本文节选自美国国家研究理事会（NRC）发布的《时域地球——美国国家科学基金会地球科学十年愿景（2020-2030）》（A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time）第9个科学优先问题。
水循环对于所有的陆生生物至关重要，因而开展由人类活动和气候变化引起的水循环变化日益迫切。全球的陆地储水系统，特别是地下水含水层和包气带，是在几千甚至上百万年气候和构造演化的影响下形成的。人类社会的生产生活用水和废水处理（如提高油气采收率过程产生的水）均依赖于这些储水系统。地球科学在提高水循环过程及其与地球系统中其它物理、化学和生物过程相互作用的基本认知方面，具有重要作用（NRC, 2012; NASEM, 2018）。
气候变化对水循环的影响及其对人类文明的衍生影响促进了当代水文学的诞生与发展。其中，尤其令人关注的是气候变化如何影响干旱、洪水和火灾等极端事件的性质和发生频率，以及这些事件对人类的影响。随着可用开源模型和计算资源的增多，促进了模型在更大时空尺度下的应用（Wood et al., 2011; Bierkens et al., 2015）。特别地，未来十年，综合考虑了从含水层到大气层的这类更加接近实际条件的水文系统模型，将会得到越来越多地应用（Fan et al., 2019)。由于地下水流动是水循环中不可或缺的一部分，因此需要可靠地量化流经地表、浅部土壤和深部含水层之间的水通量。与此同时，流域或更大尺度上的生物地球化学研究，也亟需综合考虑水文和反应溶质运移的模型（Dwivedi et al., 2018; Li, 2019）。包括机器学习在内的数据融合和数据同化方法的进步，将是联合利用模型和数据的关键。
人类也逐渐认识到水循环和人类活动是密切相关的（Sivapalan et al., 2014; Sarojini et al., 2016）。因此，在水文模拟过程中综合考虑水文和人类系统愈加重要（NRC, 2012; Farhadi et al., 2016）。此外，未来食品和能源生产需要消耗大量的水，但水资源能否满足这一用水需求尚不明确（D’Odorico et al., 2018）。因此，有效解决模型的不足是满足科学和社会用水需求的关键（Givens et al., 2018; Lesmes et al., 2019）。
正在发生快速变化的高纬度和高海拔地区的地理学研究改变了水文学的认识。科学界和社会都想要了解不断减小的冰冻圈对水循环的影响（Williams et al., 2012; IPCC, 2019）。冰冻圈体积减小，例如冰川融化，可能会增加陆地其它储水系统的水储量（Liljedahl et al., 2017; Somers et al., 2019）。永冻土的融化促进了地表水和地下水的水量交换（Walvoord and Kurylyk, 2016; Evans and Ge, 2017），但关于冰冻圈变化对水循环的长期影响的研究尚处于起步阶段（图2-14）。目前对于永冻土区域水文特征的时空变化、融化的永冻土区域中水和生物地球化学通量的变化过程同样知之甚少。
在过去的十年中，用于测量水储量和水通量的新技术手段激增。新的地球物理方法揭示了降水和蒸腾作用对地下水流的影响（Voytek et al., 2019）。利用大地测量观测雪水和土壤水分含量方法的精度也在不断提高（Larson et al., 2008; McCreight et al., 2014; Koch et al., 2019）。传感器、微控制器和无线通信技术的进步也将继续促进水文观测系统的创新。太空观测对量化水循环不同部分的体积和时间变化将变得越来越重要。地下水动力学遥感表征的提高将有利于在更大的空间和深度尺度上研究水文系统。美国国家航空航天局GRACE卫星的观测结果帮助学界发现了推导的模型和基于太空观测的大陆水储存模型之间的差异，这可能暗示着模型在表征和气候强迫方面的缺陷（Scanlon et al., 2018)。在过去的十年中，美国航天局发射了各种卫星，分别重点关注降水（GPM），土壤湿度（SMAP）和地下水（GRACE-FO）等。此外，即将发射的卫星将重点关注地表水（SWOT）、地下水（GRACE2）和积雪（Deeb et al., 2017）。
由于其复杂性和重要性，水循环可以支持美国国家科学基金会（NSF）在基本知识发展领域的推进。这其中特别令人感兴趣的是整合十年尺度下的气候、浅海、全球水资源和人类过程。美国国家航空和宇航局（NASA）的地球观测卫星正在以惊人的速度产生新的观测数据，包括冰川和积雪、土地利用和土地覆盖、海平面和土壤湿度的变化等测量数据。地球科学部（EAR）和NASA可以考虑在水循环方面开展合作研究计划，可能的合作包括以应用和社会需求为重点的任务，以量化淡水储量的变化，并了解冰冻圈和陆地表面水流通量的动态变化。EAR的其他合作伙伴包括美国能源部（DOE）和美国地质调查局（USGS）等联邦机构，以及美国国家科学基金会（NSF）内的其他董事会和项目都对水循环有关的过程感兴趣（例如，SBE，ENG，生物科学局的环境生物学部， GEO的极地计划办公室，以及美国国家科学基金会（NSF）计算机与信息科学与工程局的内部智能系统及其他部门）。
图2-14 当前气候（左图）和未来变暖气候（右图）条件下永冻土区域的水循环潜在变化示意图。陆表的季节性融冻活跃层的厚度预计会随着气候变暖而增加。增厚的活跃层使高地内的水更多地流向下游的河流和湖泊中。当高地内来自冰川或积雪的水源减少，可能会使其内部的水流消失，进而导致高地变得干燥。图修改自USGS。
