作者：ChristaD.Peters-Lidard（NASA戈达德空间飞行中心）,FaisalHossain（华盛顿大学）,L.RubyLeung（美国西北太平洋国家实验室）,NateMcDowell（美国西北太平洋国家实验室）,MatthewRodell（NASA戈达德空间飞行中心）,FranciscoJ.Tapiador（西班牙卡斯蒂利亚-拉曼恰大学）,F.JoeTurk（加州理工学院）,AndrewWood（NCAR）?

　　编译：贾朋群李婧华

　　摘要：本章聚焦过去100年水文学进步。这一时期出现了从实用工程水文向水文科学基础研究的显著转变，包括了对地球系统科学的贡献。本章前3节回顾理论、观测和水文预报进展。在此基础上，讨论了全球水文、陆地-大气相互作用和耦合、生态水文学和水管理等主题，同时对出现的挑战和未来方向给出建议总结。尽管评述力争全面，但对于美国气象学会（AMS）文集的读者来说，本章还是在地表水文学和水文气象阐述更全面些。

　　1引言:从工程到水文科学

　　古代文明沿着尼罗河、底格里斯河-幼发拉底河、印度河和黄河流传开来并非偶然——这些地方邻近饮用水、更加卫生，以及农业和航行带来更富裕的生活。这些文明刚刚建立，就开始了对水的测量和管理，包括建设控制洪水的水坝、收集河水水位信息和挖掘灌溉渠道等（NoamanandElQuosy,2017;Harrower,2008;Chandra,1990）。有证据表明，这些文明意识到了水文循环的概念，包括降水通过渗透是地下水补给之源和太阳辐射在蒸发中的作用等（Chow,1964;Chandra,1990）。正如BakerandHorton（1936）所总结的，古代哲学家亚里士多德、维特鲁威和奥维德都提出了不同的泉水和河流起源理论，直到塞内卡人在其《自然问题》中描述了“水的形式”。

　　这些思想很多保留到了文艺复兴，列奥纳多·达·芬奇（ca.1500）用假设驱动的科学对水文过程进行了分类，包括了水文循环（Pfisteretal.2009）。差不多200年后的16和17世纪科学革命期间，法国作家PierrePerrault最先采用量化方法认识水文循环的结构（Deming,2014）。在英格兰，天文学家哈雷也研究了水文循环。然而，法国科学院成员EdmeMariotte最早量化展示了水文基本概念，表明降水和渗透最终组成了径流（Deming,2017）。Mariotte还对流体静力学做出了基础性贡献并应用于凡尔赛水供给工程中。显然，从古代到科学革命，广泛的观测和支持水管理知识验证等活动，不时带来水文科学的进步。

　　为了满足洪水设计、土地和森林管理以及提升经济有效性，国家政府建立了观测和分析降水项目。在美国，这项功能由美国天气局实施，该局于1970年成为国家气象局（NWS）。天气局开展降水分析以支持道路建设和排水沟及水坝这样的工程设施设计。例如，自19世纪后期以来，民用工程使用所谓国家方法（Kuichling,1889）进行道路排水设计。

　　美国农业部（USDA）自然资源保护局（NRCS；之前的土地保护局,SCS）的一个相关方法，被称为SCS径流弯曲数方法（Mockus,1972）也可以用。这些方法依赖于给定重现期和持续期已知强度的“设计风暴”。在美国，设计风暴强度用类似图1下方的强度-持续期-频率信息获得，该信息基于天气局技术档案-40（Hershfield,1961a）得到。典型的重现期时间依据道路的重要性包括25、50或100年。直到今天，这种降水分析支撑着重要的建筑，比如滞留地、道路、桥梁和水坝，而这些图NWS也持续进行定期更新（例如,Bonninetal.2006）。

　　本章关注过去100年水文学进步。与任何试图追踪某领域一个世纪里的进步一样，要做到每个分支都面面俱到几乎没有可能。但是，为了让本文评述的范围与这本美国气象学会（AMS）文集和读者的期待接近，本文更多关注地表过程、上方的大气和陆地-大气界面相互作用的理论基础。过去100年里，发生了显著的转变，这些改变通过水文科学基本进步促进了水文学实际应用，包括对地球系统科学的贡献（Sivapalan,2017）。正如最早被Chow（1964）所描述，后来由SivapalanandBl?schl（2017）指出和拓展，并在图2中所展示的，水文学在经验时代（1910—1930年）取得了最初的进步，再到理性时代（1930—1950年）和系统时代（1950—1970年）。这些时期之后是过程时代（1970—1990年）、系统时代（1990—2010年）并最终到目前的共同演化时代（2010—2030年）。如图中所注，网络基础、实验流域、业务研究、高性能计算、遥感和大数据在推动水文学认知。在AMS成立时，只有一本期刊——《每月天气评论》（MWR）——作为AMS同仁水文学成果的出口。该时期最初数十年（1919—1959年，经验到理性时代），MWR文章反映了从经验观测到定量水文学的出现（将在随后第2节中讨论）。例子包括洪水讨论（Henry,1919;Henry1928;Nagler,1933）、降雨-径流关系（Fischer,1919;Shuman,1929;Zoch,1934），甚至基于积雪的季节降水预报的可能性（Monson,1934）。后来，MWR文章（1960—2000年；系统到过程和地学时代）较少关注基础水文学，部分原因是水文学期刊的出现，包括《水文科学杂志》（HydrologicalSciencesJournal，1956年创刊）、《水文学杂志》（JournalofHydrology，1963年创刊）和AGU的《水资源研究》（WaterResourcesResearch，WRR；1965年3月创刊）。这一时期MWR文章反映的水文学改变的另一个因子，与1962年《应用气象杂志》（JournalofAppliedMeteorology，JAM）的创刊使得水文气象和水文气候出现有关，后者在2000年《水文气象杂志》（JournalofHydrometeorology）创刊时达到顶点。MWR的经典例子包括Rasmusson（1967;1968支、Lettau（1969）的蒸发理论气候学、Manabeetal.（1969）的水桶模型和PriestleyandTaylor（1972）的蒸发公式。JAM的例子包括Idsoetal.（1975）反照率模式、AdlerandNegri（1988）的红外降水技术、Nemanietal.（1989）的基于卫星的表面阻力方法、DormanandSellers（1989）简单生物圈模型参数气候学、BeljaarsandHoltslag（1991）的陆面通量参数化、Dalyetal.（1994）的基于地形降水分析方法和Hsuetal.（1997）的基于卫星降水估计的神经网络等。

　　在最近WRR创刊50周年一期上Rajarametal.（2015）的一篇文章给出了自1965年以来每10年前10篇高被引论文覆盖的主题。这些主题反映了MWR和JAM的主题演变，从渗透和蒸腾算法，到陆面水文气候模式和数据同化。除了科学主题的演化，这一时期水文学进步还体现在水文学作为一名科学而非“应用”分支的确立（例如,Kleme?,1988）。所谓Eagleson“蓝皮书”（NationalResearchCouncil,1991;Eagleson,1991）是水文学的象征性时刻，因为它帮助定义了水文学作为一门不同的地学学科，建议建立水文学研究和教育项目，因此1990—2010年也被称为“地学时代”（SivapalanandBl?schl,2017）。

　　自JHM于2000年创刊以来，水文学研究的壮大和影响，在AMS范围内（例如，图3）和整体上（ClarkandHanson,2017）都一直保持。在文集的这章，我们将评述过去100年水文学进步，包括理论、观测和预报，并就全球水文学、包括水文气象和水文气候的耦合陆地-大气模拟、动力水文预报和水资源管理及水安全等主要主题进行评述。最后，我们展望和讨论了未来方向。

　　2水文认识的演变

　　正如第1章提及的水文手册（Maidment,1993，附图1）所注，定量水文学1850年代随Mulvaney（1851）的集流时间的概念和Darcy（1856）的地下水径流定律出现。之后很快地表水流方程被Saint-Venant（1871）和Manning（1891）提出，为今天的河流路径方案打下了基础。

　　从GreenandAmpt（1911）到Horton（1933，附图2）的渗透模型提供了降水-径流模拟的物理基础并进一步发展成为水文科学。本节我们关注过去100年里水文学理论在6个关键领域的进展：（1）降水;（2）蒸发;（3）渗透和土壤水交换;（4）地下水;（5）河流流量和路径；以及（6）水文地貌学。

　　a.降水

　　前一节，我们描述了广泛应用的概念，如降水强度、针对道路等建筑的工程设计的持续时间-频率曲线、排水沟和大坝等。因此，从水文学角度降水相关的关键理论发展，最初关注于估计降水极端，包括统计技术和降水观测网的设计。读者可以参考本文集的第12章了解更详尽的观测和模拟中尺度降水过程进步的细节。本节我们关注在水文气象和水文气候应用中的降水估计。

　　b.蒸散

　　蒸散（ET）代表开放水域、裸地和树冠表面等的蒸发和蒸腾总和。理论上，ET表示因液态水相变导致的从地球表面到大气的水汽通量。该相变意味着ET通过蒸发潜热与地表能量平衡相耦合，因此因蒸散导致的能量从地表到大气的能力传输也被看做为潜热通量。如果位相变化是从固体到水汽，能力传输还必须包括升华潜热。ET能够作为运动湍流水汽通量（w’q’）和空气密度的产品进行估计。这是支持涡流协方差观测技术的概念，后面将在下面的3f节进一步讨论。

　　c.渗透和土壤水交换

　　在经验时代，渗透估计主要是评估径流损失，这就带来了GreenandAmpt（1911）的研究，后来表明结果与理论和观测吻合，研究还进行了一些更新以说明前期水汽条件（MeinandLarson,1973）。该结果还成为时间凝结近似（TimeCondensationApproximation，TCA；SivapalanandMilly,1989）的表达式。Horton（1933）进一步研究了渗透，发现随时间变化的渗透能力能够较所谓“推理方法”更好地用于估计渗透超过径流。在Horton的研究中，估计“有效降水”，后者为植物可用的渗透水，是另一个主要目标。Philip（1957）推导得到渗透到垂直、半无限均匀土壤表面的系列解，从那时起，该方法大部分被后面描述的土壤水交换方程数值解所替代。

　　d地下水

　　就像水文循环其他方面，早期对地下水特征的研究集中于绘制地下水资源地图。美国地质调查局（USGS）是这一领域的先行者，Meinzer（1923）的基础性工作定义了地下水省份以及地下水出现和转移的基本原则。与土壤水转移类似，地下水流流入饱和的空隙介质受到Darcy（1856）的定律的控制。将这一机制与连续方程结合起来可以得到描述地下水运动的关键理论，例如，Theis（1935）、Hubbert（1940）、Jacob（1940）以及HantushandJacob（1955）。在例如Bear（1972）及FreezeandCherry（1979）的研究内容中，给出了对该主题更深入的讨论。认识地下水在径流产生中作用的一个突破来自Dunneetal.（1975），后者表明当降水超过渗透能力时，饱和区域生成被称为“饱和过度”的地表瞬间径流，并与Hortonian的“饱和过度”径流共存。这就带来这样的观测现象，即这些饱和区域可以近似通过基于地形排水指数表示，于是产生了参数化饱和区域的所谓TOPMODEL概念（BevenandKirkby,1979）。后来，Yeh（1986）规范化了反方法，用于确定地下水水文学参数，目前被广泛用于地下水模拟。

　　e.河流流速和路径

　　自从Saint-Venant（1871）基于质量和动量守恒（即Navier-Stokes方程）推导出浅水方程（也被称为Saint-Venant方程）以来，地表水流理论就被熟知。根据Saint-Venant方程中某项保持不变，方程可以简化为“运动波”（例如，（例如，LighthillandWhitham,1955;Feldman,2000;Getiranaetal.2012）或“扩散波”近似（例如，Julienetal.1995）。完整的1D方程被称为“动力波”（例如，Brunner,2016），方程解计算量巨大，即使这些方程取近似成本-准确间的平衡仍需考虑（Getiranaetal.2017）。Manning（1891）描述了开放水道中的水流速度，后者对早期Gauckler（Hager,2001）给出了速度与地形坡度、粗糙度和横截面积相关的关系进行了再开发。结合Saint-Venant方程的速度公式，能够预报开放水道水流以及山坡坡面流（例如，Chow,1959）。

　　f.水文地貌学

　　水文地貌学“致力于水文过程与地貌或地球物质的相互作用和联系，以及地貌过程与地表和地下水时空领域相互作用”（SidleandOnda,2004）。杰出的水文学者包括Horton、Langbein（Dooge,1996）、FreezeandHarlan（1969）、Dooge（1973）、BevenandKirkby（1979）已经清晰地认识到地貌和水文过程之间的联系。在所谓“系统时代”（1950—1970年），探讨了完整的水文理论和过程集合，得到Freeze和Harlan水文模拟的“蓝图”，正如最近Clarketal.（2017）的讨论。当我们进展到了过程时代（1970—1990年），水文地貌研究集中于找寻普遍原理（Dooge,1986）、气候、土壤和植物之间联系（Eagleson,1978a-g），以及尺度和相似性（Woodetal.1988;Bl?schlandSivapalan,1995）。

　　3水文观测进步

　　水文状态和通量从点到面的估计给水文科学带来了变革。降水估计从台站到雷达到卫星的进步，结合积雪、土壤湿度、陆地水存储、蒸散和河流水位及流量类似的进展，促进了大陆和全球尺度水文学。Famigliettietal.（2015）给出了基于卫星观测进展，包括给定仪器的全球覆盖、跨空间和时间准连续和一致性观测。考虑到问题的另一方面，Feketeetal.（2015）描述了过度依赖于遥感的缺点和危险，包括与遥感反演算法错误校准有关的误差、相对于实地观测的粗糙空间分辨率、与技术/仪器改变有关的非一致性，以及废除长期实地测量的地点而改用遥感代替等。

　　a.降水

　　降水测站、雨滴谱仪和雷达一直以来被认为是降雨研究的数据参考。标准化降水站在韩国早在15世纪就开始有记录，因此长时间以来这些记录被认为是降水科学不可或缺的也就不令人吃惊（Tapiadoretal.2011）。事实上，降水测站依然被认为是降水估计参考数据独特源，因为测站数据提供了水汽凝结体的直接物理记录（参见Kuceraetal.2013）。绝大多数全球降水数据库，例如全球降水气候项目（GlobalPrecipitationClimatologyProject，GPCP；Adleretal.2003,2012,2017）或气候预报中心（CPC）降水合并分析（CMAP;XieandArkin,1997;Xieetal.2003）都以各种方式包括了这些数据，还用这些数据校准和调整气候模式。同样的应用还有多种卫星观测的气候数据记录（Ashourietal.2015）。雨滴谱仪——不仅能观测总降水，还能观测雨滴大小分布（DSD）的现代化仪器——也成为陆地仪器观测系统重要组成。雨滴谱仪直接与单个雨滴发生反响，但采样区域很小（数十平方厘米），会影响观测的代表性（Tapiadoretal.2017）。

　　b.降雪

　　过去量化冻结降水尤其困难。确实如此，例如，降雪水当量（snowfallwaterequivalent，SWE）率的遥感仪器设计，还要通过权衡测站、雷达或雨滴谱仪才能得到，而这些仪器都面临维护、校准、点到面代表性、测量误差和风，以及不规范形状、大小和降雪容积密度等的挑战（Tapiadoretal.2012）。

　　c.积雪

　　积雪特征观测，例如积雪面积（SCA）/积雪范围（SCE）、雪厚度和雪水当量（SWE），因为在细空间尺度具有很大的可变性而具有挑战性（例如，Bl?schl,1999;Ericksonetal.2005;Dozieretal.2016）。地基SCA观测需要大量人工，尽管高塔成像依然是有用的验证技术，新的方法，例如低成本温度传感器能够用于监测季节SCA（LundquistandLott,2010）。SCA的遥感是最早卫星数据应用项目之一（见Lettenmaieretal.2015评述中的讨论），今天SCA的时空演化被多个卫星监测，包括30m分辨率的Landsat卫星（RosenthalandDozier,1996）、500m分辨率的中分辨率成像分光辐射计（MODIS;Halletal.2002;Painteretal.2009）以及1000m分辨率的先进甚高分辨率辐射计（AVHRR;Ramsay,1998;Romanovetal.2000）。这些数据集已经用于制作1966年至今的北半球SCA气候数据记录（Estilowetal.2015）。

　　d.土壤湿度

　　土壤湿度在大气较低边界层条件中起重要作用，是近地表温度、蒸散和光合作用的调节要素，影响暴雨洪水和地表径流，是湿润条件、旱情和浅根植物可用水的指标。正如Walkeretal.（2004）、Robinsonetal.（2008）和Pengetal.（2017）所讨论的，有很多用地面仪器观测土壤湿度技术，包括重量方法（例如，VinnikovandYeserkepova,1991）、时域反射法（例如，Robinsonetal.2003）、电容传感器（例如，Bogenaetal.2007）、中子探头（例如，HollingerandIsard,1994）、电子系数测量（例如，Samou?lianetal.2005）、热脉冲传感器（例如，Valenteetal.2006）和光纤传感器（例如，Garridoetal.1999）等。最先将地基土壤湿度数据编辑成全球数据库的是Robocketal.（2000）。最近，Dorigoetal.（2011）拓展了这一工作，同时，Quiringetal.（2016）给出整个美国全面的数据收集。正如Crowetal.（2012）指出的，一些实地观测网已经建立并随着评估卫星土壤湿度产品的目标而扩展。尽管这些观测网最初主要采用实地传感器，测量中间尺度土壤湿度借助宇宙射线中子得到了令人振奋的发展（Zredaetal.2008）。这一趋势开发建立了宇宙射线土壤湿度观测系统（Cosmic-raySoilMoistureObservingSystem，COSMOS）土壤湿度网，该网从美国扩展到了国际。

　　e.陆地水存储

　　陆地水存储是指保存在陆地柱体中和其上的所有水，即地下水、土壤湿度、地表水、雪、冰和湿生物质的总和。它是淡水使得陆地生命存活。还是陆地水收支4个项之一，即

　　dS=P–ET–Q（1）

　　式中dS是陆地水存储变化，P为降水，ET是蒸散，Q是给定研究区域的径流。研究区域

　　可定义为流域、江河流域或其他封闭的水文单位，并应用公式（1）。4项中dS和ET最难观测，多年来很多研究者选择假设dS可忽略从而使得水收支闭合，或推断得到ET——该项随着研究时段缩短，假设可疑性增加。MintzandSerafini（1992）认识到dS的重要性，在水收支分析中优先讨论该变量。然而，由于获得一致的所有陆地水存储分量观测很困难，只有很少的研究认真对待方程（1）的左边。尤其是，Yehetal.（1998）和RodellandFamiglietti（2001）利用伊利诺斯州的地下水、土壤湿度、雪深和水库容量观测值评估陆地水存储。他们给出的伊利诺斯州地下水和陆地水存储的年际变化与从土壤湿度推导的结果量级相同，因此提出了对依赖于dS=0的年循环研究的质疑。尽管水文地球物理学取得了进步（Binleyetal.2015），从空间有利测点对该项的直接观测一直是最成功的。

　　f.蒸散

　　正如前面讨论的，直接测量蒸散（ET）很困难，对这方面理论和方法的评述可见Brutsaert（1982）和Dolman（2005）。最初的观测技术包括蒸发皿和称重式蒸渗仪，近来的方法包括能量平衡/鲍恩比率、涡流协方差、茎流、同位素和荧光性等（例如，Wilsonetal.2001;Shuttleworth,2007）。这些技术易于获得的参考综述，可参考Shuttleworth（2008）。通量站网（FLUXNET;Baldocchietal.2001）目前较为普遍，为解决封闭问题对网观测进行后处理的做法（例如，Twineetal.2000），需要在不同方法之间进行比较。更进一步，因为这些地基测量的空间足迹或“行程”有限，需要经验的“升尺度”方法（例如，Jungetal.2009）才能得到用于全球水文气候分析的网格观测值（例如，Jungetal.2010）。

　　g.地表水水位和流量

　　传统水文学中，某一个河流地点的流量（河川径流）被认为是从上游到该处不同的地表和地下水文过程的函数积分。测量这一水文变量形成了校准和验证水文模式、开发水流路径方案和评估水文预报能力的基础。近来，作为水文学中基于过程的认识进步，径流作为相对易于观察的描述变量（利用水位流量关系）的重要性得到进一步加强。这是因为径流还可以展示土地覆盖变化（毁林）、地表相互作用、地表-地下水相互作用、气候和天气改变、干旱和河流过程，当然还有水管理的机理作用的特征（见5节）。

　　4跨尺度水文预报

　　a.背景

　　水文预报是水文学理论的最早应用，其根基深入到工程，尤其是支持水系统管理的市政工程（AndersonandBurt,1985）。对水文可变性及其在与水利用和灾害相关的影响进行预报和做出反应的需求，推动了上个世纪大部分时间里的水文预报，目前也是世界上大多数国家业务服务中有价值的部分（Emertonetal,2016;AdamsandPagano,2016）。水文预报应用最常瞄准从几分钟到季节时间尺度，不仅专注于极端事件（干旱和洪水），还注意到水文变化的整个范围，其中即使是中等距平也能影响大量行业部门的水业务、管理和规划。上个世纪，科学和技术进步推进预报能力的平稳发展，到达了预报能力的顶点，其中高性能计算进步、宽带连通和全球高分辨率地球物理数据库正在改变长时间以来业务预报的传统范式。

　　无缝隙（模式、数据、方法和信息产品跨空间和时间）理念受到广泛追逐，成为水文预报系统以及天气和气候预报系统的开发目标（WetterhallandDiGiuseppe,2017;Hoskins,2013）。当然对水文预报来说，工程实用主义的坚强基础与有限的方法、工具、数据和科学认知相结合，制造了碎片化和快速演化的不同途径和业务实践。预报产品和服务传统上安装提前时间尺度和空间尺度进行划分——从局地提前数分钟到数小时预报暴洪，到河流流域尺度数小时到数天的河流水位和流量预报，到可能跨多个河流流域专注于预报对象（如季节融雪径流）的时空平均长期季节径流和干旱预报。主要的水文过程以及数据、模式和方法的可应用性不尽相同，导致实现可预报性的业务实践路线也各有特点，出现预报开发战略的多视角。例如，尽管地下水模拟（如前面2d节所述）和地表水与地下水之间相互作用的认识（Brunneretal.2017）取得了实质性进步，地下水位短期到中期预报依然依赖于更广泛的统计和机器学习技术（如Daliakopoulos,etal.2005），而非基于过程的模拟（如Prudhommeetal.2017）。大多数支持水管理的地表-水的水文预报仅包括简化的地下水表示或者被忽略。

　　过去15年里，空间和时间无缝隙开发范例的努力带来了大陆到全球范围预报的水文模式中高分辨率应用——这是高性能计算（HPC）资源、模式和方法轻松共享、以及可获取大陆和全球气象、水文和更大范围地球物理属性数据库，包括基于卫星遥感数据所带来的趋势性结果。与这一发展平行进行的，是水文学作为一门在工程学院里教授的学科转移到地学应用，水文预报也被重新构造，从支持水资源管理的工程实践改变为作为地球科学巨大挑战的预报问题。

　　今天，适用的传统预报实践和幼稚的地球科学预报科学共存，后者显然在提升。因此，针对主要现象的水文模拟和预报的评述非常及时，能更好地认识其作为新预报方法面对的机会和挑战。本节，我们主要阐述水文气象预报。

　　b.季节预报

　　季节尺度水文预报（提前数月和预报期间）早于水文学使用计算机（1960年代开始）数十年。最早的季节业务预报，至今依然具有最重要的经济价值，是针对季节径流峰值的，该峰值是融雪或季风季节降水这样的要素造成的。统计方法长期用于流域变量的相关估计，包括积雪和累积降水量（过去25年，气候指数和预报）到未来径流，经常有高技巧（r2～0.9）。在美国，农业部的SCS，现在是NRCS在1930年代中期开始进行预报，到1944与NWS一起发布预报（Paganoetal,2014;Helmsetal,2008）。在其历史上的大部分时间里，季节预报是概率性的，给出不确定性的范围，能够支持主要水库系统水分配决策。

　　c.河流洪水预报

　　现代河流洪水预报可以追溯到1960年代末和1970年代基于计算机的流域模式的开发和应用（如CrawfordandLinsley,1966），所用的技术反应了其工程上的传统以及计算机应用的最初几十年里的局限。预报能力方面，开始阶段仅基于相对简单、经验或统计模式对个别事件进行预报，最早的模式实际上主要是计算机图形——捕捉降水、土壤湿度和短期内的未来径流之间显著的关系。利用早期降水指标（API）模型这类早期技术（FedoraandBeschta,1989;O’ConnellandClarke,1981）今天依然在世界上一些地方的业务中使用，但是数十年来一直在被基于大陆水域模式替代。

　　d.暴洪预报

　　暴洪是最严重的水灾害之一，尤其是从人类生命视角考虑（每年超过100条生命），但是在上个世纪大部分时间，以及今天在很多国家，预报暴洪的责任是气象而非水文局。这一架构源自暴洪的分布属性，即致命的水流可以在小溪中生成，很难在传统河流洪水预报系统中准确地模拟；再有就是暴洪最直接的触发（远大于河流洪水）是气象事件而非降水输入与地下径流的结合（例如，基流、合流）。数十年来，暴洪监测和预警一直是NWS的核心预警种类，但却是由天气预报办公室（WFO）而非RFC作出，发布的产品描述风险的地区或区域（地图上的多边形），而非明确的地点并给出量化洪水预报。

　　e.水文预报科学的实现

　　陆面模式（LSM）的最新应用和复杂的流域模式在预报中的应用，诠释了地球系统预报全新时代的巨大科学和实际应用的潜力，其中包括了水文场及更多的一般气象场。当然，数据流与模式联系的繁简度、生成可以被称为“预报”的实时输出等掩饰了大量困难，这些困难在向水和应急管理部门提供局地尺度高质量和可执行预报，而非仅仅是发布模式输出所面临的。再有，水文模拟长期以来面对的科学挑战依然未解（Clarketal,2017），再加上尤其是在业务预报中突出的技术挑战更为复杂。河流业务预报员要面对这些挑战——例如，不稳定或退化的数据流，模式不足，模式状态和输入不确定性——每天用足够多的水文学方法进行深刻和第一手的认知以克服这些困难。Wellesetal.（2007）强调了客观验证手段在预报过程改进中的作用。主要的技术包括参数估计（或模式校准，如WellesandSorooshian（2008））、气象预报降尺度和偏差订正、水文数据同化、水文预报后处理和说明及综合水管理——所有这些降低了模式预报的误差。

　　5全球水文学出现

　　a.关键里程碑

　　当人类20世纪获得了更快的旅行和跨越大陆并环绕世界成为日常的能力，就必然会试图认识包括水循环的地球物理过程和系统的连通性。Voeikov（1884）和Murray（1887）有远见地远在全球尺度气象观测开始系统收集前就估计了世界范围陆地降水、蒸发和径流。Murray（1887）的全球陆地降水估计尤其令人印象深刻，较2000年代的估计值的平均（图6a）仅偏多约5～10%。Fritzsche（1906）的全球陆地降水估计更出色，而大部分研究错估了蒸散和/或径流，直到Lvovich（1972）给出了值与大部分现代估计很接近。Brückner（1905）和Fritzsche（1906）最先给出全球海洋降水和蒸发估计。令人吃惊，他们的结果仅比现代估计偏低约10%（图6b）。Mather（1969）和BaumgartnerandReichel（1973;1975）最先基于当时的估计同时给出海洋蒸发和降水值。BaumgartnerandReichel（1975）和BudykoandSokolov（1978）的陆地和海洋通量估计，Chahine（1992）和Oki（1999）进行了一些更新，一直被作为基准，直到OkiandKanae（2006）和Trenberthetal.（2007）给出更新的全球水平衡估计。

　　b.全球水循环遥感

　　1958年NASA的Explorer1卫星发射并提供云和积雪图像，给学者思考水循环的方式带来革命。其他卫星随后开始改进我们从太空观测地球，1972年Apollo17上的BlueMarble图像启发了新一代地球科学家和环境保护主义者。在那个开创性的太空探索时期，大陆到全球尺度水文学研究开始加速。外推有限的点观测到这样的尺度面临的困难很快清晰了，并成为全球水循环，而且在更广泛意义上，地球系统卫星遥感的推动力之一（Famigliettietal.2015）。

　　c.全球尺度水文模拟

　　水循环全球模拟被多种考虑推动。一是我们目前无法以足够分辨率、准确性和持续性观测到全球水循环。虽然遥感能够提供全球覆盖，但观测本身一般需要借助反演算法推导得到，必须进行定标和简化假定，两者都带来误差。二是全球模式可以用来研究不同气候变化或古气候情景，检验对自然和人类影响的敏感性。三是高水平全球尺度水循环模拟启发我们认识地球系统。四是全球地面模式能够耦合地球系统模式或用于综合多观测系统数据。最后，运转一个全球尺度水文模式要补充遥感或实地观测系统数据，而这些系统在提供持续的时空全球覆盖数据方面受到费用和技术的限制。这些模式，从极为简单的水收支方程到基于物理、耦合陆地-大气-海洋的包括数万行编码的模式，具有自身的弱点。尤其是，模式的建立有时基于对物理过程有缺欠的认识，模式依靠其简化的设定，模式的准确性受到输入参数和气象变量准确性的限制。然而，全球水文模式近年来支持了大量水循环研究，使得敏感性分析和现实世界中可能无法检验的情景分析成为可能。

　　d.社区水循环研究项目

　　除了这些个别项目，全球水和能量循环试验（GlobalWaterandEnergyCycleExperiment，GEWEX）和其他国际项目促进了目的在于改进对全球水循环及其分量的认识的社区项目。KinterandShukla（1990）提出了在GEWEX第一阶段利用地基和天基观测的框架，目的是改进全球水和能量循环认识。在GEWEX中的分项中包括了作为明确组成部分的全球水文学，比如全球土壤湿度项目（GlobalSoilWetnessProject，GSWP）阶段1&2，LandFlux协调加密观测期（CEOP）以及GEWEX水文气候委员会（GHP）。国际地圈-生物圈计划（IGBP;1987-2015）也包括了类似与全球水循环和水资源研究相关的项目，例如综合陆地生态系统-大气过程研究（iLEAPS）和全球水系统项目（GWSP）。然而，IPCC，这一国际上可能是最闻名的地球科学项目，主要关注地面和近地面空气问题变化及趋势，水循环影响被放在了第二位。未来，一个干扰GEWEX和其他社区项目中的研究的痼疾是支持研究的经费很少或没有。NASA的能量和水循环研究（EnergyandWaterCycleStudy，NEWS）项目试图克服这个问题，与综合研究团队合作提供经费支持，以实现量化全球气候变化的水循环影响的目标。该方式的另一个例子是欧盟的水和全球变化项目（EuropeanUnion'sWaterandGlobalChangeproject，EU-WATCH;2007-2011），该项目的目的是将水文和相关学科科学家聚合在一起改进全球水文过程的量化和认知。

　　e.全球水循环科学近期进展

　　21世纪以来全球水循环科学很多主要进展包括（1）评估水循环变化和水源分布；（2）卫星遥感科学的建立；和/或（3）数据整合得到的空间分辨率过程表达复杂性不断提升的数值模式科学的建立。关于第一点，V?r?smartyetal.（2000）用气候模式预测加上水文和社会经济信息，评估水源对气候变化和人口增加的脆弱性，得到令人吃惊的结果。很多相关的研究随后出现，包括V?r?smartyetal（2010）考虑了对生物多样性威胁的再评估。Allenetal.（2002）分析了20世纪水文循环变率，以评估21世纪可能的变化范围。Millyetal.（2002）报告了因气候变化大洪水风险增加。Bosilovichetal.（2005）和HeldandSoden（2006）分析了气候模式输出，确定了水循环“加强”的证据，可参考预测在更暖环境里水通量循环更强和加速。Millyetal.（2008）警告，水管理迄今为止依赖于稳定假设——自然系统在变率不变的范围内波动——在人类扰动和气候变化两个方向上不复存在。BrownandRobinson（2011）利用地面、空中和卫星数据结合的办法，估计北半球3月和4月积雪范围在1970—2020年间，以大约每10年80万km2的速率减少。GRACE被用来与其他数据结合，量化全球地下水下降（Rodelletal.2009;Wadaetal.2012;D?lletal.2014;Richeyetal.2015;Chenetal.;Rodelletal.2018）。然而，Reageretal.（2016）利用GRACE数据表明，在2002—2014年非冻结陆地水存储出现净增加，使得海平面上升的速率减少了15%。Rodelletal.（2015）利用客观最优方法，将地面和空间观测数据与模式输出整合数据相结合，着眼与新千年的前10年，同时关闭多尺度水和能量收支。结果给出物理、空间和时间一致的大陆、海洋盆地和全球尺度水循环的主要通量和存储（图7）。这一分析作为评估水循环未来变化和全球模式评价的基线。其他项目已经通过同化数据进入全球耦合或离线模式给出全球水循环的分量（如Rieneckeretal.2011;vanDijketal.2014;Gelaroetal.2017;Zhangetal.2018）。

　　6水文与大气和生态系统耦合

　　通过地表和次地表水分在时间和空间上的再分配，水文过程是地表蒸散和植物可用水的重要控制机制。因此，水文科学在认识和模拟陆地-大气相互作用和生态水文学中起关键作用，这也是本节下面要讨论的主题。

　　a.水文与大气耦合：陆地-大气相互作用

　　陆地和大气可以通过水、能量、动量以及受到跨越大范围时空尺度过程影响的生物地球化学交换产生相互作用。认识地表降水、蒸散、感热和潜热、动量和气溶胶及痕量气体地表通量，以及控制这些通量的过程，对于推进陆地-大气相互作用研究都十分重要。在本文集中论述水文学进步，本节重点放在与土壤水文过程相关的陆地和大气相互作用，例如土壤湿度、地下水和横向流等。然而，我们也注意到，陆地表面可以通过地表反射率、地表粗糙度和影响进入陆地净能量和地表通量交换的生物地球化学过程，与大气发生重要的相互作用。

　　b.水文与生态系统耦合：生态水文学

　　生态水文学研究生态系统和水文循环之间的相互作用（如PorporatoandRodríguez‐Iturbe2002）。基于水文和生态两种理论和方法，生态水文学将水循环研究拓展到包括其对其他生态系统过程的影响和反馈，比如生物地球化学、植物生态和气候（Hannahetal.2004）。虽然该学科源自有一个世纪以上历史的水文和生态科学（Rodríguez‐Iturbe2000,Voseetal.2011），其明确地致力于认识水文和植物之间耦合和反馈过程，使得生态水文学取得重要进步。这一相对年轻的学科（如Zalewski2000）与瞄准生物区与水循环相互作用的综合、多学科主题携手取得了进展。

　　7水管理和水安全

　　a.起因

　　如首节所述，水文循环的概念自古代文明就有之。随着人口增加，稳定和可靠水源的需求也在增加。水作为一种资源，因此自人类有需求以来就一直被人为“管理”着。但是，在水文学成为一门正式的学科之前，全球很多水管理实践相对是临时性和不合理的水文学原则。例如，在古印度，每年记录下某地的降雨量并作为代用指标估计粮食产量和转年税率（Srinivasan,2000）。在斯里兰卡，在Wasabha王时期（67–111BC）的公元1世纪，就建了巨大的水库。根据历史记载，该王修建了11座大型水库和2条灌溉渠，现在被认为或许是世界上最古老和依然发挥作用的集雨项目（deSilvaetal.1995）。因此，水文历史在水管理中悠久并一直被稳定的水供给社会需求所驱动。

　　b.今天水管理

　　今天的水管理，其基础是20世纪初先行者开发成为科学的水文学。必须提及的特别的先行者之一，是孕育了水管理的RobertHorton，他开展科学探索解决现实世界问题。Horton（1940）描述的渗透和径流产品，今天还来在很多流域管理模式中广泛用来表示降水的产流过程。他还论述了侵蚀、地貌和流域反应等，所有这些都为水管理系统向着基于物理水文学的工程学发展做出了贡献。

　　水库管理

　　大坝和人造水库的建设是为了从水文循环中截获大量水以备自然供水不足之需。利用水文科学进步，现在已经将建坝对水域生态影响（如Ligonetal.1995;Richteretal.1996;Zhangetal.2019）、地貌学（如Graf,2006），洪水（如Wangetal.2017）和干旱（如Wanetal.2017）以及水库沉积物（Grafetal.2010）等很多问题纳入管理范畴。这种认识极大地改进了河流流域的管理实践。Yeh（15941985）给出即使是在30年后的今天依然是实际基础的量化水管理实践进步的评述。

　　遥感在水、粮食和灾害管理上的应用

　　如第3节所述，从主要由天气和气候科学推动的早期卫星降水遥感（Griffithetal.1978;ArkinandMeisner,1987）到全球降水观测（GlobalPrecipitationMeasurement，GPM）项目（Houetal.2014）代表的现代化时期，科学界在减少不确定性和改进分辨率方面取得重要进步。因此，在过去10年间各种应用涌现。全球连贯的属性和更为准确的卫星降水产品改进了河流流域的水管理，流域的降水丰沛而实地观测网一般较为欠缺。基于过去卫星遥感降水项目的成果，我们现在可以开展全球尺度径流/洪水预报（Wuetal.2012;2014），监测干旱/作物产品（FunkandVerdin,2010;McNallyetal.2017），提供灌溉指导服务（Hossainetal.2017），监测滑坡风险（Kirschbaumetal.2012）等。遥感应用和决策支持系统还应用于监测源自积雪的水供给、干旱对农业产量和地下水减少的影响（Schumannetal.2016）等。

　　c.新兴问题

　　当前人类栖息地、经济活动的扩展趋势以及人口增加和气候变化，意味着水将持续被重新分配和人为管理，这会使得今天世界上没有人类足迹的清澈河流流域不复存在，水上娱乐、拦河坝、水坝和灌溉设施遍布河流（Zarfletal.2014;Kumar,2015，附图3）。证据确凿。例如，美国地质调查局（USGS）的档案表明，仅美国的灌溉面积就从（1950年）3500万英亩增加到（2005年）6500万英亩（Kennyetal.2009）。后一数字相当于每年抽取了1.44亿英亩英尺（或177km3）地表和地下水。同样，仅美国在过去一个世纪就建有大约75000座人工水库，总蓄水能力几乎等于一年平均径流（Graf,1999）。在全球，人口密集区因经济开发需求所需蓄水及开发活动更多（Zarfletal,2014）

　　8未来方向

　　当我们进入21世纪，人类栖息地、经济活动的扩张以及增加的人口意味着可用水的重要性将持续增加。如前面几节已经给出的证据，科学家、工程师、规划者和决策者将面对越来越多的“人类水循环”。这一“人类-水循环”将代表人类与自然之间的积极相互影响，因而在未来数十年里激发水文学新的和令人振奋的维度（WheaterandGober,2015，附表1）。在水文科学内部，自然和人类和谐共进和流域的水文响应的认识在深入，这一观念已经被术语“流域共进（catchmentcoevolution）”概括（SivapalanandBl?schl,2017），预计2010—2030年是共进时代。水文模拟的进步将持续，这样的进步得到多方支持：更多观测数据约束模式、改进水文过程的认识和关键过程和新方法的融入、模式的全面基准标定（Clarketal.2015）。与这些趋势保持一致，正如Peters-Lidardetal.（2017，附图4）所讨论的那样，新的“大数据”时代使得计算和理论进步引领新的学习机会。将大数据与新观测平台结合起来，如McCabeetal.（2017）所述，将带来重要的启迪和社会效益。

　　在纪念WRR成立50周年时，AlbertoMontanari等人指出“水科学将在今后数十年里对人类福祉起到越来越重要的作用，这是因为水成为确保未来几代人充足食物和能源的关键所在”（Montanarietal.2015）。他们接下来忠告学术界“21世纪水文学的目标一定要有雄心。有相关的和全球性水问题等待解决，确保人类社会可持续发展有巨大的需求。”

　　我们已经见证了一些这样的“雄心”，通过综合气候、天气、数值模拟和遥感解决重大社会挑战问题，向社会交出切实的解决方案。水文科学进步最激动人心的某些方面存在于学科交界上，例如：针对作物产品和生态系统模拟的植物生物和生态学；河流入海口过程模拟的海洋学；认识碳和水循环之间相互作用的生物地球化学；以及综合人类和水系统的社会经济学等（Vogeletal.2015，附图5）。所有这些进步将会融合以改进认识和模拟地球系统，带来天气和气候预报进步，利用地表和地下水文、植被、生物地球化学和人类活动（例如，灌溉）相互联系的过程来开拓陆地记忆。在气候预测领域，Bierkens（2015）假定，基于物理的大陆地球系统模式（PBCESM）将收敛可支持综合评估，包括，例如地下水（如，Fan,2015）。例如，在水管理领域，现有基于业务卫星遥感的跨界洪水预报系统，能够提供全球洪水风险有价值的更新信息（Wuetal.2014;Alfierietal.2013）。

　　然而，人类-水循环并非未来水文学提升的唯一领域。在最新评述水文模拟进步和未来方向的文章里，Singh（2018）指出其他需要研究的领域，如：水力压裂的水文学影响；土壤中的生物化学和微生物传送；飓风和大气河流水文学；以及社会-水文学。评述随后指出“对于水文系统的管理而言，政治、经济、法律、社会、文化和管理各方面需要综合考虑”，而“水文科学和工程应用同等重要。”

　　在基本过程层面，包括同位素的研究已经显示出水粒子在运动和时空分布方面的复杂性，其中存储在地下的水的很多动力连接和分离如今依然无法给出解释（McDonnell,2017）。例如，在山坡尺度上，水的运动经常各自独立。融雪带来的径流经常可以来自几年前形成的积雪降水。清晰的证据表明，植物经常通过固定的地下水池蒸发转移水分，这一过程并未在今天模拟的渗透和地下水补给过程中被耦合进去（Brooksetal.2010，附图6）。水文学中基于这个过程出现的问题今天尚无解。McDonnell认为，水文学未来方向还需要考虑能追踪水的流动和年龄的更新的框架。

　　一个水文学看来已经沿着其发展的可能方向是资源或主题的“联结（nexuses）”领域——例如，食物-能源-水（FEW联结）或气候-能源-水（CEW联结）以及甚至是社会学-水文学联结（Socio-hydrology）。毫无疑问，水文学未来方向将增加更多多学科和交叉学科，涉及到一些传统上水文学从没有交集的领域——例如，淡水使用和营养是公共健康的基石。缺少安全水和卫生设备及营养不良更多地与水和食品安全有千丝万缕的关系——可能是任何地方儿童死亡率和发病率的关键因素。为了面对因缺少卫生/安全水和营养复杂因素带来的挑战，健康管理将需要农业和水管理的密切参与，自然要求来自水文界的紧密合作。

　　在面对水管理的巨大挑战中，碎片化的水文研究或调查方法不再能够满足。为了保持水管理实践的及时和切中要害，水文研究将更可能转化成话语权，鼓励现实世界中的政策制定者、实业人士和公众在21世纪开展必要的创新（Cosgrove and Loucks,2015;Wheater and Gober,2015）