気候変動が水循環に及ぼす影響

気候モデルは水循環をうまくシミュレートできません。^{[ 17 ] [ 18 ]}その理由の1つは、降水量が本質的に断続的であるため、扱いが難しい量であることです。^{[ 6 ] : 50}多くの場合、平均量のみが考慮されます。^{[ 19 ]}人々は「降水」という用語を「降水量」と同じ意味で使う傾向があります。地球の降水パターンの変化を説明する際に実際に重要なのは、総量だけではなく、強度（雨や雪がどれだけ激しく降るか）、頻度（どれくらいの頻度で降るか）、継続時間（どれくらいの時間で降るか）、種類（雨か雪か）も含まれます。^{[ 6 ] : 50}科学者は降水の特性を研究し、極端な現象には頻度と強度が重要であり、それらは気候モデルで計算するのが難しいことを発見しました。^{[ 18 ]}

熱帯海洋の温暖化により、世界各地の地域的な気象パターンも変化しています。インド太平洋暖水域は、化石燃料の燃焼による炭素排出量の増加に大きく反応して、ここ数十年の間に急速に温暖化し拡大しています。^{[ 23 ]暖水域は、1900年から1980年の間に2200万km2}だった面積が、1981年から2018年の間に4000万km2に^ほぼ倍増しました。^{[ 24 ]}この暖水域の拡大は、熱帯で発生する気象変動の最も支配的なモードであるマッデン・ジュリアン振動（MJO）のライフサイクルを変化させることで、世界の降雨パターンを変化させています。

水循環のいくつかの特徴は、水循環の急激な変化を引き起こす可能性があります。^{[ 7 ] : 1148}「急激な変化」の定義は、気候システムの地域規模から地球規模までの変化であり、過去に起こったよりも速く起こり、気候応答が線形ではないことを示しています。^{[ 7 ] : 1148}海洋、大気、および地表面間の非線形相互作用の結果として、「湿潤状態と乾燥状態の間の急速な遷移」が発生する可能性があります。

例えば、大西洋子午面循環（AMOC）の崩壊が起こった場合、水循環に大きな地域的影響を与える可能性がある。^{[ 7 ]： 1149}太陽放射の変化の開始または終了も、水循環の急激な変化をもたらす可能性がある。^{[ 7 ]： 1151}地表面の変化に対しても、水循環が急激に反応する可能性がある。アマゾンの森林破壊と乾燥、サハラ砂漠とサヘルの緑化、砂塵による干ばつの増幅はすべて、寄与する可能性のあるプロセスである。

水循環にこのような急激な変化が生じる可能性についての科学的理解はまだ明確ではない。^{[ 7 ]： 1151}人間の活動による水循環の急激な変化は、現在の科学的知識では否定できない可能性である。しかし、21世紀中にそのような変化が起こる可能性は現在低いと考えられている。^{[ 7 ]： 72}

地球温暖化と氷河の融解の増加により、海洋に放出される淡水の量が増加し、その結果、海洋の塩分濃度が変化するため、熱塩循環のパターンが変化する可能性があります。熱塩循環は、湧昇として知られるプロセスで、冷たく栄養豊富な水を海洋の深部から持ち上げる役割を担っています。^{[ 25 ]}

海水は淡水と塩水から成り、海水中の塩分の濃度を塩分濃度と呼びます。塩は蒸発しないため、淡水の降水と蒸発は塩分濃度に大きな影響を与えます。したがって、水循環の変化は表面塩分濃度の測定に顕著に現れ、これは1930年代からすでに知られています。^{[ 26 ] [ 27 ]}

表面塩分を使用する利点は、例えばARGOのような現場測定システムによって過去50年間に十分に記録されていることです。^{[ 29 ]}もう1つの利点は、海洋塩分が非常に長い時間スケールで安定しているため、人為的強制による小さな変化を追跡しやすくすることです。海洋塩分は地球全体に均一に分布しているわけではなく、明確なパターンを示す地域差があります。熱帯地域は降雨が支配的であるため、比較的塩分が低くなっています。亜熱帯地域は蒸発が支配的であるため、塩分が高く、これらの地域は「砂漠緯度」としても知られています。^{[ 29 ]}極地に近い緯度では、さらに塩分が低くなり、これらの地域では最低の塩分値が見られます。これは、この地域では蒸発量が少なく、^{[ 30 ]}北極海に流入する淡水の融解量が多いためです。^{[ 31 ]}

長期観測記録は明確な傾向を示している。すなわち、この期間に地球規模の塩分パターンが増幅している。^{[ 32 ] [ 33 ]}これは、高塩分域の塩分濃度がさらに高まり、低塩分域の塩分濃度が低下したことを意味する。高塩分域は蒸発が支配的であり、塩分濃度の上昇は蒸発がさらに増加し​​ていることを示している。低塩分域の塩分濃度が低下していることも同様であり、これは降水量がさらに増加し​​ていることを示している。^{[ 29 ] [ 34 ]}この空間パターンは、蒸発量から降水量を差し引いた空間パターンと類似している。したがって、塩分パターンの増幅は、水循環の強化の間接的な証拠である。

海洋塩分と水循環の関係をさらに調査するために、モデルは現在の研究で大きな役割を果たしています。大気大循環モデル（GCM）や、より最近では大気海洋大循環モデル（AOGCM）は、地球規模の循環と、強化された水循環などの変化の影響をシミュレートします。^{[ 29 ]}これらのモデルに基づく複数の研究の結果は、表面塩分の変化と増幅された降水量から蒸発量を差し引いたパターンとの関係を支持しています。^{[ 29 ] [ 35 ]}

海洋の表層 2000 メートルにおける高塩分域と低塩分域の塩分差を捉える指標は SC2000 指標で表されます。^{[ 26 ]}この指標の観測された増加率は 1960 年から 2017 年にかけて 5.2% (±0.6%) です。^{[ 26 ]}しかし、この傾向は加速しており、1960 年から 1990 年にかけて 1.9% (±0.6%)、1991 年から 2017 年にかけて 3.3% (±0.4%) 増加しています。^{[ 26 ]}パターンの増幅は表面下では弱くなっています。これは、海洋温暖化によって表層付近の成層が増加する一方で、表層下層は依然として寒冷な気候と平衡状態にあるためです。このため、表面増幅は古いモデルが予測していたよりも強くなっています。^{[ 36 ]}

2011年6月に打ち上げられたSAC-D衛星アクエリアスに搭載された機器は、世界の海面塩分を測定した。^{[ 37 ] [ 38 ]}

1994年から2006年の間に、衛星観測により世界の海洋への淡水の流入量が18%増加したことが示されました。これは、特にグリーンランドの氷床の融解^{[ 39 ]}と、地球規模の海洋蒸発量の増加による降水量の増加^{[ 40 ]が原因の一部です。}

気候モデルにおける対流の表現は、これまで科学者がアフリカの異常気象を正確にシミュレートする能力を制限し、気候変動予測を制限してきた。^{[ 46 ]}対流許容モデル（CPM）は、熱帯対流の日周期、垂直雲構造、湿潤対流と収束の結合、サヘルにおける土壌水分対流フィードバックをより良くシミュレートすることができる。CPMの利点は、降水構造と異常気象のより現実的な表現など、他の地域でも実証されている。アフリカ全域を対象とした対流許容（4.5  km グリッド間隔）モデルは、西アフリカと中央アフリカの雨季における乾燥期間の将来的な増加を示している。科学者らは、対流のより正確な表現により、アフリカにおける湿潤と乾燥の異常気象の予測される変化がより深刻になる可能性があると結論付けている。^{[ 47 ]}言い換えれば、「アフリカの異常気象の両端がより深刻になる」ということである。^{[ 48 ]}