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水與生活:水與氣候

水在氣候系統中扮演著重要的角色,靠著大氣環流與海洋環流把水輸送到地球上的各個角落,地球的氣候才能夠以我們熟知的面貌呈現。
 
 
 
水在地球上的分配與移動透過水文循環達成,太陽持續供應能量驅動著這個生生不息的過程。透過蒸發,水從海洋與地面傳送到大氣,而大氣中的水氣凝結成雲,藉由降雨回到陸地上改變土壤濕度與地下水含量,或降至海面與海水混合改變其鹽度與環流,這個過程就稱為水文循環。由於地球上溫度與壓力的改變造成水的三態變化,連結了地球系統裡的水氣、雲、海洋、湖泊、植被、積雪、冰川等各種儲存庫,水的循環過程與氣候的型態息息相關。

然而,人為干擾的作用像是砍伐森林、都市化、人為溫室氣體的濃度增加等,在全球水循環的時空變異上占據了越來越重要的地位。在全球的氣候模擬與天氣預報上,讓科學家最頭痛的就是水在氣候中所扮演的角色,以及水與氣候間的交互作用。如果可以更清楚地理解水在海洋和大氣、大氣和陸地、海洋和陸地之間交換的物理機制與過程,以及氣候的自然變異和人為所引起的氣候變化,將可以大幅地提升氣候模擬在季節變化與年際變化中的準確度,這也是目前科學家的一個重大挑戰。

水在氣候系統中的角色

水的三態對於地球氣候有著截然不同的影響。當水以液體形式存在時,提供了地球上所有生物的基本生理需求;而雨水滲透到土壤層,持續累積向下入滲成地下水,這是需要較長時間尺度累積而成的水儲存庫。當水以氣態存在時,是一個變動較快的型態。水氣除了會隨著大氣的上升被帶到高空遇冷凝結成雲外,水氣也是一種溫室氣體,會吸收地表向外的長波輻射,使得地球表面維持在適合生物生存的溫度。當水以固態存在時,冰和雪會反射較多的太陽輻射,對地球有降溫的作用。

雪地、海冰、冰川、冰蓋、永凍土等地區合稱為「冰圈」,冰圈中的各個組成強烈地影響地表的能量收支,對於氣候變遷與全球暖化的反應也相當敏感,藉由觀測冰圈的變化可推測氣候變化的趨勢。隨著觀測技術的進步,對於冰圈大部分組成的變化與趨勢的估算已有大幅改善。

北極海冰的變化是目前大家關注的重點,因為北極海冰對氣溫非常敏感。當氣候暖化使得海冰覆蓋量變少時,更多的太陽輻射被地球吸收,使得地球溫度上升。這又會造成更多的海冰消失,反射回大氣的輻射減少,更多的輻射能量被地表吸收,暖化的效果又再加強,這是一種暖化正回饋。

除了海冰外,高緯度陸地永凍土的變化也相當重要。因為許多甲烷包覆在永凍土內,當這些凍土融化時會釋出大量甲烷,而甲烷是比二氧化碳威力更強的溫室氣體,加上未來高緯度地區比其他區域變暖的速率更快且幅度更大,會使永凍土融化得更快,釋放出更多的甲烷。這是另一個暖化正回饋的例子,這些會使氣候暖化的情況變得更嚴重。

水與其他輻射作用(例如大氣中二氧化碳的溫室效應或太陽輻射)會交互地影響氣候系統。分析氣候模式與觀測資料顯示,水氣隨著氣候變暖而增加,會吸收更多的長波輻射,進一步加熱地球表面。當水以雲的形式存在時,會反射太陽光,但同時像是地球的棉被一樣把能量留在地球上。

科學家一直嘗試量化水氣、雲與能量之間的交互作用,因為這些交互作用與氣候間的反饋機制會影響氣候的敏感性與氣候變遷,而這些反饋機制的不確定性同時影響不同的氣候模式中模擬人類活動所引起氣候變化的差異性。我們現在對於這些交互作用還不夠了解,再加上地球氣候本身的自然變異,使得對未來氣候的預測有相當大的不確定性。

氣候暖化與水循環

水循環過程包含水的三個相態之間的轉變,在大氣中主要以氣態為主,在雲內包含冰態與水態,地表和冰圈則是以水態與冰態為主。在全球暖化下,大氣中的水氣隨著溫度的升高而增加,因此推估水循環未來的變化比推估溫度複雜許多。

觀測資料顯示全球近地表的氣溫一直上升,也觀測到海平面上升、北極海冰覆蓋量下降、冰川質量下降、格陵蘭冰原持續融化等變化。氣候變暖會增加地表蒸發,因此土壤水分、地下水含量和河川流量都會減少,大氣的水氣含量也會隨之上升。

根據克勞修斯—克拉佩龍方程式的熱力關係:溫度每上升攝氏1度,大氣中的水氣含量會上升約7%。而大氣中最重要且體積含量最大的溫室氣體就是水氣,以溫室氣體吸收長波輻射(紅外線)的比率來說,水氣吸收約65%地球向外的長波輻射,二氧化碳約吸收33%,其他溫室氣體如甲烷、氧化亞氮、臭氧、氟氯碳化物等大約吸收2%。因此,較多的水氣會進一步增強溫室效應,地表溫度會變得更高,且當水氣含量增多時,降雨可能隨之增加。

不過,觀測資料顯示全球平均溫度在過去百年來上升約攝氏0.9度,且1970年代以後衛星觀測的大氣水氣含量也增加,但是全球平均降雨量並未顯著增多。這顯示降雨的變化有很大的時空異質性,例如區域性的降水變化,有些地方極端降水強度明顯增加,小雨發生的機率減少。

全球暖化使得熱帶地區的水氣往兩極的輸送增強,中高緯度地區在未來可能有較多的降雨,且強降水事件有增加並增強的趨勢,副熱帶乾燥區的降雨量則可能減少。也就是說,乾燥區降水會變得更少,潮濕區降水會變得更多,因此區域之間的差異性變得更大。除了空間上的不一致性外,季節性的降水變化也有相同的趨勢,在濕季的降水越來越多,而乾季的降水越來越少,因此乾濕季的降水差異性會增加,這使得水資源的分配更不平均。

糧食的生產使用了大部分的水資源,隨著地球人口增加,需要更多的糧食,也意味著需要更多的水資源用於糧食生產。因此準確地預測未來水資源在地球上空間與時間的分布,對於全球人類的生存相當重要。然而,由於觀測資料的缺乏,例如土壤水分和地下水沒有很好的全球觀測網,增加了科學家了解降水如何影響土壤濕度與溫度變化的困難度,也難以量化當地降水、溫度與陸地水文過程(降雨、地表逕流、入滲、蒸發散、地下水流)的交互作用。

陸地水文地表過程除了決定雨水降至地面後入滲、蒸散和逕流所占的比率外,也會影響地表淨輻射中可感熱和潛熱通量的比率,進而影響釋放到大氣中的能量與水量,以及改變大氣邊界層的特性。陸地和大氣耦合的過程決定了氣候模式中降雨對於土壤水分改變所產生的反應,因此了解地表過程對於氣候模擬和水資源規畫相當有幫助。

全球暖化是否加快了水循環過程與增加極端氣候事件?目前的觀測時間太短、數據太少。有部分證據顯示降雨量增多、蒸發量增多、大氣中擁有更多的水量都會影響氣候變化的強度,並可能造成極端事件的增加,例如乾旱和洪水的強度與頻率的增加,使得部分地區的降水會更集中、更多的洪水,以及枯水期變長。然而由於地球氣候的自然變異,有多少改變是人為暖化所造成的還有待科學家繼續探討。

科學家一直努力發展氣候模式,以模擬地球氣候系統的長期變化趨勢,進而推估未來氣候。然而,要能夠預測未來氣候的變化,必須了解目前水在各個儲存庫中的分布情形,以及在氣候變遷下水循環的改變。因此,發展一個詳盡的氣候模式以模擬水在各個面向的物理過程與水的各個儲存庫間的變化,並了解水和氣候間的交互作用相當重要。

人為溫室氣體的排放已改變了地球氣候系統中的微妙平衡,在全球暖化下,許多地區因降雨強度和變異性的增加,提高了洪水和乾旱的風險。而氣候變遷導致水量和水質的變化,也會影響糧食供應的穩定。

儲存在地表下含水層的地下水大約占全球淡水使用量的30%,全世界約20億人依靠地下水做為飲用水和農業灌溉的主要來源。而在一些地區,地下水資源正因為鹽鹼化和汙染而迅速地枯竭。氣候變化強烈影響地下水的收支平衡,例如極端氣候事件(乾旱和洪水)會影響地下水的補充。珍貴而短缺的水資源受到汙染和過度使用,自然界的環境和物種也會感受到氣候變遷的壓力。

因為人口和經濟成長,再加上氣候變化的干擾,人類對淡水資源的依賴程度會繼續增加。無論水在氣候系統中的作用是否因為人類活動或自然變異而改變,我們都必須適應未來氣候的變化。過去幾十年,氣候暖化已直接或間接造成全球水文循環的變化,用過去的水文經驗設計基礎水利設施的想法將無法因應未來的氣候變遷。因此了解水在氣候中所扮演的角色,特別是在局部地區,對於決策者在面對氣候變遷的調適上有很大的幫助。

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