全球變化水文學:陸地水循環與全球變化


全球變化水文學:陸地水循環與全球變化

2021-01-08 騰訊網

中科院地理科學與資源所湯秋鴻博士簡介全球變化水文學的研究思想、框架及觀點。

全球變化水文學是全球變化研究與水文學交叉的一門新興前沿學科。全球變化水文學綜合水文學、氣候學和地理學,研究不同時間和空間尺度上陸地水循環與全球變化相互作用,其核心目標是理解陸地水循環演變的自然和人爲因素及其影響與反饋。隨著地球演化進入人類主導的新地質時代——「人類世」,在氣候變化、土地利用/覆蓋變化、人類用水活動等因素影響下,陸地水循環系統正在發生快速變化,水文過程呈現非穩態特徵,對水文學的更新與發展提出了新需求。在此背景下,全球變化水文學(Global Change Hydrology)應運而生,試圖釐清水循環變化的自然波動和人類「印記」,以更好地理解水循環變化,爲水資源可持續管理服務。

全球變化水文學是一門嶄新的學科,其內涵還在迅速發展。早在1990年,美國全球變化研究計劃中就包含有全球變化水文研究計劃(Global Change Hydrology Program),主要內容是研究自然的氣候波動和人爲氣候變化(溫室氣體排放等人類活動引起的氣候變化)對陸地水循環的影響;其中,人爲氣候變化對水循環的影響與反饋是重點關注。隨著全球變化水文研究的不斷深入,研究者發現除了人爲氣候變化之外還有多種人爲因素影響水循環,同時水循環變化與氣候系統存在複雜反饋,僅考慮氣候變化(含自然氣候波動和人爲氣候變化)的影響並不能充分解釋陸地水循環演變,因此全球變化水文學的內涵由氣候變化影響擴展到陸地水循環演變的自然和人爲因素。人爲因素對水循環的影響與反饋是全球變化水文學研究中需要重點突破的部分,也是當前的研究熱點。全球變化水文學關注的重大科學前沿問題包括:釐清陸地水循環變化的自然和人爲因素、發展考慮自然和人爲因素影響與反饋的水文模型、未來不確定性下的水風險預估及應對策略、探索全球水治理方案等。

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陸地水循環演變的自然和人爲因素

陸地水循環演變的自然和人爲因素體現在氣候變化、土地利用/覆蓋變化、人類用水活動等各個方面(圖1)。由於氣候變化本身包含了自然的氣候波動和人爲氣候變化,分離陸地水循環演變的自然和人爲因素時,需要區分自然氣候波動和人爲氣候變化的影響。土地利用/覆蓋變化也受到自然因素和人類活動的雙重脅迫,分析陸地水循環演變的原因時,不能簡單地把土地利用/覆蓋變化影響全部歸因爲自然或人類活動影響,而應該區分自然和人爲因素。人類用水活動主要是人爲影響,但也受到自然因素的影響,例如自然氣候波動使得不同豐/枯年份的農業灌溉用水相應減少/增加。在全球變化水文學的研究框架下,氣候變化、土地利用/覆蓋變化與人類用水活動一起構成了陸地水循環變化的主要全球變化因子,推動了「人類世」的陸地水循環演變。

圖1 全球變化水文學的研究框架

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自然和人爲因素對水循環的影響與反饋

在自然和人爲因素共同作用下,陸地水循環系統處於持續快速變化之中,水文過程呈現非穩態特徵,極端事件增多、水災害頻發、冰凍圈退縮、地下水位下降、河流湖泊乾涸、海水入侵、水環境惡化、水資源短缺等涉水問題突顯。這些水問題儘管可能發生在局地或者區域尺度,但是其驅動因素或者影響與反饋往往是全球性的,因此必須以地球系統科學的理論開展研究。在地球系統科學的框架下,自然和人爲因素共同影響水循環,而水循環變化反過來影響地球環境。全球變化水文學重點突破人爲因素對水循環的影響,及其反饋於氣候系統和人類社會由此給人類文明帶來的風險。從全球變化水文學的角度,乾旱和洪水並不完全是「自然災害」,人類社會在改變水災害特徵的同時也在承受災害的影響以及改變應對災害的方式。在氣候變化方面,全球氣候變暖導致冰凍圈消融加速,冰凍圈退縮反饋氣候系統,帶來更多的極端天氣。在土地利用/覆蓋變化方面,植物對大氣二氧化碳濃度增高的生理生態響應、森林砍伐和生態建設都可能影響河川徑流,導致河流湖泊乾涸或者洪水災害。在人類用水活動方面,大量的地表和地下取用水導致河道生態流量不足,影響海平面上升速率、威脅水生態與水環境。

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全球變化下的水風險及應對

全球變化水文學致力於解析水災害和全球性水問題背後的人爲原因,以指導人類調整自身行爲,實現水資源可持續管理和聯合國2030年可持續發展目標。在全球變化背景下,陸地水循環系統快速變化可能導致極端事件的威脅加大、引發新型涉水災害和風險;人口增長和社會經濟發展使得暴露度不斷增加,客觀上水風險具備增加的條件。但是,在物理暴露度增加的同時,人類社會採取應對和防範措施將降低社會-生態系統的脆弱性。水利基礎設施使得人類對區域尺度陸地水循環具有一定的調控能力,應對陸地水循環系統快速變化的「自適應」調控可能抵消一部分風險,同時將面臨水利基礎設施功能效益的複雜權衡。個人對風險的認識也將影響到預防措施的採用,從而影響到風險防範。全球變化水文研究正在將人類行爲和社會經濟反饋納入考慮,預估全球變化下的水風險變化趨勢,探索提升社會-生態系統恢復力的水風險管理,提出全球水治理方案,爲應對決策提供科學參考。

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結語

陸地水循環演變的原因是全球變化水文學研究最爲核心的問題之一,釐清陸地水循環變化的自然和人爲因素是應對全球水風險的前提。闡明自然和人爲因素影響陸地水循環的機理、預測全球變化下陸地水循環演變趨勢是未來的研究熱點和難點。由於局地水循環變化的影響因素和反饋往往是全球性的,僅依靠觀測和實驗手段難以實現全過程解析及定量區分各因素的影響,模型模擬成爲研究的重要手段,爲全球性水問題的分析及推演提供幫助。