科學家現在可以追蹤世界各地一滴水的路徑。水由氫和氧組成。其中一些原子以稍重的形式天然存在，稱為同位素。當水蒸發形成雲並穿過大氣層時，這些同位素的比例以一致且可測量的方式變化。這些變化就像指紋一樣。它使研究人員能夠繪製全球範圍內水的旅程圖。
當這些同位素數據與水文模型結合時，此類資訊就成為一個強大的工具。科學家可以利用它來更好地了解風暴、洪水和乾旱等極端天氣事件。並改善氣候變遷如何改變未來天氣模式的預測。
利用同位素數據改進氣候模型
一些氣候模型已經考慮了同位素過程。但沒有任何模型能夠完美地捕捉地球水循環的複雜性。在發表的一項研究中 地球物理研究雜誌：大氣東京大學工業科學研究所的研究人員使用了一種稱為 Ensemble 的方法，該方法同時組合多個模型。他們的團隊編制了八個基於同位素的氣候模型，涵蓋了從 1979 年到 2023 年的 45 年。
每個模型均由相同的風和海面溫度資料驅動。這種設置使團隊能夠評估每個模型如何處理水循環的物理過程。並將集合平均值與現實世界的天氣觀測結果進行比較。
為什麼水同位素對氣候科學很重要？
「水同位素的變化反映了水分輸送、匯聚和大規模大氣環流的變化。儘管我們在簡單的水平上知道同位素會受到溫度、降水和海拔的影響；但當前模型模擬的可變性使得很難解釋結果，」該研究的資深作者之一吉村敬教授說。為參與該計畫的幾個基於同位素的氣候模型提供建議的人說：“我們非常高興我們的集合平均值比任何其他模型更成功地捕獲了全球降水、蒸汽、雪和衛星數據中觀察到的同位素模式。”
與全球氣候模式的聯繫
回顧過去 30 年，集合模擬顯示大氣中水蒸氣整體增加，這與全球氣溫上升有關。結果也揭示了與重要的年際氣候模式的密切聯繫。這包括厄爾尼諾-南方濤動現象。北大西洋濤動和南環模式這些大型系統多年來影響了全球水資源供應。並影響著全世界數十億人。
「該整合提供了一種細緻的建模方法，可以減少各個模型之間的差異。這種方法使我們能夠將每個模型如何表示水循環過程的影響與各個模型結構引起的差異分開，」工業科學研究所校友 Hayoung Bong 博士說。目前在美國太空總署戈達德太空研究所工作的東京大學表示
世界上第一個氣候建模框架
這項研究首次將多個基於同位素的氣候模型合併到一個框架中。結果與觀測數據非常一致。這為水如何在全球氣候系統中移動提供了更可靠的圖像。
吉村教授說：“重要的是，這項研究提高了我們解釋過去氣候變遷的能力，並為理解和預測全球水循環和氣候變遷將如何應對持續的全球暖化奠定了堅實的基礎。”
