气候变化正在推动五大湖区高水位和低水位之间的快速转变

北美五大湖约占世界地表淡水的五分之一。今年五月,新的高水位记录被设置在伊利湖和高级,并出现了洪水泛滥安大略湖为在三年内第二次。这些事件与北美中部大部分地区的持续降水和严重洪水相吻合。

气候变化正在推动五大湖区高水位和低水位之间的快速转变

就在2013年,大多数五大湖的水位都非常低。当时一些专家提出,气候变化以及渠道疏浚和引水等其他人为行动将导致水位继续下降。这种情况引发了严重的担忧。超过3000万人生活在五大湖流域,许多人直接依赖湖泊饮用水,工业用途,商业运输和娱乐。

但自2014年以来,问题一直是水太多,而不是太少。高水位对该地区构成了同样多的挑战,包括海岸线侵蚀,财产损失,家庭流离失所以及种植春季作物的延误。纽约州州长安德鲁库莫最近宣布进入紧急状态以应对安大略湖周围的洪水,同时呼吁根据气候变化做出更好的规划决策。

作为专门研究水文和气候科学的研究人员,我们认为五大湖极端高水位和低水位之间的快速转变代表了“新常态”。我们的观点是基于全球气候变率与区域水文循环组成部分之间的相互作用。降雨增加,经常出现高蒸发时期的威胁,以及常规和异常气候事件的组合 - 例如极端冷空气爆发 - 使该地区处于未知领域。

苏必利尔湖和伊利湖最近的月水位(黑点)。蓝色条形是每个日历月的最高记录,黑条是历史最低点。为清楚起见,2019年5月的水位显示为红色条。图片来源:使用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)大湖环境研究实验室(GLERL)维护的在线Great Lakes仪表板(https://www.glerl.noaa.gov/data/dashboard/GLD.html)开发的图像和密歇根大学大湖研究合作研究所(CIGLR),CC BY-ND

计算湖泊的水资源预算

目前五大湖的水位正在创下历史记录。苏必利尔湖是地球表面积最大的淡水湖,超过了5月份602.82英尺的记录,并有望创造6月份的新纪录。伊利湖是世界上第九大水面湖,不仅超过了5月创纪录的水位,而且还超过了自1986年6月以来的574.28英尺的历史月水位记录。

这些极端事件源于五大湖水资源预算的变化 - 水进出湖泊的运动。湖泊上的水位随着时间的推移而波动,主要受三个因素的影响:湖泊上的降雨和降雪,湖泊的蒸发以及从周围的陆地通过支流和河流进入每个湖泊的径流。径流直接受陆地降水,积雪和土壤湿度的影响。

这些因素之间的相互作用推动了每个大湖区储存的水量的变化。例如,在20世纪90年代末,苏必利尔湖和密歇根 - 休伦的地表水温上升了大约2摄氏度。水温较高时蒸发速度更快,在此期间蒸发速率比年平均水平高近30%。密歇根湖 - 休伦湖的水位降至历史最低水平。

然后在2014年,中西部经历了一次非同寻常的冷空气爆发,被广泛称为“极地涡旋”。湖泊冻结,蒸发率下降。结果,水位飙升。

几乎在同一时间,降水量正在增加。2017年安大略湖洪水发生在安大略湖和圣劳伦斯河流域的极端陆地降水之后。2019年的洪水是历史上最潮湿的美国冬季。

这些趋势对水位意味着什么?除了目前创纪录的高点之外,伊利湖的水位在春季早些时候上升,在秋季早些时候下降。更多的冬季降水正在下降,通常是雪。由于气温上升和冬季较短,积雪较早融化。由此产生的径流随后在2019年被放大,春季降雨量大。这种水文事件组合的净效应是伊利湖目前的水位远高于一年中的这个时间。

气候变化的作用

大湖水位在过去有所不同,那么我们如何知道气候变化是否是现在发生的变化的一个因素?

冬季和春季的降水增加与变暖的大气可以输送更多的水蒸气这一事实是一致的。将水从蒸汽转换为液体和冰释放能量。结果,增加的大气湿度导致极端事件期间更多的降水。也就是说,当天气模式潮湿时,它们非常潮湿。

2019年5月28日,安大略湖沿岸的纽约州洪水泛滥。

融雪和径流的季节性周期的变化与春季在气候变化中更早出现的事实相一致。气候模型预测这一趋势将持续下去。同样,湖水温度上升也会导致蒸发量增加。当天气模式干燥时,这会产生较低的湖泊水位。

潮湿和干燥时期受到风暴轨道的影响,风暴轨道与厄尔尼诺现象等全球规模的过程有关。同样,冷空气爆发与北极涛动和极地急流的相关变化有关。这些全球模式往往对大湖天气产生间接影响。当地球变暖时,这些关系将如何变化尚不确定。

更好预测的工具

大湖区和中西部上游的天气和供水条件的快速变化已经在挑战水管理政策,工程基础设施和人类行为。毫无疑问,我们正在观察五大湖气候变暖的影响,但仍有许多问题需要解答。

大湖区是一个重要的水资源。政府机构和天气预报员需要新工具来评估未来气候条件如何影响大湖水域预算和水位,以及更好的短期预测,以捕捉不断变化的条件。

创新技术,例如将雪和土壤湿度图中的信息纳入季节性供水预报,可以帮助全面了解水资源预算的情况。更重要的一点是,五大湖周围的过去状况不是决定未来的可靠依据。