顶峰水期
通过水循环，数百万年来，海平面随着地球温度的变化而上升和下降。在寒冷的冰期，在山顶和大陆地表冰雪形成积累的水比融化或是河流径流返回海洋的水更多。这一过程使得水从海洋流向了大陆，导致冰盖和高山冰川不断增多加高，海平面下降。在间冰期，高山冰川和冰盖的融化比新的降雪聚集的过程要快，导致冰量缩减，海平面上升。蒸发和降水是水从海洋移动到陆地的主要方式，冰川消融的现象以及冰河自身都是水从陆地返回海洋的主要渠道。
当全球气候变冷，陆地冰面增高，海平面下降。当全球气候变暖，陆地冰面萎缩，海平面上升。在第四纪，海洋和冰面如此相互影响，持续了200多万年。这种变冷和变暖的循环持续了大约10万年，变动的速度是几个因素共同作用的结果：岁差（天体的自转轴因万有引力而出现的缓慢变化）所导致的地球不稳定转动，地球的转轴倾角（行星自转轴与轨道平面之间的倾斜角），以及围绕太阳轨道的离心率（被称为“米兰科维奇循环”）。冰期—间冰期循环持续的时间，比从第一个农业文明到现在所经过的时间，长10倍以上。
如今，地球的气候再次变暖了，但变暖的速度是以年为计，而不再是以千年来计了。每年，气温纪录不断被打破。冰川快速萎缩，全球海平面每年升高3毫米以上。生物开始向纬度更高和海拔更高的地区迁移。北冰洋上浮冰的面积，比20世纪70年代晚期NASA首次用微波卫星测算的数据缩减了40%。
导致上述可以观察到的变化以及其他变化的主因，是工业活动增加了大气层中二氧化碳、甲烷和一氧化二氮气体的含量。尽管其他的自然现象也有可能导致气候变暖——例如，太阳照射和休眠火山的喷发周期——但这些现象已经被仔细测算过，没有一项可以解释现今正在发生的气温升高的现象。周期特别长的米兰科维奇循环，也和近年来剧烈的变暖现象无关。经过了严格的测算，只有大气中不断增多的温室气体能解释我们正在经历的升温进程。
温室气体对地球表面温度变化所产生的影响是毫无争议的，人们早就认识到了这一点，而产生影响的原因在于它们暖化了对流层。在19世纪20年代，法国数学家约瑟夫·傅立叶注意到，依照地球到太阳的距离，地球现在的热度比它应有的水平要高得多。关于变暖原因的物理学解释，即由大气中的温室气体分子所引发的热红外线能量的再辐射，从1896年起就为人所知了。当时，瑞典化学家斯万特·阿列纽斯用笔和纸描述了这一原理。要是没有温室气体，你现在就没法阅读这本书了，因为地球很可能还是一个了无生机的大冰球。
经过40多年的研究，严谨的气候科学家共同认为，地球目前的变暖趋势主要是由人为造成的温室气体排放而导致的，而排放温室气体是通过燃烧化石碳原料、生产混凝土而实现的。上述解释是一群持有怀疑精神、相互竞争的个人所达成的前所未有的共识，他们的职业要求他们在智慧上胜过彼此。有意思的是，人们驳斥这一得来不易的共识所常用的理由——即有其他因素，在地质时期的过往历史中出现的地球物理的诱因，导致了自然气候变化——也是由这批科学家发现的。
这些研究者早就不再纠结于辩论，争吵气候变化到底是不是人为造成的了。他们现在的关注点在于，我们所引发的气候和环境的快速变化，具有怎样的节奏，会产生什么可能的后果。
这囊括了很多关于气候如何影响河流的研究。从历史排水量记录的分析中，我们得知从20世纪中叶以来，在全球监控的三分之一的河流中，河流每年的流量已经改变了30%及以上。从这些记录中，我们可以观察到一个清晰的地理特征：低温的、高海拔河流的排水量总体上都有上升，然而那些较为温暖的、位于中海拔地区的河流，排水量持续减少，变化的程度在60%及以上。排水量的减少，在中国、非洲、欧洲地中海地区、中东、墨西哥和澳大利亚的历史记录中尤其明显，中国的黄河就是个特别突出的例子。这些发生在中纬度的水量缩减，主要缘于人类调水、修建水坝，以及河流改道，气候变化倒是个次要原因。
然而，在高海拔地区不断上升的河流排水量，反映了一种强烈的气候回应。大部分的水量增多的现象，可以由克劳修斯-克拉佩龙方程解释。这一基础的大气物理学方程，说明了为何温暖的空气能容纳水蒸气（从而导致更多的降水）。冬天的河流流量也在不断增加，原因在于冬天的气候越来越温和，地下水的水量也在变多，这一现象在冰冻的北冰洋和亚北极地区特别显著。
由高山冰川所填充的河流，随着古代冰面融化，冰块漂回海中，也在不断涨高。在全球范围内几条重要的由冰川水补给的河流中，几乎有半数都经历了暂时的排水猛增，即“顶峰水期”。这一现象是短暂的。到21世纪中叶时，亚洲水塔中冰川的消融会导致印度河、恒河、布拉马普特拉河和长江上游的流量减少5%～20%。(https://www.daowen.com)
印度河和布拉马普特拉河的状况，尤其令人忧心，因为这两条河的水占喜马拉雅冰川排水量的40%。“顶峰水期”的现象在布拉马普特拉河的上游反复出现，预计将在2050年出现于恒河，在2070年出现于印度河。到那时，这些重要河流的夏季流量会减少，河水所供养的人口也会随之减少6000万之多。而且，如果大部分气候模型的预测不准，即未来的降水不会有所增加，那么河流水量减少的幅度还会更大。
随着陆地冰川的缩减，河水水量也会产生季节性的变化。但即使在炎热干燥的年份，冰川依然能维持河水的水量，因为冰川融化会给河流带来额外的补给。在冰冷潮湿的年份，冰川又会增加。但是如果冰川完全消失了，这一重要的缓冲效应也会随之消失。如今，冰川融水的主要消耗者，将不得不面对河流水量在夏天和旱季减少的窘境，而那时正好是农业耕种最需要用水的时候。水量减少所带来的另一个糟心的副作用是，能稀释污水和污染物的水量也减少了。这意味着如果污染的水平维持不变，污染物浓度将会上升，使得河水水质恶化。
在更短的季节周期内，与冰川融水类似，山脉积雪也维持了冬季的降水量，直到晚春和夏季来临。如果积雪整个冬天都保持不化，下游水流出现的时间就会延迟，而这些水是耕种时最需要的水。如果气温太高，积雪不能在冬天保持原样，降水出现的时间会远远早于耕种时节，雨水会流进大海。为了减缓这样的趋势，中国、印度、美国，以及其他依赖积雪维系农业发展的国家，在积极修建大坝，将一些冬天的流水围堵起来，但这些水不能取代山脉积雪和水库所能容纳的巨量水源。
通过更为剧烈的蒸发效应和更多的工厂用水，不断攀升的气温也会夺走土壤中的水，继而减少河流的补给水量。这一现象正在给美国西南部带来严峻的考验。该地区严重依赖科罗拉多河来获取大部分的水源供应。有4000万人，以及该区域基本上所有的城市，都仰赖这条河以维系生存——最有名的例子当属洛杉矶和菲尼克斯，也包括像阿尔伯克基和圣菲这样更为小型的城市。降水减少，加上气温升高，导致科罗拉多河每年的排水量小于常年的平均值，继而使得美国七个州所享有的由法律准许的水量供给，遭遇了结构性短缺。
2000—2014年，科罗拉多河的年度排水量比20世纪（1906—1999年）的长期平均值少了20%。减少的水量之中，三分之一到二分之一是因为流域气温升高了0.9摄氏度，积雪量少了，工厂用水多了，土壤中水的蒸发量也增加了。随着气温的增加，科罗拉多河每年的排水量还会持续缩减。据气候模型的保守估计，到21世纪中叶时，科罗拉多河的年排水量还会再缩减20%甚至30%左右。到2100年时，科罗拉多河的年排水量会少于目前的一半。
持续变暖的气候除了会影响河流排水量和排水时间，还会给河流带来其他影响。随着水温上升，在暖水中生活的生物，例如鲤鱼，会活得更好，但是冷水物种，例如鳟鱼，处境会更为不利。在冬天跨越河上冰面，会越来越危险。在春天，由断冰导致的洪水也减弱了。尽管这样的洪水会破坏基础设施，但河漫滩的生态系统还是会从这些由沉积物和水所组成的庞大混合体中获益。在冰封的北冰洋和亚北冰洋地区，融化的地面使得更多的地下水汇入河流，改变了它们的化学性质，也增加了在古代生成的、已被溶解了的土壤碳，这些碳继而会飘向大气。
气候变化对河流所产生的、最令人恐惧的一大影响，是极端洪水发生的频率将会增加（除了上文所述的由融冰带来的洪水）。通过克劳修斯-克拉佩龙方程，我们得知温暖的大气会产生更多降水。这会增加河流泛洪的概率，就像高温会增加热浪和干旱的概率的原理一样。然而，与气温变化相比，未来的降水特征会更难用模型加以预测，使得降水预测成为大气科学研究中极具挑战性且极为活跃的一个领域。尽管目前的历史记录很清晰，每年河水水量的趋势也很明显，要想确认极端洪水的趋势，依然是非常艰难的。部分原因是，要想探查罕见现象的统计趋势，需要长期的历史记录。一个例外出现在了美国中部，那里的统计学研究确认，河水泛洪的频率的确在近几年增加了。
总体说来，气候模型所得出的结论是，河流洪水发生频率和全球平均气温之间存在着非线性的正向关联。总体来讲，如果全球平均气温升高1.5摄氏度，会导致全球死于洪水的人数翻一番，直接经济损失增加近两倍。如果全球平均气温升高2摄氏度，会导致死亡数再增加50%，直接经济损失再翻一番。
然而，这些全球范围内的平均数值与现象，掩盖了不同地区的一些关键差异。例如，洪水水位的重现期往往是100年左右，意味着重现的概率每年都在1%左右。在欧洲地中海沿岸、中亚、美国西南部，这一概率会更小。而在东南亚、印度半岛、东非和南美洲的大部分地区，这一概率则会更大。洪水带来的危害，在很多地区会加重，但在另一些地区则会减弱。
气候变化的影响，虽然不及河流改道、修建大坝和水污染的影响，但也在不断给全球河流系统带来重压。夏季水量的长期减少，发洪频率的改变，以及河水温度的升高，都会给人类和天然生态系统带来挑战。这些共同的压力会使监控、了解全球河流的情况，以及合理使用河流资源，变得愈加重要。在接下来的两章中，我们将会探讨新的科技、传感器和模型如何协助我们做得更好。