本博客由UCS的Geeta G. Persad和斯坦福大学西部水的Tara Moran共同撰写。
塔拉·莫兰博士是斯坦福大学西部水资源可持续地下水项目的负责人
气候变化从根本上改变我们在美国西部管理水资源的方式第四次加州气候变化评估详细列出了加州水资源管理人员面临的许多压力。这份评估报告的一个关键结论是过去的气候状况并不能很好地代表该州未来的水资源状况加州需要更明智的策略来管理水资源。该州历史上赖以作为天然水库的积雪，预计到2100年将只剩下三分之一;高温会使土壤在一年中更快更早地干燥;随着大气变暖，已经在该州造成严重洪水的大气河流可能会携带更多的水分。所有这些都需要我们，在加州和其他地方，为我们的水资源未来规划的方式进行转变。
幸运的是，今天我们所掌握的科学为水资源管理人员和其他人制定应对气候条件变化的计划创造了机会。加州传统上依赖历史数据来推断未来的供水和洪水规划。然而，气候变化正在极大地改变我们的物理系统，历史数据已不能再用于准确预测降雪量、干旱或洪水的持续时间、强度和频率，以及许多其他影响水资源的气候条件。Cal-Adapt发布的新数据作为第四次加州气候变化评估的一部分(图1)提供了更高空间分辨率的气候预测，以更好地估计未来的气候变化和极端事件。将这些数据以及类似的数据纳入水资源管理规划中，可能会显著提高公共机构规划供水和需求变化、干旱和洪水的能力。然而，确保这些数据是根据现有的最佳科学来整合、解释和使用的，对于确保水资源管理者从应对气候变化的准备中获得最大利益至关重要。
来自Cal-Adapt的数据1|显示了气候模型预测的整个21世纪斯坦尼斯劳斯河6月份流量的减少。根据Cal-Adapt.org的数据。
在这篇博客中，我们将在管理加州气候规划的背景下介绍一些最佳实践最重要的供水系统:地下水。这建立在我们2017年白皮书的基础上。”导航信息洪流:评估并将气候科学整合到加利福尼亚州地下水规划中由忧思科学家联盟(Union of C188金宝博oncerned Scientists)和斯坦福大学的西部水项目(Water in the West)共同出版。截止日期还有不到一年的时间根据加州具有里程碑意义的《可持续地下水管理法》(SGMA)提交第一轮地下水管理计划，许多水资源管理者正在努力将气候科学纳入地下水管理规划。
加州可持续地下水管理法案中的气候变化
2014年9月，州长杰里·布朗签署了《可持续地下水管理法》。
SGMA，为将气候变化纳入水资源规划提供了一个关键机会。不仅地下水在干燥的季节起到“缓冲”的作用在美国，地下水含水层可以在洪水期间储存大量的水，随着加州经历越来越多的极端事件，这一点变得越来越重要。SGMA提供了一个激励地下水盆地灵活管理的全州框架，部分原因是它认识到气候变化将对加州水管理产生的影响，并要求水管理人员纳入这些影响。
气候变化被明确或含蓄地纳入了SGMA。SGMA明确要求管理地下水的地方机构，即地下水可持续发展机构(GSAs)，使用地下水和地表水数值模型或“同样有效的方法、工具或分析模型”(23加州法规(CCR) 23§§345.18(c)(3)和345.18(e))．气候变化也隐含在法例中地下水可持续性的定义中，该法例要求地下水管理在50年的规划和实施范围内具有可持续性(加州水法(CWC)§10727.2(c))．在这50年的窗口期内，气候变化将继续改变全球卫星导航系统的运行条件。因此，无法将气候变化分析纳入规划决策并随着时间的推移调整决策的政府部门可能会发现自己准备不足。
这些立法要求为gsa提供了一个机会，使其能够了解气候变化，并将其纳入其地下水可持续发展计划(GSPs)，以确保其流域能够适应未来日益增加的水不稳定性。然而，这个过程是具有挑战性的。分析18备选方案在SGMA下提交给水资源部的报告强调了将气候变化纳入规划过程的一些挑战。11个计划在数量上纳入了气候变化。然而，这些(6)中的大多数都集中在气候变化的一个方面(图2)。例如，多个计划都集中在海平面上升上，但没有考虑SGMA要求的其他气候变量，如变化的水供应、水需求和水文。五项计划没有提到气候变化。
图2|根据2015年可持续地下水管理法提交给加州水资源部的地下水可持续性替代计划中的气候变化分析摘要。
这些初步数字表明，管理地下水的机构对气候变化的风险没有同等的认识，也没有采取一致的方法将气候信息纳入规划过程。此外，对备选计划的分析强调了正在进行的气候分析与有助于保护地下水资源免受气候风险影响的实际管理行动之间的脱节。gsa认识到气候变化是其各自流域可持续管理的一个问题，但正在努力确定如何将其有意意义地纳入其规划过程。
帮助各机构将气候变化纳入其地下水可持续发展计划
在实施SGMA的过程中，有一件事已经变得清晰起来——受SGMA约束的每个地下水流域都有不同的可持续性方法，这取决于当地条件、数据、资源和许多其他因素。因此，每个GSA将通过实施一套独特的项目和管理行动来实现地下水的可持续性。例如，许多盆地目前正在开发额外的补给能力，并研究保护计划，以分别增加供应和限制总需求。根据个人管理行动量身定制气候分析将确保这些行动规划的辛勤工作和投资从长远来看将带来预期的效益。
2017年白皮书，我们制定了一个评估框架，旨在帮助gsa做到这一点。该框架引导gsa走过四个主要步骤(图3):
- 确定管理目标。机构应该采取的第一步是确定他们的管理目标——例如，诸如保护目标、开发新水源或投资增加补给等倡议。这些信息将为支持这些目标所需的气候分析类型提供信息。
- 评估现有的气候变化信息。第二步是了解现有的气候数据。该框架提供信息，以帮助各机构了解气候数据的组成部分，评估现有数据是否适合其管理目标，并确定可能需要新数据或分析的空白。
- 选择适当的气候变化信息。第三步是将机构的管理目标与收集到的有关现有气候数据的信息联系起来。将管理目标与气候数据联系起来，使管理机构能够选择适合其应用的数据和分析。例如，各机构将考虑现有的气候数据和拟议的分析是否与适合特定应用的风险承受能力水平相匹配，以及它们是否捕捉到了气候变化的相关影响。
- 压力测试管理目标。这最后一步确保各机构了解可能导致其管理目标失败的气候条件，以便他们了解失败的可能性和潜在的警告信号，并能据此制定计划。
图3|将气候变化分析纳入地下水管理规划的框架(改编自Christian-Smith等，2017)。
根据管理目标量身定制气候变化信息
任何气候变化分析的核心问题都应该是，“正在进行的分析是否与正在进行的水管理活动或项目的风险、成本、寿命等相称?”易于调整且间接费用最低的管理战略可能不需要进行广泛的气候变化分析。然而，高风险、高成本的基础设施项目不能迅速适应不断变化的气候条件，可能需要进行彻底的气候变化分析。通过上述思考过程，水管理者可以确保他们所进行的气候分析适合于其流域正在进行的水管理行动。
为了说明为什么各机构需要根据当前的管理目标来调整其对气候变化信息的使用，我们提供了两个管理行动的例子，GSA可能会采取这些行动来实现地下水的可持续性:制定保护目标和建立补给盆地。
像保护目标这样的管理行动——例如，一个盆地的目标是在未来20年内减少25%的用水量——是相当灵活的。该目标的有效性最有可能受到盆地年平均条件的影响，而不是特定类型的短期极端气候事件。目标也可以随着条件的变化而调整。对于这类项目，气候变化对年度平均水预算的中位数可能会充分说明气候变化可能如何影响目标的有效性。即使是像保护目标这样灵活的管理行动，对于机构来说，“压力测试”在极端气候变化情况下需要如何修改其计划目标可能也是有用的。这样做将为机构提供足够的信息，以便与利益相关者沟通，并制定应急计划，以便在极端情况发生之前适应它们。
科切拉河谷水区托马斯E. Level地下水补给设施的交付点。
与此同时，像建设一个新的补给盆地这样的管理行动，需要广泛的规划、许可、劳动力和资本成本。一旦决定了项目的运输方式、位置和能力，在没有大量额外成本的情况下，就很难对其进行修改。与保护目标或其他管理行动相比，补给设施还受到气候变化的不同方面的影响。一个补给盆地的有效性，依靠转移，过量的洪水来补给地下含水层，将取决于极端洪水事件的频率，位置和数量。了解极端洪水事件在项目50年的生命周期中可能发生的变化，可能会极大地改变项目的设计规范或整体价值。该评估需要关于气候变化如何影响最大日降雨量、径流率和其他气候变量的信息，而不是年平均降雨量。补给盆地等已建成项目的相对不灵活性也使得评估项目在极端气候变化条件下面对最极端类型的这些事件时如何表现，以避免代价高昂的失败或报废变得更加重要。
关于气候变化数据，各机构应该了解些什么?
正如上面的例子所示，根据管理目标调整气候变化信息对于获得智能气候规划的好处至关重要。但这需要理解这些信息是如何产生的，以及它包含什么内容，因为我们将详细列出我们的白皮书。
关于盆地可能面临的未来气候状况的大部分信息和数据来自全球气候模式产生的气候预测，这些模式基本上是气候系统物理的数值表示。为了做出未来的气候预测，全球气候模型使用了未来气候变暖排放可能是多少的情景。因为我们不知道社会会做出什么样的选择来影响温室气体排放，所以我们使用了一系列未来可能的排放情景。其中一些情景会产生更严重的气候变化，而另一些则会产生不那么严重的气候变化。
由模式输出的未来气候预测数据将具有一定的空间分辨率(气候模式输出的网格类似于组成图像的像素)，以及提供未来气候条件的特征时间频率(例如每小时、每年或每月)。
当数据从全球气候模型中出来时，它的网格化规模要大得多(例如整个加利福尼亚州有12个网格框)，而不是流域范围甚至是全州范围的水文模型所需要的。这些不同网格大小之间的转换是通过一个称为降尺度的过程完成的(即缩小全球气候模型的网格以与水文模型的网格兼容)。降尺度可以通过不同的方式进行，每种方式都会对预测的气候条件引入不同的偏差，这些气候条件最终将作为水文模型的输入。
当GSAs为特定应用评估和选择气候信息时，他们可能会问以下一些问题:
- 气候数据的空间分辨率是多少?它是否足以满足我的申请或目标?它能告诉我关于我的盆足够多的信息来做出明智的决定吗?
- 使用了什么降尺度技术?它是否保留了与我的管理目标有关的原始气候模式预测的气候影响类型?
- 包括哪些气候变量，如降水或温度?它们是否捕捉到了对我的管理目标很重要的气候变化方面?
- 用于生成气候数据的未来排放情景是什么?它们是否跨越了潜在气候变化严重程度的范围，与适合我使用的风险承受能力相匹配?
- 如何捕捉不确定性?我是否对气候模型进行了足够范围的采样，以捕捉气候变化可能演变的方式，以应对给定的未来排放情景?
- 如何将气候数据纳入水文模型?水文模型的设计是否包含了我所关心的气候数据的所有方面?
提出这些问题，尽管它们可能需要与新概念作斗争，但将有助于水资源管理者从他们的气候规划中获得最大利益。我们的白皮书提供解释和选择气候数据以及将气候变化纳入可持续地下水管理的最佳实践的额外背景。
充分利用气候变化规划
了解气候科学并将其纳入水资源规划可以帮助水资源管理者充分利用不断变化的条件。然而，这样做需要水资源管理人员和气候科学家共同努力，以了解水资源管理目标，并根据这些目标调整气候数据。在对昂贵的基础设施项目和管理行动进行投资之前，政府部门应仔细考虑从气候分析中获得的信息将如何影响其管理决策。此外，气候变化分析应与管理行动的风险、成本和寿命相称。随着气候变化的进展，以及我们对科学和风险的理解的增加，在规划过程中建立灵活性和迭代也将带来好处。总而言之，气候变化规划不仅需要纳入水资源预算，还需要纳入个人管理行动，以确保其恢复力和长期可行性。这样做将有助于确保水资源管理机构正在制定行动和项目，在气候变化的未来继续为加州人提供重要的水资源。