной воды и соли, а концентрация соли в морской воде называется соленостью. Соль не испаряется, поэтому осаждение и испарение пресной воды сильно влияют на соленость. Изменения в водном цикле, таким образом, хорошо видны в измерениях поверхностной солености, что было известно еще с 1930-х годов. [23] [24]
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 . [26] Другим преимуществом является то, что океаническая соленость стабильна в очень длительных временных масштабах, что облегчает отслеживание небольших изменений, вызванных антропогенным воздействием. Океаническая соленость неравномерно распределена по земному шару, существуют региональные различия, которые показывают четкую закономерность. Тропические регионы относительно пресные, так как в этих регионах преобладают осадки. Субтропики более соленые, так как в них преобладает испарение, эти регионы также известны как «пустынные широты». [26] Широты, близкие к полярным регионам, снова менее соленые, с самыми низкими значениями солености, обнаруженными в этих регионах. Это связано с низким уровнем испарения в этом регионе, [27] и большим количеством пресной талой воды, поступающей в Северный Ледовитый океан. [28]
Записи многолетних наблюдений показывают четкую тенденцию: глобальные закономерности солености усиливаются в этот период. [29] [30] Это означает, что регионы с высокой соленостью стали более солеными, а регионы с низкой соленостью стали менее солеными. Регионы с высокой соленостью доминируют за счет испарения, и увеличение солености показывает, что испарение увеличивается еще больше. То же самое касается регионов с низкой соленостью, которые становятся менее солеными, что указывает на то, что осадки усиливаются только больше. [26] [31] Эта пространственная закономерность похожа на пространственную закономерность испарения за вычетом осадков. Усиление закономерностей солености, таким образом, является косвенным доказательством усиливающегося водного цикла.
Для дальнейшего изучения связи между соленостью океана и водным циклом большую роль в текущих исследованиях играют модели. Модели общей циркуляции (GCM) и, в последнее время, Модели общей циркуляции атмосферы и океана (AOGCM) моделируют глобальные циркуляции и эффекты изменений, таких как усиление водного цикла. [26] Результаты многочисленных исследований, основанных на таких моделях, подтверждают связь между изменениями солености поверхности и усиливающимися моделями осадков за вычетом испарения. [26] [32]
Метрика, отражающая разницу в солености между областями с высокой и низкой соленостью в верхних 2000 метрах океана, отражена в метрике SC2000. [23] Наблюдаемое увеличение этой метрики составляет 5,2% (±0,6%) с 1960 по 2017 год. [23] Но эта тенденция ускоряется, так как она увеличилась на 1,9% (±0,6%) с 1960 по 1990 год и на 3,3% (±0,4%) с 1991 по 2017 год. [23] Усиление модели слабее под поверхностью. Это связано с тем, что потепление океана увеличивает приповерхностную стратификацию, подповерхностный слой все еще находится в равновесии с более холодным климатом. Это приводит к тому, что поверхностное усиление сильнее, чем предсказывали старые модели. [33]
Прибор , установленный на спутнике SAC-D Aquarius, запущенном в июне 2011 года, измерил соленость поверхности мирового океана . [34] [35]
В период с 1994 по 2006 год спутниковые наблюдения показали 18%-ное увеличение притока пресной воды в Мировой океан, частично из-за таяния ледяных щитов, особенно Гренландии [36] , а частично из-за увеличения количества осадков, вызванного увеличением испарения мирового океана. [37]
Основные процессы круговорота воды — это осадки и испарение. Локальное количество осадков за вычетом испарения (часто обозначаемое как PE) показывает локальное влияние круговорота воды. Изменения величины PE часто используются для отображения изменений в круговороте воды. [23] [38] Но надежные выводы об изменениях количества осадков и испарения сложны. [39] Около 85% испарения Земли и 78% осадков происходит над поверхностью океана, где измерения затруднены. [40] [41] С одной стороны, осадки имеют только долгосрочные точные записи наблюдений над поверхностями суши, где количество осадков можно измерить локально (называется in-situ ). С другой стороны, испарение вообще не имеет долгосрочных точных записей наблюдений. [40] Это запрещает уверенные выводы об изменениях со времен промышленной революции. AR5 (Пятый оценочный доклад) МГЭИК создает обзор доступной литературы по теме и затем маркирует тему на научном понимании. Они присваивают только низкую достоверность изменениям осадков до 1951 года и среднюю достоверность после 1951 года из-за нехватки данных. Эти изменения приписываются влиянию человека, но также со средней достоверностью. [42] В течение 20-го века наблюдались ограниченные изменения в региональных муссонных осадках, поскольку увеличение, вызванное глобальным потеплением, было нейтрализовано охлаждающим эффектом антропогенных аэрозолей. Различные региональные климатические модели прогнозируют изменения в муссонных осадках, при этом больше регионов прогнозируется с увеличением, чем с уменьшением. [2]
Представление конвекции в климатических моделях до сих пор ограничивало способность ученых точно моделировать экстремальные погодные явления в Африке, что ограничивало прогнозы изменения климата. [43] Модели, допускающие конвекцию (CPM), способны лучше моделировать суточный цикл тропической конвекции, вертикальную структуру облаков и связь между влажной конвекцией и конвергенцией, а также обратные связи 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, допускающая конвекцию (шаг сетки 4,5 км) в масштабах всей Африки, показывает будущее увеличение продолжительности сухого периода во время сезона дождей над Западной и Центральной Африкой. Ученые приходят к выводу, что с более точным представлением конвекции прогнозируемые изменения как влажных, так и сухих экстремальных явлений над Африкой могут быть более серьезными. [44] Другими словами: «оба конца экстремальных погодных явлений в Африке станут более серьезными». [45]
Изменения в водном цикле, вызванные деятельностью человека, увеличат гидрологическую изменчивость и, следовательно, окажут глубокое влияние на водный сектор и инвестиционные решения. [9] Они повлияют на доступность воды ( водные ресурсы ), водоснабжение , спрос на воду , водную безопасность и распределение воды на региональном, бассейновом и местном уровнях. [9]
Воздействия изменения климата , связанные с водой, ежедневно влияют на водную безопасность людей. Они включают более частые и интенсивные сильные осадки, которые влияют на частоту, размер и время наводнений. [46] Также засухи могут изменить общее количество пресной воды и вызвать снижение запасов подземных вод и сокращение пополнения подземных вод . [47] Также может произойти снижение качества воды из-за экстремальных явлений. [48] : 558 Также может произойти более быстрое таяние ледников. [49]
Глобальное изменение климата, вероятно, сделает обеспечение водной безопасности более сложным и дорогим. [50] Это создает новые угрозы и проблемы адаптации . [51] Это происходит потому, что изменение климата приводит к увеличению гидрологической изменчивости и экстремальных явлений. Изменение климата оказывает множество воздействий на водный цикл. Это приводит к более высокой климатической и гидрологической изменчивости, которая может угрожать водной безопасности. [52] : vII Изменения в водном цикле угрожают существующей и будущей водной инфраструктуре. Будет сложнее планировать инвестиции в будущую водную инфраструктуру, поскольку существует так много неопределенностей относительно будущей изменчивости водного цикла. [51] Это делает общества более подверженными рискам экстремальных явлений, связанных с водой, и, следовательно, снижает водную безопасность. [52] : vIIИзменение климата может оказать большое влияние 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. Однако будут региональные различия в количестве осадков . И засухи , и наводнения могут стать более частыми и сильными в разных регионах в разное время. В более теплом климате, как правило, будет меньше снега и больше осадков. [53] Также произойдут изменения в количестве выпавшего снега и таяния снега в горных районах. Более высокие температуры также повлияют на качество воды способами, которые ученые не до конца понимают. Возможные последствия включают усиление эвтрофикации . Изменение климата также может повысить спрос на ирригационные системы в сельском хозяйстве. В настоящее время имеются достаточные доказательства того, что большая гидрологическая изменчивость и изменение климата оказали глубокое влияние на водный сектор и будут продолжать это делать. Это проявится в гидрологическом цикле, доступности воды, спросе на воду и распределении воды на глобальном, региональном, бассейновом и местном уровнях. [54]
Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН ( ФАО) заявляет, что к 2025 году 1,9 миллиарда человек будут жить в странах или регионах с абсолютным дефицитом воды. По ее словам, две трети населения мира могут оказаться в условиях стресса. [55] Всемирный банк утверждает, что изменение климата может кардинально изменить будущие модели доступности и использования воды. Это усугубит дефицит воды и ненадежность на глобальном уровне и в секторах, которые зависят от воды. [56]Изменение климата влияет на многие факторы, связанные с засухами . К ним относятся количество выпадающих осадков и скорость их повторного испарения . Потепление суши увеличивает суровость и частоту засух во многих частях мира. [57] [58] : 1057 В некоторых тропических и субтропических регионах мира, вероятно, будет меньше осадков из-за глобального потепления. Это сделает их более подверженными засухе. Засухи ухудшатся во многих регионах мира. К ним относятся Центральная Америка, Амазонка и юго-запад Южной Америки. Они также включают Западную и Южную Африку. Средиземноморье и юго-западная Австралия также являются некоторыми из этих регионов. [58] : 1157
Более высокие температуры увеличивают испарение. Это сушит почву и увеличивает стресс для растений . В результате страдает сельское хозяйство. Это означает, что даже регионы, где общее количество осадков, как ожидается, останется относительно стабильным, испытают эти последствия. [58] : 1157 Эти регионы включают центральную и северную Европу. Без смягчения последствий изменения климата около трети земельных площадей, вероятно, испытают умеренную или более сильную засуху к 2100 году. [58] : 1157 Из-за глобального потепления засухи стали более частыми и интенсивными, чем в прошлом. [59]
Несколько воздействий ухудшают их воздействие. Это увеличение спроса на воду, рост населения и расширение городов во многих районах. [60] Восстановление земель может помочь уменьшить воздействие засух. Одним из примеров этого является агролесоводство . [61]Исследование опустынивания является сложным, и не существует единой метрики, которая могла бы определить все аспекты. Однако более интенсивное изменение климата, как ожидается, увеличит нынешнюю протяженность засушливых земель на континентах Земли: с 38% в конце 20-го века до 50% или 56% к концу столетия, в соответствии с «умеренными» и высокопотепляющимися репрезентативными путями концентрации 4.5 и 8.5. Большая часть расширения будет наблюдаться в таких регионах, как «юго-запад Северной Америки, северная окраина Африки, юг Африки и Австралия». [62]
Засушливые земли занимают 41% поверхности суши Земли и включают 45% сельскохозяйственных угодий мира. [63] Эти регионы являются одними из самых уязвимых экосистем к антропогенному изменению климата и землепользования и находятся под угрозой опустынивания. В 2020 году было проведено исследование атрибуции опустынивания на основе наблюдений, в котором учитывались изменение климата, изменчивость климата , удобрение CO2 , а также как постепенные, так и быстрые изменения экосистем, вызванные землепользованием. [63] Исследование показало, что в период с 1982 по 2015 год 6% засушливых земель мира подверглись опустыниванию, вызванному неустойчивыми методами землепользования, усугубленными антропогенным изменением климата. Несмотря на среднее глобальное озеленение, антропогенное изменение климата привело к деградации 12,6% (5,43 млн км2 ) засушливых земель, способствуя опустыниванию и затрагивая 213 миллионов человек, 93% из которых живут в развивающихся экономиках . [63]Влияние изменения климата на грунтовые воды может быть наибольшим через его косвенное воздействие на потребность в воде для орошения через увеличение эвапотранспирации . [64] : 5 Во многих частях мира наблюдается снижение запасов грунтовых вод. Это связано с тем, что больше грунтовых вод используется для орошения в сельском хозяйстве, особенно в засушливых районах . [65] : 1091 Часть этого увеличения орошения может быть связана с проблемами нехватки воды , усугубленными воздействием изменения климата на водный цикл. Прямое перераспределение воды в результате деятельности человека, составляющее ~24 000 км 3 в год, примерно вдвое превышает глобальное пополнение грунтовых вод каждый год. [65]
Изменение климата вызывает изменения в круговороте воды , которые, в свою очередь, влияют на грунтовые воды несколькими способами: может наблюдаться снижение запасов грунтовых вод, а также снижение пополнения грунтовых вод и ухудшение качества воды из-за экстремальных погодных явлений. [66] : 558 В тропиках интенсивные осадки и наводнения, по-видимому, приводят к большему пополнению грунтовых вод. [66] : 582
Однако точное воздействие изменения климата на грунтовые воды все еще изучается. [66] : 579 Это связано с тем, что научные данные, полученные в результате мониторинга грунтовых вод, все еще отсутствуют, такие как изменения в пространстве и времени, данные по абстракции и «численные представления процессов пополнения грунтовых вод». [66] : 579
Последствия изменения климата могут по-разному влиять на запасы грунтовых вод: ожидаемые более интенсивные (но менее частые) крупные ливневые дожди могут привести к увеличению пополнения грунтовых вод во многих средах. [64] : 104 Но более интенсивные периоды засухи могут привести к высыханию и уплотнению почвы, что приведет к снижению инфильтрации в грунтовые воды. [67]