以下文章经许可转载自 The Conversation，这是一个报道最新研究的在线出版物。
北美五大湖蕴藏着约占全球地表淡水五分之一的水量。5月份，伊利湖和苏必利尔湖的水位创下新的历史纪录，并且安大略湖发生了大范围洪水，这已经是三年内的第二次。这些事件与北美中部大部分地区持续降水和严重洪水同时发生。
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就在2013年，五大湖中大多数湖泊的水位还非常低。当时，一些专家提出，气候变化以及其他人类活动，如航道疏浚和引水，将导致水位持续下降。这种情况引发了严重关切。超过 3000 万人居住在五大湖流域内，许多人直接依赖湖泊获取饮用水、工业用水、商业航运和娱乐。
但自2014年以来，问题变成了水太多，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、家庭流离失所和春季作物种植延误。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，同时呼吁在气候变化背景下做出更好的规划决策。
作为水文学和气候科学方面的研究专家，我们认为五大湖极端高水位和低水位之间的快速转换代表着“新常态”。我们的观点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。降水增加、反复出现高蒸发期的威胁，以及常规和异常气候事件（如极端寒潮爆发）的结合，正将该地区推向未知领域。
计算湖泊的水量平衡
目前五大湖的水位正在创下纪录。苏必利尔湖是地球上表面积最大的淡水湖，其 5 月份的纪录为 602.82 英尺，目前已超过该纪录，并有望创下 6 月份的新纪录。伊利湖是世界第九大湖泊（按表面积计），它不仅超过了 5 月份的纪录水位，还超过了 574.28 英尺的历史月度水位纪录，该纪录自 1986 年 6 月以来一直保持着。
这些极端情况是由于五大湖水量平衡的变化造成的——即水流入和流出湖泊的运动。湖泊水位随时间波动，主要受三个因素影响：湖泊上空的降雨和降雪、湖泊上空的蒸发以及来自周围陆地通过支流和河流流入每个湖泊的径流。径流直接受到陆地降水、积雪和土壤湿度的影响。
冬季五大湖周围积雪融化的径流，如图所示为 2019 年 3 月 25 日，是湖泊水量平衡的一个要素。图片来源：NASA 地球观测站
这些因素之间的相互作用驱动了五大湖中每个湖泊蓄水量的变化。例如，在 20 世纪 90 年代末，苏必利尔湖和密歇根-休伦湖的表面水温上升了约 2 摄氏度。水温较高时蒸发速度更快，在此期间，蒸发率比年平均水平高出近 30%。密歇根-休伦湖的水位降至有史以来的最低水平。
然后在 2014 年，中西部地区经历了非同寻常的寒潮爆发，被广泛称为“极地涡旋”。湖泊结冰，蒸发率下降。结果，水位猛涨。
大约在同一时间，降水量也在增加。2017 年安大略湖洪水发生在安大略湖和圣劳伦斯河流域春季陆地极端降水之后。2019 年的洪水紧随美国历史上最潮湿的冬季之后。
这些趋势对水位意味着什么？除了目前创纪录的高水位开始出现之外，伊利湖的水位在春季上升得更早，在秋季下降得更早。冬季降水增多，通常以降雪的形式出现。由于气温升高和冬季缩短，积雪融化得更早。由此产生的径流在 2019 年这样春季降雨量大的年份被放大。这种水文事件组合的净效应是，伊利湖目前的水位远高于往年同期水平。
今晚，伊利湖西部沿岸发生了严重的湖岸洪水和侵蚀。#伊利湖 今晚水位将达到最高。这是未知领域，水位接近历史最高水平。请通过分享您的洪水图片和报告来帮助 @NWSCLE！#OHwx #CLEwx #Toledo #NWS #五大湖 pic.twitter.com/qH7Wx1cANZ
— NWS 克利夫兰 (@NWSCLE) 2019年5月8日
气候变化的作用
五大湖的水位过去也曾发生过变化，那么我们如何知道气候变化是否是现在正在发生的变化的一个因素呢？
冬季和春季降水增加与变暖的大气可以输送更多水蒸气的事实相符。将水从蒸气转化为液体和冰会释放能量。因此，大气水分增加会导致极端事件期间降水增多。也就是说，当天气模式潮湿时，它们会非常潮湿。
2019 年 5 月 28 日，纽约州安大略湖岸线沿线的洪水。
融雪和径流季节性周期的变化与气候变化背景下春季来临较早的事实相符。气候模型预测，这种趋势将继续下去。同样，湖泊温度升高会导致蒸发量增加。当天气模式干燥时，这会导致湖泊水位下降。
潮湿和干燥时期受风暴路径的影响，而风暴路径与厄尔尼诺现象等全球尺度过程有关。同样，寒潮爆发与北极涛动以及极地急流的相关变化有关。这些全球模式通常对五大湖天气产生间接影响。随着地球变暖，这些关系将如何变化尚不确定。
改进预测的工具
五大湖和中西部上游地区天气和供水条件的快速变化已经对水资源管理政策、工程基础设施和人类行为提出了挑战。毫无疑问，我们正在五大湖地区观察到气候变暖的影响，但仍有许多问题有待解答。
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五大湖州的大部分土壤都非常潮湿。例如，在第 99 百分位区域，土壤湿度高于整个历史记录的 98%。图片来源：NOAA
五大湖共同构成了一个关键的水资源。政府机构和天气预报员需要新的工具来评估未来气候条件可能如何影响五大湖的水量平衡和水位，以及能够捕捉变化条件的更好的短期预报。
创新技术，例如将来自积雪和土壤湿度地图的信息纳入季节性供水预报，可以帮助全面了解水量平衡的状况。更重要的一点是，五大湖周围过去的状况不是对未来决策的可靠依据。
本文最初发表于 The Conversation。阅读 原文。