那么些变化预示着水能源缺少危害早已围拢商讨人口代表,特别是内涝和旱灾的频率和沉痛程度将应运而生最为气象

 聚焦三农     |      2020-04-22

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新闻网讯(通讯员吴琳)10月22日,国际权威杂志《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表水资源与水电工程科学国家重点实验室郭生练教授团队在气候变化研究方面取得的进展,首次揭示全球极端暴雨径流事件对气候变化和人类活动的热动力学响应机制。

一个由水文学者和气候专家组成的科研小组近日表示,气候变化导致全球水循环系统发生了极大的改变,这些变化预示着水资源短缺危机已经迫近研究人员表示,水循环发生根本改变的状况将在很多地区普遍存在,因此已经无法参考过去的模式对未来的水资源进行规划与管理“我们目前最好的预测是,欧亚大陆北部、阿拉斯加、加拿大以及一些热带地区的水源供应将得到充分补足,而欧洲南部、中东、非洲南部以及北美西南部地区的供水将大幅下降”论文第一作者、美国地质调查局的水文学者克里斯托弗米利(Christopher.Milly)说预计缺水地区还将频繁出现更多旱灾,他补充说这一研究刊登在1月31日出版的《科学》杂志上据法新社报道,研究人员在论文中还称,气候变化已经造成降雨模式、河水流量发生改变,部分地区遭遇洪灾的风险更大不断升高的海平面将“增加沿海淡水供应受污染的危险”,与此同时,“亚热带干旱地区带向地球两极扩张”,降低了水径流量论文指出,必须使用新的模型来预防洪水或干旱,确定水库的建设规模,决定如何协调居民、工业以及农业用水配比在同期《科学》杂志刊发的另一篇文章中,加州大学圣地亚哥分校的研究人员将美国西南部地区水源供应出现的明显变化归咎于全球变暖美国西部气候干旱,人口数量不断上涨,冬季降雨增多而降雪减少,融雪期也逐渐提前研究人员发现,这种变化导致春季河水流量变大,而夏季却成为枯水期,这些现象正好与西部大部分地区气温升高的情况相符研究得出结论,“1950年到1999年期间,由气候引起的河水流量、冬季气温和积雪量的改变,有多达60%都是人为排放温室气体和悬浮微粒导致气候变化所造成的”结合此前的研究,这些结果“预示着美国西部地区水资源短缺危机正在逼近”,论文作者提姆巴内特(Tim.Barnett)写道

关注淡水:通过预测旱灾和洪水,跟踪藻类的爆发,美国国家航空航天局对全球淡水的研究发现及观点帮助人们更好地管理水资源。

论文题为《气候变化和人类活动导致全球暴雨径流极端事件增强》(Large increase in global storm runoff extremes driven by climate and anthropogenic changes)。第一署名单位为武汉大学,第一作者为2016级博士生尹家波,郭生练教授和美国哥伦比亚大学Pierre Gentine教授为共同通讯作者。该研究得到国家重点研发计划和国家自然科学基金重点项目的支持。

版权:NASA /Katy Mersmann

受全球气候变化和人类活动的影响,大气碳浓度升高,大气圈、水圈与生物圈的水循环过程和能量交换发生了改变,导致暴雨洪涝等自然灾害频发。国际IPCC组织预计未来100年全球气温将再升高0.6~3.4℃,对人类的生存发展构成重大挑战。

NASA的卫星是研究和说明水的重要工具,因为水分不断地循环,从水蒸气到通过降雨和降雪的形式落在土壤里,再到地面和地面以下。由于温室气体导致地球大气变暖,卫星数据记录也越来越长、越来越详细,科学家们正在研究气候变化是如何影响水资源分布的。

如何定量评价全球气候变化和人类活动的水文响应机制,已经成为水文学家和气象学家共同关注的热点和难点问题。郭生练团队利用降雨形成受控于大气边界层的水汽输送这一特点,扩展了Clausius-Clapeyron(C-C)经典热力学方程,首次定量解析了全球极端暴雨径流对气候变化和人类活动的响应机制。采用全球26593个气象站和7237个流量站点的观测数据,分析了暴雨径流极端事件的演变历史,给出了全球降雨、径流变化的微观解释。通过Binning方法分析了极端事件与地表气温、大气水汽浓度的尺度特性,发现极端降雨、径流均存在对地表气温的hook响应结构,阐明了极端事件同时受控于大气热力学和动力学机制。

那么些变化预示着水能源缺少危害早已围拢商讨人口代表,特别是内涝和旱灾的频率和沉痛程度将应运而生最为气象。研究发现,各种趋势正在开始出现,特别是洪水和旱灾的频率和严重程度将出现极端情况。这些趋势影响着从当地天气到农作物生长地的方方面面,其后果将在当前和未来几个世纪波及整个社会。

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当考虑到地球上水资源分布的变化时,不仅要知道哪里下雨或者不下雨,还要知道雨量多少,以及大雨和小雨下得多频繁。降雨量会影响土壤的饱和度,以及溪流和河流的水位,从而改变它们在另一场风暴中容纳更多雨水的能力。缺少雨水会对植被和补充水源造成压力,而当降雨频率增加时,这些水源在下一个干旱期之前很难得到恢复。

该团队发现,全球极端径流普遍比降雨事件具有更高的响应强度,降雨事件的响应系数普遍低于C-C scaling,而径流极值一般显示出超C-C scaling的特性。入渗产流和蓄满产流过程随着气候变暖和暴雨强度增加发生了变化,导致径流系数非线性增长;森林砍伐和地表破坏改变了径流产生通道,“入渗-蒸散发对冲”假说理论支撑了径流增加;大气碳浓度升高,抑制植物气孔开启,蒸腾作用减小,地表含水量的增加促进了径流对气候变暖的响应强度。

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论文综合分析碳排放、农业灌溉、植被破坏和地表变化对极端事件的影响,首次揭示了全球极端暴雨径流事件对气候变化和人类活动的响应机制,将有利于人类社会应对全球气候变暖,预防和减轻暴雨洪水灾害。

随着更多的强降雨事件,各社区出现小型洪水的可能性将增加。

论文链接:

版权:NASA

(编辑:肖珊)

NASA的卫星数据和地面测量数据支持对水资源分布长期变化的研究。其中之一是美国国家气候评估(U.S. National Climate Assessment),该报告研究气候变化及其对美国各区域产生的潜在影响。

例如,在这些变化中,美国各地观测到的特大降水事件有所增加。从1958年到2016年,美国东北部各州的暴雨事件增加了55%,中西部各州增加了42%,东南部各州增加了27%。西部各州的暴雨事件也有小幅增加,摧毁了当地集水区吸收过量降水的能力。

水文学家克里斯塔•彼得斯-利达德(Christa Peters-Lidard)是位于马里兰州绿带的NASA戈达德太空飞行中心的地球物理学家,同时也是水文和生物圈部门副主任。Peters-Lidard表示:“当你考虑改变降水分布的时候,你就会开始想,如果降雨量增加,就意味着洪水泛滥。如果将有更多的暴雨事件发生,很大可能会发生在没有洪水防御设计的地区,这意味着我们需要考虑如何将我们的基础设施设计得更有能力适应更多暴雨事件,并对我们设计一些桥梁和排水系统的方式进行反思。”

Peters-Lidard对不断变化的暴雨模式对在不同条件下建立的社区所造成的实际影响并不陌生。在过去的五年里,她的家乡马里兰州埃利科特市(Ellicott City)经历了两场千年一遇的大洪水,摧毁了许多企业和房屋。她说:“这对社区造成了毁灭性的影响。”为了应对洪水和可能发生的更多小型洪水事件,她表示:“我们正在重新考虑主要街道,以及我们应该在哪里重建、不应该在哪里重建。”

图片 5NASA的科学家们利用树木年轮来了解过去的旱灾情况,并结合土壤水分数据建立气候模型来估计21世纪未来的旱灾风险。" style="width:60%;margin:1rem auto">

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但是,尽管一些地区预计将变得更加潮湿,其他地区将变得更加干燥。越来越高的气温和不断改变的降水模式可能导致旱灾,且NASA的研究表明人类已经影响全球干旱模式近一个世纪。

NASA戈达德太空研究所和和美国纽约哥伦比亚大学的研究人员凯特•马弗尔(Kate Marvel)和本•库克使用历史气象数据和树木年轮计算的干旱地图,研究人类对20世纪干旱模式的影响。他们发现,早在20世纪初,就出现数据“指纹”,即一种预计会随着温室气体排放而发生的干燥和湿润的模式。

根据这种“指纹”预测,亚洲部分地区将因温室气体排放而变得更加潮湿,而美国西南部、中美洲和欧洲地区将变得更加干燥。当研究人员将这些数据与实际数据进行对比时,发现这种模式出现于20世纪初。它在1950年后短暂下降,大概是由于大气污染程度较高,但在最近几十年又重新出现,而且越来越强。

Cook表示,证明人类在过去影响了全球干旱模式是理解我们在未来可能如何影响这些模式的一个重要部分。

Cook说:“气候变化不仅仅是未来的问题,该研究表明气候变化已经在影响全球旱灾、水文气候、趋势和变化模式,并且现在正在发生当中。我们预计,如果我们继续让世界变暖,这些趋势就会一直持续下去。”

展示气候模型准确描述过去旱灾的能力,有助于确认它们模拟未来旱灾的能力。Cook的另一项研究显示,如果温室气体排放沿着目前的轨迹继续增长,美国西南部的“超级飓风”可能会持续30多年。Cook和他的团队运行了17种不同的气候模型,这些模型结果均显示未来可能会出现更长时间且更严重的旱灾。

该团队也是第一个将他们的预测结果与远古的关于旱灾的古气候记录进行比较的团队,比如1100年至1300年间的北美旱灾。这使他们能够研究比现代记录中任何旱灾都严重的旱灾,并了解如何与预测的未来旱灾进行比较。他们发现,未来的“特大旱灾”持续的时间可能与以往旱灾一样长,甚至更长,而且可能会更干旱。

根据这些气候预测,淡水的未来将充满极端:旱灾将在一些地区对动植物和人类的安全、健康、食物和水供应构成严重挑战,而洪水也将在其他地区造成同样的后果。随着淡水在地球上流动,NASA的科学研究不仅在预测这些极端挑战方面至关重要,同时也对应对这些挑战的准备方面至关重要。

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