気候変動による水循環への影響

気候変動が水循環に与える影響は甚大で、水循環（水文循環とも呼ばれる）の激化または強化として説明されています。 ^{[2] : 1079}この影響は、少なくとも1980年以降に観察されています。^{[2] : 1079}一例は、大雨がさらに強くなる場合です。気候変動が水循環に与える影響は、淡水資源の利用可能性だけでなく、海洋、氷床、大気、土壌水分などの他の貯水池にも重大な悪影響を及ぼします。水循環は地球上の生命にとって不可欠であり、地球規模の気候システムと海洋循環に大きな役割を果たしています。地球の温暖化は、さまざまな理由から水循環の変化を伴うと予想されています。^[3]たとえば、より暖かい大気にはより多くの水蒸気が含まれ、蒸発と降雨に影響を与えます。

水循環が激化する根本的な原因は、大気中の温室効果ガスの増加であり、これが温室効果によって大気を暖かくする原因となっている。^[3]物理学の基本法則によれば、気温が1℃上昇すると大気中の飽和蒸気圧が7%増加する。 ^{[4]この関係は}クラウジウス・クラペイロンの式として知られている。

水循環の強さと時間経過による変化は、特に気候が変化するにつれて、かなりの関心を集めています。^[5]水循環とは、ある場所での水分の蒸発が別の場所での降水（雨または雪）につながるシステムです。たとえば、海洋では蒸発量が常に降水量を上回ります。これにより、水分は大気によって海洋から陸地へと運ばれ、降水量が蒸発散量を上回ります。陸地からの流出水は小川や川に流れ込み、海洋に排出され、地球規模の循環が完了します。^[5]水循環は、大気系が熱を上方に移動させる主要な役割を果たすため、表面での蒸発冷却によって大気に潜熱が提供されるという地球のエネルギー循環の重要な部分です。 ^[5]

水の利用可能性は、余分な熱がどこに行くかを決定する上で重要な役割を果たします。余分な熱は蒸発するか、気温の上昇に向かいます。水が利用できる場合（海洋や熱帯地方など）、余分な熱は主に蒸発に向かいます。水が利用できない場合（陸上の乾燥地域など）、余分な熱は気温の上昇に向かいます。^[6] また、大気の保水能力は気温の上昇に比例して増加します。これらの理由により、気温の上昇は北極（極増幅）と陸上で顕著ですが、海洋や熱帯地方では顕著ではありません。^[6]

いくつかの固有の特性は、水循環に突然の変化を引き起こす可能性がある。^{[7] : 1148}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のところ低いと考えられている。^{[7] : 72}

地球温暖化は気候システム内でのエネルギー循環の増加につながり、地球規模の水循環の変化を引き起こします。^{[8] [9]}これらには、まず第一に大気中の水蒸気圧の上昇が含まれます。これにより、降水パターンの頻度と強度の変化、および地下水と土壌水分の変化が発生します。総合すると、これらの変化はしばしば「水循環の激化と加速」と呼ばれます。^{[9] : xvii}影響を受ける主要なプロセスには、干ばつと洪水、熱帯低気圧、氷河の後退、積雪、氷の詰まりによる洪水、異常気象などがあります。

大気中の温室効果ガスの増加は、対流圏としても知られる下層大気の余分な加熱につながります。^[3]空気の飽和蒸気圧は温度とともに上昇するため、暖かい空気はより多くの水蒸気を含むことができます。陸地、海洋、氷の表面への熱伝達は、さらに蒸発を促進します。対流圏の水の量が増えると、より激しい降雨の可能性が高まります。^[10]

温度と飽和蒸気圧の関係はクラウジウス・クラペイロンの式で説明されており、温度が1℃上昇すると飽和圧力は7%増加するとしている。^{[4]これは、衛星、 [11]} ラジオゾンデ、地上観測所によって提供される対流圏水蒸気の測定値で確認できる。IPCC AR5は、過去40年間で対流圏水蒸気が3.5%増加したと結論付けており、これは観測された0.5℃の気温上昇と一致している。^[12]

水循環に対する人間の影響は、海洋表面の塩分濃度と海洋上の「降水量マイナス蒸発量（P-E）」パターンを分析することで観察できます。両方とも上昇しています。^{[7] : 85} 2012年に発表された、1950年から2000年までの海洋表面塩分濃度に基づく研究では、この期間中に塩分の多い地域では塩分濃度が高まり、淡水地域は淡水化が進むという地球規模の水循環の激化の予測が確認されています。^[13] IPCCは、熱帯および温帯低気圧の両方に関連する大雨事象、大気中の水分輸送、および大雨事象が激化する可能性が高いことを示しています。^[14]

気候モデルは水循環をあまりうまくシミュレートしません。^[15]理由の 1 つは、降水量は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ています。^[16]人々は「降水量」という用語を「降水量」と同じであるかのように使用する傾向があります。地球の降水パターンの変化を説明するときに実際に重要なのは、総量だけではありません。強度 (雨や雪の強さ)、頻度 (頻度)、期間 (長さ)、およびタイプ (雨か雪か) も関係します。^{[6] : 50}科学者は降水の特性を研究し、極端な場合には頻度と強度が重要であり、それらを気候モデルで計算することは困難であることを発見しました。^[15]

20世紀半ば以降、人為的な気候変動には地球規模の水循環の観測可能な変化が含まれています。^{[7] : 85} 2021年のIPCC第6次評価報告書では、これらの変化が地球レベルおよび地域レベルで大幅に拡大し続けると予測されています。^{[7] : 85}

報告書では、次のことも明らかにしている。陸上の降水量は1950年以降増加しており、1980年代以降は高緯度地域で増加率が高まっている。大気（特に対流圏）の水蒸気は少なくとも1980年代以降増加している。21世紀を通じて、地上気温の上昇により、陸上の年間降水量は増加すると予想される。^{[7] : 85}

気候が温暖化すると、極度に湿潤な現象や極度に乾燥した現象がより深刻になります。また、大気循環パターンが変化する可能性もあります。これは、これらの極端な現象が発生する地域と頻度に影響します。世界のほとんどの地域で、すべての気候変動シナリオにおいて、水循環の変動とそれに伴う極端な現象は、平均値の変化よりも急速に増加すると予想されます。^{[7] : 85}

2024年、世界気象機関は、気候変動により2023年の間に水循環が著しく不安定になり、降雨量の増加と干ばつの増加の両方を引き起こしたという報告書を発表しました。世界の河川は少なくとも過去30年で最も乾燥した年となり、ミシシッピ川、アマゾン川、ガンジス川、ブラマプトラ川、メコン川の流域など、世界の主要河川流域の多くが干上がりました。3年連続で、世界の集水域の50％以上で河川流量が通常より低かった。氷河は600ギガトン以上の水を失いました。これは過去50年間で最大の水損失です。これは、すべての氷河地域で氷が失われた2年連続でした。^{[18] [19]}

熱帯の海洋温暖化により、世界各地の地域的な気象パターンも変化している。インド太平洋の温水プールは、化石燃料の燃焼による炭素排出量の増加を主な原因として、ここ数十年で急速に温暖化し、拡大している。^[20]温水プールは、1900～1980年の2,200万km ²から、1981～2018年には4,000万km ²へと、ほぼ2倍に拡大した。^{[21]この温水プールの拡大により、熱帯地方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）のライフサイクルが変化し、世界の降雨パターンが変化した。

水循環のいくつかの特性は、水循環の突然の（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的から地球規模の変化が過去よりも急速に起こり、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、地表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」が起こる可能性があります。

例えば、大西洋南北循環（AMOC）の崩壊は、もし起こった場合、水循環に地域的な大きな影響を及ぼす可能性がある。^{[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}地表の変化に対する急激な水循環の反応も起こる可能性がある。アマゾンの森林伐採と乾燥、サハラ砂漠とサヘルの緑化、砂塵による干ばつの拡大はすべて、その一因となる可能性があるプロセスである。

このような水循環の急激な変化の可能性についての科学的理解はまだ明確ではありません。^{[7 ] : 1151}現在の科学的知識では、人間の活動による水循環の急激な変化は否定できない可能性です。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のところ低いと考えられています。^{[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し、熱塩循環パターンが変化する可能性があります。熱塩循環は、海の深部から冷たく栄養豊富な水を引き上げる役割を果たしており、このプロセスは湧昇と呼ばれます。^[22]

海水は淡水と塩分から成り、海水中の塩分濃度は塩分濃度と呼ばれます。塩分は蒸発しないため、淡水の降水と蒸発は塩分濃度に大きく影響します。そのため、水循環の変化は表面塩分測定ではっきりと確認でき、これは1930年代からすでに知られていました。^{[23] [24]}

表面塩分濃度を使用する利点は、過去 50 年間、たとえばARGOなどの現場測定システムによって十分に文書化されていることです。^[26]もう 1 つの利点は、海洋塩分濃度が非常に長い時間スケールで安定しているため、人為的な強制による小さな変化を追跡しやすくなることです。海洋塩分濃度は地球上で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。熱帯地域は降雨が優勢であるため、比較的淡水です。亜熱帯地域は蒸発が優勢であるため塩分濃度が高く、これらの地域は「砂漠緯度」としても知られています。^[26]極地に近い緯度は再び塩分濃度が低く、これらの地域では塩分濃度が最も低くなっています。これは、この地域での蒸発量が少なく、^[27]北極海に流入する淡水の融解水の量が多いためです。^[28]

長期観測記録は、この期間に地球全体の塩分パターンが増幅しているという明確な傾向を示しています。^{[29] [30]}これは、高塩分地域ではさらに塩分が高くなり、低塩分地域では塩分が低くなったことを意味します。高塩分地域では蒸発が主流であり、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ます。同じことが低塩分地域での塩分低下にも当てはまり、これは降水量がさらに激化していることを示しています。^{[26] [31]}この空間パターンは、蒸発量から降水量を引いた空間パターンに似ています。したがって、塩分パターンの増幅は、水循環が激化していることの間接的な証拠です。

海洋塩分と水循環の関係をさらに調査するために、モデルが現在の研究で大きな役割を果たしています。一般循環モデル（GCM）と、最近では大気海洋一般循環モデル（AOGCM）は、地球規模の循環と、水循環の激化などの変化の影響をシミュレートします。^[26]このようなモデルに基づく複数の研究の結果は、表面塩分の変化と、降水量から蒸発量を差し引いたパターンの増幅との関係を裏付けています。^{[26] [32]}

海洋の上位2000メートルにおける高塩分地域と低塩分地域の塩分濃度の差を捉える指標は、SC2000指標で捉えられている。^[23]この指標の観測された増加は、1960年から2017年にかけて5.2% (±0.6%) である。^[23]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%) 増加している。^[23]パターンの増幅は表面下では弱い。これは、海洋の温暖化により表層近く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ある。このため、表面増幅は古いモデルで予測されたよりも強くなる。^[33]

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、世界の海面塩分濃度を測定した。^{[34] [35]}

1994年から2006年の間に、衛星観測では世界の海洋への淡水流入量が18%増加したことが示されており、その原因の一部は特にグリーンランドの氷床の融解によるものであり^[36]、一部は世界の海洋蒸発量の増加による降水量の増加によるものである^{[37] 。}

水循環の重要な過程は、降水量と蒸発量である。局所的な降水量から蒸発量を引いた量（PE と表記されることが多い）は、水循環の局所的な影響を示す。PE の大きさの変化は、水循環の変化を示すためによく使用される。^{[23] [38]}しかし、降水量と蒸発量の変化に関する確固とした結論は複雑である。^[39]地球の蒸発の約 85%、降水量の 78% は、測定が困難な海面で発生する。^{[40] [41]}一方、降水量については、降水量を局所的に測定できる陸地表面（in-situと呼ばれる）でのみ、長期にわたる正確な観測記録がある。一方、蒸発には長期にわたる正確な観測記録が全くない。^[40]このため、産業革命以降の変化について確信を持って結論を出すことができない。IPCCの第5次評価報告書（AR5）は、あるテーマに関する利用可能な文献の概要を作成し、科学的理解に基づいてそのテーマにラベルを付けています。 1951年以前の降水量の変化については、データの不足のため、低い信頼性しか割り当てられておらず、 1951年以降の信頼性も中程度です。これらの変化は人間の影響によるものとされていますが、これも中程度の信頼性しかありません。^[42] 20世紀を通じて観測された地域的なモンスーンの降水量の変化は限られていました。これは、地球温暖化による増加が人為的エアロゾルの冷却効果によって中和されたためです。さまざまな地域気候モデルがモンスーンの降水量の変化を予測しており、減少する地域よりも増加する地域の方が多く予測されています。^[2]

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。^{[43]対流許容モデル（CPM）は、熱帯対流の日周サイクル、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適切に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。アフリカ全域の対流許容（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期に将来的に乾期の長さが増加すると示している。科学者は、対流のより正確な表現により、アフリカの湿潤極端現象と乾燥極端現象の両方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。^[44]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。^[45]

人為的な水循環の変化は水文学的変動を増加させ、水分野や投資決定に大きな影響を与えます。^[9]これらは、地域、流域、地方レベルでの水の利用可能性（水資源）、水供給、水需要、水の安全保障、水の配分に影響を及ぼします。 ^[9]

• 気候変動による海洋への影響
• 海水温