水与生活:水与气候

水在地上的分配与移动透过水文循环达成,太阳持续供应能量驱动着这个生生不息的过程。透过蒸发,水从海洋与地面传送到大气,而大气中的水气凝结成,藉由降雨回到陆地上改变土壤湿度与地下水含量,或降至海面与海水混合改变其盐度与环流,这个过程就称为水文循环。由于地温度压力的改变造成水的三态变化,连结了地系统里的水气、海洋、湖泊、植被、积雪、冰川等各种储存库,水的循环过程与气候的型态息息相关。

然而,人为干扰的作用像是砍伐森林、都市化、人为温室气体浓度增加等,在全水循环的时空变异上占据了越来越重要的地位。在全气候模拟与天气预报上,让科学家最头痛的就是水在气候中所扮演的角色,以及水与气候间的交互作用。如果可以更清楚地理解水在海洋和大气、大气和陆地、海洋和陆地之间交换的物理机制与过程,以及气候的自然变异和人为所引起的气候变化,将可以大幅地提升气候模拟在季节变化与年际变化中的準确度,这也是目前科学家的一个重大挑战。

水在气候系统中的角色

水的三态对于地气候有着截然不同的影响。当水以液体形式存在时,提供了地上所有生物的基本生理需求;而雨水渗透到土壤层,持续累积向下入渗成地下水,这是需要较长时间尺度累积而成的水储存库。当水以气态存在时,是一个变动较快的型态。水气除了会随着大气的上升被带到高空遇冷凝结成外,水气也是一种温室气体,会吸收地表向外的长波辐射,使得地表面维持在适合生物生存的温度。当水以固态存在时,冰和雪会反射较多的太阳辐射,对地有降温的作用。

雪地、海冰、冰川、冰盖、永冻土等地区合称为「冰圈」,冰圈中的各个组成强烈地影响地表的能量收支,对于气候变迁与全球暖化的反应也相当敏感,藉由观测冰圈的变化可推测气候变化的趋势。随着观测技术的进步,对于冰圈大部分组成的变化与趋势的估算已有大幅改善。

北极海冰的变化是目前大家关注的重点,因为北极海冰对气温非常敏感。当气候暖化使得海冰覆盖量变少时,更多的太阳辐射被地吸收,使得地温度上升。这又会造成更多的海冰消失,反射回大气的辐射减少,更多的辐射能量被地表吸收,暖化的效果又再加强,这是一种暖化正回馈。

除了海冰外,高纬度陆地永冻土的变化也相当重要。因为许多甲烷包覆在永冻土内,当这些冻土融化时会释出大量甲烷,而甲烷是比二氧化碳威力更强的温室气体,加上未来高纬度地区比其他区域变暖的速率更快且幅度更大,会使永冻土融化得更快,释放出更多的甲烷。这是另一个暖化正回馈的例子,这些会使气候暖化的情况变得更严重。

水与其他辐射作用(例如大气中二氧化碳温室效应或太阳辐射)会交互地影响气候系统。分析气候模式与观测资料显示,水气随着气候变暖而增加,会吸收更多的长波辐射,进一步加热地表面。当水以的形式存在时,会反射太阳光,但同时像是地的棉被一样把能量留在地上。

科学家一直尝试量化水气与能量之间的交互作用,因为这些交互作用与气候间的反馈机制会影响气候的敏感性气候变迁,而这些反馈机制的不确定性同时影响不同的气候模式中模拟人类活动所引起气候变化的差异性。我们现在对于这些交互作用还不够了解,再加上地气候本身的自然变异,使得对未来气候的预测有相当大的不确定性。

气候暖化与水循环

水循环过程包含水的三个相态之间的转变,在大气中主要以气态为主,在内包含冰态与水态,地表和冰圈则是以水态与冰态为主。在全球暖化下,大气中的水气随着温度的升高而增加,因此推估水循环未来的变化比推估温度複杂许多。

观测资料显示全近地表的气温一直上升,也观测到海平面上升北极海冰覆盖量下降、冰川质量下降、格陵兰冰原持续融化等变化。气候变暖会增加地表蒸发,因此土壤水分、地下水含量和河川流量都会减少,大气的水气含量也会随之上升。

根据克劳修斯—克拉佩龙方程式的热力关係:温度每上升摄氏1度,大气中的水气含量会上升约7%。而大气中最重要且体积含量最大的温室气体就是水气,以温室气体吸收长波辐射红外线)的比率来说,水气吸收约65%地向外的长波辐射二氧化碳约吸收33%,其他温室气体甲烷氧化亚氮臭氧氟氯碳化物等大约吸收2%。因此,较多的水气会进一步增强温室效应,地表温度会变得更高,且当水气含量增多时,降雨可能随之增加。

不过,观测资料显示全平均温度在过去百年来上升约摄氏0.9度,且1970年代以后卫星观测的大气水气含量也增加,但是全平均降雨量并未显着增多。这显示降雨的变化有很大的时空异质性,例如区域性的降水变化,有些地方极端降水强度明显增加,小雨发生的机率减少。

全球暖化使得热带地区的水气往两极的输送增强,中高纬度地区在未来可能有较多的降雨,且强降水事件有增加并增强的趋势,副热带乾燥区的降雨量则可能减少。也就是说,乾燥区降水会变得更少,潮湿区降水会变得更多,因此区域之间的差异性变得更大。除了空间上的不一致性外,季节性的降水变化也有相同的趋势,在湿季的降水越来越多,而乾季的降水越来越少,因此乾湿季的降水差异性会增加,这使得水资源的分配更不平均。

粮食的生产使用了大部分的水资源,随着地人口增加,需要更多的粮食,也意味着需要更多的水资源用于粮食生产。因此準确地预测未来水资源在地上空间与时间的分布,对于全人类的生存相当重要。然而,由于观测资料的缺乏,例如土壤水分和地下水没有很好的全观测网,增加了科学家了解降水如何影响土壤湿度与温度变化的困难度,也难以量化当地降水、温度与陆地水文过程(降雨、地表逕流、入渗、蒸发散、地下水流)的交互作用。

陆地水文地表过程除了决定雨水降至地面后入渗、蒸散和逕流所占的比率外,也会影响地表净辐射中可感热和潜热通量的比率,进而影响释放到大气中的能量与水量,以及改变大气边界层的特性。陆地和大气耦合的过程决定了气候模式中降雨对于土壤水分改变所产生的反应,因此了解地表过程对于气候模拟和水资源规画相当有帮助。

全球暖化是否加快了水循环过程与增加极端气候事件?目前的观测时间太短、数据太少。有部分证据显示降雨量增多、蒸发量增多、大气中拥有更多的水量都会影响气候变化的强度,并可能造成极端事件的增加,例如乾旱和洪水的强度与频率的增加,使得部分地区的降水会更集中、更多的洪水,以及枯水期变长。然而由于地气候的自然变异,有多少改变是人为暖化所造成的还有待科学家继续探讨。

科学家一直努力发展气候模式,以模拟地气候系统的长期变化趋势,进而推估未来气候。然而,要能够预测未来气候的变化,必须了解目前水在各个储存库中的分布情形,以及在气候变迁下水循环的改变。因此,发展一个详尽的气候模式以模拟水在各个面向的物理过程与水的各个储存库间的变化,并了解水和气候间的交互作用相当重要。

人为温室气体的排放已改变了地气候系统中的微妙平衡,在全球暖化下,许多地区因降雨强度和变异性的增加,提高了洪水和乾旱的风险。而气候变迁导致水量和水质的变化,也会影响粮食供应的稳定。

储存在地表下含水层的地下水大约占全淡水使用量的30%,全世界约20亿人依靠地下水做为饮用水和农业灌溉的主要来源。而在一些地区,地下水资源正因为盐硷化和汙染而迅速地枯竭。气候变化强烈影响地下水的收支平衡,例如极端气候事件(乾旱和洪水)会影响地下水的补充。珍贵而短缺的水资源受到汙染和过度使用,自然界的环境和物种也会感受到气候变迁的压力

因为人口和经济成长,再加上气候变化的干扰,人类对淡水资源的依赖程度会继续增加。无论水在气候系统中的作用是否因为人类活动或自然变异而改变,我们都必须适应未来气候的变化。过去几十年,气候暖化已直接或间接造成全水文循环的变化,用过去的水文经验设计基础水利设施的想法将无法因应未来的气候变迁。因此了解水在气候中所扮演的角色,特别是在局部地区,对于决策者在面对气候变迁的调适上有很大的帮助。

日期:2016/4/12

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