Review: The projected hydrologic cycle under the scenario of 936 ppm CO₂ in 2100

Abstract

A host of environmental consequences will result from global warming, but arguably, the effect on water resources is one of the most consequential. This paper synthesizes results of published modeling studies that examined the groundwater system and hydrologic cycle under the Representative Concentration Pathway (RCP) 8.5 scenario (CO₂ at 936-ppm level at year 2100). Natural replenishment of groundwater occurs predominantly from infiltration of precipitation and surface impoundments. Therefore, the first stage of the study was to review a changed hydrologic cycle under RCP 8.5 in terms of influence from (1) precipitation, evapotranspiration, and soil moisture; (2) surface water and its interaction with groundwater; (3) extreme hydrologic events, and (4) teleconnection patterns. The general pattern of climate impact on groundwater resources follows the precipitation pattern with depletion in tropical and/or subtropical regions and with increase in the high-latitude regions of the Northern and Southern Hemispheres. However, regional variability also corresponds to the heterogenous impact of climate changes on regional distribution of precipitation and evapotranspiration, localized interaction between surface water and groundwater, and distances from the oceans with rising sea level. The decline of the water table in many areas may seriously reduce irrigated crop production and adversely impact groundwater-dependent ecosystems. Relatively fewer studies have been conducted on climate-change impacts on groundwater resources compared to surface-water systems, and the uncertainties on the recharge estimates are large. There appears to be an urgent need for including groundwater systems in climate impact assessment and in climate mitigation strategies.

Résumé

Une foule de conséquences environnementales résultera du réchauffement global, mais sans doute l’effet sur les ressources en eau sera l’un des plus conséquents. Le présent article fait la synthèse du résultat des études de modélisation publiées qui examinent le système hydrogéologique et le cycle hydrologique dans le scénario 8.5 de la Voie de Concentration Représentative (VCR) (CO₂ de 936 ppm en 2100). La réalimentation naturelle des eaux souterraines se produit principalement par infiltration de la pluie et les retenues de surface. Ainsi, la première étape de l’étude a consisté à réexaminer un cycle hydrologique modifié dans le scénario 8.5 de VCR, en termes d’influence (1) des précipitations, de l’évapotranspiration et de l’humidité des sols; (2) de l’eau de surface et de son interaction avec les eaux souterraines; (3) des évènements hydrologiques extrêmes et (4) des configurations de téléconnexion. Le modèle général d’impact du climat sur les ressources en eaux souterraines suit le modèle des précipitations, avec une diminution dans les régions tropicales et/ou subtropicales et une augmentation dans les régions de latitude élevée des hémisphères Nord et Sud. Cependant, la variabilité régionale correspond aussi à l’impact hétérogène du changement climatique sur la distribution régionale des précipitations et de l’évapotranspiration, l’interaction entre les eaux de surfaces et les eaux souterraines à l’échelle locale, et les distances aux océans dont le niveau est. en élévation. La baisse de la surface piézométrique dans beaucoup de régions peut sérieusement réduire la production des cultures irriguées et impacter défavorablement les écosystèmes qui dépendent des eaux souterraines. Relativement moins d’études ont été réalisées sur les impacts du changement climatique sur les ressources en eau souterraine que sur les systèmes d’eau de surface, et les incertitudes sur les estimations de la recharge sont importantes. Il semble y avoir un besoin urgent d’intégrer les systèmes hydrogéologiques dans l’évaluation des impacts climatiques et dans les stratégies d’atténuation du climat.

Resumen

El calentamiento global provocará una serie de consecuencias medioambientales, pero podría decirse que el efecto sobre los recursos hídricos es uno de los más importantes. Este documento sintetiza los resultados de los estudios de modelado publicados que examinaron el sistema de agua subterránea y el ciclo hidrológico en el escenario de Trayectorias de Concentraciones Representativas (RCP) 8.5 (CO₂ a nivel de 936 ppm en el año 2100). La reposición natural de las aguas subterráneas se produce predominantemente por infiltración de precipitaciones y embalses superficiales. Por lo tanto, la primera etapa del estudio fue revisar un ciclo hidrológico modificado bajo RCP 8.5 en términos de influencia de (1) precipitación, evapotranspiración y humedad del suelo; (2) agua superficial y su interacción con aguas subterráneas; (3) eventos hidrológicos extremos, y (4) patrones de teleconexión. El patrón general de impacto climático en los recursos de agua subterránea sigue el patrón de precipitación con disminución en las regiones tropicales y/o subtropicales y con el aumento en las regiones de alta latitud de los hemisferios norte y sur. Sin embargo, la variabilidad regional también corresponde al impacto heterogéneo de los cambios climáticos en la distribución regional de la precipitación y la evapotranspiración, la interacción localizada entre las aguas superficiales y subterráneas, y las distancias desde los océanos con el aumento del nivel del mar. El descenso del nivel freático en muchas áreas puede reducir seriamente la producción de cultivos de regadío y afectar negativamente los ecosistemas dependientes del agua subterránea. Se han realizado relativamente menos estudios sobre los impactos del cambio climático en los recursos de aguas subterráneas en comparación con los sistemas de aguas superficiales, y las incertidumbres en las estimaciones de recarga son grandes. Parece haber una necesidad urgente de incluir sistemas de aguas subterráneas en la evaluación del impacto climático y en las estrategias de mitigación del cambio climático.

摘要

许多环境影响来自于全球变暖,但是对水资源的影响是最重要的影响之一。本文综述了所发表的模拟研究成果,这些研究成果检验了代表性浓度途径8.5的情况(2100年CO₂处在936-ppm水平)下的地下水系统和水文循环。地下水的天然补给主要为降水和地表蓄水的入渗。因此,研究的第一阶段就是根据(1)降水、蒸发蒸腾和土壤水分;(2)地表水及其与地下水相互作用;(3)极端的水文事件;(4)远程并置对比模式论述了代表性浓度途径8.5情况下变化的水文循环。气候对地下水资源的影响模式一般遵循北半球和南半球热带和/或亚热带地区损耗、高纬度地区增加的降水模式。然而,区域变化性还和气候变化对降水和蒸发蒸腾的异质影响、小范围的地表水和地下水相互作用以及距离海平面升起的海洋距离相一致。许多地区的水位下降可引起严重的灌溉作物减产,对依赖于地下水的生态系统带来不利影响。相对于地表水系统,对气候变化对地下水资源的影响研究的相对较少,补给估算值的不确定性很大。似乎迫切需要在气候影响评价中以及在气候缓解策略中包括地下水系统。

Resumo

Uma série de consequências ambientais resultará do aquecimento global, mas, sem dúvida, o efeito sobre os recursos hídricos é um dos mais consequentes. Este artigo sintetiza os resultados de estudos de modelagem publicados que examinaram o sistema de águas subterrâneas e o ciclo hidrológico no cenário RPC (Via de Concentração Representativa - Representative Concentration Pathway) 8.5 (CO2 a 936 ppm no ano 2100). O reabastecimento natural das águas subterrâneas ocorre predominantemente pela infiltração de represamentos de precipitação e de superfície. Portanto, a primeira etapa do estudo foi revisar um ciclo hidrológico modificado sob a RCP 8.5 em termos de influência de (1) precipitação, evapotranspiração e umidade do solo; (2) águas superficiais e sua interação com as águas subterrâneas; (3) eventos hidrológicos extremos e (4) padrões de teleconexão. O padrão geral de impacto climático sobre os recursos hídricos subterrâneos segue o padrão de precipitação com depleção em regiões tropicais e/ou subtropicais e com aumento nas regiões de alta latitude dos hemisférios norte e sul. No entanto, a variabilidade regional também corresponde ao impacto heterogêneo das mudanças climáticas na distribuição regional de precipitação e evapotranspiração, interação localizada entre águas superficiais e subterrâneas e distâncias dos oceanos com o aumento do nível do mar. O declínio do lençol freático em muitas áreas pode reduzir seriamente a produção de culturas irrigadas e afetar adversamente os ecossistemas dependentes das águas subterrâneas. Relativamente menos estudos foram realizados sobre os impactos da mudança climática nos recursos hídricos subterrâneos em comparação com os sistemas de águas superficiais, e as incertezas sobre as estimativas de recarga são grandes. Parece haver uma necessidade urgente de incluir sistemas de água subterrânea na avaliação do impacto climático e nas estratégias de mitigação do clima.