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Gleeson, Tom; Wang‐Erlandsson, Lan; Porkka, Miina; Zipper, Samuel C.; Jaramillo,Fernando; Gerten, Dieter; Fetzer, Ingo; Cornell, Sarah E.; Piemontese, Luigi; Gordon, Line J.;Rockström, Johan; Oki, Taikan; Sivapalan, Murugesu; Wada, Yoshihide; Brauman, Kate A.;Flörke, Martina; Bierkens, Marc F. P.; Lehner, Bernhard; Keys, Patrick; Kummu, Matti;Wagener, Thorsten; Dadson, Simon; Troy, Tara J.; Steffen, Will; Falkenmark, Malin;Famiglietti, James S.Illuminating water cycle modifications and Earth system resilience in the Anthropocene

Published in:Water Resources Research

DOI:10.1029/2019WR024957

Published: 01/04/2020

Document VersionPublisher's PDF, also known as Version of record

Please cite the original version:Gleeson, T., WangErlandsson, L., Porkka, M., Zipper, S. C., Jaramillo, F., Gerten, D., Fetzer, I., Cornell, S. E.,Piemontese, L., Gordon, L. J., Rockström, J., Oki, T., Sivapalan, M., Wada, Y., Brauman, K. A., Flörke, M.,Bierkens, M. F. P., Lehner, B., Keys, P., ... Famiglietti, J. S. (2020). Illuminating water cycle modifications andEarth system resilience in the Anthropocene. Water Resources Research, 56(4), [e2019WR024957].https://doi.org/10.1029/2019WR024957

Ill u mi n ati n g w at e r c y cl e m o di fi c ati o n s a n d E a rt hs y st e m r e sili e n c e i n t h e A nt h r o p o c e n e

T o m Gl e e s o n 1, 2 , L a n W a n g‐E rl a n d s s o n 3, 4, 8 , Mii n a P o r k k a3, 8 , S a m u el C. Zi p p e r1, 2 5 ,

F e r n a n d o J a r a mill o 3, 5 , Di et e r G e rt e n6, 7 , I n g o F et z e r3, 8 , S a r a h E. C o r n ell3 , L ui gi Pi e m o nt e s e3 ,

Li n e J. G o r d o n 3 , J o h a n R o c k st r ö m3, 6 , T ai k a n O ki9 , M u r u g e s u Si v a p al a n1 0, 1 1 , Y o s hi hi d e W a d a1 2, 1 5 ,

K at e A. B r a u m a n 1 3 , M a rti n a Fl ö r k e1 4 , M a r c F. P. Bi e r k e n s1 5, 1 6 , B e r n h a r d L e h n e r1 7 , P at ri c k K e y s1 8 ,

M atti K u m m u 1 9 , T h o r st e n W a g e n e r2 0, 2 1 , Si m o n D a d s o n2 2 , T a r a J. T r o y1 , Will St eff e n3, 2 3 ,

M ali n F al k e n m a r k 3 , a n d J a m e s S. F a mi gli etti2 4

1 D e p art m e nt of Ci vil E n gi n e eri n g, U ni v ersit y of Vi ct ori a, Vi ct ori a, Britis h C ol u m bi a, C a n a d a, 2 S c h o ol of E art h a n d O c e a n

S ci e n c es, U ni v ersit y of Vi ct ori a, Vi ct ori a, Britis h C ol u m bi a, C a n a d a, 3 St o c k h ol m R esili e n c e C e ntr e, St o c k h ol m U ni v ersit y,

St o c k h ol m, S w e d e n, 4 R es e ar c h I nstit ut e f or H u m a nit y a n d N at ur e, K y ot o, J a p a n, 5 D e p art m e nt of P h ysi c al G e o gr a p h y,

St o c k h ol m U ni v ersit y, St o c k h ol m, S w e d e n, 6 P ots d a m I nstit ut e f or Cli m at e I m p a ct R es e ar c h ( PI K), P ots d a m, G er m a n y,7 G e o gr a p h y D e p art m e nt, H u m b ol dt ‐U ni v ersit ät z u B erli n, B erli n, G er m a n y, 8 B oli n C e ntr e f or Cli m at e R es e ar c h,

St o c k h ol m U ni v ersit y, St o c k h ol m, S w e d e n, 9 I nt e gr at e d R es e ar c h S yst e m f or S ust ai n a bilit y S ci e n c e, U ni v ersit y of T o k y o,

T o k y o, J a p a n, 1 0 D e p art m e nt of Ci vil a n d E n vir o n m e nt al E n gi n e eri n g, U ni v ersit y of Illi n ois at Ur b a n a ‐C h a m p ai g n,

Ur b a n a, I L, U S A, 1 1 D e p art m e nt of G e o gr a p h y a n d G e o gr a p hi c al S ci e n c e, U ni v ersit y of Illi n ois at Ur b a n a ‐C h a m p ai g n,

Ur b a n a, I L, U S A, 1 2 I nt er n ati o n al I nstit ut e f or A p pli e d S yst e ms A n al ysis, L a x e n b ur g, A ustri a, 1 3 I nstit ut e o n t h e

E n vir o n m e nt, U ni v ersit y of Mi n n es ot a, S ai nt P a ul, M N, U S A, 1 4 C h air of E n gi n e eri n g H y dr ol o g y a n d W at er R es o ur c es

M a n a g e m e nt, R u hr ‐U ni v ersit y B o c h u m, B o c h u m, G er m a n y, 1 5 P h ysi c al G e o gr a p h y, Utr e c ht U ni v ersit y, Utr e c ht,

N et h erl a n ds, 1 6 D elt ar es, Utr e c ht, N et h erl a n ds, 1 7 D e p art m e nt of G e o gr a p h y, M c Gill U ni v ersit y, Q u e b e c, C a n a d a, 1 8 S c h o ol

of Gl o b al E n vir o n m e nt al S ust ai n a bilit y, C ol or a d o St at e U ni v ersit y, F ort C olli ns, C O, U S A, 1 9 W at er a n d D e v el o p m e nt

R es e ar c h Gr o u p, A alt o U ni v ersit y, Es p o o, Fi nl a n d, 2 0 D e p art m e nt of Ci vil E n gi n e eri n g, U ni v ersit y of Brist ol, Brist ol, U K,2 1 C a b ot I nstit ut e, U ni v ersit y of Brist ol, Brist ol, U K, 2 2 S c h o ol of G e o gr a p h y a n d t h e E n vir o n m e nt, U ni v ersit y of O xf or d,

O xf or d, U K, 2 3 F e n n er S c h o ol of E n vir o n m e nt & S o ci et y, A ustr ali a n N ati o n al U ni v ersit y, C a n b err a, A ustr ali a n C a pit al

T errit or y, A ustr ali a, 2 4 S c h o ol of E n vir o n m e nt a n d S ust ai n a bilit y a n d Gl o b al I nstit ut e f or W at er S e c urit y, U ni v ersit y of

S as k at c h e w a n, S as k at o o n, S as k at c h e w a n, C a n a d a, 2 5 K a ns as G e ol o gi c al S ur v e y, U ni v ersit y of K a ns as, L a wr e n c e, K S, U S A

A b st r a ct Fr es h w at er — t h e bl o o dstr e a m of t h e bi os p h er e— is at t h e c e nt er of t h e pl a n et ar y dr a m a of t h e

A nt hr o p o c e n e. W at er fl u x es a n d st or es r e g ul at e t h e E art h's cli m at e a n d ar e ess e nti al f or t hri vi n g a q u ati c

a n d t err estri al e c os yst e ms, as w ell as w at er, f o o d, a n d e n er g y s e c urit y. B ut t h e w at er c y cl e is als o b ei n g

m o di fi e d b y h u m a ns at a n u n pr e c e d e nt e d s c al e a n d r at e. A h olisti c u n d erst a n di n g of fr es h w at er's r ol e f or

E art h s yst e m r esili e n c e a n d t h e d et e cti o n a n d m o nit ori n g of a nt hr o p o g e ni c w at er c y cl e m o di fi c ati o ns a cr oss

s c al es is ur g e nt, y et e xisti n g m et h o ds a n d fr a m e w or ks ar e n ot w ell s uit e d f or t his. I n t his p a p er w e

hi g hli g ht f o ur c or e E art h s yst e m f u n cti o ns of w at er ( h y dr o cli m ati c r e g ul ati o n, h y dr o e c ol o gi c al r e g ul ati o n,

st or a g e, a n d tr a ns p ort) a n d k e y r el at e d pr o c ess es. B uil di n g o n s yst e ms a n d r esili e n c e t h e or y, w e r e vi e w t h e

e vi d e n c e of r e gi o n al ‐s c al e r e gi m e s hifts a n d disr u pti o ns of t h e E art h s yst e m f u n cti o ns of w at er. W e t h e n

pr o p os e a fr a m e w or k f or d et e cti n g, m o nit ori n g, a n d est a blis hi n g s af e li mits t o w at er c y cl e m o di fi c ati o ns a n d

i d e ntif y f o ur p ossi bl e s p ati all y e x pli cit m et h o ds f or t h eir q u a ntifi c ati o n. I n s u m, t his p a p er pr es e nts a n

a m biti o us s ci e nti fi c a n d p oli c y gr a n d c h all e n g e t h at c o ul d s u bst a nti all y i m pr o v e o ur u n d erst a n di n g of t h e

r ol e of w at er i n t h e E art h s yst e m a n d cr oss ‐s c al e m a n a g e m e nt of w at er c y cl e m o di fi c ati o ns t h at w o ul d

b e a c o m pl e m e nt ar y a p pr o a c h t o e xisti n g w at er m a n a g e m e nt t o ols.

Pl ai n l a n g u a g e s u m m a r y Fr es h w at er is cr u ci all y i m p ort a nt f or all lif e o n E art h. T h er e is

a b u n d a nt r es e ar c h a n d e vi d e n c e o n h o w diff er e nt pr o c ess es wit hi n t h e w at er c y cl e r e g ul at e cli m at e a n d

s u p p ort e c os yst e ms, a n d b y e xt e nsi o n, h u m a n s o ci eti es. H u m a ns ar e als o a m aj or f or c e dist ur bi n g t h os e

pr o c ess es a n d m o dif yi n g t h e w at er c y cl e. T h es e m o di fi c ati o ns i n cl u d e, f or i nst a n c e, s urf a c e w at er

wit h dr a w als, gr o u n d w at er p u m pi n g, d ef or est ati o n a n d ot h er l a n d c o v er c h a n g e, a n d i c e m elt d u e t o

w ar mi n g cli m at e. As m ost pr e vi o us r es e ar c h o n h u m a n – w at er i nt er a cti o ns f o c us es o n u n d erst a n di n g

s yst e ms at s m all er s c al es, s u c h as a w at ers h e d or a n ati o n, c o m pr e h e nsi v e u n d erst a n di n g of w h at h u m a n

m o di fi c ati o ns of t h e w at er c y cl e m e a n f or t h e st a bilit y of t h e pl a n et is still l a c ki n g. I n t his p a p er w e pr o p os e a

n e w fr a m e w or k f or a n al ysi n g a n d est a blis hi n g li mits t o a v ari et y of h u m a n m o di fi c ati o ns of t h e w at er c y cl e,© 2 0 2 0. A m eri c a n G e o p h ysi c al U ni o n.

All Ri g hts R es er v e d.

C O M M I S S I O N E D

M A N U S C R I P T1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7

K e y P oi nt s:

• E art h s yst e m r esili e n c e d e p e n ds o n

a n i m pr o v e d u n d erst a n di n g a n d

m a n a g e m e nt of w at er c y cl e

m o di fi c ati o ns

• W e i d e ntif y f o ur k e y f u n cti o ns of

fr es h w at er i n t h e E art h s yst e m a n d

e vi d e n c e of r e gi o n al t o gl o b al r e gi m e

s hift s a n d disr u pti o ns

• T h e w at er pl a n et ar y b o u n d ar y is a

c o m p elli n g fr a m e w or k t o i m pr o v e

o ur u n d erst a n di n g a n d m a n a g e m e nt

of w at er c y cl e m o di fi c ati o ns i n t h e

E art h s yst e m

C o r r e s p o n d e n c e t o:

T. Gl e es o n,

t gl e es o n @ u vi c. c a

Cit ati o n:

Gl e es o n, T., W a n g ‐Erl a n d ss o n, L.,

P or k k a, M., Zi p p er, S. C., J ar a mill o, F.,

G ert e n, D., et al ( 2 0 2 0). Ill u mi n ati n g

w at er c y cl e m o di fi c ati o ns a n d E art h

s yst e m r esili e n c e i n t h e A nt hr o p o c e n e.

W at er R es o ur c es R es e ar c h , 5 6 ,

e 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7. htt ps:/ / d oi. or g/

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7

R e c ei v e d 1 1 M A R 2 0 1 9

A c c e pt e d 3 0 D E C 2 0 1 9

A c c e pt e d arti cl e o nli n e 4 J A N 2 0 2 0

G L E E S O N E T A L. 1 of 2 4

t o e ns ur e t h at t h e st a bilit y of t h e E art h w o ul d n ot b e c o m pr o mis e d. W e s e e t his as a n i m p ort a nt a n d ur g e nt

s ci e nti fi c c h all e n g e t h at h as t h e p ot e nti al t o s u bst a nti all y i m pr o v e o ur u n d erst a n di n g of t h e f u n cti o ni n g

of t h e E art h s yst e m a n d t o i nf or m l o c al a n d gl o b al p oli c y t o w ar d a m or e s ust ai n a bl e f ut ur e.

1. W h y i s a F r a m e w o r k f o r E x a mi ni n g t h e R ol e of W at e r C y cl e M o di fi c ati o n s f o rE a rt h S y st e m R e sili e n c e N e c e s s a r y ?

H u m a n pr ess ur e o n f u n d a m e nt al pl a n et ar y pr o c ess es ar e p us hi n g t h e E art h o ut of t h e H ol o c e n e g e ol o gi c al

e p o c h, t h e o nl y p eri o d i n E art h's hist or y k n o w n t o b e c a p a bl e of s u p p orti n g s e d e nt ar y, c o m pl e x h u m a n ci vi-

lis ati o n. I n t his n e wl y h u m a n s h a p e d A nt hr o p o c e n e, t h e s c al e a n d m a g nit u d e of h u m a n dri v ers ris k tri g g er

criti c al tr a nsiti o ns t h at j e o p ar di z e t h e h a bit a bilit y of E art h f or h u m a n s o ci et y ( B ar n os k y et al., 2 0 1 2; St eff e n

et al., 2 0 1 8). Fr es h w at er — t h e bl o o dstr e a m of t h e bi os p h er e— is at t h e c e nt er of t his pl a n et ar y dr a m a: T h e

w at er c y cl e is n ot o nl y ess e nti al f or m yri a d E art h s yst e m pr o c ess es, i nt er a cti o ns, a n d f e e d b a c ks, b ut it is als o

s u bj e ct t o a nt hr o p o g e ni c m a ni p ul ati o n at t h e gl o b al s c al e. W at er, f o o d, a n d e n er g y s e c urit y a n d s ust ai n a bil-

it y d e p e n d o n v ari o us w at er st or es a n d fl u x es t h at h a v e b e e n a n d ar e b ei n g m o di fi e d b y m a n y a n d di v ers e

pr o c ess es, i nt er a cti o ns, a n d f e e d b a c ks of gl o b al c h a n g e i n t h e A nt hr o p o c e n e.

W at er fl o ws r e g ul at e t h e E art h's cli m at e s yst e m t hr o u g h m e di ati o n of t h e e n er g y, c ar b o n, a n d w at er

b al a n c es a n d ar e a pr er e q uisit e f or t hri vi n g a q u ati c a n d t err estri al e c os yst e ms. A m o n g ot h ers, s oil

m oist ur e aff e cts t h e E art h's al b e d o t hr o u g h s u p p orti n g v e g et ati o n a n d c o ntri b uti n g t o cl o u d

f or m ati o n, c ar b o n s e q u estr ati o n t hr o u g h r e g ul ati o n of bi o m ass pr o d u cti o n, a n d m oist ur e f e e d b a c k o n

pr e ci pit ati o n. Ri v ers tr a ns p ort h alf of t h e c ar b o n s e q u est er e d b y l a n d t o w at er b o di es a n d r es pir e h alf

i nt o t h e at m os p h er e ( Bi d d a n d a, 2 0 1 7). Criti c al e c os yst e m s er vi c es r e q uir e 9 0 % of gl o b al e v a p otr a ns pir a-

ti o n t o f u n cti o n ( R o c kstr ö m et al., 1 9 9 9), w hil e str e a mfl o w s ust ai ns a q u ati c e c os yst e m f u n cti o ni n g

( S m a k hti n 2 0 0 4).

H olisti c all y u n d erst a n di n g, e v al u ati n g, a n d m ai nt ai ni n g t h e w at er c y cl e's r ol e f or a r esili e nt E art h s yst e m is

e xtr e m el y c h all e n gi n g a n d ur g e nt i n t h e A nt hr o p o c e n e, as t h e s o ci et al c o m pl e xiti es i nt erl o c k wit h t h e c o m-

pl e x d y n a mi cs of t h e E art h s yst e m. Gl o b all y distri b ut e d a n d i nt er c o n n e ct e d h u m a n a cti viti es h a v e b e c o m e

t h e d o mi n a nt f or c e of m o difi c ati o ns t o t h e w at er c y cl e a n d alr e a d y cr e at e d l o c al ‐ t o r e gi o n al‐s c al e w at er ‐

m e di at e d r e gi m e s hifts. R es e ar c h s h o ws a nt hr o p o g e ni c f or ci n g t o d o mi n at e c h a n gi n g ri v er fl o ws w orl d wi d e

( S hi kl o m a n o v & R o d d a, 2 0 0 3), gr o u n d w at er d e pl eti o n ( A es c h b a c h‐H erti g & Gl e es o n, 2 0 1 2; Bi er k e ns &

W a d a, 2 0 1 9), t h e p artiti o ni n g of w at er o n l a n d ( J ar a mill o & D est o u ni, 2 0 1 5 a), as w ell as t h e s p ati al p att er ns

a n d s e as o n al ti mi n g of e v a p otr a ns pir ati o n o v er c o nti n e nts ( G or d o n et al., 2 0 0 5; St erli n g et al., 2 0 1 2). T h es e

w at er c y cl e m o di fi c ati o ns h a v e h a d k n o c k ‐o n eff e cts o n criti c al E art h s yst e m f u n cti o ni n g t hr o u g h m o di fi c a-

ti o n of at m os p h eri c m oist ur e f e e d b a c ks ( W a n g‐Erl a n dss o n et al., 2 0 1 8), tr o pi c al f or est r esili e n c e ( Hir ot a

et al., 2 0 1 1; Z e m p et al., 2 0 1 7; St a al et al., 2 0 1 8), m o ns o o n s yst e ms, a n d s e a l e v el ( W a d a et al., 2 0 1 2). At

t h e s a m e ti m e, t h e h u m a n i m p a ct o n t h e w at er c y cl e is m or e i nt er n ati o n all y c o n n e ct e d t h a n e v er, t hr o u g h

fl o ws of p e o pl e, c o m m o diti es, fi n a n c e, t e c h n ol o g y, a n d i nf or m ati o n t h at e n a bl e e m er gi n g i m p a cts o n t h e

w at er c y cl e t hr o u g h virt u al w at er fl o ws ( D ali n et al., 2 0 1 7; H o e kstr a & M e k o n n e n, 2 0 1 2; O ki et al., 2 0 1 7;

P or k k a et al., 2 0 1 2), l a n d gr a bs ( R ulli et al., 2 0 1 3), a n d f or est tr a nsiti o n dis pl a c e m e nts ( M e yfr oi dt

et al., 2 0 1 0).

T h e s p ati al h et er o g e n eit y a n d distri b uti o n of t h e w at er c y cl e, h o w e v er, m e a n t h at w at er st or es a n d fl u x es ar e

oft e n a n al ys e d at l o c al t o r e gi o n al s c al es of 1 0 t o 1, 0 0 0 s of k m 2 ( Ar c hfi el d et al., 2 0 1 5; Br o w n et al., 2 0 1 5;

M e d e m a et al., 2 0 0 8; S a v e nij e et al., 2 0 1 4). A t e xt b o o k c as e of t h e n e e d f or a c o nti n e nt al ‐t o‐gl o b al, r at h er

t h a n l o c al‐t o‐r e gi o n al, p ers p e cti v e is t h e gl o b al i nt er c o n n e ct e d n ess b et w e e n t h e A m a z o n F or est a n d t h e

w at er c y cl e. Gr e e n h o us e g as e missi o ns w orl d wi d e dri v e cli m at e c h a n g e t h at i n cr e as es t h e fr e q u e n c y a n d

s e v erit y of dr o u g ht a n d fi r e i n t h e A m a z o n ( Ar a g ã o et al., 2 0 1 8; D uff y et al., 2 0 1 5), w hil e gl o b al d e m a n d

f or a gri c ult ur al pr o d u cts s u c h as s o y b e a n a n d fi n a n ci al i n v est m e nts s p ur f or est cl e ari n g ( B ar o n a et al.,

2 0 1 0; G al a z et al., 2 0 1 8; N e pst a d et al., 1 9 9 4). T o g et h er, d ef or est ati o n a n d cli m at e c h a n g e alt er t h e r e gi o n al

r ai nf all p att er ns a n d s hift t h e S o ut h A m eri c a n m o ns o o n s yst e m a n d r e v er b er at e t o i m p a ct o n pr e ci pit ati o n

i n t h e mi dl atit u d es t hr o u g h t el e c o n n e cti o ns ( D' Al m ei d a et al., 2 0 0 7; L a wr e n c e a n d V a n d e c ar, 2 0 1 4; N o br e,

2 0 1 4; S p er a et al., 2 0 1 6, S w a n n et al., 2 0 1 5). M or e o v er, r e p e at e d s e v er e dr o u g hts m a y ulti m at el y u n d er mi n e

t h e A m a z o n f or est's r ol e as a gl o b al n et c ar b o n si n k ( Y a n g et al., 2 0 1 8).

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 2 of 2 4

T h e s ci e nti fi c a n d et hi c al gr a n d c h all e n g e of e x a mi ni n g w at er c y cl e m o di fi c ati o ns f or E art h s yst e m r esili e n c e

is d e e pl y c o n n e ct e d t o n u m er o us r es e ar c h q u esti o ns at t h e h e art of c urr e nt r es e ar c h fr o nti ers a n d q u esti o ns

i n h y dr ol o g y: H o w d o w e u n d erst a n d a n d m a n a g e t h e i nt er a cti o ns, d y n a mi cs, a n d c o n n e cti viti es i n t h e

gl o b al w at er s yst e m ? ( Al c a m o et al., 2 0 0 8; Bi er k e ns et al., 2 0 1 5; F a n et al., 2 0 1 9; V ör ös m art y et al., 2 0 1 5;

W o o d et al., 2 0 1 1). H o w d o w e c o nsi d er h u m a ns as e n d o g e n o us t o t h e w at er s yst e m i n t h e r el ati v el y n e wl y

e m er gi n g dis ci pli n e of s o ci o ‐h y dr ol o g y ? ( Di B al d ass arr e et al., 2 0 1 3.; Br o w n et al., 2 0 1 5; L u n d, 2 0 1 5;

M o nt a n ari et al., 2 0 1 3; Si v a p al a n et al., 2 0 1 2, 2 0 1 4; V o g el et al., 2 0 1 5; W a g e n er et al., 2 0 1 0). H o w d o w e m a n-

a g e tr a d e ‐offs b et w e e n gl o b al d e v el o p m e nt c o nsi d er e d i n t h e s ust ai n a bl e d e v el o p m e nt g o als ( B h a d uri et al.,

2 0 1 6) a n d i n cr e asi n g pr ess ur e o n t h e E art h s yst e m f u n cti o ni n g of t h e gl o b al w at er c y cl e ? H o w d o e xisti n g

w at er m a n a g e m e nt a n d g o v er n a n c e m e c h a nis ms a n d i nstit uti o ns r es p o n d t o a n d i n fl u e n c e gl o b al w at er

c y cli n g ? H o w d o i nt er a cti o ns a n d f e e d b a c ks wit h t h e f o o d a n d e n er g y s e ct ors i m p a ct t h e w at er c y cl e a cr oss

s c al es ? ( C ai et al., 2 0 1 8). E x a mi ni n g gl o b al w at er c y cl e m o di fi c ati o ns is a l o gi c al c o m pl e m e nt t o t h es e

r es e ar c h c h all e n g es. T o b e a bl e t o n a vi g at e t h e pl a n et ar y ‐s c al e d y n a mi cs of t h e w at er c y cl e a n d m a k e

c o n n e cti o ns t o t h es e ot h er r es e ar c h q u esti o ns, w e fi rst n e e d t o u n d erst a n d t h e f oll o wi n g:

• W h at w at er ‐r el at e d c h a n g es m a y l e a d t o s u pr ar e gi o n al or gl o b al ti p pi n g p oi nts — or m or e gr a d u al y et

e q u all y d etri m e nt al tr a nsiti o ns — r el at e d t o w at er a n d E art h s yst e m f u n cti o ns ?

• T o w h at w at er ‐r el at e d c h a n g es, a n d i n w h at r e gi o ns, is t h e E art h s yst e m p arti c ul arl y v ul n er a bl e ?

• H o w d o l o c al c h a n g es i n st or es a n d fl u x es of w at er i m p a ct r e gi o n al a n d gl o b al pr o c ess es, a n d h o w d o

r e gi o n al a n d gl o b al c h a n g es i m p a ct l o c al pr o c ess es ?

I n a d diti o n t o t h es e s ci e ntifi c q u esti o ns, i d e all y, a fr a m e w or k s h o ul d als o b e d e v el o p e d t h at r e c o g ni z es all

m e m b ers of t h e gl o b al c o m m u nit y as st a k e h ol d ers of t h e gl o b al w at er c y cl e as a “ gl o b al c o m m o ns ” a n d

pr o vi d es k n o wl e d g e of gl o b all y distri b ut e d a n d a g gr e g at e d li mits t o v ari o us w at er c y cl e m o di fi c ati o ns

b e y o n d w hi c h w e m a y p us h t h e E art h s yst e m st at e i nt o u n c h art e d t errit or y i n t er ms of h a bit a bilit y f or

h u m a n ci vilis ati o ns.

O ur o bj e cti v e is t w of ol d: pr o vi di n g a pl a n et ar y ‐s c al e o v er vi e w of w at er's r ol e f or m ai nt ai ni n g E art h s yst e m

f u n cti o ns a n d d e v el o pi n g a fr a m e w or k f or m o nit ori n g, d et e cti n g, a n d p ot e nti all y a cti n g o n w at er c y cl e m o d-

ifi c ati o ns. T his w or k is b as e d o n m ulti pl e w or ks h o ps, w or ki n g gr o u ps, a n d i nt e ns e c oll a b or ati o n a n d d e b at e.

T hr o u g h o ut, w e f o c us o n E art h s yst e m r esili e n c e usi n g a s eri es of c o n c e pts i ntr o d u c e d i n s e cti o n 2 ( d y n a mi c

s yst e ms, r esili e n c e t h e or y, E art h s yst e m s ci e n c e, a n d t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k). M a n y m a n u-

s cri pts a n d t e xt b o o ks h a v e d es cri b e d t h e c o m p o n e nts a n d i nt er a cti o ns of t h e st or es a n d fl u x es of t h e w at er

c y cl e, b ut f e w ( F al k e n m ar k et al., 2 0 1 9; R o c kstr ö m et al., 2 0 1 4) h a v e hi g hli g ht e d t h e gl o b al w at er c y cl e as

a d y n a mi c, r esili e nt s yst e m as w e d o i n s e cti o n 2. W e t h e n s y nt h esi z e t h e f u n cti o n al r ol e of w at er i n t h e

br o a d er E art h s yst e m (s e cti o n 3) a n d t h e e vi d e n c e of r e gi o n al r e gi m e s hifts a n d disr u pti o ns of t h e E art h

s yst e m f u n cti o ns of w at er (s e cti o n 4). Fi n all y, w e pr o p os e a fr a m e w or k f or d e fi ni n g gl o b al w at er c y cl e

m o di fi c ati o ns usi n g t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k (s e cti o n 5) a n d c o n cl u d e wit h a c all t o j oi n us i n t his

gr a n d c h all e n g e (s e cti o n 6). I n t h e f ut ur e, t h e m et h o ds f or m o nit ori n g a n d d et e cti n g w at er c y cl e m o di fi c a-

ti o ns c o ul d p ossi bl y b e m o difi e d or a d a pt e d t o e x a mi n e ot h er iss u es s u c h as w at er s c ar cit y, s e c urit y, or virt u al

w at er. H er ei n “ w at er ” r ef ers t o t err estri al fr es h w at er.

2. E a rt h S y st e m R e sili e n c e T h e o r y

T o m oti v at e t h e f oll o wi n g o v er vi e w of r esili e n c e t h e or y, w e st art wit h t h e p ot e nti al r ol e of h u m a n m o di fi c a-

ti o ns of t h e w at er c y cl e i n pl a n et ar y‐s c al e E art h s yst e m r e gi m e s hift. R e gi m e s hifts ar e a br u pt, p ersist e nt, a n d

p ossi bl y irr e v ersi bl e c h a n g es i n t h e s yst e m's str u ct ur e a n d f u n cti o n, w hi c h i n g e n er al ar e w ell ‐d o c u m e nt e d

a cr oss s c al es ( Bi g gs et al., 2 0 1 8; R o c h a et al., 2 0 1 5). W ell ‐k n o w n l o c al ‐ t o r e gi o n al‐s c al e r e gi m e s hifts i n

h y dr ol o gi c al s yst e ms i n cl u d e l a k e e utr o p hi c ati o n e v e n o c c urri n g i n l ar g e l a k es s u c h as L a k e Vi ct ori a

( H e c k y et al., 2 0 1 0), l a k e d e pl eti o n s u c h as Ar al S e a ( Mi c kli n, 2 0 0 7; Mi c kli n et al., 2 0 1 6), a n d s ali ni z ati o n

s u c h as i n t h e M urr a y – D arli n g ri v er b asi n ( O v ert o n et al., 2 0 0 6). H o w e v er, r e gi m e s hifts o c c ur als o at t h e

pl a n et ar y s c al e. K n o w n E art h s yst e m r e gi m e s hifts i n cl u d e t h e l ast gl a ci al – i nt er gl a ci al tr a nsiti o n ( H o e k,

2 0 0 8), t h e “ Bi g Fi v e ” m ass e xti n cti o ns ( B ar n os k y et al., 2 0 1 1) a n d t h e C a m bri a n e x pl osi o n ( M ars h all,

2 0 0 6). T h e e vi d e n c e a n d u n d erst a n di n g of p ast r e gi m e s hifts i n t h e E art h s yst e m is i m p ort a nt, as c urr e nt

h u m a n pr ess ur e alr e a d y e x c e e ds t h e r at e a n d m a g nit u d e of t h e f or ci n gs t h at pr e ci pit at e d t h e l at est

gl o b al ‐s c al e r e gi m e st at e s hift, t h e l ast gl a ci al – i nt er gl a ci al tr a nsiti o n ( B ar n os k y et al., 2 0 1 2).

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 3 of 2 4

I n g e n er al, r e gi m e s hifts of a s o ci al– e c ol o gi c al s yst e m c a n o c c ur t hr o u g h eit h er a c o ntr olli n g p ar a m et er (s u c h

as r ai nf all) cr ossi n g a criti c al t hr es h ol d l e a di n g t o a “ ti p pi n g” i nt o a n e w st at e wit h i nt er n all y st a bili zi n g

f e e d b a c k pr o c ess es or c oll a ps e t hr o u g h gr a d u al c h a n g e ( F al k e n m ar k et al., 2 0 1 9). R e gi m e s hift t hr o u g h

criti c al t hr es h ol ds r es ults i n a st at e c h a n g e t h at m a y b e dif fi c ult or i m p ossi bl e t o r e v ers e d u e t o t h e tri g g eri n g

of r ei nf or ci n g p ositi v e f e e d b a c ks, w h er e as a r e gi m e s hift t hr o u g h li n e ar c oll a ps e of i nt er n al f e at ur es or

s u bs yst e ms r ef ers t o a gr a d u al s yst e m c h a n g e t h at d o es n ot n e c ess aril y i ntr o d u c e si g ni fi c a nt diff er e n c es i n

s yst e m f e e d b a c ks. R e gi m e s hift t hr o u g h t hr es h ol d eff e cts a n d r ei nf or ci n g f e e d b a c ks c a n b e ill ustr at e d

t hr o u g h d ef or est ati o n i n t h e A m a z o n: L oss i n m oist ur e s u p pl y l e a ds t o r ai nf all r e d u cti o n, w hi c h l e a ds t o f or-

est l oss b el o w c ert ai n r ai nf all t hr es h ol d, t h us f urt h er r ai nf all r e d u cti o n ass o ci at e d wit h i n cr e as e d ris k of fi r e

a n d f urt h er f or est l oss ( Z e m p et al., 2 0 1 7). T o r est or e t h e r ai nf or est is m or e dif fi c ult b e c a us e it i n v ol v es h ys-

t er esis b e h a vi or e nf or c e d b y i nt er n al f e e d b a c ks; i n t h e A m a z o n, f or e x a m pl e, c o u nt er a cti n g s elf ‐a m plif yi n g

f e e d b a c ks t o r est or e a f or est e d st at e r e q uir es hi g h er r ai nf all l e v els t h a n t h e t hr es h ol d t h at ori gi n all y i n d u c e d

f or est l oss. O n t h e ot h er h a n d, a n e x a m pl e of li n e ar c oll a ps e c a n b e ill ustr at e d t hr o u g h ri v er d e pl eti o n,

w h er ei n pri n ci pl e, w at er l e v els c a n b e r est or e d b y r e v ersi n g t h e pr o c ess es t h at l e d t o t h eir d e pl eti o n

( alt h o u g h r el at e d s o ci al– e c ol o gi c al s yst e ms s u c h as fi s hi n g c o m m u niti es m a y e x hi bit h yst er eti c eff e cts). T o

o ur b est k n o wl e d g e, t h er e is n o st u d y c o m pr e h e nsi v el y i n v esti g ati n g w h et h er h u m a n m o di fi c ati o ns of t h e

w at er c y cl e h a v e l e d, c o ul d b e l e a di n g, or will l e a d t o pl a n et ar y ‐s c al e r e gi m e s hifts i n t h e E art h s yst e m.

T h e t er m r esili e n c e w as ori gi n all y i ntr o d u c e d t o r ef er t o t h e c a p a cit y of a s yst e m t o a bs or b or wit hst a n d dis-

t ur b a n c e t h at m a y pr e ci pit at e a r e gi m e s hift. T his d efi niti o n of r esili e n c e is s o m eti m es r ef err e d t o as p ersis-

t e n c e r esili e n c e; it dr a ws ori gi n all y fr o m s yst e m d y n a mi cs u n d erst a n di n g a n d is s u p p ort e d b y a r a n g e of

o bs er v ati o n ‐b as e d e c os yst e m st u di es ( e. g., H olli n g, 1 9 7 3; S c h eff er et al., 2 0 0 1; W al k er et al., 2 0 0 4).

P ersist e n c e r esili e n c e c a n b e us e d t o d es cri b e all t h e e x a m pl es of r e gi m e s hifts d es cri b e d a b o v e a n d d e als pri-

m aril y wit h a n a g e nt ‐fr e e e n vir o n m e nt ( D o n g es & B arf uss, 2 0 1 7) a n d t h er ef or e is als o of pri m ar y r el e v a n c e

f or u n d erst a n di n g t h e bi o p h ysi c al as p e cts of E art h s yst e m r esili e n c e. Br o a d er as p e cts of r esili e n c e of s o ci al –

e c ol o gi c al s yst e ms ( e. g., F ol k e et al., 2 0 0 4; H olli n g, 1 9 7 3; H olli n g & G u n d ers o n, 2 0 0 2) i n cl u d e t h e c a p a cit y of

a s yst e m t o a d a pt t o c h a n g es a n d tr a nsf or m i nt o a n e w d esir a bl e st at e. C o m pl e x i nt erli n k e d s o ci al – e c ol o gi c al

s yst e ms m a y u n d er g o c y cl es of a d a pt ati o n at diff er e nt hi er ar c hi c al l e v els, w hi c h ar e n est e d i n t h e p a n ar c h y

fr a m e w or k ( H olli n g a n d G u n d erss o n, 2 0 0 2). At t h e gl o b al s c al e a n d hi g h est l e v el, s o ci al– e c ol o gi c al s yst e m

d y n a mi cs h a v e b e e n a d dr ess e d usi n g w orl d ‐s yst e m a n al ysis ( C h as e ‐D u n n & H all, 1 9 9 7; D e n e m ar k et al.,

2 0 0 0; G otts, 2 0 0 7; H all, 2 0 0 0; W all erst ei n, 1 9 7 4) t h at t o v ar yi n g e xt e nt a d dr ess s o ci o e c o n o mi c f e e d b a c ks

e q u all y wit h bi o p h ysi c al f e e d b a c ks. T h e br a n c h of E art h s yst e m s ci e n c e f o c usi n g o n E art h s yst e m r esili e n c e

t o a nt hr o p o g e ni c pr ess ur e t h at d o es n ot c o nsi d er s o ci o e c o n o mi c f e e d b a c ks as e n d o g e n o us i n cl u d es st u di es

of ti p pi n g el e m e nts i n t h e E art h s yst e m ( L e nt o n et al., 2 0 0 8; St eff e n et al., 2 0 1 8) a n d t h e pl a n et ar y b o u n d ar y

fr a m e w or k ( R o c kstr ö m et al., 2 0 0 9 a, 2 0 0 9 b; St eff e n, Ri c h ar ds o n, et. al., 2 0 1 5).

S p e ci fi c all y, t his p a p er f o c us es o n t h e w at er c y cl e's ess e nti al r ol e f or E art h s yst e m r esili e n c e, w hi c h is t h e

E art h s yst e m's a bilit y t o a bs or b or wit hst a n d p ert ur b ati o ns a n d ot h er str ess ors w hil e ess e nti all y m ai nt ai ni n g

its str u ct ur e a n d f u n cti o ns (s e e s e cti o n 3). W e r e c o g ni z e t h e t hr e e w a ys i n w hi c h w at er i nt er a cts wit h

r esili e n c e ( F al k e n m ar k et al., 2 0 1 9; R o c kstr ö m et al., 2 0 1 4): (i) as a “ s o ur c e ” of r esili e n c e, t h at is, t hr o u g h

t h e g e n er ati o n of e c os yst e m s er vi c es a n d f u n cti o ns i n b ot h t err estri al a n d a q u ati c s yst e ms; (ii) as a “ vi cti m ”

of c h a n g e, f or e x a m pl e, b y b ei n g s u bj e ct t o l a n d us e c h a n g e a n d p oll uti o n pr ess ur e; a n d (iii) as a n “ a g e nt ” of

c h a n g e, f or e x a m pl e, b y dri vi n g s o ci al s h o c ks or v e g et ati o n c h a n g e t hr o u g h m o di fi c ati o ns i n t h e t e m p or al or

s p ati al distri b uti o n i n t h e w at er c y cl e. B y u n d er mi ni n g r esili e n c e of l o c al – r e gi o n al s yst e ms, h u m a n

m o di fi c ati o ns of t h e w at er c y cl e h a v e alr e a d y p us h e d m a n y of t h e m b e y o n d c oll a ps e, s u c h as t hr o u g h

s ali ni z ati o n, d es erti fi c ati o n, fl o w r e g ul ati o n, a n d e utr o p hi c ati o n (s e e s e cti o n 4 f or e vi d e n c e of w at er ‐r el at e d

r e gi m e s hifts).

I n t h e A nt hr o p o c e n e, c o nti n u e d h u m a n pr ess ur e m a y n o w a c c u m ul at e w at er c y cl e m o di fi c ati o ns t o t hr e ats

of pl a n et ar y ‐s c al e ti p pi n g t hr o u g h f o ur g e n er al p at h w a ys ( B ar n os k y et al., 2 0 1 2; L e nt o n et al., 2 0 0 8; R o c h a

et al., 2 0 1 8; St eff e n et al., 2 0 1 8): ( 1) e xt e nsi v e l o c al ‐s c al e c h a n g es t h at tri g g er criti c al tr a nsiti o ns o v er a l ar g e

ar e a; ( 2) gl o b al f or ci n g t h at tri g g er l o c al c h a n g es; ( 3) s y n er g y, f e e d b a c ks, a n d cr oss ‐s c al e i nt er a cti o ns

t hr o u g h c o m pl e x n et w or ks; a n d ( 4) ti p pi n g of m aj or s u bs yst e ms of t h e E art h s yst e m. T h e c at e g ori z ati o n

of t h es e p at h w a ys is i d e ali z e d, a n d m ulti pl e m e c h a nis ms m a y c o n c ur i n r e alit y. T h e fi rst p at h w a y is s u p-

p ort e d b y e m piri c al p at c h ‐ar e a a n d l a n ds c a p e ‐s c al e st u di es. F or e x a m pl e, cr ossi n g c ert ai n t hr es h ol ds of h a bi-

t at l oss or fr a g m e nt ati o n m a y tri g g er a br u pt, l a n ds c a p e‐wi d e s p e ci es e xti n cti o n ( P ar di ni et al., 2 0 1 0). At

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 4 of 2 4

E art h s yst e m s c al e, it h as b e e n s u g g est e d t h at a 5 0 % tr a nsf or m ati o n of t h e E art h's t err estri al e c os yst e ms m a y

c a us e gl o b al ‐s c al e ti p pi n g t o o c c ur ( N oss et al., 2 0 1 2) a n d, f or e x a m pl e, t h at 8 5 % of tr o pi c al a n d b or e al f or ests

n e e d t o r e m ai n i n or d er t o s af e g u ar d t h e f u n cti o ni n g of t h e E art h s yst e m ( R o c kstr ö m et al., 2 0 0 9 a, 2 0 0 9 b;

St eff e n, Ri c h ar ds o n, et al., 2 0 1 5). T h e s e c o n d p at h w a y c a n b e ill ustr at e d b y t h e r ol e of A m a z o n as c ar b o n

si n k, w hi c h if r e v ert e d t o c ar b o n s o ur c e t hr o u g h dr o u g ht ‐i n d u c e d f or est l oss, m a y c a us e a gl o b al‐s c al e f or-

ci n g t h at tri g g ers l o c al ‐s c al e c h a n g es i n t h e w at er c y cl e. T h e t hir d p at h w a y is s u p p ort e d b y n et w or k a n al ys es

t h at s h o w t h at r e gi m e s hifts m a y i nt er a ct t hr o u g h c as c a d es a n d cr oss‐s c al e i nt er a cti o ns ( e. g., R o c h a et al.,

2 0 1 8). D y n a mi c a n d c o m pl e x i nt er a cti o ns a n d c as c a d es h a v e als o r ais e d t h e c o n c er n t h at pr o c ess es t h at w er e

pr e vi o usl y t h o u g ht t o b e c o n fi n e d t o r e gi o n al c o n c er n m a y i n f a ct h a v e pl a n et ar y r esili e n c e i m pli c ati o ns

( R o c h a et al., 2 0 1 8; L e nt o n et al., 2 0 0 8, St eff e n et al., 2 0 1 8). Fi n all y, t h e f o urt h p at h w a y s u g g ests t h at h u m a n

pr ess ur e o n ti p pi n g el e m e nts, w hi c h is t h e k e y s u bs yst e ms of t h e E art h at s u b c o nti n e nt al s c al e t h at c a n b e

s wit c h e d i nt o a diff er e nt st at e f oll o wi n g mi n or p ert ur b ati o ns ( L e nt o n et al., 2 0 0 8), m a y h a v e t h e a bilit y t o

d est a bili z e t h e c urr e nt pl a n et ar y st at e ( St eff e n et al., 2 0 1 8).

W e s e e k t o u n d erst a n d t h e r ol e of w at er c y cl e m o di fi c ati o ns f or E art h s yst e m d y n a mi cs t hr o u g h t h e l e ns of

t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k (s e cti o n 5), as it is t o d at e t h e m ost s yst e m ati c eff ort f or c o m pr e h e nsi v el y

a d dr essi n g t h e q u esti o n “ W h at ar e t h e n o n ‐n e g oti a bl e pl a n et ar y pr e c o n diti o ns t h at h u m a nit y n e e ds t o

r es p e ct i n or d er t o a v oi d t h e ris k of d el et eri o us or e v e n c at astr o p hi c e n vir o n m e nt al c h a n g e at c o nti n e nt al

t o gl o b al s c al es ?” ( R o c kstr ö m et al., 2 0 0 9 b). Pl a n et ar y b o u n d ari es ar e d efi n e d as bi o g e o p h ysi c al b o u n d ari es

f or t h e pr o c ess es a n d s yst e ms, w hi c h t o g et h er r e g ul at e t h e st at e of t h e E art h s yst e m; t h e fr a m e w or k is n ot t o

b e c o nf us e d wit h t h e “ pl a n et ar y b o u n d ar y l a y er ” us e d i n i n at m os p h eri c s ci e n c e ( Vil à ‐G u er a u d e Ar ell a n

et al., 2 0 1 5). T h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k is b as e d o n (i) i d e ntif yi n g r el e v a nt bi o g e o c h e mi c al pr o-

c ess es t h at r e g ul at e t h e st a bilit y of t h e E art h s yst e m a n d (ii) d et er mi ni n g t h e li mit of h u m a n p ert ur b ati o n

of t h es e criti c al pr o c ess es. Cr ossi n g a n y of t h e pl a n et ar y b o u n d ari es c o ul d d est a bili z e ess e nti al E art h s yst e m

pr o c ess es ( R o c kstr ö m et al., 2 0 0 9 a, 2 0 0 9 b; St eff e n, Ri c h ar ds o n, et al., 2 0 1 5) a n d m o v e t h e E art h a w a y fr o m

H ol o c e n e c o n diti o ns d uri n g w hi c h h u m a n s o ci eti es d e v el o p e d a n d pr olif er at e d. Ni n e pl a n et ar y b o u n d ar y

pr o c ess es a n d s yst e ms h a v e b e e n i d e nti fi e d ( R o c kstr ö m et al., 2 0 0 9 a, 2 0 0 9 b). F or e a c h b o u n d ar y

pr o c ess/s yst e m, t h e pl a n et ar y b o u n d ar y s h o ul d b e d e fi n e d b as e d o n t h e r el ati o ns hi p b et w e e n a c o ntr ol v ari-

a bl e ( a q u a nti fi a bl e, p ossi bl y s p ati all y distri b ut e d bi o p h ysi c al i n di c at or of m ai n pr o c ess es c o ntr olli n g t h e

E art h s yst e m pr o c ess i n q u esti o n, o v er w hi c h h u m a ns c a n e x ert s o m e i n fl u e n c e) a n d a r es p o ns e v ari a bl e

( a n as p e ct of t h e E art h s yst e m t h at d efi n es E art h's st a bl e H ol o c e n e ‐li k e c o n diti o ns a n d is aff e ct e d b y a

c h a n g e i n t h e c o ntr ol v ari a bl e), t h o u g h s e v er al pl a n et ar y b o u n d ari es d o n ot y et h a v e cl e arl y d e fi n e d c o ntr ol

a n d/ or r es p o ns e v ari a bl es. It is i m p ort a nt t o n ot e t h at t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k is b as e d o n

bi o p h ysi c al r esili e n c e (t h e a bilit y of a s yst e m t o a bs or b or wit hst a n d dist ur b a n c e a n d p ossi bl y e c os yst e ms'

a bilit y t o a d a pt t o c h a n gi n g c o n diti o ns) r at h er t h a n t h e m or e s o ci o e c ol o gi c al r esili e n c e t h at i n cl u d es s o ci et al

a d a pt ati o n, tr a nsf or m ati o n, a n d p a n ar c h y.

T h e c urr e nt pl a n et ar y b o u n d ar y f or h u m a n fr es h w at er us e is b as e d o n a gl o b al s u m of t h e a v er a g e a n n u al

s urf a c e w at er fl o w i n ri v ers r el ati v e t o e n vir o n m e nt al fl o w r e q uir e m e nts. E v e n if r e fi n e d b y c o m pl e m e nt ar y

s u b gl o b al b o u n d ari es r e pr es e nti n g ri v ers' e n vir o n m e nt al fl o w r e q uir e m e nts ( G ert e n et al., 2 0 1 3; St eff e n,

Ri c h ar ds o n, et al., 2 0 1 5), t his pr o visi o n al pl a n et ar y b o u n d ar y a n d its c urr e nt st at us h a v e b e e n criti q u e d

( H eist er m a n n, 2 0 1 7; J ar a mill o & D est o u ni, 2 0 1 5 b; Gl e es o n et al., 2 0 1 9), as it d o es n ot r e fl e ct all t y p es of

h u m a n i nt erf er e n c e wit h t h e c o m pl e x gl o b al w at er c y cl e a n d E art h s yst e m ( Fi g ur e 1). Gl e es o n et al.

( 2 0 1 9) s u g g est t h at a w at er pl a n et ar y b o u n d ar y w o ul d b e m or e s ci e nti fi c all y r o b ust a n d m or e us ef ul i n

d e cisi o n ‐m a ki n g fr a m e w or ks if it w as r e d esi g n e d t o c o nsi d er m or e s p e ci fi c all y h o w cli m at e a n d li vi n g e c o-

s yst e ms r es p o n d t o c h a n g es i n t h e diff er e nt f or ms of w at er o n E art h: at m os p h eri c w at er, s oil m oist ur e,

gr o u n d w at er a n d fr o z e n w at er, as w ell as s urf a c e w at er. I n s e cti o n 5 w e s u g g est h o w t h e pl a n et ar y b o u n d ar y

fr a m e w or k c a n b e us e d t o b ett er u n d erst a n d h o w w at er c y cl e m o difi c ati o ns c o ul d p ot e nti all y b e i m p a cti n g

E art h s yst e m r esili e n c e, b as e d o n o ur f oll o wi n g r e vi e w.

3. T h e E a rt h S y st e m F u n cti o n s of W at e r

T h e w at er c y cl e or h y dr os p h er e is a c o m pl e x s yst e m wit h diff er e nt st or es i nt er a cti n g wit h v ar yi n g str e n gt hs

a n d o v er a wi d e r a n g e of s c al es wit h ot h er c o m p o n e nts of t h e E art h s yst e m s u c h as at m os p h er e, bi os p h er e,

a n d lit h os p h er e ( Fi g ur e 1). B uil di n g o n pr e vi o us att e m pts i n t h e s yst e ms a n d r esili e n c e lit er at ur e

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 5 of 2 4

( R o c kstr ö m et al., 2 0 1 4), s e mi n al h y dr ol o g y e v al u ati o ns, r e p orts, a n d t e xt b o o ks ( Di n g m a n, 2 0 0 2; N ati o n al

R es e ar c h C o u n cil, 1 9 9 1; O ki & K a n a e, 2 0 0 6; T a n g & O ki, 2 0 1 6; U N E S C O, 1 9 7 8) h er e w e hi g hli g ht f o ur

c or e E art h s yst e m f u n cti o ns of w at er: ( 1) h y dr o cli m ati c r e g ul ati o n, ( 2) h y dr o e c ol o gi c al r e g ul ati o n, ( 3)

st or a g e, a n d ( 4) tr a ns p ort. T h es e E art h s yst e m f u n cti o ns of w at er ar e diff er e nt fr o m w at ers h e d f u n cti o ns

( Bl a c k, 1 9 9 7; W a g e n er et al., 2 0 0 7), w hi c h f o c us o n h y dr ol o gi c f u n cti o ns g e n er all y at s m all er s c al es, n ot

e x pli citl y c o nsi d eri n g w at er i n t h e br o a d er E art h s yst e m. T h e E art h s yst e m f u n cti o ns of w at er ar e als o

diff er e nt t o w at er f u n cti o ns f or s o ci al – e c ol o gi c al r esili e n c e i n t h e A nt hr o p o c e n e ( F al k e n m ar k et al., 2 0 1 9)

Fi g u r e 1. ( a) T h e c or e f u n cti o ns of w at er i n t h e E art h s yst e m. T h e fi v e st or es of t h e fr es h w at er h y dr os p h er e ( c ol or e d cir cl es i n c e nt er), m aj or c o m p o n e nts of t h eE art h s yst e m ( o ut er ri n g), a n d d et ail e d E art h s yst e m c o m p o n e nts u n d erl yi n g t h e diff er e nt pl a n et ar y b o u n d ari es (i n n er gr a y ri n g) ar e s h o w n. T h e arr o ws

d e n ot e pr o c ess es li n ki n g t h e w at er st or es a n d t h e E art h s yst e m c o m p o n e nts, c ol or c o d e d b y w at er f u n cti o n ( h y dr o cli m at e, h y dr o e c ol o g y, st or a g e, a n d tr a ns p ort).Si n c e w e f o c us o n t h e n e ar ‐s urf a c e h y dr os p h er e, w e c o nsi d er l a n d ( p art of t h e lit h os p h er e) a n d o c e a n ( p art of t h e h y dr os p h er e) as i m p ort a nt r el at e d E art h s yst e mc o m p o n e nts. T h e i nt er a cti o n b et w e e n st or es ar e s h o w n s c h e m ati c all y b ut ar e n ot t h e f o c us si n c e t h es e ar e d es cri b e d i n m a n y h y dr ol o g y t e xt b o o ks.

T his di a gr a m hi g hli g hts t h e c o m pl e x i nt er a cti o ns b et w e e n w at er st or es a n d E art h s yst e m c o m p o n e nts m or e c o m pr e h e nsi v el y t h a n ( b) c o m m o n r e pr es e nt ati o nsof t h e w at er c y cl e ( m o di fi e d fr o m O ki & K a n a e, 2 0 0 6). Fr es h w at er us e is o n e of t h e c urr e nt pl a n et ar y b o u n d ari es y et aff e cti n g o nl y a s m all c o m p o n e nt of ( b) t h e

h y dr os p h er e a n d o nl y r e pr es e nti n g a si n gl e f u n cti o n of w at er i n t h e E art h s yst e m (s e e i ns et s m all cir cl e a n d r e d t e xt). N ot e t h at i n fi g ur es, h y dr o cli m ati c a n dh y dr o e c ol o gi c al r e g ul ati o n ar e s h ort e n e d t o h y dr o cli m at e a n d h y dr o e c ol o g y. P, pr e ci pit ati o n; E T, e v a p otr a ns pir ati o n.

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 6 of 2 4

t h at disti n g uis h gr e e n a n d bl u e w at er f u n cti o ns f or s o ci al– e c ol o gi c al r esili e n c e, w h er e as w e f o c us o n t h e

f u n cti o ns of w at er e x pli citl y f or E art h s yst e m st a bilit y, i n d e p e n d e nt of gr e e n or bl u e ori gi n. I n e vit a bl y, t his

d es cri pti o n a n d r el at e d cit ati o ns ar e n o n e x h a usti v e a n d s er v e pri m aril y t o o utli n e a s ci e nti fi c f o u n d ati o n

e x a mi ni n g gl o b al w at er c y cl e m o di fi c ati o ns a n d f or t h e w at er pl a n et ar y b o u n d ar y.

3. 1. H y d r o cli m ati c R e g ul ati o n

W at er e x c h a n g e b et w e e n t h e at m os p h er e, l a n d s urf a c e, s oil, i c e a n d s n o w m ass es, o c e a ns, a n d gr o u n d w at er

r e g ul at es t h e E art h's cli m at e s yst e m t hr o u g h m e di ati o n of t h e e n er g y, c ar b o n, a n d w at er b al a n c e. W at er

v a p or is t h e m ost p o w erf ul gr e e n h o us e g as d u e t o its i nfr ar e d a bs or pti o n s p e ctr u m, h e at st or a g e c a p a cit y,

a n d a b u n d a n c e i n t h e at m os p h er e ( Mit c h ell, 1 9 8 9; R o d h e, 1 9 9 0). A d diti o n all y, w at er v a p or als o f or ms

cl o u ds t h at r e fl e ct i n c o mi n g s ol ar r a di ati o n a n d a bs or b o ut g oi n g l o n g w a v e r a di ati o n, wit h a n o v er all eff e ct

o n t h e E art h's e n er g y b al a n c e t h at d e p e n ds o n cl o u d t hi c k n ess, altit u d e, a n d c o nstit u e nt p arti cl es. W at er

v a p or a n d t h e e v a p or ati o n – c o n d e ns ati o n c y cl e is als o t h e pri m ar y m e c h a nis m b y w hi c h h e at is r e distri b ut e d

fr o m t h e e q u at or t o t h e p ol es ( H e ns h a w et al., 2 0 0 0). S oil m oist ur e, s urf a c e w at er, a n d fr o z e n w at er all

dir e ctl y or i n dir e ctl y i n fl u e n c e t h e al b e d o of t h e E art h's s urf a c e a n d t h us t h e r a di ati v e b al a n c e. S oil m oist ur e

a v ail a bilit y a n d s urf a c e w at er f urt h er aff e ct c ar b o n si n ks a n d s o ur c es t hr o u g h m e di ati n g p h ot os y nt h esis,

o x y g e n ati o n of s oil, c ar b o n tr a ns p ort, a n d c ar b o n st or a g e (I nt er g o v er n m e nt al P a n el o n Cli m at e C h a n g e,

2 0 1 3). A b o ut h alf of t h e c ar b o n s e q u est er e d b y l a n d is tr a ns p ort e d b y ri v ers t o w at er b o di es, of w hi c h h alf

is r es pir e d i nt o t h e at m os p h er e ( Bi d d a n d a, 2 0 1 7). Fi n all y, pr e ci pit ati o n is i nfl u e n c e d b y e v a p otr a ns pir ati o n

fr o m l a n d a n d s oil m oist ur e t hr o u g h b o u n d ar y l a y er d y n a mi cs ( G uill o d et al., 2 0 1 5), m oist ur e r e c y cli n g

( v a n d er E nt et al., 2 0 1 0), a n d at m os p h eri c cir c ul ati o n r e g ul ati o n ( T ui n e n b ur g, 2 0 1 3). It s h o ul d b e n ot e d t h at

t his c or e f u n cti o n h as b e e n u n d er g oi n g m aj or c h a n g es d uri n g t h e A nt hr o p o c e n e b e c a us e of gl o b al cli m at e

c h a n g e, w hi c h is oft e n r ef err e d t o as t h e “ i nt e nsifi c ati o n ” of t h e w at er c y cl e as r e vi e w e d b y H u nti n gt o n

( 2 0 0 6), a n d a r e c e nt fr a m e w or k h as b e e n pr o p os e d f or q u a ntif yi n g t his i nt e nsi fi c ati o n ( H u nti n gt o n

et al., 2 0 1 8).

3. 2. H y d r o e c ol o gi c al R e g ul ati o n

W at er's h y dr o e c ol o gi c al f u n cti o n e n a bl es a n d c o n n e cts lif e o n l a n d a n d i n a q u ati c e c os yst e ms a n d cr e at es

a n d s ust ai ns t h e e c os yst e ms t h at h u m a n s o ci eti es a n d E art h s yst e m st a bilit y d e p e n d o n ( G ert e n, 2 0 1 3).

T his h y dr o e c ol o gi c al f u n cti o n c a n b e d es cri b e d b y t h e q u a ntit y of w at er pr es e nt at diff er e nt ti m es wit hi n

t h e y e ar r el ati v e t o a n e c os yst e m's w at er r e q uir e m e nts. I n a q u ati c e c os yst e ms, t his r ol e of fr es h w at er is oft e n

r ef err e d t o as “ e n vir o n m e nt al fl o ws ” ( A cr e m a n et al., 2 0 1 4; P off et al., 2 0 0 9; P off & M att h e ws, 2 0 1 3). I n t er-

r estri al s yst e ms, t h e q u a ntit y a n d ti mi n g of a v ail a bl e w at er r el ati v e t o a s p e ci es' p h ysi ol o gi c al r e q uir e m e nts is

assi g n e d as “ h y dr ol o gi c ni c h e ” a n d, al o n g wit h ot h er e n vir o n m e nt al c o nstr ai nts, dri v es s p e ci es c o m p ositi o n

a n d e c os yst e m f u n cti o n ( B o ot h & L o h ei d e, 2 0 1 2; D e a n e et al., 2 0 1 7; H e ns z e y et al., 2 0 0 4). C h a n g es t o t h e

q u a ntit y a n d ti mi n g of w at er a v ail a bilit y c a n i m p a ct bi os p h er e i nt e grit y a n d m a k e e c os yst e ms m or e v ul n er-

a bl e t o dr o u g ht or fl o o di n g a n d/ or e n a bl e t h e i n v asi o n of n o n ‐n ati v e s p e ci es ( C atf or d et al., 2 0 1 4; P o ol et al.,

2 0 1 0; Zi p p er et al., 2 0 1 7). W at er's h y dr o e c ol o gi c al f u n cti o ns ar e cl os el y c o n n e ct e d t o its h y dr o cli m ati c

a n d st or a g e f u n cti o ns. Al m ost all w at er st or e d o n l a n d is of at m os p h eri c ori gi n, a n d s urf a c e w at ers

(str e a ms, l a k es, a n d w etl a n ds) h ar b or v ari o us t y p es of a q u ati c e c os yst e ms. M or e o v er, gr o u n d w at er st or es

b uff er a q u ati c e c os yst e ms fr o m t h e eff e cts of s h ort ‐t er m cli m ati c v ari a bilit y. H y dr o e c ol o gi c al r e g ul ati o n is

als o cl os el y ti e d t o w at er's tr a ns p ort f u n cti o n as s e di m e nt a n d n utri e nt fl u x es ar e criti c al d et er mi n a nts of

a q u ati c h a bit at f or m ati o n ( B el m o nt & F o uf o ul a ‐G e or gi o u, 2 0 1 7; M ot e w et al., 2 0 1 7; N ati o n al M ari n e

Fis h eri es S er vi c e, 2 0 1 6).

3. 3. St o r a g e

Fr es h w at er st or a g e i n gr o u n d w at er, l a k es, w etl a n ds, r es er v oirs, a n d fr o z e n w at er pri m aril y i nt er a cts wit h

t h e E art h s yst e m as a c o ntr ol o v er s e a l e v el. Gl o b all y, fr es h w at er st or a g e is d o mi n at e d b y fr o z e n w at er i n

t h e p ol ar i c e s h e ets ( Gl ei c k, 2 0 0 0). M ass l oss d u e t o i c e m elt is wi d es pr e a d a n d a c c el er ati n g i n b ot h t h e

A nt ar cti c a n d Gr e e nl a n d i c e s h e ets ( V eli c o g n a et al., 2 0 1 4), a n d m elt fr o m t h e i c e s h e ets i n cr e as es t h e t ot al

v ol u m e of w at er i n t h e o c e a ns l e a di n g t o s e a l e v el ris e, e x a c er b at e d b y t h er m al e x p a nsi o n of t h e o c e a ns

c a us e d b y gl o b al w ar mi n g ( A br a h a m et al., 2 0 1 3). Gr o u n d w at er is t h e s e c o n d l ar g est st or e of fr es h w at er,

a n d r e d u cti o ns i n gl o b al gr o u n d w at er st or a g e d u e t o gr o u n d w at er p u m pi n g ar e a s e c o n d ar y c o ntri b ut or t o

gl o b al s e a l e v el ( W a d a et al., 2 0 1 6), t h o u g h t h e m a g nit u d e of t his fl u x is d w arf e d b y t h e i m p a cts of i c e

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 7 of 2 4

m elti n g ( R e a g er et al., 2 0 1 6). I n cr e as e d st or a g e i n s urf a c e r es er v oirs pl a ys o nl y a mi n or r ol e i n t ot al gl o b al

w at er v ol u m e st or a g e, y et it h as t h e c a p a cit y t o s u bst a nti all y dist ort ri v er fl o w r e gi m es, i n cl u di n g t h e dr yi n g

u p of str e a ms, a n d t o r e d u c e h y dr ol o gi c c o n n e cti vit y ( Grill et al., 2 0 1 9). L oss of st or a g e d u e t o c h a n g es i n

l a k es a n d w etl a n ds, gr o u n d w at er d e pl eti o n, or r e d u c e d s n o w p a c k a n d/ or m o u nt ai n gl a ci ers m a y als o i m p a ct

t h e E art h s yst e m vi a l o c all y i m p ort a nt alt er ati o ns t o t h e ti mi n g, m a g nit u d e, a n d t e m p er at ur e of str e a m fl o w

( Di c k ers o n‐L a n g e & Mit c h ell, 2 0 1 4; Gl e es o n & Ri c ht er, 2 0 1 8; I m m er z e el et al., 2 0 1 0; W ats o n et al., 2 0 1 4),

w hi c h c a n h a v e c as c a di n g eff e cts o n e c os yst e ms a n d s o ci et y ( X u et al., 2 0 0 9).

3. 4. T r a n s p o rt

T h e s p ati al a n d t e m p or al d y n a mi cs of w at er ar e f u n d a m e nt al f or m o vi n g, dis pl a ci n g, a n d dil uti n g s e di m e nt

a n d diss ol v e d c o nstit u e nts i n cl u di n g n utri e nts o n t h e s urf a c e or wit hi n s oils ( E arl e et al., 2 0 1 5). C h e mi c al

w e at h eri n g, mi n er al s oil l e a c hi n g, a n d tr a ns p ort of arti fi ci al f ertili z ers a n d c h e mi c als i nt o a dj a c e nt ri v ers,

l a k es a n d str e a ms, a n d fi n all y i nt o t h e o c e a ns ( E arl e et al., 2 0 1 5; M c G uir e & M c D o n n ell, 2 0 0 6) i m p a ct w at er

q u alit y a n d bi o di v ersit y ( S mit h & S c hi n dl er, 2 0 0 9). W at er c a n eit h er st a bili z e or d est a bili z e l a n ds c a p es ( e. g.,

fl o o di n g) ( E arl e et al., 2 0 1 5; S u m m er fi el d, 2 0 0 5, 2 0 1 4). D e p ositi o n of s oil b y w at er fl u x wit hi n a n d b et w e e n

t h es e s h a p e d et er mi n e t h e f u n cti o n a n d g e ol o gi c al s h a p e of l a n ds c a p es ( Ellis et al., 2 0 0 2; Wi e ns et al., 2 0 0 5).

W at er a n d i c e ar e r es p o nsi bl e f or a l ar g e a m o u nt of s e di m e nt tr a ns p ort o n t h e s urf a c e of t h e E art h a n d ar e

i m p ort a nt i n m a n y g e ol o gi c al pr o c ess es s u c h as r o c k a n d l a n df or m f or m ati o n a n d er osi o n ( E arl e et al., 2 0 1 5;

S u m m er fi el d, 2 0 0 5, 2 0 1 4). Dil uti o n of mi n er als a n d n utri e nts i n s oil a d diti o n all y c o ntr ols s oil a n d a b o v e-

gr o u n d bi o m e c h ar a ct eristi c ( Ellis et al., 2 0 0 2; T öl g y ess y, 1 9 9 3; Wi e ns et al., 2 0 0 5).

4. E vi d e n c e of R e gi o n al R e gi m e S hift s a n d Di s r u pti o n s of t h e E a rt h S y st e mF u n cti o n s of W at e r

E vi d e n c e of gl o b al w at er c y cl e m o di fi c ati o ns o n E art h s yst e m f u n cti o ns is s c att er e d, s o h er e w e hi g hli g ht t h e

e xist e n c e a n d als o t h e li mit ati o ns of c urr e nt k n o wl e d g e of r e gi o n al r e gi m e s hifts a n d p ossi bl e ti p pi n g el e-

m e nts f or e a c h w at er st or e. W e p oi nt o ut k e y k n o wl e d g e g a ps t h at ar e ess e nti al t o e x a mi n e i n t h e pr o c ess

of ass essi n g w at er c y cl e m o di fi c ati o ns. T h e w at er st or es ar e dis c uss e d i n c o u nt er cl o c k wis e or d er i n

Fi g ur e 1 a st arti n g wit h at m os p h eri c w at er w hil e a c k n o wl e d gi n g t h at w at er st or es ar e i nti m at el y a n d i n h er-

e ntl y i nt erli n k e d, s o c o nsi d eri n g t h e m s e p ar at el y c a n b e c h all e n gi n g. E vi d e n c e of l o c al t o r e gi o n al r e gi m e

s hifts is a m pl e a n d c a n p ot e nti all y l e a d t o n o nli n e ar disr u pti o ns of t h e E art h s yst e m f u n cti o ns of w at er

r el at e d t o h y dr o cli m ati c a n d h y dr o e c ol o gi c al r e g ul ati o n a n d st or a g e t hr o u g h cr oss ‐s c al e i nt er a cti o ns a n d

c as c a di n g eff e cts ( R o c h a et al., 2 0 1 8; St eff e n et al., 2 0 1 8).

4. 1. At m o s p h e ri c W at e r

T h e at m os p h eri c w at er st or e f u els pr e ci pit ati o n a n d is r e pl e nis h e d b y e v a p otr a ns pir ati o n a n d o c e a n

e v a p or ati o n. H er e, w e f o c us o n t h e dir e ct li n k a g es b et w e e n pr e ci pit ati o n m o di fi c ati o n a n d h y dr o e c ol o gi c al

r e gi m e s hifts, as w ell as e v a p or ati v e c h a n g e a n d r e gi m e s hifts i n h y dr o cli m ati c s yst e ms.

T h e A m a z o n r ai nf or est is i d e nti fi e d as a ti p pi n g el e m e nt i n t h e E art h s yst e m ( L e nt o n et al., 2 0 0 8; St eff e n

et al., 2 0 1 8) wit h m ulti pl e alt er n ati v e st a bl e st at es pri m aril y g o v er n e d b y pr e ci pit ati o n ( Hir ot a et al.,

2 0 1 1). A criti c al tr a nsiti o n fr o m e v er gr e e n r ai nf or est t o s e as o n al f or est or s a v a n n a c a n h a v e m aj or c o ns e-

q u e n c es b e y o n d t h e r e gi o n al s c al e d u e t o c ar b o n r el e as e ( H o u g ht o n et al., 2 0 0 0), i n d u c e d ti p pi n g of t h e

S o ut h A m eri c a n m o ns o o n s yst e m ( B o ers et al., 2 0 1 7), pr e ci pit ati o n r e d u cti o n ( Z e m p et al., 2 0 1 7), a n d bi o di-

v ersit y l oss ( M al hi et al., 2 0 0 8). Cli m at e c h a n g e a n d d ef or est ati o n criti c all y u n d er mi n e t h e r esili e n c e of t h e

A m a z o n f or est. T h e p ositi o n of t h e cli m at e c h a n g e ‐i n d u c e d t hr es h ol d is u n c ert ai n d u e t o a l ar g e s pr e a d i n

m o d els' a bilit y t o si m ul at e pr e ci pit ati o n, fi r e f e e d b a c k, a n d e c os yst e m r es p o ns e, a m o n g ot h ers ( C o x et al.,

2 0 1 3; H u nti n gf or d et al., 2 0 1 3; N o br e & B or m a, 2 0 0 9). T h e t hr es h ol d of d ef or est ati o n ‐i n d u c e d A m a z o n f or-

est di e b a c k h as b e e n s u g g est e d t o b e b et w e e n 1 0 % a n d 4 0 % d e p e n di n g o n d e fi niti o ns a n d e xt e nt of f or est

tr a nsiti o n c o nsi d er e d ( N o br e & B or m a, 2 0 0 9; Pir es & C ost a, 2 0 1 3). T h e C o n g o r ai nf or est a n d S o ut h e ast

Asi a n r ai nf or ests ar e ot h er l ess i n v esti g at e d tr o pi c al f or est r e gi o ns e x hi biti n g si mil ar r e gi m e s hift m e c h a n-

is ms a n d c o ns e q u e n c es f or E art h s yst e m f u n cti o ns as t h e A m a z o n f or est ( B ell et al., 2 0 1 5; L a wr e n c e &

V a n d e c ar, 2 0 1 5; St a v er et al., 2 0 1 1). I n t e m p er at e r e gi o ns, dr o u g ht c o n diti o ns a n d c o nsi d er a bl e r e d u cti o ns

i n pr e ci pit ati o n h a v e b e e n pr o v e n t o tri g g er r a pi d c o nif er o us f or est d e cli n es i n t h e s o ut h w est er n U nit e d

St at es ( A n d er e g g et al., 2 0 1 3). T h e ti p pi n g p oi nt h as b e e n f o u n d t o b e t h e p ersist e n c e of a n i nt e ns e w at er

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 8 of 2 4

d e fi cit o v er 1 1 m o nt hs ( H u a n g et al., 2 0 1 5). S m all c h a n g es i n pr e ci pit ati o n r e gi m es ar e als o k n o w n t o h a v e

i n d u c e d str u ct ur al c h a n g es i n w etl a n d e c os yst e ms, a n d a br u pt e c ol o gi c al tr a nsiti o ns i n c o ast al w etl a n ds ar e

e x p e ct e d t o e x p a n d t o n e w c o ast al w etl a n ds as h y dr o cli m ati c c h a n g es st e p u p i n t h e f ut ur e ( Osl a n d

et al., 2 0 1 6).

M o ns o o ns ar e l ar g e ‐s c al e s e as o n al r e v ers als of at m os p h eri c cir c ul ati o n wit h t hr es h ol d b e h a vi or i n t er ms of

v ari a bilit y r e gi m e, at m os p h eri c m oist ur e tr a ns p ort, a n d s p ati al distri b uti o n ( L e nt o n et al., 2 0 0 8). S hifts i n

m o ns o o n s yst e ms c a n h a v e a br u pt c o ns e q u e n c es at t h e c o nti n e nt al s c al e ( L e nt o n et al., 2 0 0 8). F or e x a m pl e,

t h e W est Afri c a n m o ns o o n s hift h a d a m aj or i nfl u e n c e o n t h e st a bl e st at es b et w e e n t h e Gr e e n S a h ar a r e gi m e

( 1 1, 0 0 0– 5, 0 0 0 y e ars a g o) a n d t h e c urr e nt D es ert S a h ar a r e gi m e ( Ti er n e y et al., 2 0 1 7; Y u et al., 2 0 1 5). T h e

r ai n y p h as e of m o ns o o ns bri n gs l ar g e a m o u nts of pr e ci pit ati o n, t ur ni n g l a n ds c a p es gr e e n a n d r e pl e nis hi n g

ri v ers a n d a q uif ers, a n d is cr u ci all y i m p ort a nt f or a gri c ult ur e a n d e c os yst e ms. W hil e l ar g e ‐s c al e ti p pi n g

b e h a vi or of m o ns o o n s yst e ms ar e pri m aril y dri v e n b y gl o b al cli m at e a n d o c e a n pr o c ess es, r e gi o n al l a n d s ur-

f a c e pr o c ess es m e di at e d b y t h e w at er c y cl e ar e als o o n e of s e v er al i m p ort a nt f a ct ors t h at ar e a bl e t o i nfl u e n c e

m o ns o o n d y n a mi cs. St u di es h a v e, f or e x a m pl e, s h o w n t h at i n cr e as e d e v a p otr a ns pir ati o n (i. e., l at e nt h e at)

o v er irri g at e d l a n d ar e as c a n d e cr e as e t h e l a n d – o c e a n pr ess ur e gr a di e nt a n d t h er e b y d el a y t h e I n di a n s u m-

m er m o ns o o n o ns et ( e. g., T ui n e n b ur g, 2 0 1 3). I n t h e S a h el, l a n d d e gr a d ati o n t h at r e d u c es e v a p otr a ns pir ati o n

a n d i n cr e as es t h e n ort h – s o ut h t e m p er at ur e gr a di e nt a p p e ars t o e n h a n c e t h e Afri c a n e ast erl y j et, w hi c h

dri v es m oist ur e w est w ar d o ut of t h e r e gi o n, i n o p p ositi o n t o t h e s o ut h w est erl y W est Afri c a n m o ns o o n cir c u-

l ati o n ( H a g os et al., 2 0 1 4). L a n d f e e d b a c k eff e cts e xt e n d t o tr o pi cs, a n d, f or e x a m pl e, N o g h er ott o et al. ( 2 0 1 3)

s h o w e d t h at d e cr e as e d e v a p otr a ns pir ati o n o v er d ef or est e d ar e as i n t h e C o n g o h as a s e as o n al i n fl u e n c e o n

t h e str e n gt h of t h e w est a n d s o ut h‐e q u at ori al Afri c a n m o ns o o n. L a n d – o c e a n gr a di e nt is als o i m p ort a nt i n

t h e S o ut h A m eri c a n m o ns o o n s yst e m: B o ers et al. ( 2 0 1 7) s h o w e d t h at d ef or est ati o n c a n i n d u c e a ti p pi n g

p oi nt i n t h e S o ut h A m eri c a n m o ns o o n w h e n l at e nt h e at r el e as e is n o l o n g er s uf fi ci e nt t o m ai nt ai n a p ositi v e

f e e d b a c k t h at e n h a n c es at m os p h eri c i nfl o w fr o m t h e Atl a nti c, w hi c h w o ul d c a us e si g ni fi c a nt pr e ci pit ati o n

d e cli n e i n t h e w est er n A m a z o n a n d r e gi o ns f urt h er d o w nstr e a m.

4. 2. S oil M oi st u r e

S oil m oist ur e m e di at es t err estri al e c os yst e m tr a nsiti o ns a n d d es erti fi c ati o n pr o c ess es. D e cr e as e i n s oil m oist-

ur e c a us e d b y v e g et ati o n l oss, er osi o n, a n d c o m p a cti o n cr e at es a s elf ‐r ei nf or ci n g f e e d b a c k t h at pr e v e nts t h e

r e‐est a blis h m e nt of pl a nts ( e. g., K arss e n b er g et al., 2 0 1 7; W hitf or d et al., 2 0 0 6) or c a us es s hifts i n e c os yst e m

s p e ci es c o m p ositi o n ( L o h ei d e & G or eli c k, 2 0 0 7). S oil m oist ur e ‐r el at e d l a n d d e gr a d ati o n h as t h e p ot e nti al f or

c as c a di n g a n d t el e c o n n e ct e d i m p a cts o n t h e E art h's e n er g y b al a n c e t hr o u g h, f or e x a m pl e, l ar g e ‐s c al e al b e d o

c h a n g e a n d d es ert d ust t h at f oll o ws wi n d b e y o n d c o nti n e nts wit h eff e cts o n b ot h cli m at e s yst e ms a n d

n utri e nt b al a n c e i n dist a nt r e gi o ns ( B est el m e y er et al., 2 0 1 5; G eist & L a m bi n, 2 0 0 4). Als o, d e fi cits i n s oil

m oist ur e a n d c h a n g es i n t err estri al w at er st or a g e c a n s e v er el y di mi nis h t h e pri m ar y pr o d u cti o n a n d c ar b o n

s e q u estr ati o n c a p a cit y of t h e t err estri al bi os p h er e ( H u m p hr e y et al., 2 0 1 8). R e gi o ns wit h i m p ort a nt s oil

c ar b o n st or a g e a n d s e q u estr ati o n ar e t h e N ort h er n H e mis p h er e t h at h as t h e l ar g est s oil or g a ni c c ar b o n

st o c ks a n d t h e tr o pi cs t h at h a v e s e e n t h e l ar g est d e cr e as e i n c ar b o n st o c ks d u e t o a gri c ult ur al e x p a nsi o n,

r es p e cti v el y ( C h erl et et al., 2 0 1 8).

4. 3. S u rf a c e W at e r

W hil e a q u ati c e c os yst e ms c a n b e n e g ati v el y i m p a ct e d b y c h a n g es i n str e a m fl o w ( C arlisl e et al., 2 0 1 7; Gi d o

et al., 2 0 1 0; P er ki n et al., 2 0 1 7; V ör ös m art y et al., 2 0 1 0), t h er e is n o cl e ar e vi d e n c e or m e c h a nis m b y w hi c h

l o c al‐ or b asi n ‐s c al e c h a n g es i n a q u ati c bi os p h er e i nt e grit y c o ul d s c al e u p t o h a v e a pl a n et ar y i m p a ct.

H o w e v er, o n e l o c al ‐s c al e ti p pi n g p oi nt r el at e d t o a q u ati c e c os yst e ms is t h e tr a nsiti o n of str e a ms fr o m

p er e n ni al t o i nt er mitt e nt, w hi c h c a n l e a d t o a r e or g a ni z ati o n of l o c al f o o d w e bs ( B o g a n & L ytl e, 2 0 1 1).

T his tr a nsiti o n is li k el y t o b e dri v e n b y c h a n g es i n t h e gr o u n d w at er st or a g e f u n cti o n of w at er, w hi c h a cts

as a b uff er a g ai nst s h ort ‐t er m h y dr o cli m ati c v ari a bilit y b y pr o vi di n g a st a bl e s u p pl y of b as efl o w t o str e a ms.

A s e c o n d l o c al ‐s c al e h y dr o e c ol o gi c al ti p pi n g p oi nt t h at h as b e e n i d e nti fi e d i n t h e lit er at ur e is f o o d w e b

c oll a ps e ass o ci at e d wit h e utr o p hi c ati o n a n d s ali ni z ati o n. F or t h e p er e n ni al – e p h e m er al a n d oli g otr o p hi c –

e utr o p hi c r e gi m e s hifts, e vi d e n c e of ti p pi n g p oi nts t o e utr o p hi c st at es ( W a n g & T e m m er m a n, 2 0 1 3) or e v e n

l a k e dis a p p e ar a n c e b y w at er us e‐i n d u c e d dr yi n g e xist i n s e v er al r e gi o ns ar o u n d t h e w orl d, t h e m ost w ell

k n o w n b ei n g t h e Ar al S e a ( S hi b u o et al., 2 0 0 7). W e ar e n ot a w ar e of st u di es t h at l o o k b e y o n d a n i n di vi d u al

b o d y of w at er t o tri g g er wi d es pr e a d s hifts i n E art h s yst e m f u n cti o n. Fi n all y, v ari o us s p e ci es ‐ t o e c os yst e m‐

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 9 of 2 4

l e v el eff e cts, i n p arti c ul ar f or mi gr at or y s p e ci es, h a v e b e e n d o c u m e nt e d i n ri v er e c os yst e ms d u e t o r e d u cti o ns

i n h y dr ol o gi c c o n n e cti vit y ( Pri n gl e, 2 0 0 3) c a us e d b y t h e gl o b al pr olif er ati o n of a nt hr o p o g e ni c d a m a n d b ar-

ri er c o nstr u cti o n ( Grill et al., 2 0 1 9).

W etl a n d e c os yst e ms ar e ri c h i n w at er ‐d e p e n d e nt bi o di v ersit y a n d pl a y a m ultif a c et e d r ol e f or m a n y

E art h s yst e m pr o c ess es, i n cl u di n g hi g h r at es of e v a p otr a ns pir ati o n a n d gr o u n d w at er r e c h ar g e, t e m p or ar y

w at er st or a g e, a n d s e di m e nt e x c h a n g e. L ar g e w etl a n d c o m pl e x es l o c at e d d o w nstr e a m of str e a ms a n d ri v-

ers m a y e x p eri e n c e str ess ‐i n d u c e d ti p pi n g p oi nts d u e t o v ari ati o ns i n t h eir h y dr ol o gi c al c h ar a ct eristi cs.

Als o, c o ast al w etl a n ds wit h m a n gr o v e e c os yst e ms u n d er s u c h str ess c a n e x p eri e n c e r e d u cti o ns i n t h eir

m a n gr o v e d e v el o p m e nt a n d e xt e nsi v e m a n gr o v e m ort alit y ( Ji m e n e z et al., 1 9 8 5; S mit h, 1 9 9 2; T will e y

& Ri v er a ‐M o nr o y, 2 0 0 5); r e d u cti o ns of fr es h w at er i n p uts t o c o ast al w etl a n ds or h y dr ol o gi c al m o di fi c a-

ti o n of t h eir n at ur al fl o ws a n d c o n n e cti vit y d u e t o r es er v oirs h a v e alr e a d y r es ult e d i n m assi v e m a n gr o v e

m ort alit y e pis o d es i n v ol vi n g h y p ers ali nit y c o n diti o ns i n s e v er al w etl a n ds ar o u n d t h e w orl d fr o m w hi c h

t h e w etl a n ds h a v e n ot b e e n a bl e t o c o m pl et el y r e c o v er ( B arr et o, 2 0 0 8; Ci ntr o n et al., 1 9 7 8; J ar a mill o

et al., 2 0 1 8; Ji m e n e z et al., 1 9 8 5).

Fi n all y, s urf a c e w at er fl o ws c a n aff e ct E art h s yst e m pr o c ess es d u e t o t h eir n at ur al fr es h w at er, s e di m e nt, a n d

n utri e nt d eli v er y t o c o ast al z o n es a n d t h e o c e a n. R e d u cti o ns i n t h es e fl o ws, d u e t o eit h er cli m at e or a nt hr o-

p o g e ni c i m p a cts i n cl u di n g s e di m e nt tr a p pi n g i n r es er v oirs, m a y s hift t h e b al a n c e b et w e e n a g gr a d ati o n a n d

er osi o n r at es of l ar g e ri v er d elt as l e a di n g t o l a n d l oss a n d c as c a di n g eff e cts i n m ari n e e c os yst e ms ( S y vits ki

et al., 2 0 0 9; T essl er et al., 2 0 1 8), i n cl u di n g t h eir a bilit y t o s e q u est er c ar b o n ( D u art e et al., 2 0 0 4). Alt er e d fl o ws

c a n p ot e nti all y aff e ct gl o b al o c e a n cir c ul ati o n s yst e ms t hr o u g h c h a n g es i n s ali nit y a n d t e m p er at ur e; f or

e x a m pl e, c h a n g es i n Ar cti c r u n off m a y aff e ct Ar cti c o c e a n str ati fi c ati o n, cir c ul ati o n, a n d i c e c o v er

( N u m m eli n et al., 2 0 1 6) wit h i m pli c ati o ns f or gl o b al o c e a ni c cir c ul ati o n, i n cl u di n g t h e Atl a nti c o v ert ur ni n g

m eri di o n al cir c ul ati o n a n d t h er m o h ali n e cir c ul ati o n.

4. 4. G r o u n d w at e r

S e v er al p ot e nti al gr o u n d w at er ‐r el at e d ti p pi n g p oi nts ar e ass o ci at e d wit h t h e st or a g e f u n cti o n of gr o u n d-

w at er. M ost criti c al f or a q u ati c e c os yst e ms is t h e r ol e of gr o u n d w at er as a st a bl e s u p pl y of b as e fl o w, a n d

t h er ef or e a k e y ti p pi n g p oi nt is w h e n a str e a m tr a nsiti o ns fr o m p er e n ni al t o i nt er mitt e nt ( B o g a n & L ytl e,

2 0 1 1) d u e t o gr o u n d w at er d e pl eti o n (s e e s e cti o n 4. 3). H o w e v er, gr o u n d w at er ‐r el at e d ti p pi n g p oi nts ar e als o

pr es e nt f or t err estri al gr o u n d w at er ‐d e p e n d e nt e c os yst e ms. Gr o u n d w at er wit hi n or n e ar t h e r o ot z o n e pr o-

vi d es a st a bl e s u p pl y of w at er, p arti c ul arl y d uri n g dr o u g ht, f or m a n y n at ur al a n d a gri c ult ur al cr o ps vi a c a pil-

l ar y ris e a n d dir e ct gr o u n d w at er u pt a k e ( B o ot h et al., 2 0 1 6; Br o w n et al., 2 0 1 1; E a m us et al., 2 0 1 5; R o h d e

et al., 2 0 1 7; Zi p p er et al., 2 0 1 5, 2 0 1 7). N u m er o us e x a m pl es e xist f or criti c al tr a nsiti o ns ass o ci at e d wit h

r e gi o n al‐s c al e i m p a cts of c h a n g es i n gr o u n d w at er st or a g e, i n cl u di n g gr o u n d w at er d e pl eti o n l e a di n g t o ri p ar-

i a n f or est l oss ( S c ott et al., 1 9 9 9), risi n g gr o u n d w at er l e v els l e a di n g t o wi d es pr e a d fl o o di n g i n Ar g e nti n a

( H o us p a n ossi a n et al., 2 0 1 6; K u p p el et al., 2 0 1 5), a n d l oss of dr y f or ests l e a di n g t o r e gi o n al s ali ni z ati o n i n

A ustr ali a ( Cl ar k e et al., 2 0 0 2; G e or g e et al., 1 9 9 9) a n d t h e C h a c o r e gi o n of Ar g e nti n a ( Gi m é n e z et al.,

2 0 1 6; M ar c h esi ni et al., 2 0 1 7). Si n c e gr o u n d w at er is esti m at e d t o i n fl u e n c e t err estri al e c os yst e ms o v er 7 –

1 7 % of gl o b al l a n d ar e a ( F a n et al., 2 0 1 3) a n d c a n c o ntri b ut e s u bst a nti all y t o e v a p otr a ns pir ati o n ( L o wr y &

L o h ei d e, 2 0 1 0; S o yl u et al., 2 0 1 1, 2 0 1 4; Y e h & F a mi gli etti, 2 0 0 9), it li k el y c o nstit ut es a n i m p ort a nt c o m p o-

n e nt of t err estri al e v a p otr a ns pir ati o n. T h us, i m p ort a nt gr o u n d w at er ‐d e p e n d e nt e c os yst e ms t h at m a y c o ntri-

b ut e t o r e gi o n al ‐s c al e s hifts c o ul d p ot e nti all y h a v e a pr o p orti o n all y l ar g er i n fl u e n c e o n E art h s yst e m

d y n a mi cs. F or i nst a n c e, gr o u n d w at er is a n ess e nti al c o ntri b ut or t o e v a p otr a ns pir ati o n i n t h e A m a z o n b asi n

( F a n et al., 2 0 1 7; Mi g u e z‐M a c h o & F a n, 2 0 1 2 a, 2 0 1 2 b).

4. 5. F r o z e n W at e r

U nli k e t h e ot h er w at er s u b ‐b o u n d ari es, gl o b al ti p pi n g el e m e nts ass o ci at e d wit h fr o z e n w at er st or a g e h a v e

b e e n st u di e d e xt e nsi v el y d u e t o t h eir p ot e nti al c o ntri b uti o ns t o gl o b al s e a l e v el ris e (I nt er g o v er n m e nt al

P a n el o n Cli m at e C h a n g e, 2 0 1 9). W hil e m ass l oss d u e t o t h e m elti n g of gr o u n d e d gl a ci al i c e is wi d es pr e a d

a n d a c c el er ati n g i n b ot h t h e A nt ar cti c a n d Gr e e nl a n d i c e s h e ets ( V eli c o g n a et al., 2 0 1 4), t h e W est

A nt ar cti c I c e S h e et is t h o u g ht t o b e v ul n er a bl e t o ti p pi n g p oi nt ‐t y p e d y n a mi cs, w hi c h w o ul d o c c ur if o c e a n

w at er w as a bl e t o u n d er c ut t h e i c e s h e et a n d r a pi dl y a c c el er at e m elt ( F el d m a n n & L e v er m a n n, 2 0 1 5; L e nt o n

et al., 2 0 0 8; N ot z, 2 0 0 9; Ri g n ot et al., 2 0 0 4). T h e c oll a ps e of t h e W est A nt ar cti c I c e S h e et w o ul d l e a d t o a n

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 1 0 of 2 4

esti m at e d 5 m of s e a l e v el ris e, w hi c h is c o m p ar a bl e i n m a g nit u d e wit h t h e t ot al s e a l e v el c h a n g e o v er t h e

p ast ~ 7, 0 0 0 y e ars ( Fl e mi n g et al., 1 9 9 8). W hil e t h e l oss of Ar cti c s e a i c e w o ul d h a v e i m p a cts o n r e gi o n al

a n d gl o b al cli m at e d u e t o r e d u c e d al b e d o a n d is a disti n cti v e m ar k er of alt er n at e st at es of t h e E art h s yst e m,

its m elti n g s e a i c e w o ul d n ot i m p a ct s e a l e v els ( B at hi a n y et al., 2 0 1 6; N ot z, 2 0 0 9; Ti ets c h e et al., 2 0 1 1).

Wi d es pr e a d d est a bili z ati o n of p er m afr ost is a n ot h er p ot e nti al ti p pi n g p oi nt r el at e d t o fr o z e n w at er

( L e nt o n et al., 2 0 0 8), as p er m afr ost t h a w l e a ds t o t h e r el e as e of gr e e n h o us es g ass es, w hi c h is a p ositi v e f e e d-

b a c k o n cli m at e c h a n g e a n d c a us es i n cr e asi n g s e di m e nt tr a ns p ort ( Bri n g et al., 2 0 1 6; S y vits ki, 2 0 0 2). T h er e is

i n cr e asi n g e vi d e n c e f or a br u pt t h a w m e c h a nis ms at l o c al s c al es ( C h as m er & H o p ki ns o n, 2 0 1 7; C hi p m a n &

H u, 2 0 1 7; S c h u ur et al., 2 0 1 5; Zi p p er et al., 2 0 1 8), t h o u g h at gl o b al ‐s c al es p er m afr ost t h a w is t h o u g ht t o b e a

gr a d u al s o ur c e of c ar b o n of a p pr o xi m at el y t h e s a m e m a g nit u d e as l a n d us e c h a n g e o v er t h e n e xt c e nt ur y

( S c h u ur et al., 2 0 1 5).

5. U n d e r st a n di n g E a rt h S y st e m R e sili e n c e I m p a ct s of Gl o b al W at e r C y cl eM o di fi c ati o n s U si n g t h e Pl a n et a r y B o u n d a r y F r a m e w o r k

5. 1. W h y U s e t h e Pl a n et a r y B o u n d a r y F r a m e w o r k ?

S e cti o n 4 pr o vi d es cl u es a n d hi nts of k e y r e gi o ns a n d pr o c ess es t h at c o ul d b e i m p ort a nt f or i d e ntif yi n g

gl o b al w at er c y cl e m o di fi c ati o ns b ut d o es n ot d eli v er a s yst e m ati c pr o c ess f or m o nit ori n g a n d d et e cti n g

t h es e. As dis c uss e d i n s e cti o n 2, t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k is, t o o ur b est k n o wl e d g e, t h e o nl y

s yst e m ati c eff ort f or d e fi ni n g a n d m o nit ori n g t h e k e y pr o c ess es a n d s yst e ms, w hi c h t o g et h er r e g ul at e

t h e st at e of t h e E art h s yst e m, t h e gl o b al w at er c y cl e b ei n g o n e of t h e m. M o nit ori n g h u m a n m o di fi c ati o ns

of t h e gl o b al w at er c y cl e mi g ht b e p ossi bl e e v e n wit h o ut a s yst e m ati c fr a m e w or k, b ut w e ar g u e t h at usi n g

a f or m ali z e d fr a m e w or k, s u c h as t h e pl a n et ar y b o u n d ari es, is a pr a g m ati c a p pr o a c h t h at will l e a d t o s ci e n-

tifi c i nsi g ht a n d i m pl e m e nt ati o n i n g o v er n a n c e a n d m a n a g e m e nt w hil e a c c o u nti n g f or t h e i ntri nsi c

e m b e d di n g of t h e w at er c y cl e i n t h e E art h s yst e m. M or e si g ni fi c a nt s ci e nti fi c i nsi g hts ar e p ossi bl e b e c a us e

t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k r ests o n t h e f o u n d ati o ns of d e c a d es of r esili e n c e r es e ar c h ( d es cri b e d i n

s e cti o n 2) a n d h as b e e n m u c h dis c uss e d i n m ulti pl e s ci e nti fi c c o m m u niti es. A d diti o n all y, t his f or m ali z e d

fr a m e w or k li n ks t o ot h er i m p ort a nt c urr e nt r es e ar c h ar e as i n h y dr ol o g y a n d ot h er dis ci pli n es ( d es cri b e d

i n s e cti o n 1), w hi c h m a y l e a d t o s y n er gisti c d e v el o p m e nts i n m ulti pl e r es e ar c h str a n ds. Str o n g er i m pl e-

m e nt ati o n i n g o v er n a n c e a n d m a n a g e m e nt is als o m or e li k el y as d e m o nstr at e d b y pl a n et ar y b o u n d ari es

alr e a d y b ei n g c o nsi d er e d i n s o m e g o v er n a n c e a n d c or p or at e m a n a g e m e nt c o nt e xts ( Clift et al., 2 0 1 7;

G al a z et al., 2 0 1 2; H ä y h ä et al., 2 0 1 6, 2 0 1 8).

A n a d diti o n al b e n e fi t f or g o v er n a n c e a n d m a n a g e m e nt is t h at t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k pr o vi d es a

us ef ul bri d g e t o w at er g o v er n a n c e a n d m a n a g e m e nt b y f or m ali zi n g t h e c o n c e pt of t h e “ s af e o p er ati n g s p a c e ”

f or h u m a nit y. T h e s af e o p er ati n g s p a c e c o n c e pt pr o vi d es a s et of q u a ntit ati v e s ci e ntifi c t ar g ets t o k e e p t h e

E art h wit hi n t h e r el ati v el y st a bl e cli m ati c c o n diti o ns of t h e H ol o c e n e d uri n g w hi c h m o d er n s o ci et y d e v el-

o p e d. B y s etti n g t h e b o u n d ari es at a “ s af e” dist a n c e fr o m s ci e nti fi c all y d e fi n e d d a n g er o us l e v els or t hr es h-

ol ds, t h e fr a m e w or k als o i n v ol v es n or m ati v e j u d g e m e nts a b o ut h o w w e c h o os e t o d e al wit h ris k a n d

u n c ert ai nt y. V ari o us ot h er w at er m a n a g e m e nt i n di c at ors m e as ur e i m p a ct a n d st at us of w at er r es o ur c es

b ut d o n ot e x pli citl y c o n n e ct t h es e r es o ur c es t o E art h's h a bit a bl e c o n diti o ns, s u c h as w at er str ess ( Al c a m o

et al., 2 0 0 7; F al k e n m ar k, 1 9 8 9; S m a k hti n et al., 2 0 0 4; V or os m art y et al 2 0 0 0), w at er d e pl eti o n ( Br a u m a n

et al., 2 0 1 6), w at er s c ar cit y ( Br a u m a n et al., 2 0 1 6; K u m m u et al., 2 0 1 6), w at er f o ot pri nts ( H o e kstr a &

M e k o n n e n, 2 0 1 2), gr o u n d w at er f o ot pri nts ( Gl e es o n et al., 2 0 1 2), w at er w e d g es ( W a d a et al., 2 0 1 4), w at er

us e r e gi m es ( W eis k el et al., 2 0 0 7), h u m a n a p pr o pri ati o n of e v a p otr a ns pir ati o n ( G or d o n et al., 2 0 0 5), a n d

h y dr o cli m ati c s e p ar ati o n ( D est o u ni et al., 2 0 1 2). T h e pl a n et ar y b o u n d ari es fr a m e w or k c o m pl e m e nts t his

wit h i nf or m ati o n a b o ut t h e pr o xi mit y of u n w a nt e d st at e s hifts i n E art h s yst e m st a bilit y, t h us a d di n g a si m pl e

as pir ati o n al m etri c t o t h e t o ol b o x.

F oll o wi n g Gl e es o n et al. ( 2 0 1 9) w e ar g u e t h at alt h o u g h a pl a n et ar y b o u n d ar y f or w at er is us ef ul as a c o n c e pt,

t h e c urr e nt d efi niti o n a n d m et h o d ol o g y d o es n ot a d e q u at el y r e pr es e nt t h e r ol e of w at er i n t h e E art h s yst e m

a n d s h o ul d t h er ef or e b e r e vis e d t o r e fl e ct t h e k e y E art h s yst e m f u n cti o ns of w at er d es cri b e d i n s e cti o n 3. I n

t h e f oll o wi n g s u bs e cti o ns w e pr o p os e a n a p pr o a c h f or a m or e r o b ust a n al ysis of gl o b al w at er c y cl e m o di fi c a-

ti o ns usi n g t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k, b ut si mil ar a p pr o a c h es c o ul d b e us e d t o m o nit or a n d d et e ct

gl o b al w at er c y cl e m o di fi c ati o ns o utsi d e t h e fr a m e w or k.

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 1 1 of 2 4

5. 2. Pl a n et a r y S u b ‐B o u n d a ri e s F o r W at e r St o r e s

I n or d er t o a d e q u at el y r e pr es e nt t h e c o m pl e xit y a n d h et er o g e n eit y of t h e w at er c y cl e, w e us e t h e fi v e st or es

(s e cti o n 3) of w at er t o di vi d e t h e w at er c y cl e i nt o pl a n et ar y s u b‐b o u n d ari es t h at r e pr es e nt diff er e nt pr o c ess es

a n d f u n cti o ns of w at er as pr o p os e d b y Gl e es o n et al. ( 2 0 1 9). B as e d o n t h e fi v e w at er st or es, si x pl a n et ar y

s u b‐b o u n d ari es ( Fi g ur e 2) t o g et h er r e pr es e nt t h e m ost i m p ort a nt pr o c ess es a n d cr u ci al f u n cti o ns of w at er

i n t h e E art h s yst e m. E a c h st or e h as a si n gl e s u b‐b o u n d ar y b as e d o n a pr eli mi n ar y a n al ysis of t h e c or e f u n c-

ti o n of t his st or e e x c e pt at m os p h eri c w at er t h at h as t w o p ossi bl e pl a n et ar y s u b‐b o u n d ari es si n c e at m os p h eri c

w at er h as t w o disti n ct a n d i m p ort a nt f u n cti o ns ( h y dr o cli m ati c a n d h y dr o e c ol o gi c).

T h e E art h s yst e m f u n cti o n a n d pr o c ess a d dr ess e d b y e a c h of t h e pr o p os e d s u b ‐b o u n d ari es ar e s h o w n i n

Fi g ur e 2 a n d s u m m ari z e d b el o w:

• o n e at m os p h eri c w at er s u b ‐b o u n d ar y f o c us es o n t h e i m p ort a n c e of e v a p otr a ns pir ati o n f or cli m at e p att er n

st a bilit y or l a n d – at m os p h er e c o u pli n g st a bilit y ( h y dr o cli m ati c r e g ul ati o n);

• s e c o n d at m os p h eri c w at er s u b ‐b o u n d ar y f o c us es o n t h e r ol e of pr e ci pit ati o n i n m ai nt ai ni n g bi o m es,

w hi c h is c o n n e ct e d t o bi o di v ersit y ( h y dr o e c ol o gi c r e g ul ati o n);

• s oil m oist ur e s u b ‐b o u n d ar y f o c us es o n c ar b o n u pt a k e or n et pri m ar y pr o d u cti vit y ( h y dr o cli m ati c

r e g ul ati o n);

• s urf a c e w at er s u b ‐b o u n d ar y f o c us es o n str e a m fl o w a n d r el at e d h a bit at t h at m ai nt ai ns a q u ati c bi o di v ersit y

( h y dr o e c ol o gi c r e g ul ati o n);

• gr o u n d w at er s u b ‐b o u n d ar y f o c us es o n b as e fl o w t h at ar e i m p ort a nt t o a q u ati c bi o di v ersit y ( h y dr o e c ol o gi c

r e g ul ati o n); a n d

• fr o z e n w at er c o m p o n e nt f o c us es o n i c e s h e et v ol u m e, w hi c h is i m p ort a nt t o s e a l e v el ris e i n t h e o c e a ns

(st or a g e).

P ossi bl e c o ntr ol v ari a bl es a n d s u g g est e d r es p o ns e v ari a bl es ar e c o m pil e d i n Fi g ur e 2. It is i m p ort a nt t o n ot e

t h at t h e pr o p os e d w at er pl a n et ar y s u b‐b o u n d ari es d o n ot r e pr es e nt t h e tr a ns p ort f u n cti o n of w at er, as t h es e

as p e cts ar e alr e a d y c o nsi d er e d i n a s e p ar at e “ bi o g e o c h e mi c al fl o ws ” pl a n et ar y b o u n d ar y. O utsi d e t h e pl a n e-

t ar y b o u n d ari es fr a m e w or k, a d diti o n al i n di c at or(s) r e pr es e nti n g t h e tr a ns p ort f u n cti o n mi g ht n e e d t o

b e a d d e d.

5. 3. M et h o d ol o gi c al Q u e sti o n s of S c al e a n d D at a

T o m o nit or a n d d et e ct gl o b al w at er c y cl e m o di fi c ati o ns, a n u m b er of m et h o d ol o gi c al iss u es m ust b e

a d dr ess e d. First ar e q u esti o ns of s p a c e a n d ti m e s c al es t o c o nsi d er i n t h e a n al ysis. Fi g ur e 2 c s u m m ari z es

t h e s p ati al a g gr e g ati o n a p pr o pri at e f or e a c h of t h e s u g g est e d pl a n et ar y s u b‐b o u n d ari es a n d r es p e cti v e c o n-

tr ol v ari a bl es. F or e x a m pl e, t h e s urf a c e w at er a n d gr o u n d w at er c o m p o n e nts c o ul d b e a n al ys e d at t h e l ar g e

b asi n a n d r e gi o n al a q uif er s c al e ( ~ 1 0, 0 0 0's t o 1 0 0, 0 0 0's k m 2 ), r es p e cti v el y. Ti m e s c al es t o c o nsi d er d e p e n d

o n h o w t h e d esir a bl e b as eli n e c o n diti o ns a g ai nst w hi c h c urr e nt or f ut ur e c o n diti o ns m a y b e c o m p ar e d ar e

d e fi n e d. T h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k c o nsi d ers t h e H ol o c e n e e p o c h, y et r o b ust gl o b al h y dr ol o gi c

d at a a n d m o d els g e n er all y st art i n t h e ~ 1 9 5 0s d u e t o a v ail a bilit y of wi d es pr e a d i nstr u m e nt al r e c or ds a n d

k e y d at a s ets ( Bi er k e ns, 2 0 1 5; W a d a, 2 0 1 6). T his is als o br o a dl y c o nsist e nt wit h t h e ti mi n g of t h e “ gr e at a c c el-

er ati o n, ” w hi c h is s o m eti m es c o nsi d er e d t h e o ns et of t h e p ost ‐H ol o c e n e A nt hr o p o c e n e ( St eff e n, Br o a d g at e,

et al., 2 0 1 5; Z al asi e wi c z et al., 2 0 1 5). W e s u g g est ~ 1 9 5 0s ( or b ef or e if p ossi bl e) as a H ol o c e n e ‐li k e “ b as eli n e ”

c o n diti o n, u n d erst a n di n g t h at t his d o es n ot i n cl u d e all a nt hr o p o g e ni c dist ur b a n c es.

S e c o n d, a us ef ul a p pr o a c h f or m o nit ori n g a n d d et e cti n g gl o b al w at er c y cl e m o di fi c ati o ns will b e m o d el

a g n osti c b ut d o es r e q uir e s o m e u nif or mit y i n t h e q u a nti fi c ati o n a p pr o a c h. W e ar g u e t h at t h e a p pr o pri at e

a p pr o a c h r e q uir es e x pli cit a c c o u nti n g of cli m at e f e e d b a c ks, i m p a cts o n a q u ati c a n d t err estri al bi o di v ersit y,

a n d ot h er c o u pl e d i m p a cts b et w e e n t h e w at er c y cl e a n d E art h s yst e m st a bilit y i n or d er t o t est r el ati o ns hi ps

b et w e e n c o ntr ol a n d r es p o ns e v ari a bl es. M ost e xisti n g gl o b al h y dr ol o gi c m o d els h a v e o nl y li mit e d a bilit y t o

si m ul at e t h es e f e e d b a c ks ( Bi er k e ns, 2 0 1 5; S o o d & S m a k hti n, 2 0 1 5). F or e x a m pl e, gl o b al h y dr ol o gi c al si m u-

l ati o ns us e d t o q u a ntif y t h e c urr e nt w at er pl a n et ar y b o u n d ar y ( St eff e n, Ri c h ar ds o n, et al., 2 0 1 5) w er e n ot

d y n a mi c all y c o u pl e d t o a g e n er al cir c ul ati o n m o d el. R e c e nt st u d y s u g g ests t h at i nt er a cti o ns a m o n g pl a n e-

t ar y b o u n d ari es pr e d o mi n a ntl y a g gr a v at e h u m a n i m p a cts o n t h e E art h s yst e m a n d s hri n k t h e pl a n et ar y

“ s af e o p er ati n g s p a c e ” ( L a d e et al., 2 0 1 9). It is li k el y t h at a d e q u at el y ass essi n g gl o b al w at er c y cl e

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 1 2 of 2 4

m o di fi c ati o ns i n t h e w a y w e pr o p os e will n e c essit at e r e vis e d m o d els t h at r o b ustl y r e pr es e nt all w at er st or es

a n d t h eir i nt er a cti o ns wit h ot h er p arts of t h e E art h s yst e m or els e b ett er c o u pli n g wit h ot h er m o d els.

I n p ut d at a i n t w o diff er e nt s p ati al p ers p e cti v es m a y b e us ef ul f or diff er e nt w at er st or es (s e e W eis k el et al.,

2 0 1 4 f or l o n g er dis c ussi o n a n d d e fi niti o n): h y dr ol o gi c u nits ( distri b ut e d, o p e n s yst e ms r e pr es e nt e d as pi x els

or r ast er c ells) or s e mi ‐cl os e d u nits (s u c h as w at ers h e ds, a q uif ers, et c.). F or e x a m pl e, f or t h e s urf a c e w at er

st or e, a s e mi ‐cl os e d a p pr o a c h usi n g l ar g e b asi ns or ri v er n et w or ks mi g ht b e a p pr o pri at e, w h er e as f or t h e

h y dr o cli m ati c f u n cti o n of t h e at m os p h eri c w at er st or e ( Fi g ur e 2), a distri b ut e d h y dr ol o gi c s yst e m m a y b e

b est si n c e at m os p h eri c w at er fl o ws a cr oss tr a diti o n al h y dr ol o gi c al b o u n d ari es s u c h as w at ers h e d di vi d es

Fi g u r e 2. ( a) E a c h w at er st or e h as c or e w at er f u n cti o n(s) t o m ai nt ai n E art h s yst e m r esili e n c e (s e e s e cti o n 3), w hi c h c o ul d h el p q u a ntif y i m p a cts of gl o b al w at er c y cl e

m o di fi c ati o ns usi n g ( b) t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k. D e fi ni n g w at er pl a n et ar y s u b ‐b o u n d ari es is b as e d o n t h e f u n cti o n al r el ati o ns hi p b et w e e n w at erst or es a n d E art h s yst e m c o m p o n e nts. T h e gr e e n z o n e is t h e s af e o p er ati n g s p a c e; t h e y ell o w r e pr es e nts t h e z o n e of u n c ert ai nt y; a n d t h e r e d i n di c at es risi n g ris ks of

l ar g e‐s c al e, p ot e nti all y a br u pt a n d irr e v ersi bl e c h a n g e ( m o di fi e d fr o m St eff e n, Ri c h ar ds o n, et al., 2 0 1 5). ( c) S u g g esti o ns f or k e y as p e cts of e a c h of t h e si xs u b‐b o u n d ari es i n cl u di n g p ossi bl e i nt eri m pl a n et ar y b o u n d ar y b as e d o n 2

oC t ar g et f or l at e t his c e nt ur y i n t h e U nit e d N ati o ns Fr a m e w or k C o n v e nti o n o n Cli m at e

C h a n g e P aris A gr e e m e nt. T h e k e y w at er f u n cti o n f or e a c h s u b ‐b o u n d ar y is i d e nti fi e d i n p ar e nt h es es (s u c h as h y dr o e c ol o g y f or s urf a c e w at er).

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 1 3 of 2 4

( e. g., B osil o vi c h, & S c h u b ert, 2 0 0 2; Dir m e y er et al., 2 0 0 9; V a n d er E nt et al., 2 0 1 1; W a n g ‐Erl a n dss o n et al.,

2 0 1 8, C h e n et al., 2 0 1 9). Als o, f or e a c h w at er st or e, eit h er h y dr ol o gi c fl u x es or t h e r at e of c h a n g e of h y dr o-

l o gi c fl u x es m a y b e us ef ul. T h e r at e of c h a n g e of h y dr ol o gi c fl u x es c o ul d b e dri v e n b y a m yri a d of gl o b al

c h a n g e pr o c ess es s u c h as w at er us e, l a n d us e, or cli m at e c h a n g e. A n ar g u m e nt f or t h e r at e of c h a n g e

r at h er t h a n t h e h y dr ol o gi c fl u x es is t h at t h e r at e a n d ti m e s c al e of e n vir o n m e nt al c h a n g e m a y b e m or e

i m p ort a nt t o E art h s yst e m a d a pt ati o n t h a n a bs ol ut e t hr es h ol ds. Usi n g str e a mfl o w as a n e x a m pl e, a q u ati c

e c os yst e ms t hri v e i n r e gi o ns wit h a wi d e r a n g e of str e a m fl o w r at es, b ut r a pi d c h a n g e i n str e a m fl o w c o ul d

b e pr o bl e m ati c.

5. 4. S p ati al A n al y si s of C riti c al R e gi o n s of Gl o b al W at e r C y cl e M o di fi c ati o n s U si n g t h e Pl a n et a r y

B o u n d a r y F r a m e w o r k

T o pr o vi d e m or e m et h o d ol o g y t o w at er c y cl e m o di fi c ati o ns a n d w at er i n t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k,

w e pr o p os e f o ur n e w m et h o ds of s p ati al a n al ysis t h at ar e b as e d o n t h e s p ati al distri b uti o n of i m p a cts r at h er

t h a n s u m mi n g of w at er fl u x es ( Fi g ur e 3). T h e c urr e nt m et h o d ol o g y f or t h e fr es h w at er us e pl a n et ar y b o u n d-

ar y ( or a n y ot h er m et h o d ol o g y t h at i n v ol v es s u m mi n g w at er fl u x es) m as ks b ot h t h e s p ati al a n d t e m p or al h et-

er o g e n eit y of t h e w at er c y cl e a n d i m pli es t h at r esili e n c e l oss c a us e d b y w at er i m p a cts i n o n e pl a c e c a n b e

r e m e di at e d b y w at er a b u n d a n c e i n a n ot h er pl a c e. E a c h of t h es e m et h o ds q u a ntif y t h e i m p a ct of w at er c y cl e

m o di fi c ati o ns o n E art h s yst e m r esili e n c e usi n g c o ntr ol a n d r es p o ns e v ari a bl es o n t h e h ori z o nt al a n d v erti c al

a xis, r es p e cti v el y, a n d t h us m a y als o i n t h e f ut ur e b e us ef ul f or s etti n g w at er pl a n et ar y s u b ‐b o u n d ari es.

P ossi bl e c o ntr ol a n d r es p o ns e v ari a bl es f or e a c h w at er st or e ar e s h o w n i n Fi g ur e 2. T h e fi rst t hr e e m et h o ds

us e i n p ut d at a d es cri b e d i n s e cti o n 5. 3, w h er e as t h e l ast m et h o d us es pr e vi o usl y m a p p e d ti p pi n g el e m e nts

( L e nt o n et al., 2 0 0 8). T h e fi rst t hr e e m et h o ds us e f o ur diff er e nt t y p es of d at a d e p e n di n g o n t h e st or e: d at a

i n h y dr ol o gi c u nits or s e mi‐cl os e d u nits, as w ell as d at a as fl u x es or r at e of c h a n g e of fl u x es (s e cti o n 5. 3).

1. T h e “ u n w ei g ht e d a p pr o a c h ” c al c ul at es t h e p er c e nt a g e of gl o b al l a n d t h at h as cr oss e d a c ert ai n t hr es h ol d

usi n g eit h er t h e h y dr ol o gi c fl u x es or t h e h y dr ol o gi c r at e of c h a n g e a n d t h e s p ati al p ers p e cti v e d es cri b e d i n

s e cti o n 5. 3. F or e x a m pl e, f or t h e s urf a c e w at er s u b ‐b o u n d ar y, t h e c o ntr ol v ari a bl e c o ul d b e t h e p er c e nt a g e

of gl o b al l a n d ar e a of b asi ns ( or p er c e nt a g e l e n gt h of ri v er n et w or k t o n ot bi as b y ri v er l e n gt h) n ot m e et-

i n g e n vir o n m e nt al fl o w r e q uir e m e nts; t h e i n p ut d at a w o ul d b e at t h e s c al e of s e mi ‐cl os e d u nits of b asi ns

or ri v er n et w or ks ( e. g., d e Gr a af et al., 2 0 1 9). T his a p pr o a c h w o ul d b e us ef ul if wi d es pr e a d d e gr a d ati o n of

c o n diti o ns or c h a n g e of fl u x es or st or es l e a ds t o si g ni fi c a nt c h a n g e i n t h e r es p o ns e v ari a bl e. A n ot h er

e x a m pl e is f or t h e h y dr o cli m ati c f u n cti o n of at m os p h eri c w at er st or e, w h er e t h e p er c e nt a g e ar e a t h at

e x c e e d a c ert ai n l e v el of e v a p otr a ns pir ati o n c h a n g e c o ul d b e c o nsi d er e d. A t hr es h ol d c o ul d t h e or eti c all y

b e s et b as e d o n, f or e x a m pl e, a n e v a p otr a ns pir ati o n d e cr e as e, w hi c h i n d u c es a n i n cr e as e i n s urf a c e

t e m p er at ur e, r e d u cti o n i n at m os p h eri c w at er st or e, a n d ot h er i m p a cts o n l o c al a n d r e gi o n al cli m ati c

c o n diti o ns. H er e, w e s h o w i n Fi g ur e 3 a all e v a p otr a ns pir ati o n c h a n g e t h at h as o c c urr e d d u e t o h u m a n

i n d u c e d l a n d us e c h a n g e ( e. g., i n cl u di n g d ef or est ati o n‐i n d u c e d d e cr e as e i n e v a p otr a ns pir ati o n a n d

irri g ati o n‐i n d u c e d i n cr e as e i n e v a p otr a ns pir ati o n) as a p ossi bl e b asis f or f ut ur e t hr es h ol d s etti n g.

2. T h e “ w ei g ht e d a p pr o a c h ” c al c ul at es t h e p er c e nt a g e of t h e gl o b al l a n d ar e a t h at h as cr oss e d a c ert ai n

t hr es h ol d w ei g ht e d b y t h e i m p ort a n c e of t h at h y dr ol o gi c u nit t o t h e E art h s yst e m f u n cti o n ( als o at a

d e fi n e d s c al e of a n al ysis). T his “ w ei g ht ” is m ulti pli e d wit h t h e d at a us e d i n t h e “ u n w ei g ht e d a p pr o a c h. ”

F or e x a m pl e, a g ai n f or t h e s urf a c e w at er s u b ‐b o u n d ar y, t h e c o ntr ol v ari a bl e c o ul d b e t h e p er c e nt a g e of

gl o b al l a n d ar e a of b asi ns n ot m e eti n g e n vir o n m e nt al fl o w r e q uir e m e nts w ei g ht e d b y a q u ati c bi o di v er-

sit y. T his a p pr o a c h i m pli es t h at t h er e ar e r e gi o ns w h er e t h e E art h s yst e m f u n cti o n of w at er f or t h e

s u b‐b o u n d ar y m a k es a m or e i m p ort a nt c o ntri b uti o n t o t h e r es p o ns e v ari a bl e. A n ot h er e x a m pl e is f or

t h e h y dr o cli m ati c f u n cti o n of at m os p h eri c w at er st or e, w h er e, f or e x a m pl e, e v a p otr a ns pir ati o n c h a n g e

t h at h as hi g h er c h a n c e t o i nfl u e n c e d o w n wi n d pr e ci pit ati o n o v er l a n d c a n b e gi v e n a hi g h er w ei g ht.

E v a p otr a ns pir ati o n c h a n g es at l o c ati o ns w h er e a hi g h p er c e nt a g e of e v a p otr a ns pir ati o n r et ur ns as

pr e ci pit ati o n o v er l a n d als o h a v e hi g h er c h a n g es t o i m p a ct t err estri al r ai nf all, t h a n pl a c es w h er e t h e

m aj orit y of e v a p otr a ns pir ati o n b e c o m es o c e a ni c pr e ci pit ati o n. T h us, Fi g ur e 3 b ill ustr at es t h e e v a p otr a n-

s pir ati o n r e c y cli n g r ati o, t h e p er c e nt a g e of e v a p otr a ns pir ati o n t h at r et ur ns as pr e ci pit ati o n o v er l a n d, as a

p ossi bl e “ w ei g ht. ”

3. T h e “ k e yst o n e r e gi o n a p pr o a c h ” i d e ntifi es r e gi o ns w h er e c ert ai n w at er st or es ar e dis pr o p orti o n at el y

i m p ort a nt t o s p e cifi c E art h s yst e m c o m p o n e nts. T h e c o n c e pt of k e yst o n e r e gi o ns is i ns pir e d b y t h e c o n-

c e pt of “ k e yst o n e s p e ci es, ” a s p e ci es t h at pr o d u c es a m aj or i m p a ct o n t h eir e c os yst e m a n d ar e c o nsi d er e d

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 1 4 of 2 4

Fi g u r e 3. Alt er n ati v e a p pr o a c h es f or d e fi ni n g pl a n et ar y b o u n d ar y c o ntr ol a n d r es p o ns e v ari a bl es ( gr a p hs o n l eft h a n d si d e) usi n g s p ati al a n al ysis of criti c al r e gi o nsof gl o b al w at er c y cl e m o di fi c ati o ns. Ill ustr ati v e e x a m pl e usi n g t h e h y dr o cli m ati c f u n cti o n of t h e at m os p h eri c w at er st or e ( m a ps o n ri g ht h a n d si d e). T h em a ps o n t h e ri g ht si d e ( a, b) ar e fr o m W a n g ‐Erl a n dss o n et al., 2 0 1 8 ( b as e d o n m o d el e d a n d r e a n al ysis d at a o v er t h e p eri o d 2 0 0 0 – 2 0 1 3) a n d r e pr o d u c e d u n d er

Cr e ati v e C o m m o ns Attri b uti o n 4. 0 Li c e ns e. T h e m a p o n t h e ri g ht si d e ( c) is pr o d u c e d b as e d dir e ctl y fr o m t h e ( b) m a p. T h e m a p o n t h e ri g ht si d e ( d) m a p is fr o mL e nt o n et al. ( 2 0 0 8).

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 1 5 of 2 4

ess e nti al t o m ai nt ai ni n g o pti m u m e c os yst e m f u n cti o n or str u ct ur e ( Mills et al., 1 9 9 3), as w ell as t h e

P ar et o pri n ci pl e, als o k n o w n as t h e 8 0 – 2 0 r ul e ( P ar et o, 1 8 9 6). W e h y p ot h esi z e t h at a s m all n u m b er of

r e gi o ns (t h e “ 2 0 ” i n t h e P ar et o pri n ci pl e) h a v e a dis pr o p orti o n at e i m p a ct o n t h e st a bilit y of t h e E art h

s yst e m. W e d e fi n e a k e yst o n e r e gi o n as a r e gi o n w h er e a w at er st or e pr o d u c es a dis pr o p orti o n at el y i m p or-

t a nt i m p a ct a n d c o ul d b e ess e nti al t o m ai nt ai ni n g a n E art h s yst e m c o m p o n e nt ( e. g., at m os p h eri c w at er i n

t h e A m a z o n is dis pr o p orti o n at el y i m p ort a nt t o t h e gl o b al cli m at e s yst e m). “ Dis p orti o n at el y i m p ort a nt ”

r ef ers t o t h e ris k of dir e ct or c as c a di n g i m p a cts o n ot h er s yst e ms or r e gi o ns f oll o wi n g l o c al or r e gi o n al

d est a bili z ati o n. F or e x a m pl e, t h e P ar et o pri n ci pl e c o ul d b e us e d t o i d e ntif y t h e 2 0 % of l a n d ar e a wit h

t h e gr e at est w ei g hti n g a n d e x cl u d e all ot h er r e gi o ns fr o m gl o b al a g gr e g ati o n. F or e x a m pl e, f or t h e h y dr o-

cli m ati c f u n cti o n of at m os p h eri c w at er st or e ( Fi g ur e 3 c), t h e ar e as wit h t h e hi g h est e v a p otr a ns pir ati o n

r e c y cli n g r ati o ar e c o nsi d er e d k e yst o n e r e gi o ns.

4. “ Ti p pi n g el e m e nts ” us es pr e vi o usl y i d e nti fi e d ti p pi n g el e m e nts i n t h e E art h s yst e m ( L e nt o n et al., 2 0 0 8).

Ti p pi n g el e m e nts ar e d e fi n e d as s u bs yst e ms of t h e E art h s yst e m t h at ar e at l e ast s u b c o nti n e nt al i n s c al e

a n d c a n b e s wit c h e d — u n d er c ert ai n cir c u mst a n c es — i nt o a q u alit ati v el y diff er e nt st at e b y s m all p ert ur-

b ati o ns. T h e ti p pi n g p oi nt is t h e c orr es p o n di n g criti c al p oi nt — i n f or ci n g a n d a f e at ur e of t h e s yst e m— at

w hi c h t h e f ut ur e st at e of t h e s yst e m is q u alit ati v el y alt er e d ( L e nt o n et al., 2 0 0 8) i n a r e gi m e s hift. F or

e x a m pl e, f or t h e h y dr o cli m ati c f u n cti o n of at m os p h eri c w at er st or e ( Fi g ur e 3 d), t h e m o ns o o n s yst e ms

c o ul d p ot e nti all y b e c o nsi d er e d as at m os p h eri c w at er ti p pi n g el e m e nts.

Diff er e nt m et h o ds m a y b e m or e eff e cti v e or a p pr o pri at e f or e a c h w at er st or e a n d w at er pl a n et ar y s u b ‐

b o u n d ari es. A mi xt ur e of t h e m ost eff e cti v e a n d a p pr o pri at e m et h o ds f or e a c h w at er pl a n et ar y s u b ‐b o u n d ar y

c o ul d b e us e d i n s etti n g t h e fi n al pl a n et ar y b o u n d ari es si n c e t h e e xisti n g fr a m e w or k is b as e d o n a v ari et y of

diff er e nt m et h o ds a n d m etri cs ( R o c kstr ö m et al., 2 0 0 9 a). Alt h o u g h t h e w ei g ht e d a p pr o a c h, k e yst o n e r e gi o n

a p pr o a c h, a n d ti p pi n g el e m e nt a p pr o a c h mi g ht all i d e ntif y r e gi o ns of h y dr ol o gi c i m p ort a n c e i n gl o b al

c h a n g e, t h er e ar e i m p ort a nt diff er e n c es b et w e e n t h e m. Ti p pi n g el e m e nts f o c us o n c o h esi v e s u bs yst e ms

a n d i d e ntif yi n g r e gi m e s hifts, w h er e as t h e k e yst o n e r e gi o n a p pr o a c h f o c us es o n c u m ul ati v e a n d a d diti v e

i m p a cts a cr oss t h e E art h s yst e m, w hi c h m a y n ot b e a c o h esi v e s u bs yst e m a n d d o n ot n e c ess aril y e x hi bit

ti p pi n g b e h a vi or. T h e w ei g ht e d a p pr o a c h als o f o c us es o n c u m ul ati v e i m p a cts b ut is l ess li k el y t o r es ult i n

c o h esi v e r e gi o ns t h a n t h e k e yst o n e r e gi o n m et h o d. All f o ur a p pr o a c h es ar e diff er e nt t h a n ot h er a p pr o a c h es

i n i d e ntif yi n g r e gi o ns of h y dr ol o gi c i m p ort a n c e i n gl o b al c h a n g e, li k e pr e vi o us dis c ussi o ns of “ w at er

t o w ers,” si n c e t h e a p pr o a c h es h er e f o c us o n c h a n g es t o t h e E art h s yst e m, w h er e as “ w at er t o w ers ” f o c us

o n t h e i m p ort a n c e of s p e ci fi c r e gi o ns f or w at er r es o ur c es.

5. 5. A cti n g U p o n W at e r C y cl e M o di fi c ati o n s b y S etti n g a n d U si n g W at e r Pl a n et a r y S u b ‐B o u n d a ri e s

T h e pr o c ess of s etti n g f ull y el a b or at e d pl a n et ar y s u b ‐b o u n d ari es wit h cl e arl y d e fi n e d r el ati o ns hi ps b et w e e n

c o ntr ol a n d r es p o ns e v ari a bl es f or t h e diff er e nt w at er st or es m a y t a k e a c o nsi d er a bl e a m o u nt of ti m e ( at l e ast

~ 5 – 1 0 y e ars, c o m p ar a bl e t o ot h er gl o b al c h a n g e s ci e n c e s y nt h esis a cti viti es). Y et t h er e is si g ni fi c a nt i nt er est

i n usi n g t h e w at er pl a n et ar y b o u n d ar y, s o w e e x pl or e d s etti n g i nt eri m pl a n et ar y s u b‐b o u n d ari es b as e d o n

gl o b al st a n d ar ds f or c ar b o n a n d e xisti n g gl o b al d at a. I nt eri m pl a n et ar y b o u n d ari es f or w at er c o ul d b e s et

b y q u a ntif yi n g t h e c h a n g e i n pr o p os e d c o ntr ol v ari a bl es f or e a c h w at er c o m p o n e nt u n d er t h e r e pr es e nt ati v e

c o n c e ntr ati o n p at h w a ys wit h r el at e d e missi o ns a n d l a n d us e s c e n ari os c o nsist e nt wit h t h e U nit e d N ati o ns

Fr a m e w or k C o n v e nti o n o n Cli m at e C h a n g e P aris A gr e e m e nt. I n ot h er w or ds, t h es e ar e t h e w at er b o u n d-

ari es t h at w o ul d aris e if gl o b al c ar b o n g o v er n a n c e a ct ors c o nsi d er e d w at er i m p a cts. T h es e n e w b o u n d ari es

c o ul d s u p p ort w at er g o v er n a n c e t h at i n cr e asi n gl y a d dr ess es gl o b al iss u es t hr o u g h gl o b al w at er i niti ati v es

a cr oss s e ct ors ( V ar a d y et al., 2 0 0 9). T h e or eti c al e x pl or ati o n of gl o b al w at er g o v er n a n c e hi g hli g hts a c o m bi-

n ati o n of m ultil e v el d esi g n wit h a str o n g gl o b al di m e nsi o n ( H o e kstr a, 2 0 0 6; P a hl ‐W ostl et al., 2 0 0 8). Gl o b al

w at er g o v er n a n c e c o ul d als o b e a n i nt e gr al p art of a pr o p os e d E art h s yst e m g o v er n a n c e fr a m e w or k

( Bi er m a n n et al., 2 0 1 2), i nt e gr at e d i nt o e xisti n g gl o b al c ar b o n g o v er n a n c e or i d e all y d e v el o p e d as a n ot h er

p ar all el f or m of gl o b al g o v er n a n c e.

W e s u g g est t h at t h e w at er pl a n et ar y b o u n d ar y pr o vi d es a n eff e cti v e fr a m e w or k t h at c a n i nt e gr at e wit h a n d

c o m pl e m e nt e xisti n g w at er m a n a g e m e nt a p pr o a c h es at s u b gl o b al s c al es s u c h as w at ers h e ds, a q uif ers, or

n ati o ns. S u b gl o b al us e of t h e w at er pl a n et ar y b o u n d ar y is t h e f o c us of s e p ar at e w or k ( Zi p p er et al., 2 0 2 0),

a n d w e o nl y bri e fl y i ntr o d u c e it h er e t o hi g hli g ht t h e p ot e nti al utilit y of t h e w at er pl a n et ar y b o u n d ar y.

Pr e vi o us w or k wit h t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k at s u b gl o b al s c al es h as eit h er att e m pt e d t o

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 1 6 of 2 4

c al c ul at e a “ f air s h ar e” of t h e pl a n et ar y b o u n d ar y v al u e all o c at e d t o a s u b gl o b al d o m ai n, f or e x a m pl e, a

n ati o n ( H ä y h ä et al., 2 0 1 8) or us e t h e c o ntr ol – r es p o ns e v ari a bl e r el ati o ns hi p f o u n d ati o n al t o t h e pl a n et ar y

b o u n d ar y fr a m e w or k t o d e v el o p l o c al b o u n d ari es i n a c o n c e pt u all y c o nsist e nt m a n n er ( e. g., D e ari n g et al.,

2 0 1 4). M ost criti c all y, t h e pl a n et ar y b o u n d ar y fr a m e w or k all o ws w at er m a n a g ers t o a c c o u nt f or p ot e nti al

gl o b al E art h s yst e m i m p a cts of l o c al w at er c y cl e m o di fi c ati o ns ( e. g., l o c al r es p o nsi bilit y f or gl o b al e n vir o n-

m e nt al c h all e n g es), a p ers p e cti v e n ot c a pt ur e d i n e xisti n g w at er m a n a g e m e nt fr a m e w or ks, a n d pr o vi d es a

s yst e m ati c fr a m e w or k f or i nt er c o m p aris o n a cr oss w at ers h e d, c o u ntri es, c o m p a ni es, or ot h er s u b gl o b al u nits

w h er e w at er is m a n a g e d ( Zi p p er et al., 2 0 2 0). Gi v e n t h e l a c k of gl o b al w at er m a n a g e m e nt a n d g o v er n a n c e

or g a ni z ati o ns, eff e cti v e i nt e gr ati o n of w at er m a n a g e m e nt a cr oss l o c al ‐ t o gl o b al‐s c al es m a y r e q uir e i n n o v a-

ti v e g o v er n a n c e str u ct ur es a n d a p pr o a c h es ( Bi er m a n n, 2 0 1 2; G al a z et al., 2 0 1 2).

6. C o n cl u di n g Wit h a n I n vit ati o n t o M e et a G r a n d C h all e n g e

T h e c or e f u n cti o ns of h y dr o cli m ati c r e g ul ati o n, h y dr o e c ol o gi c al r e g ul ati o n, st or a g e, a n d tr a ns p ort ill u mi-

n at e h o w w at er st or es ( at m os p h eri c w at er, s oil m oist ur e, s urf a c e w at er, gr o u n d w at er, a n d fr o z e n w at er)

ar e i n e xtri c a bl y i nt er c o n n e ct e d wit h E art h s yst e m c o m p o n e nts s u c h as t h e at m os p h er e, l a n d, a n d o c e a n

t hr o u g h pr o c ess es, m e c h a nis ms, a n d v ari a bl es t h at ar e f a mili ar t o all h y dr ol o gists s u c h as e v a p otr a ns pir a-

ti o n, al b e d o, i c e m elt, str e a mfl o w, a n d s o f ort h. T h e s ci e nti fi c a n d et hi c al gr a n d c h all e n g e of e x a mi ni n g

w at er c y cl e m o di fi c ati o ns f or E art h s yst e m r esili e n c e ar e m oti v at e d b y t h e n u m er o us r es e ar c h q u esti o ns

w e i ntr o d u c e d i n s e cti o n 1. T h e gr a n d c h all e n g e fi rst f o c us es o n w hi c h w at er ‐r el at e d c h a n g es m a y l e a d t o

s u pr ar e gi o n al or gl o b al ti p pi n g p oi nts or gr a d u al a d v ers e tr a nsiti o ns i n criti c al w at er a n d E art h s yst e m f u n c-

ti o ns (s e cti o ns 2 a n d 3). A r el at e d q u esti o n i n h er e ntl y r el at es t o s c ali n g b et w e e n r e gi o n al a n d gl o b al pr o-

c ess es f or w hi c h w e pr o vi d e n e w m et h o ds of a n al ysis (s e cti o n 5. 4). S etti n g n e w w at er pl a n et ar y s u b ‐

b o u n d ari es (s e cti o n 5. 5) m a y e n a bl e m a n a gi n g tr a d e ‐offs b et w e e n gl o b al d e v el o p m e nt ( e. g., t h e s ust ai n a bl e

d e v el o p m e nt g o als) a n d i n cr e asi n g pr ess ur e o n gl o b al w at er r es o ur c es, w hi c h m a y m oti v at e t h e d e v el o p-

m e nt of w at er g o v er n a n c e m e c h a nis ms a n d i nstit uti o ns t h at r es p o n d t o a n d i n fl u e n c e gl o b al w at er c y cli n g.

Fi n all y, i nt er a cti o ns a n d f e e d b a c ks fr o m ot h er s yst e ms s u c h as f o o d a n d e n er g y dri v e m a n y of t h es e pr o-

c ess es, s o f o c usi n g o n w at er c y cl e m o di fi c ati o ns m a y pr o vi d e i nsi g hts or t o ols f or ot h er i niti ati v es.

W e i n vit e t h e h y dr ol o g y a n d w at er r es o ur c e c o m m u nit y t o a p pl y s eri o us a n d s ust ai n e d att e nti o n t o w ar d

u n d erst a n di n g w at er c y cl e m o di fi c ati o ns a n d E art h s yst e m r esili e n c e, w hi c h c o ul d b e tr a nsf or m ati v e t o

o ur u n d erst a n di n g of s o ci o h y dr ol o gi c s yst e ms a cr oss s c al es, u p t o t h e gl o b al, a n d pr o vi d e a n e w a p pr o a c h

f or gl o b al h y dr ol o g y m o d eli n g a n d a n al ysis. W e s u g g est t hr e e i niti ati v es t h at c a n b e t a c kl e d i m m e di at el y

a n d si m ult a n e o usl y b y hi g hl y c oll a b or ati v e w or ki n g gr o u ps fr o m di v ers e b a c k gr o u n ds:

• I niti ati v e 1 c o ul d c o m p ar e t h e “ w ei g ht e d a p pr o a c h ” t o t h e “ k e yst o n e r e gi o n a p pr o a c h, ” w hi c h c o ul d

u n c o v er diff er e n c es i n r e gi o ns t h at ar e dis pr o p orti o n at el y i m p ort a nt t o diff er e nt E art h s yst e m f u n cti o ns

of w at er.

• I niti ati v e 2, f o c usi n g o n t h e r at e of c h a n g e of fl u x es, c o ul d u n c o v er t h e r e gi o ns of t h e w orl d e x p eri e n ci n g

t h e m ost r a pi d r at es of c h a n g e a n d i n v esti g at e w h et h er t h es e h a v e m e a ni n gf ul i m p a ct o n diff er e nt E art h

s yst e m f u n cti o ns of w at er.

• I niti ati v e 3 c o ul d i d e ntif y a n d pr o visi o n all y q u a ntif y i nt eri m, s p ati all y e x pli cit pl a n et ar y s u b ‐b o u n d ari es

( w hi c h m a y n ot b e p ossi bl e or r o b ust f or all t h e pl a n et ar y s u b‐b o u n d ari es).

T o g et h er, t h es e t hr e e i niti ati v es w o ul d l a y t h e f o u n d ati o n f or d e v el o pi n g f ull y el a b or at e d w at er pl a n et ar y

s u b‐b o u n d ari es a n d ill u mi n ati n g w at er c y cl e m o di fi c ati o ns i n t h e A nt hr o p o c e n e. T his a m biti o us s ci e nti fi c

a g e n d a als o dir e ctl y l e a ds t o i m p ort a nt w at er p oli c y i m pli c ati o ns. W e t h er ef or e e n d wit h a n i n vit ati o n t o

t h e h y dr ol o g y a n d w at er r es o ur c es c o m m u nit y t o j oi n us i n f oll o wi n g t his gr a n d c h all e n g e, w hi c h w o ul d

i niti at e n u m er o us i nt er esti n g s ci e ntifi c j o ur n e ys a n d h el p s et pr e c a uti o n ar y pl a n et ar y b o u n d ari es f or w at er

t h at r efl e ct its u n d e ni a bl e i m p ort a n c e i n gl o b al s ust ai n a bilit y a n d E art h s yst e m s ci e n c e.

R ef e r e n c e sA br a h a m, J. P., B ari n g er, M., Bi n d off, N. L., B o y er, T., C h e n g, L. J., C h ur c h, J. A., et al. ( 2 0 1 3). A r e vi e w of gl o b al o c e a n t e m p er at ur e

o bs er v ati o ns: I m pli c ati o ns f or o c e a n h e at c o nt e nt esti m at es a n d cli m at e c h a n g e. R e vi e ws of G e o p h ysi cs , 5 1 ( 3), 4 5 0– 4 8 3. htt ps:// d oi. or g/

1 0. 1 0 0 2/r o g. 2 0 0 2 2

A cr e m a n, M. C., O v ert o n, I. C., Ki n g, J., W o o d, P. J., C o w x, I. G., D u n b ar, M. J., et al. ( 2 0 1 4). T h e c h a n gi n g r ol e of e c o h y dr ol o gi c al s ci e n c e i n

g ui di n g e n vir o n m e nt al fl o ws. H y dr ol o gi c al S ci e n c es J o ur n al , 5 9 ( 3– 4), 4 3 3 – 4 5 0. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 8 0/ 0 2 6 2 6 6 6 7. 2 0 1 4. 8 8 6 0 1 9

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 1 7 of 2 4

A c k n o wl e d g m e nt s

T his c o m m u nit y pr oj e ct w as s u p p ort e d

b y a S TI N T i nt er n ati o n ali z ati o n gr a nt,

S w e di s h R es e ar c h C o u n cil ( V R, pr oj e ct

2 0 1 5 ‐0 6 5 0 3) a n d t h e S w e dis h R es e ar c h

C o u n cil f or E n vir o n m e nt, A gri c ult ur al

S ci e n c es a n d S p ati al Pl a n ni n g

F O R M A S ( 9 4 2 ‐2 0 1 5 ‐7 4 0). W e t h a n k

m a n y m e m b ers of t h e c o m m u nit y w h o

c o ntri b ut e d t o t h e dis c ussi o ns. W e h a v e

n o c o n fl i cts of i nt er est a n d n o d at a ar e

us e d i n t his m a n us cri pt.

A es c h b a c h ‐H erti g, W., & Gl e es o n, T. ( 2 0 1 2). R e gi o n al str at e gi es f or t h e a c c el er ati n g gl o b al pr o bl e m of gr o u n d w at er d e pl eti o n. N at ur e

G e os ci e n c e , 5 ( 1 2), 8 5 3– 8 6 1. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8/ n g e o 1 6 1 7

Al c a m o, J., Fl ör k e, M., & M är k er, M. ( 2 0 0 7). F ut ur e l o n g ‐t er m c h a n g es i n gl o b al w at er r es o ur c es dri v e n b y s o ci o‐e c o n o mi c a n d cli m ati c

c h a n g es. H y dr ol o gi c al S ci e n c es J o ur n al , 5 2 ( 2), 2 4 7– 2 7 5.

Al c a m o, J. M., V ör ös m art y, C. J., N ai m a n, R. J., L ett e n m ai er, D. P., & P a hl ‐W ostl, C. ( 2 0 0 8). A gr a n d c h all e n g e f or fr es h w at er r es e ar c h:

U n d erst a n di n g t h e gl o b al w at er s yst e m. E n vir o n m e nt al R es e ar c h L ett ers , 3 ( 1), 0 1 0 2 0 2.

A n d er e g g, W. R. L., K a n e, J. M., & A n d er e g g, L. D. L. ( 2 0 1 3). C o ns e q u e n c e s of wi d es pr e a d tr e e m ort alit y tri g g er e d b y dr o u g ht a n d t e m-

p er at ur e str es s. N at ur e Cli m at e C h a n g e , 3 ( 1), 3 0– 3 6. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8/ n cli m at e 1 6 3 5

Ar a g ã o, L. E. O. C., A n d ers o n, L. O., F o ns e c a, M. G., R os a n, T. M., V e d o v at o, L. B., W a g n er, F. H., et al. ( 2 0 1 8). 2 1st C e nt ur y dr o u g ht ‐r el at e d

fi r es c o u nt er a ct t h e d e cli n e of A m a z o n d ef or est ati o n c ar b o n e missi o ns. N at ur e C o m m u ni c ati o ns , 9 ( 1), 1– 1 2. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8/

s 4 1 4 6 7 ‐0 1 7 ‐0 2 7 7 1 ‐y

Ar c h fi el d, S. A., Cl ar k, M., Ar h ei m er, B., H a y, L. E., M c Mill a n, H., Ki a n g, J. E., et al. ( 2 0 1 5). A c c el er ati n g a d v a n c es i n c o nti n e nt al d o m ai n

h y dr ol o gi c m o d eli n g. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 5 1 ( 1 2), 1 0, 0 7 8– 1 0, 0 9 1. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 5 W R 0 1 7 4 9 8

B ar n os k y, A. D., M at z k e, N., T o mi y a, S., W o g a n, G. O., S w art z, B., Q u e nt al, T. B., et al.( 2 0 1 1). H as t h e E art h's si xt h m as s e xti n cti o n alr e a d y

arri v e d ? N at ur e , 4 7 1 ( 7 3 3 6), 5 1– 5 7.

B ar n os k y, A. D., H a dl y, E. A., B as c o m pt e, J., B erl o w, E. L., Br o w n, J. H., F ort eli us, M., et al. ( 2 0 1 2). A p pr o a c hi n g a st at e s hift i n E art h's

bi os p h er e. N at ur e , 4 8 6 ( 7 4 0 1), 5 2– 5 8. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8/ n at ur e 1 1 0 1 8

B ar o n a, E., R a m a n k utt y, N., H y m a n, G., & C o o m es, O. T. ( 2 0 1 0). T h e r ol e of p ast ur e a n d s o y b e a n i n d ef or est ati o n of t h e Br a zili a n A m a z o n.

E n vir o n m e nt al R es e ar c h L ett ers , 5 ( 2), 0 2 4 0 0 2. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 8 8/ 1 7 4 8‐9 3 2 6/ 5/ 2/ 0 2 4 0 0 2

B arr et o, M. B. ( 2 0 0 8). Di a g n osti cs a b o ut t h e st at e of m a n gr o v es i n V e n e z u el a: C as e st u di es fr o m t h e N ati o n al P ar k M orr o c o y a n d Wil dlif e

R ef u g e C u ar e. I n P. H. Li et h, D. M. G. S u cr e, & B. H er z o g ( E ds.), M a n gr o v es a n d H al o p h yt es: R est or ati o n a n d Utilis ati o n , ( p p. 5 1– 6 4).

N et h erl a n ds: S pri n g er. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 7/ 9 7 8 ‐1 ‐4 0 2 0 ‐6 7 2 0 ‐4 _ 6

B at hi a n y, S., N ot z, D., M a urits e n, T., R a e d el, G., & Br o v ki n, V. ( 2 0 1 6). O n t h e p ot e nti al f or a br u pt Ar cti c wi nt er s e a i c e l oss. J o ur n al of

Cli m at e , 2 9 ( 7), 2 7 0 3– 2 7 1 9. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 1 7 5/ J C LI ‐D ‐1 5 ‐0 4 6 6. 1

B ell, J. P., T o m p ki ns, A. M., B o u k a ‐Bi o n a, C., & S a n d a, I. S. ( 2 0 1 5). A pr o c ess ‐b as e d i n v esti g ati o n i nt o t h e i m p a ct of t h e C o n g o b asi n

d ef or est ati o n o n s urf a c e cli m at e. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h , 1 2 0 ( 1 2), 5 7 2 1– 5 7 3 9. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 4 J D 0 2 2 5 8 6

B el m o nt, P., & F o uf o ul a ‐G e or gi o u, E. ( 2 0 1 7). S ol vi n g w at er q u alit y pr o bl e ms i n a gri c ult ur al l a n ds c a p es: N e w a p pr o a c h es f or t h e s e n o n-

li n e ar, m ulti pr o c es s, m ultis c al e s yst e ms. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 5 3 ( 4), 2 5 8 5– 2 5 9 0. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 7 W R 0 2 0 8 3 9

B est el m e y er, B. T., Willi a ms o n, J. C., Ar c h er, S. R., S a yr e, N. F., D u ni w a y, M. C., O ki n, G. S., & H erri c k, J. E. ( 2 0 1 5). D es erti fi c ati o n, l a n d

us e, a n d t h e tr a nsf or m ati o n of gl o b al dr yl a n ds. Fr o nti ers i n E c ol o g y a n d t h e E n vir o n m e nt , 1 3 ( 1), 2 8– 3 6. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 8 9 0/ 1 4 0 1 6 2

B h a d uri, A., B o g ar di, J., Si d di qi, A., V oi gt, H., V ör ös m art y, C., P a hl ‐W ostl, C., et al. ( 2 0 1 6). A c hi e vi n g s ust ai n a bl e d e v el o p m e nt g o als fr o m a

w at er p ers p e cti v e. Fr o nti ers i n E n vir o n m e nt al S ci e n c e , 4 , 6 4.

Bi d d a n d a, B. A. ( 2 0 1 7). Gl o b al si g ni fi c a n c e of t h e c h a n gi n g fr es h w at er c ar b o n c y cl e. E os , 9 8 . htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 7 E O 0 6 9 7 5 1

Bi er k e ns, M. F., & W a d a, Y. ( 2 0 1 9). N o n ‐r e n e w a bl e gr o u n d w at er us e a n d gr o u n d w at er d e pl eti o n: A r e vi e w. E n vir o n m e nt al R es e ar c h

L ett ers , 1 4 ( 6), 0 6 3 0 0 2.

Bi er k e ns, M. F. P. ( 2 0 1 5). Gl o b al h y dr ol o g y 2 0 1 5: St at e, tr e n ds, a n d dir e cti o ns. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 5 1 ( 7), 4 9 2 3– 4 9 4 7. htt ps:// d oi. or g/

1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 5 W R 0 1 7 1 7 3

Bi er k e ns, M. F. P., B ell, V. A., B ur e k, P., C h a n e y, N., C o n d o n, L. E., D a vi d, C. H., et al. ( 2 0 1 5). H y p er ‐r e s ol uti o n gl o b al h y dr ol o gi c al

m o d elli n g: W h at is n e xt ? H y dr ol o gi c al Pr o c ess es , 2 9 ( 2), 3 1 0– 3 2 0. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2 / h y p. 1 0 3 9 1

Bi er m a n n, F., A b b ott, K., A n dr es e n, S., B ä c k str a n d, K., B er nst ei n, S., B etsill, M. M., et al. ( 2 0 1 2). N a vi g ati n g t h e A nt hr o p o c e n e: I m pr o vi n g

E art h s yst e m g o v er n a n c e. S ci e n c e , 3 3 5 ( 6 0 7 4), 1 3 0 6– 1 3 0 7. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 1 2 6/s ci e n c e. 1 2 1 7 2 5 5

Bi g gs, R., P et ers o n, G., & R o c h a, J. ( 2 0 1 8). T h e r e gi m e s hifts d at a b as e: A fr a m e w or k f or a n al y zi n g r e gi m e s hifts i n s o ci al ‐e c ol o gi c al s yst e ms.

E c ol o g y a n d S o ci et y , 2 3 ( 3). htt ps:// d oi. or g / 1 0. 5 7 5 1/ E S ‐1 0 2 6 4 ‐2 3 0 3 0 9

Bl a c k, P. E. ( 1 9 9 7). W at ers h e d f u n cti o ns. J A W R A J o ur n al of t h e A m eri c a n W at er R es o ur c es Ass o ci ati o n , 3 3 ( 1), 1– 1 1.

B o ers, N., M ar w a n, N., B ar b os a, H. M. J., & K urt hs, J. ( 2 0 1 7). A d ef or est ati o n ‐i n d u c e d ti p pi n g p oi nt f or t h e S o ut h A m eri c a n m o ns o o n

s yst e m. S ci e nti fi c R e p orts , 7 , 4 1 4 8 9. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8/sr e p 4 1 4 8 9

B o g a n, M. T., & L ytl e, D. A. ( 2 0 1 1). S e v er e dr o u g ht dri v es n o v el c o m m u nit y tr aj e ct ori es i n d es ert str e a m p o ols. Fr es h w at er Bi ol o g y , 5 6 ( 1 0),

2 0 7 0 – 2 0 8 1. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 1 1 /j. 1 3 6 5 ‐2 4 2 7. 2 0 1 1. 0 2 6 3 8. x

B o ot h, E. G., & L o h ei d e, S. P. ( 2 0 1 2). C o m p ari n g s urf a c e eff e cti v e s at ur ati o n a n d d e pt h ‐t o‐w at er ‐l e v el as pr e di ct or s of pl a nt c o m p ositi o n i n

a r est or e d ri p ari a n w etl a n d. E c o h y dr ol o g y , 5 ( 5), 6 3 7– 6 4 7. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 0 2/ e c o. 2 5 0

B o ot h, E. G., Zi p p er, S. C., L o h ei d e, S. P., & K u c h ari k, C. J. ( 2 0 1 6). Is gr o u n d w at er r e c h ar g e al w a ys s er vi n g us w ell ? W at er s u p pl y pr o vi-

si o ni n g, cr o p pr o d u cti o n, a n d fl o o d att e n u ati o n i n c o n fl i ct i n Wis c o n si n, U S A. E c os yst e m S er vi c es, 2 1, P art A, 1 5 3– 1 6 5. htt ps:/ / d oi. or g/

1 0. 1 0 1 6/j. e c os er. 2 0 1 6. 0 8. 0 0 7

B osil o vi c h, M. G., & S c h u b ert, S. D. ( 2 0 0 2). W at er v a p or tr a c ers as di a g n osti cs of t h e r e gi o n al h y dr ol o gi c c y cl e. J o ur n al of H y dr o m et e or ol o g y ,

3 ( 2), 1 4 9– 1 6 5.

Br a u m a n, K. A., Ri c ht er, B. D., P ost el, S., M als y, M., & Fl ör k e, M. ( 2 0 1 6). W at er d e pl eti o n: A n i m pr o v e d m etri c f or i n c or p or ati n g s e as o n al

a n d dr y ‐y e ar w at er s c ar cit y i nt o w at er ris k ass ess m e nts. El e m S ci A nt h , 4.

Bri n g, A., F e d or o v a, I., Di bi k e, Y., Hi n z m a n, L., M ar d, J., M er nil d, S. H., et al. ( 2 0 1 6). Ar cti c t err estri al h y dr ol o g y: A s y nt h esis of pr o c ess es,

r e gi o n al eff e cts, a n d r es e ar c h c h all e n g es. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h – Bi o g e os ci e n c es , 1 2 1 ( 3), 6 2 1– 6 4 9. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2/

2 0 1 5 J G 0 0 3 1 3 1

Br o w n, C. M., L u n d, J. R., C ai, X., R e e d, P. M., Z a g o n a, E. A., Ostf el d, A., et al. ( 2 0 1 5). T h e f ut ur e of w at er r es o ur c es s yst e ms a n al ysis:

T o w ar d a s ci e nti fi c fr a m e w or k f or s ust ai n a bl e w at er m a n a g e m e nt. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 5 1 ( 8), 6 1 1 0– 6 1 2 4. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2/

2 0 1 5 W R 0 1 7 1 1 4

Br o w n, J., B a c h, L., Al d o us, A., W y ers, A., & D e G a g n é, J. ( 2 0 1 1). Gr o u n d w at er ‐d e p e n d e nt e c os yst e ms i n Or e g o n: A n ass ess m e nt of t h eir

distri b uti o n a n d ass o ci at e d t hr e at s. Fr o nti ers i n E c ol o g y a n d t h e E n vir o n m e nt , 9 ( 2), 9 7– 1 0 2. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 8 9 0/ 0 9 0 1 0 8

C ai, X., W alli n gt o n, K., S h a fi e e ‐J o o d, M., & M arst o n, L. ( 2 0 1 8). U n d erst a n di n g a n d m a n a gi n g t h e f o o d ‐e n er g y ‐w at er n e x us — O p p ort u niti es

f or w at er r es o ur c es r e s e ar c h. A d v a n c es i n W at er R es o ur c es , 1 1 1 , 2 5 9– 2 7 3. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 1 6/j. a d v w atr es. 2 0 1 7. 1 1. 0 1 4

C arlisl e, D. M., Gr a nt h a m, T. E., E n g, K., & W ol o c k, D. M. ( 2 0 1 7). Bi ol o gi c al r el e v a n c e of str e a m fl o w m etri cs: R e gi o n al a n d n ati o n al

p ers p e cti v es. Fr es h w at er S ci e n c e , 3 6 ( 4), 9 2 7– 9 4 0. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 8 6/ 6 9 4 9 1 3

C atf or d, J. A., M orris, W. K., V es k, P. A., Gi p p el, C. J., & D o w n es, B. J. ( 2 0 1 4). S p e ci es a n d e n vir o n m e nt al c h ar a ct eristi cs p oi nt t o fl o w

r e g ul ati o n a n d dr o u g ht as dri v ers of ri p ari a n pl a nt i n v asi o n. Di v ersit y a n d Distri b uti o ns , 2 0 ( 9), 1 0 8 4– 1 0 9 6. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 1 1/

d di. 1 2 2 2 5

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 1 8 of 2 4

C h as e ‐D u n n, C., a n d T. D. H all. 1 9 9 7. E c ol o gi c al d e gr a d ati o n a n d t h e e v ol uti o n of w orl d ‐s yst e ms. J o ur n al of W orl d ‐S yst e ms R es e ar c h

3 ( 3): 4 0 3‐4 3 1. A v ail a bl e o nli n e at: htt p://j wsr. u cr. e d u/ ar c hi v e/ v ol 3 / v 3 n 3 a 3. p h p.

C h as m er, L., & H o p ki ns o n, C. ( 2 0 1 7). T hr es h ol d l oss of dis c o nti n u o us p er m afr ost a n d l a n ds c a p e e v ol uti o n. Gl o b al C h a n g e Bi ol o g y , 2 3 ( 7),

2 6 7 2 – 2 6 8 6. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 1 1 / g c b. 1 3 5 3 7

C h e n, X., L e u n g, L. R., Wi g m ost a, M., & Ri c h m o n d, M. ( 2 0 1 9). I m p a ct of at m os p h eri c ri v ers o n s urf a c e h y dr ol o gi c al pr o c ess es i n w est er n

U S w at ers h e ds. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h: At m os p h er e s.

C h erl et, M., H ut c hi ns o n, C., R e y n ol d s, J., Hill, J., S o m m er, S., & v o n M altit z, G. ( E ds) ( 2 0 1 8). W orl d Atl as of d es erti fi c ati o n . L u x e m b ur g:

P u bli c ati o n Of fi c e of t h e E ur o p e a n U ni o n.

C hi p m a n, M. L., & H u, F. S. ( 2 0 1 7). Li n k a g es a m o n g cli m at e, fi r e, a n d t h er m o er osi o n i n Al as k a n t u n dr a o v er t h e p ast t hr e e mill e n ni a.

J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h – Bi o g e os ci e n c es , 1 2 2 ( 1 2), 3 3 6 2– 3 3 7 7. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 7 J G 0 0 4 0 2 7

Ci ntr o n, G., L u g o, A. E., P o ol, D. J., & M orris, G. ( 1 9 7 8). M a n gr o v es of ari d e n vir o n m e nts i n P u ert o Ri c o a n d a dj a c e nt isl a n ds. Bi otr o pi c a ,

1 0 ( 2), 1 1 0– 1 2 1. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 2 3 0 7/ 2 3 8 8 0 1 3

Cl ar k e, C. J., G e or g e, R. J., B ell, R. W., & H att o n, T. J. ( 2 0 0 2). Dr yl a n d s ali nit y i n s o ut h ‐w e st er n A ustr ali a: Its ori gi ns, r e m e di es, a n d f ut ur e

r es e ar c h dir e cti o ns. S oil R es e ar c h , 4 0 ( 1), 9 3– 1 1 3.

Clift, R., Si m, S., Ki n g, H., C h e n o w et h, J. L., C hristi e, I., Cl a vr e ul, J., et al. ( 2 0 1 7). T h e c h all e n g es of a p pl yi n g pl a n et ar y b o u n d ari e s as a b asis

f or str at e gi c d e cisi o n‐m a ki n g i n c o m p a ni es wit h gl o b al s u p pl y c h ai ns. S ust ai n a bilit y , 9 ( 2), 2 7 9. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 3 3 9 0/s u 9 0 2 0 2 7 9

C o x, P. M., P e ars o n, D., B o ot h, B. B., Fri e dli n gst ei n, P., H u nti n gf or d, C., J o n es, C. D., & L u k e, C. M. ( 2 0 1 3). S e nsiti vit y of tr o pi c al c ar b o n t o

cli m at e c h a n g e c o nstr ai n e d b y c ar b o n di o xi d e v ari a bilit y. N at ur e , 4 9 4 ( 7 4 3 7), 3 4 1– 3 4 4. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8/ n at ur e 1 1 8 8 2

D ali n, C., W a d a, Y., K ast n er, T., & P u m a, M. J. ( 2 0 1 7). Gr o u n d w at er d e pl eti o n e m b e d d e d i n i nt er n ati o n al f o o d tr a d e. N at ur e , 5 4 3 ( 7 6 4 7),

7 0 0 – 7 0 4. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 / n at ur e 2 1 4 0 3

D' Al m ei d a, C., V ör ös m art y, C. J., H urtt, G. C., M ar e n g o, J. A., Di n g m a n, S. L., & K ei m, B. D. ( 2 0 0 7). T h e eff e cts of d ef or est ati o n o n t h e

h y dr ol o gi c al c y cl e i n A m a z o ni a: A r e vi e w o n s c al e a n d r es ol uti o n. I nt er n ati o n al J o ur n al of Cli m at ol o g y, 2 7 ( 5), 6 3 3– 6 4 7. htt ps:// d oi. or g/

1 0. 1 0 0 2/j o c. 1 4 7 5

d e Gr a af, I. E. M., Gl e es o n, T., v a n B e e k, L. P. H. ( R e ns), S ut a n u dj aj a, E. H., & Bi er k e ns, M. F. P. ( 2 0 1 9). E n vir o n m e nt al fl o w li mits t o gl o b al

gr o u n d w at er p u m pi n g. N at ur e , 5 7 4 ( 7 7 7 6), 9 0– 9 4. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 /s 4 1 5 8 6 ‐0 1 9 ‐1 5 9 4 ‐4

D e a n e, D. C., Ni c ol, J. M., G e hri g, S. L., H ar di n g, C., Al dri d g e, K. T., G o o d m a n, A. M., & Br o o k es, J. D. ( 2 0 1 7). H y dr ol o gi c al ‐ni c h e m o d els

pr e di ct w at er pl a nt f u n cti o n al gr o u p distri b uti o ns i n di v ers e w etl a n d t y p e s. E c ol o gi c al A p pli c ati o ns , 2 7 ( 4), 1 3 5 1– 1 3 6 4. htt ps:// d oi. or g/

1 0. 1 0 0 2/ e a p. 1 5 2 9

D e ari n g, J. A., W a n g, R., Z h a n g, K., D y k e, J. G., H a b erl, H., H oss ai n, M. S., et al. ( 2 0 1 4). S af e a n d j ust o p er ati n g s p a c e s f or r e gi o n al s o ci al ‐

e c ol o gi c al s yst e m s. Gl o b al E n vir o n m e nt al C h a n g e , 2 8 , 2 2 7– 2 3 8. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6/j. gl o e n v c h a. 2 0 1 4. 0 6. 0 1 2

D e n e m ar k, R. A., Fri e d m a n, J., Gill s, B. K., & M o d els ki, G. ( E ds) ( 2 0 0 0). W orl d s yst e m hist or y: T h e s o ci al s ci e n c e of l o n g ‐t er m c h a n g e.

L o n d o n, U K: R o utl e d g e.

D est o u ni, G., J ar a mill o, F., & Pri et o, C. ( 2 0 1 2). H y dr o cli m ati c s hift s dri v e n b y h u m a n w at er us e f or f o o d a n d e n er g y pr o d u cti o n. N at ur e

Cli m at e C h a n g e , 3 ( 3), 2 1 3– 2 1 7. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 / n cli m at e 1 7 1 9

Di B al d ass arr e, G., Vi gli o n e, A., C arr, G., K uil, L., S ali n as, J. L., & Bl ös c hl, G. ( 2 0 1 3). S o ci o ‐h y dr ol o g y: C o n c e pt u ali si n g h u m a n ‐fl o o d

i nt er a cti o ns. H y dr ol o g y a n d E art h S yst e m S ci e n c es , 1 7 ( 8), 3 2 9 5– 3 3 0 3. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 5 1 9 4/ h ess ‐1 7 ‐3 2 9 5 ‐2 0 1 3

Di c k ers o n ‐L a n g e, S. E., & Mit c h ell, R. ( 2 0 1 4). M o d eli n g t h e eff e cts of cli m at e c h a n g e pr oj e cti o ns o n str e a m fl o w i n t h e N o o ks a c k Ri v er

b asi n, N ort h w est W a s hi n gt o n. H y dr ol o gi c al Pr o c ess es , 2 8 ( 2 0), 5 2 3 6– 5 2 5 0. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2 / h y p. 1 0 0 1 2

Di n g m a n, S. L. ( 2 0 0 2). P h ysi c al h y dr ol o g y . U p p er S a d dl e Ri v er: Pr e nti c e‐H all.

Dir m e y er, P. A., S c hl oss er, C. A., & Br u b a k er, K. L. ( 2 0 0 9). Pr e ci pit ati o n, r e c y cli n g, a n d l a n d m e m or y: A n i nt e gr at e d a n al ysis. J o ur n al of

H y dr o m et e or ol o g y , 1 0 ( 1), 2 7 8– 2 8 8.

D o n g es, J. F., & B arf uss, W. ( 2 0 1 7). Fr o m m at h t o m et a p h ors a n d b a c k a g ai n: S o ci al ‐e c ol o gi c al r e sili e n c e fr o m a m ulti ‐a g e nt ‐e n vir o n m e nt

p ers p e cti v e. G AI A ‐ E c ol o gi c al P ers p e cti v es f or S ci e n c e a n d S o ci et y , 2 6 ( 1), 1 8 2– 1 9 0. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 4 5 1 2/ g ai a. 2 6. S 1. 5

D u art e, C. M., Mi d d el b ur g, J. J., & C ar a c o, N. ( 2 0 0 4). M aj or r ol e of m ari n e v e g et ati o n o n t h e o c e a ni c c ar b o n c y cl e. Bi o g e os ci e n c es

Dis c ussi o ns , 1 ( 1), 6 5 9 – 6 7 9.

D uff y, P. B., Br a n d o, P., As n er, G. P., & Fi el d, C. B. ( 2 0 1 5). Pr oj e cti o ns of f ut ur e m et e or ol o gi c al dr o u g ht a n d w et p eri o ds i n t h e A m a z o n.

Pr o c e e di n gs of t h e N ati o n al A c a d e m y of S ci e n c es , 1 1 2 ( 4 3), 1 3 1 7 2– 1 3 1 7 7. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 7 3 / p n as. 1 4 2 1 0 1 0 1 1 2

E a m us, D., Z olf a g h ar, S., Vill al o b os ‐V e g a, R., Cl e v erl y, J., & H u et e, A. ( 2 0 1 5). Gr o u n d w at er ‐d e p e n d e nt e c os yst e ms: R e c e nt i nsi g hts fr o m

s at ellit e a n d fi el d ‐b as e d st u di es. H y dr ol o g y a n d E art h S yst e m S ci e n c es , 1 9 ( 1 0), 4 2 2 9– 4 2 5 6. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 5 1 9 4/ h ess ‐1 9 ‐4 2 2 9 ‐2 0 1 5

E arl e, A., C as c a o, A. E., H a nss o n, S., J ä g ers k o g, A., S w ai n, A., Öj e n d al, J., Öj e n d al, J. ( 2 0 1 5). Tr a ns b o u n d ar y w at er m a n a g e m e nt a n d t h e

cli m at e c h a n g e d e b at e. R o utl e d g e. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 4 3 2 4/ 9 7 8 0 2 0 3 0 9 8 9 2 9

Ellis, S., M ell or, T., & M ell or, T. ( 2 0 0 2). S oils a n d e n vir o n m e nt. R o utl e d g e. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 4 3 2 4 / 9 7 8 0 2 0 3 4 1 5 2 4 5

F al k e n m ar k, M. ( 1 9 8 9). T h e m assi v e w at er s c ar cit y n o w t hr e at e ni n g Afri c a: W h y is n't it b ei n g a d dr ess e d ? A m bi o , 1 1 2– 1 1 8.

F al k e n m ar k, M., W a n g ‐Erl a n dss o n, L., & R o c kstr ö m, J. ( 2 0 1 9). U n d erst a n di n g of w at er r esili e n c e i n t h e A nt hr o p o c e n e. J o ur n al of

H y dr ol o g y X , 2 , 1 0 0 0 0 9.

F a n, Y., Cl ar k, M., L a wr e n c e, D. M., S w e ns o n, S., B a n d, L. E., Br a ntl e y, S. L., et al. ( 2 0 1 9). Hillsl o p e h y dr ol o g y i n gl o b al c h a n g e r e s e ar c h a n d

e art h s yst e m m o d eli n g. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 5 5 ( 2), 1 7 3 7– 1 7 7 2. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 / 2 0 1 8 W R 0 2 3 9 0 3

F a n, Y., L e u n g, L. R., D u a n, Z., Wi g m ost a, M. S., M a x w ell, R. M., C h a m b ers, J. Q., & T o m as ell a, J. ( 2 0 1 7). I n fl u e n c e of l a n ds c a p e h et er o-

g e n eit y o n w at er a v ail a bl e t o tr o pi c al f or ests i n a n A m a z o ni a n c at c h m e nt a n d i m pli c ati o ns f or m o d eli n g dr o u g ht r es p o n s e. J o ur n al of

G e o p h ysi c al R es e ar c h ‐At m os p h er es , 1 2 2 ( 1 6), 2 0 1 7 J D 0 2 7 0 6 6. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 7 J D 0 2 7 0 6 6

F a n, Y., Li, H., & Mi g u e z ‐M a c h o, G. ( 2 0 1 3). Gl o b al p att er ns of gr o u n d w at er t a bl e d e pt h. S ci e n c e , 3 3 9 ( 6 1 2 2), 9 4 0– 9 4 3. htt ps:// d oi. or g/

1 0. 1 1 2 6/s ci e n c e. 1 2 2 9 8 8 1

F el d m a n n, J., & L e v er m a n n, A. ( 2 0 1 5). C oll a ps e of t h e W est A nt ar cti c I c e S h e et aft er l o c al d est a bili z ati o n of t h e A m u n ds e n B asi n.

Pr o c e e di n gs of t h e N ati o n al A c a d e m y of S ci e n c es , 1 1 2 ( 4 6), 1 4, 1 9 1– 1 4, 1 9 6. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 7 3/ p n as. 1 5 1 2 4 8 2 1 1 2

Fl e mi n g, K., J o h nst o n, P., Z w art z, D., Y o k o y a m a, Y., L a m b e c k, K., & C h a p p ell, J. ( 1 9 9 8). R e fi ni n g t h e e ust ati c s e a ‐l e v el c ur v e si n c e t h e L ast

Gl a ci al m a xi m u m usi n g f ar ‐ a n d i nt er m e di at e ‐fi el d sit es. E art h a n d Pl a n et ar y S ci e n c e L ett ers , 1 6 3 ( 1), 3 2 7– 3 4 2. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6/

S 0 0 1 2 ‐8 2 1 X( 9 8) 0 0 1 9 8 ‐8

F ol k e, C., C ar p e nt er, S., W al k er, B., S c h eff er, M., El m q vist, T., G u n d ers o n, L., & H olli n g, C. S. ( 2 0 0 4). R e gi m e s hifts, r esili e n c e, a n d bi o-

di v ersit y i n e c os yst e m m a n a g e m e nt. A n n u al R e vi e w of E c ol o g y, E v ol uti o n, a n d S yst e m ati cs , 3 5 ( 1), 5 5 7– 5 8 1. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 1 4 6/

a n n ur e v. e c ols ys. 3 5. 0 2 1 1 0 3. 1 0 5 7 1 1

G al a z, V., Bi er m a n n, F., F ol k e, C., Nilss o n, M., & Olss o n, P. ( 2 0 1 2). Gl o b al e n vir o n m e nt al g o v er n a n c e a n d pl a n et ar y b o u n d ari e s: A n

i ntr o d u cti o n. E c ol o gi c al E c o n o mi cs , 8 1 , 1– 3. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6/j. e c ol e c o n. 2 0 1 2. 0 2. 0 2 3

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 1 9 of 2 4

G al a z, V., Cr o n a, B., D a uri a c h, A., S c h olt e ns, B., & St eff e n, W. ( 2 0 1 8). Fi n a n c e a n d t h e E art h s yst e m – E x pl ori n g t h e li n ks b et w e e n fi n a n ci al

a ct ors a n d n o n ‐li n e ar c h a n g es i n t h e cli m at e s yst e m. Gl o b al E n vir o n m e nt al C h a n g e , 5 3 , 2 9 6– 3 0 2. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 1 6/j.

gl o e n v c h a. 2 0 1 8. 0 9. 0 0 8

G eist, H. J., & L a m bi n, E. F. ( 2 0 0 4). D y n a mi c c a us al p att er ns of d es erti fi c ati o n. Bi os ci e n c e , 5 4 ( 9), 8 1 7– 8 2 9. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 6 4 1 / 0 0 0 6 ‐

3 5 6 8( 2 0 0 4) 0 5 4[ 0 8 1 7: D C P O D] 2. 0. C O; 2

G e or g e, R. J., N uls e n, R. A., F er d o wsi a n, R., & R a p er, G. P. ( 1 9 9 9). I nt er a cti o ns b et w e e n tr e es a n d gr o u n d w at ers i n r e c h ar g e a n d dis c h ar g e

ar e as ‐ A s ur v e y of W est er n A u str ali a n sit es. A gri c ult ur al W at er M a n a g e m e nt , 3 9 ( 2– 3), 9 1 – 1 1 3. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6/ S 0 3 7 8 ‐3 7 7 4( 9 8)

0 0 0 7 3 ‐0

G ert e n, D. ( 2 0 1 3). A vit al li n k: W at er a n d v e g et ati o n i n t h e A nt hr o p o c e n e. H y dr ol o g y a n d E art h S yst e m S ci e n c es , 1 7 ( 1 0), 3 8 4 1– 3 8 5 2.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 5 1 9 4 / h ess ‐1 7 ‐3 8 4 1 ‐2 0 1 3

G ert e n, D., H off, H., R o c kstr ö m, J., J ä g er m e yr, J., K u m m u, M., & P ast or, A. V. ( 2 0 1 3). T o w ar ds a r e vis e d pl a n et ar y b o u n d ar y f or c o n-

s u m pti v e fr es h w at er us e: r ol e of e n vir o n m e nt al fl o w r e q uir e m e nts. C urr e nt O pi ni o n i n E n vir o n m e nt al S ust ai n a bilit y , 5 ( 6), 5 5 1– 5 5 8.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6 /j. c os ust. 2 0 1 3. 1 1. 0 0 1

Gi d o, K. B., D o d ds, W. K., & E b erl e, M. E. ( 2 0 1 0). R etr os p e cti v e a n al ysis of fi s h c o m m u nit y c h a n g e d uri n g a h alf ‐c e nt ur y of l a n d us e a n d

str e a m fl o w c h a n g es. J o ur n al of t h e N ort h A m eri c a n B e nt h ol o gi c al S o ci et y , 2 9 ( 3), 9 7 0– 9 8 7.

Gi m é n e z, R., M er c a u, J., N os ett o, M., P á e z, R., & J o b b á g y, E. ( 2 0 1 6). T h e e c o h y dr ol o gi c al i m pri nt of d ef or est ati o n i n t h e s e mi ari d C h a c o:

I nsi g hts fr o m t h e l ast f or est r e m n a nts of a hi g hl y c ulti v at e d l a n ds c a p e. H y dr ol o gi c al Pr o c ess es , 3 0 ( 1 5), 2 6 0 3– 2 6 1 6. htt ps:// d oi. or g /

1 0. 1 0 0 2/ h y p. 1 0 9 0 1

Gl e es o n, T., Erl a n dss o n, L. W., Zi p p er, S., P or k k a, M., J ar a mill o F., G ert e n D., et al. ( 2 0 1 9). T h e w at er pl a n et ar y b o u n d ar y: I nt err o g ati o n

a n d r e visi o n. Pr e pri nt p u blis h e d at htt ps:// e art h ar xi v. or g/s w h m a/

Gl e es o n, T., & Ri c ht er, B. ( 2 0 1 8). H o w m u c h gr o u n d w at er c a n w e p u m p a n d pr ot e ct e n vir o n m e nt al fl o ws t hr o u g h ti m e ? Pr es u m pti v e

st a n d ar ds f or c o nj u n cti v e m a n a g e m e nt of a q uif ers a n d ri v ers. Ri v er R es e ar c h a n d A p pli c ati o ns , 3 4 ( 1), 8 3– 9 2. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2 /

rr a. 3 1 8 5

Gl e es o n, T., W a d a, Y., Bi er k e ns, M. F. P., & v a n B e e k, L. P. H. ( 2 0 1 2). S ust ai n a bl e w at er b al a n c e of gl o b al a q uif ers r e v e al e d b y gr o u n d w at er

f o ot pri nt. N at ur e , 4 8 8 , 1 9 7– 2 0 0. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 / n at ur e 1 1 2 9 5

Gl ei c k, P. H. ( 2 0 0 0). T h e w orl d's w at er 2 0 0 0 ‐2 0 0 1 . W as hi n gt o n: Isl a n d Pr es s.

G or d o n, L. J., St eff e n, W., J ö nss o n, B. F., F ol k e, C., F al k e n m ar k, M., & J o h a n n e ss e n, Å. ( 2 0 0 5). H u m a n m o di fi c ati o n of gl o b al w at er v a p or

fl o ws fr o m t h e l a n d s urf a c e. Pr o c e e di n gs of t h e N ati o n al A c a d e m y of S ci e n c es of t h e U nit e d St at es of A m eri c a , 1 0 2 ( 2 1), 7 6 1 2– 7 6 1 7.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 7 3 / p n as. 0 5 0 0 2 0 8 1 0 2

G otts, N. M. ( 2 0 0 7). R esili e n c e, p a n ar c h y, a n d w orl d ‐s yst e ms a n al ysis. E c ol o g y a n d S o ci et y , 1 2 ( 1). htt ps:// d oi. or g/ 2 4

Grill, G., L e h n er, B., T hi e m e, M., G e e n e n, B., Ti c k n er, D., A nt o n elli, F., et al. ( 2 0 1 9). M a p pi n g t h e w orl d's fr e e ‐fl o wi n g ri v ers. N at ur e , 5 6 9

( 7 7 5 5), 2 1 5– 2 2 1. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 /s 4 1 5 8 6 ‐0 1 9 ‐1 1 1 1 ‐9

G uill o d, B. P., Orl o ws k y, B., Mir all es, D. G., T e uli n g, A. J., & S e n e vir at n e, S. I. ( 2 0 1 5). R e c o n cili n g s p ati al a n d t e m p or al s oil m oist ur e eff e cts

o n aft er n o o n r ai nf all. N at ur e C o m m u ni c ati o ns , 6 , 6 4 4 3. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8/ n c o m ms 7 4 4 3

H all, T. D. ( E d) ( 2 0 0 0). A w orl d ‐s yst e ms r e a d er: N e w p ers p e cti v es o n g e n d er, ur b a nis m, c ult ur es, i n di g e n o us p e o pl es a n d e c ol o g y . L o n d o n, U K:

R o w m a n a n d Littl e fi el d.

H ä y h ä, T., C or n ell, S. E., H off, H., L u c as, P., & v a n V u ur e n, D. ( 2 0 1 8). O p er ati o n ali zi n g t h e c o n c e pt of a s af e o p er ati n g s p a c e at t h e

E U l e v el – First st e ps a n d e x pl or ati o ns ( St o c k h ol m R esili e n c e C e ntr e T e c h ni c al R e p ort, pr e p ar e d i n c oll a b or ati o n wit h St o c k h ol m

E n vir o n m e nt I nstit ut e ( S EI) a n d P B L N et h erl a n ds E n vir o n m e nt al Ass ess m e nt A g e n c y) . St o c k h ol m R esili e n c e C e ntr e: St o c k h ol m

U ni v ersit y, S w e d e n.

H ä y h ä, T., L u c as, P. L., v a n V u ur e n, D. P., C or n ell, S. E., & H off, H. ( 2 0 1 6). Fr o m pl a n et ar y b o u n d ari e s t o n ati o n al f air s h ar es of t h e gl o b al

s af e o p er ati n g s p a c e — H o w c a n t h e s c al es b e bri d g e d ? Gl o b al E n vir o n m e nt al C h a n g e , 4 0 , 6 0– 7 2. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6/j.

gl o e n v c h a. 2 0 1 6. 0 6. 0 0 8

H e c k y, R. E., M u gi d d e, R., R a ml al, P. S., T al b ot, M. R., & Kli n g, G. W. ( 2 0 1 0). M ulti pl e str ess ors c a us e r a pi d e c os yst e m c h a n g e i n L a k e

Vi ct ori a. Fr es h w at er Bi ol o g y , 5 5 (s 1), 1 9– 4 2. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 1 1 1/j. 1 3 6 5 ‐2 4 2 7. 2 0 0 9. 0 2 3 7 4. x

H eist er m a n n, M. ( 2 0 1 7). H E S S O pi ni o ns: A pl a n et ar y b o u n d ar y o n fr es h w at er us e is misl e a di n g. H y dr ol o g y a n d E art h S yst e m S ci e n c es ,

2 1 ( 7), 3 4 5 5– 3 4 6 1. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 5 1 9 4/ h ess ‐2 1 ‐3 4 5 5 ‐2 0 1 7

H e ns h a w, P. C., C h arls o n, R. J., & B ur g es, S. J. ( 2 0 0 0). 6 ‐ W at er a n d t h e H y dr os p h er e. I n M. C. J a c o bs o n, R. J. C h arls o n, H. R o d h e, & G. H.

Ori a ns ( E d s.), I nt er n ati o n al G e o p h ysi cs ( V ol. 7 2, p p. 1 0 9– 1 3 1). L o n d o n, U K: Els e vi er A c a d e mi c Pr ess. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6 / S 0 0 7 4 ‐

6 1 4 2( 0 0) 8 0 1 1 2 ‐6

H e ns z e y, R. J., Pf eiff er, K., & K e o u g h, J. R. ( 2 0 0 4). Li n ki n g s urf a c e ‐a n d gr o u n d ‐w at er l e v el s t o ri p ari a n gr assl a n d s p e ci es al o n g t h e Pl att e

Ri v er i n C e ntr al N e br as k a, U S A. W etl a n ds , 2 4 ( 3), 6 6 5– 6 8 7.

Hir ot a, M., H ol m gr e n, M., V a n N es, E. H., & S c h eff er, M. ( 2 0 1 1). Gl o b al r esili e n c e of tr o pi c al f or est a n d s a v a n n a t o criti c al tr a nsiti o ns.

S ci e n c e , 3 3 4 ( 6 0 5 3), 2 3 2– 2 3 5.

H o e k, W. Z. ( 2 0 0 8). T h e l ast gl a ci al ‐i nt er gl a ci al tr a nsiti o n. E pis o d es , 3 1 ( 2), 2 2 6– 2 2 9.

H o e kstr a, A. Y. ( 2 0 0 6). T h e gl o b al di m e n si o n of w at er g o v er n a n c e: Ni n e r e as o ns f or gl o b al arr a n g e m e nts i n or d er t o c o p e wit h l o c al w at er

pr o bl e ms. R etri e v e d fr o m htt ps://r es e ar c h. ut w e nt e. nl/ e n/ p u bli c ati o ns/t h e ‐gl o b al ‐di m e nsi o n ‐of ‐w at er ‐g o v er n a n c e ‐ni n e ‐r e as o ns‐f or‐

gl o b al ‐

H o e kstr a, A. Y., & M e k o n n e n, M. M. ( 2 0 1 2). T h e w at er f o ot pri nt of h u m a nit y. Pr o c e e di n gs of t h e N ati o n al A c a d e m y of S ci e n c es , 1 0 9 ( 9),

3 2 3 2 – 3 2 3 7. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 7 3 / p n as. 1 1 0 9 9 3 6 1 0 9

H olli n g, C. S. ( 1 9 7 3). R esili e n c e a n d st a bilit y of e c ol o gi c al s yst e ms. A n n u al R e vi e w of E c ol o g y a n d S yst e m ati cs , 4 ( 1), 1– 2 3. htt ps:// d oi. or g/

1 0. 1 1 4 6/ a n n ur e v. es. 0 4. 1 1 0 1 7 3. 0 0 0 2 4 5

H olli n g, C. S., & G u n d ers o n, L. H. ( 2 0 0 2). R esili e n c e a n d a d a pti v e c y cl es. I n L. H. G u n d ers o n, & C. S. H olli n g ( E ds.), P a n ar c h y:

U n d erst a n di n g tr a nsf or m ati o ns i n h u m a n a n d n at ur al s yst e ms , ( p p. 2 5– 6 2). W as hi n gt o n, D. C., U S A: Isl a n d Pr ess.

H o u g ht o n, R. A., S k ol e, D. L., N o br e, C. A., H a c kl er, J. L., L a wr e n c e, K. T., & C h o m e nt o ws ki, W. H. ( 2 0 0 0). A n n u al fl u x es of c ar b o n fr o m

d ef or est ati o n a n d r e gr o wt h i n t h e Br a zili a n A m a z o n. N at ur e , 4 0 3 ( 6 7 6 7), 3 0 1.

H o us p a n ossi a n, J., K u p p el, S., N os ett o, M., B ell a, C. D., Ori c c hi o, P., B arr u c a n d, M., et al. ( 2 0 1 6). L o n g ‐l asti n g fl o o ds b uff er t h e t h er m al

r e gi m e of t h e P a m p as. T h e or eti c al a n d A p pli e d Cli m at ol o g y , 1 3 1 ( 1‐2), 1 1 1 – 1 2 0. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 0 7/s 0 0 7 0 4 ‐0 1 6 ‐1 9 5 9 ‐7

H u a n g, K., Yi, C., W u, D., Z h o u, T., Z h a o, X., Bl a nf or d, W. J., et al. ( 2 0 1 5). Ti p pi n g p oi nt of a c o nif er f or est e c os yst e m u n d er s e v er e dr o u g ht.

E n vir o n m e nt al R es e ar c h L ett ers , 1 0 ( 2), 0 2 4 0 1 1. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 8 8/ 1 7 4 8‐9 3 2 6/ 1 0/ 2/ 0 2 4 0 1 1

H u m p hr e y, V., Zs c h eis c hl er, J., Ci ais, P., G u d m u n dss o n, L., Sit c h, S., & S e n e vir at n e, S. I. ( 2 0 1 8). S e nsiti vit y of at m os p h eri c C O 2 gr o wt h

r at e t o o bs er v e d c h a n g es i n t err estri al w at er st or a g e. N at ur e , 5 6 0 ( 7 7 2 0), 6 2 8. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 /s 4 1 5 8 6‐0 1 8 ‐0 4 2 4 ‐4

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 2 0 of 2 4

H u nti n gf or d, C., Z el a z o ws ki, P., G al br ait h, D., M er c a d o, L. M., Sit c h, S., Fis h er, R., et al. ( 2 0 1 3). Si m ul at e d r esili e n c e of tr o pi c al r ai nf or ests

t o C O 2‐i n d u c e d cli m at e c h a n g e. N at ur e G e os ci e n c e , 6 ( 4), 2 6 8– 2 7 3. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8/ n g e o 1 7 4 1

H u nti n gt o n, T. G. ( 2 0 0 6). E vi d e n c e f or i nt e nsi fi c ati o n of t h e gl o b al w at er c y cl e: R e vi e w a n d s y nt h esis. J o ur n al of H y dr ol o g y , 3 1 9 ( 1), 8 3– 9 5.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6 /j.j h y dr ol. 2 0 0 5. 0 7. 0 0 3

H u nti n gt o n, T. G., W eis k el, P. K., W ol o c k, D. M., & M c C a b e, G. J. ( 2 0 1 8). A n e w i n di c at or fr a m e w or k f or q u a ntif yi n g t h e i nt e nsit y of t h e

t err estri al w at er c y cl e. J o ur n al of H y dr ol o g y , 5 5 9 , 3 6 1– 3 7 2. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 1 6/j.j h y d r ol. 2 0 1 8. 0 2. 0 4 8

I m m er z e el, W. W., v a n B e e k, L. P. H., & Bi er k e ns, M. F. P. ( 2 0 1 0). Cli m at e c h a n g e will aff e ct t h e Asi a n w at er t o w ers. S ci e n c e , 3 2 8 ( 5 9 8 4),

1 3 8 2 – 1 3 8 5. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 2 6 /s ci e n c e. 1 1 8 3 1 8 8

I P C C ( 2 0 1 3). Cli m at e c h a n g e 2 0 1 3: T h e p h ysi c al s ci e n c e b asis.

I P C C ( 2 0 1 9). S p e ci al r e p ort o n t h e o c e a n a n d cr y os p h er e i n a c h a n gi n g cli m at e.

J ar a mill o, F., & D est o u ni, G. ( 2 0 1 5 a). C o m m e nt o n “ Pl a n et ar y b o u n d ari e s: G ui di n g h u m a n d e v el o p m e nt o n a c h a n gi n g pl a n et. ” . S ci e n c e ,

3 4 8 ( 6 2 4 0), 1 2 1 7– 1 2 1 7. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 2 6/s ci e n c e. a a a 9 6 2 9

J ar a mill o, F., & D est o u ni, G. ( 2 0 1 5 b). L o c al fl o w r e g ul ati o n a n d irri g ati o n r ais e gl o b al h u m a n w at er c o ns u m pti o n a n d f o ot pri nt. S ci e n c e ,

3 5 0 ( 6 2 6 5), 1 2 4 8– 1 2 5 1. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 2 6/s ci e n c e. a a d 1 0 1 0

J ar a mill o, F., Li c er o, L., Å hl e n, I., M a n z o ni, S., R o drí g u e z ‐R o drí g u e z, J. A., G uitt ar d, A., et al. ( 2 0 1 8). Eff e cts of h y dr o cli m ati c c h a n g e a n d

r e h a bilit ati o n a cti viti es o n s ali nit y a n d m a n gr o v e r e c o v er y i n t h e Ci é n a g a Gr a n d e d e S a nt a M art a. C ol o m bi a. W etl a n ds , 1 – 1 3 . htt ps:// d oi.

or g/ 1 0. 1 0 0 7/s 1 3 1 5 7 ‐0 1 8 ‐1 0 2 4 ‐7

Ji m e n e z, J. A., L u g o, A. E., & Ci ntr o n, G. ( 1 9 8 5). Tr e e m ort alit y i n m a n gr o v e f or ests. Bi otr o pi c a , 1 7 7– 1 8 5.

K arss e n b er g, D., Bi er k e ns, M. F. P., & Ri et k er k, M. ( 2 0 1 7). C at astr o p hi c s hifts i n s e mi ari d v e g et ati o n ‐s oil s yst e ms m a y u nf ol d r a pi dl y or

sl o wl y. T h e A m eri c a n N at ur alist , 1 9 0 ( 6), E 1 4 5– E 1 5 5. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 8 6/ 6 9 4 4 1 3

K u m m u, M., G uill a u m e, J. H. A., D e M o el, H., Eis n er, S., Fl ör k e, M., P or k k a, M., et al. ( 2 0 1 6). T h e w orl d's r o a d t o w at er s c ar cit y:

S h ort a g e a n d str ess i n t h e 2 0t h c e nt ur y a n d p at h w a ys t o w ar ds s ust ai n a bilit y. S ci e nti fi c R e p orts , 6 ( 1), 3 8 4 9 5. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 3 8/

sr e p 3 8 4 9 5

K u p p el, S., H o us p a n ossi a n, J., N os ett o, M. D., & J o b b á g y, E. G. ( 2 0 1 5). W h at d o es it t a k e t o fl o o d t h e P a m p as ?: L ess o ns fr o m a d e c a d e of

str o n g h y dr ol o gi c al fl u ct u a ti o ns. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 5 1 ( 4), 2 9 3 7– 2 9 5 0. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 5 W R 0 1 6 9 6 6

L a d e, S. J., St eff e n, W., d e Vri es, W., C ar p e nt er, S. R., D o n g es, J. F., G ert e n, D., et al.( 2 0 1 9). H u m a n i m p a cts o n pl a n et ar y b o u n d ari e s

a m pli fi e d b y E art h s yst e m i nt er a cti o ns. N at ur e S ust ai n a bilit y , 1– 1 0.

L a wr e n c e, D., & V a n d e c ar, K. ( 2 0 1 5). Eff e ct s of tr o pi c al d ef or est ati o n o n cli m at e a n d a gri c ult ur e. N at ur e Cli m at e C h a n g e , 5 ( 1), 2 7– 3 6.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 / n cli m at e 2 4 3 0

L e nt o n, T. M., H el d, H., Kri e gl er, E., H all, J. W., L u c ht, W., R a h mst orf, S., & S c h ell n h u b er, H. J. ( 2 0 0 8). Ti p pi n g el e m e nt s i n t h e E art h's

cli m at e s yst e m. Pr o c e e di n gs of t h e N ati o n al A c a d e m y of S ci e n c es , 1 0 5 ( 6), 1 7 8 6– 1 7 9 3. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 7 3/ p n as. 0 7 0 5 4 1 4 1 0 5

L o h ei d e, S. P., & G or eli c k, S. M. ( 2 0 0 7). Ri p ari a n h y dr o e c ol o g y: A c o u pl e d m o d el of t h e o bs er v e d i nt er a cti o ns b et w e e n gr o u n d w at er fl o w

a n d m e a d o w v e g et ati o n p att er ni n g. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 4 3 ( 7).

L o wr y, C. S., & L o h ei d e, S. P. ( 2 0 1 0). Gr o u n d w at er ‐d e p e n d e nt v e g et ati o n: Q u a ntif yi n g t h e gr o u n d w at er s u bsi d y. W at er R es o ur c es R es e ar c h ,

4 6 ( 6), W 0 6 2 0 2. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 / 2 0 0 9 W R 0 0 8 8 7 4

L u n d, J. R. ( 2 0 1 5). I nt e gr ati n g s o ci al a n d p h ysi c al s ci e n c es i n w at er m a n a g e m e nt. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 5 1 ( 8), 5 9 0 5– 5 9 1 8. htt ps:// d oi.

or g/ 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 5 W R 0 1 7 1 2 5

M al hi, Y., R o b erts, J. T., B etts, R. A., Kill e e n, T. J., Li, W., & N o br e, C. A. ( 2 0 0 8). Cli m at e c h a n g e, d ef or est ati o n, a n d t h e f at e of t h e A m a z o n.

S ci e n c e , 3 1 9 ( 5 8 6 0), 1 6 9– 1 7 2.

M ar c h esi ni, V. A., Gi m é n e z, R., N os ett o, M. D., & J o b b á g y, E. G. ( 2 0 1 7). E c o h y dr ol o gi c al tr a nsf or m ati o n i n t h e dr y C h a c o a n d t h e ris k of

dr yl a n d s ali nit y: F oll o wi n g A u str ali a's f o ot st e ps ? E c o h y dr ol o g y , 1 0 ( 4), e 1 8 2 2. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2 / e c o. 1 8 2 2

M ars h all, C. R. ( 2 0 0 6). E x pl ai ni n g t h e C a m bri a n &l d q u o; e x pl osi o n &r d q u o; of a ni m als. A n n u al R e vi e w of E art h a n d Pl a n et ar y S ci e n c es , 3 4 ,

3 5 5 – 3 8 4.

M c G uir e, K. J., & M c D o n n ell, J. J. ( 2 0 0 6). A r e vi e w a n d e v al u ati o n of c at c h m e nt tr a nsit ti m e m o d eli n g. J o ur n al of H y dr ol o g y , 3 3 0 ( 3– 4),

5 4 3 – 5 6 3.

M e d e m a, W., M cI nt os h, B., & J effr e y, P. ( 2 0 0 8). Fr o m pr e mis e t o pr a cti c e: A criti c al ass e ss m e nt of i nt e gr at e d w at er r es o ur c es m a n a g e m e nt

a n d a d a pti v e m a n a g e m e nt a p pr o a c h es i n t h e w at er s e ct or. E c ol o g y a n d S o ci et y , 1 3 ( 2), art 2 9. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 5 7 5 1/ E S‐0 2 6 1 1 ‐1 3 0 2 2 9

M e yfr oi dt, P., R u d el, T. K., & L a m bi n, E. F. ( 2 0 1 0). F or e st tr a n siti o ns, tr a d e, a n d t h e gl o b al dis pl a c e m e nt of l a n d us e. Pr o c e e di n gs of t h e

N ati o n al A c a d e m y of S ci e n c es , 1 0 7 ( 4 9), 2 0 9 1 7 – 2 0 9 2 2.

Mi c kli n, P. ( 2 0 0 7). T h e Ar al S e a dis ast er. A n n u al R e vi e w of E art h a n d Pl a n et ar y S ci e n c es , 3 5 ( 1), 4 7– 7 2. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 1 4 6/ a n n ur e v.

e art h. 3 5. 0 3 1 3 0 6. 1 4 0 1 2 0

Mi c kli n, P., Al a di n, N. V., & Pl ot ni k o v, I. ( 2 0 1 6). Ar al S e a. S pri n g er. htt ps:// w w w.s pri n g er. c o m/ g p/ b o o k/ 9 7 8 3 6 4 2 0 2 3 5 5 2

Mi g u e z ‐M a c h o, G., & F a n, Y. ( 2 0 1 2 a). T h e r ol e of gr o u n d w at er i n t h e A m a z o n w at er c y cl e: 1. I n fl u e n c e o n s e as o n al str e a m fl o w, fl o o di n g

a n d w etl a n ds. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h ‐At m os p h er es , 1 1 7 ( D 1 5), n/ a. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 2 J D 0 1 7 5 3 9

Mi g u e z ‐M a c h o, G., & F a n, Y. ( 2 0 1 2 b). T h e r ol e of gr o u n d w at er i n t h e A m a z o n w at er c y cl e: 2. I n fl u e n c e o n s e as o n al s oil m oist ur e a n d

e v a p otr a ns pir ati o n. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h ‐At m os p h er es , 1 1 7 ( D 1 5), D 1 5 1 1 4. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 / 2 0 1 2 J D 0 1 7 5 4 0

Mills, L. S., S o ul é, M. E., & D o a k, D. F. ( 1 9 9 3). T h e k e yst o n e ‐s p e ci es c o n c e pt i n e c ol o g y a n d c o ns er v ati o n. Bi os ci e n c e , 4 3 ( 4), 2 1 9– 2 2 4.

Mit c h ell, J. F. B. ( 1 9 8 9). T h e “ gr e e n h o us e ” eff e ct a n d cli m at e c h a n g e. R e vi e ws of G e o p h ysi cs , 2 7 ( 1), 1 1 5– 1 3 9. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 /

R G 0 2 7i 0 0 1 p 0 0 1 1 5

M o nt a n ari, A., Y o u n g, G., S a v e nij e, H. H. G., H u g h es, D., W a g e n er, T., R e n, L. L., et al. ( 2 0 1 3). “ P a nt a R h ei — E v er yt hi n g Fl o ws ” : C h a n g e i n

h y dr ol o g y a n d s o ci et y — T h e I A H S S ci e nti fi c D e c a d e 2 0 1 3 – 2 0 2 2. H y dr ol o gi c al S ci e n c es J o ur n al , 5 8 ( 6), 1 2 5 6– 1 2 7 5. htt ps:// d oi. or g/

1 0. 1 0 8 0/ 0 2 6 2 6 6 6 7. 2 0 1 3. 8 0 9 0 8 8

M ot e w, M., C h e n, X., B o ot h, E. G., C ar p e nt er, S. R., Pi n k a s, P., Zi p p er, S. C., et al. ( 2 0 1 7). T h e I n fl u e n c e of L e g a c y P o n l a k e w at er q u alit y i n

a Mi d w est er n A gri c ult ur al W at ers h e d. E c os yst e ms , 2 0 ( 8), 1 4 6 8– 1 4 8 2. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 7/s 1 0 0 2 1 ‐0 1 7 ‐0 1 2 5 ‐0

N ati o n al M ari n e Fis h eri es S er vi c e ( 2 0 1 6). C o ast al m ultis p e ci es r e c o v er y pl a n . S a nt a R os a, C A: N ati o n al M ari n e Fis h eri es S er vi c e, W est

C o ast R e gi o n.

N ati o n al R es e ar c h C o u n cil ( 1 9 9 1). O p p ort u niti es i n t h e h y dr ol o gi c s ci e n c es . W as hi n gt o n, D C: T h e N ati o n al A c a d e mi es Pr es s. R etri e v e d

fr o m. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 7 2 2 6/ 1 5 4 3

N e pst a d, D. C., d e C ar v al h o, C. R., D a vi ds o n, E. A., Ji p p, P. H., L ef e b vr e, P. A., N e gr eir os, G. H., et al. ( 1 9 9 4). T h e r ol e of d e e p r o ots i n t h e

h y dr ol o gi c al a n d c ar b o n c y cl es of A m a z o ni a n f or ests a n d p ast ur es. N at ur e , 3 7 2 ( 6 5 0 7), 6 6 6– 6 6 9. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 / 3 7 2 6 6 6 a 0

N o br e, A. D. ( 2 0 1 4). T h e f ut ur e cli m at e of A m a z o ni a . I N P A a n d A R A, S ã o J os é D os C a m p os Br a zil: S ci e ntifi c Ass es s m e nt R e p ort. S p o ns or e d

b y C C S T ‐I N P E.

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 2 1 of 2 4

N o br e, C. A., & B or m a, L. D. S. ( 2 0 0 9). ‘Ti p pi n g p oi nts ’ f or t h e A m a z o n f or est. C urr e nt O pi ni o n i n E n vir o n m e nt al S ust ai n a bilit y , 1 ( 1), 2 8– 3 6.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6 /j. c os ust. 2 0 0 9. 0 7. 0 0 3

N o g h er ott o, R., C o p p ol a, E., Gi or gi, F., & M ari otti, L. ( 2 0 1 3). I m p a ct of C o n g o B asi n d ef or est ati o n o n t h e Afri c a n m o n s o o n. At m os p h eri c

S ci e n c e L ett ers , 1 4 ( 1), 4 5– 5 1. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2/ asl 2. 4 1 6

N oss, R. F., D o bs o n, A. P., B al d wi n, R., B ei er, P., D a vis, C. R., D ell as al a, D. A., et al. ( 2 0 1 2). B ol d er t hi n ki n g f or c o ns er v ati o n. C o ns er v ati o n

Bi ol o g y , 2 6 ( 1), 1– 4. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 1 1 1/j. 1 5 2 3 ‐1 7 3 9. 2 0 1 1. 0 1 7 3 8. x

N ot z, D. ( 2 0 0 9). T h e f ut ur e of i c e s h e ets a n d s e a i c e: B et w e e n r e v ersi bl e r etr e at a n d u nst o p p a bl e l oss. Pr o c e e di n gs of t h e N ati o n al A c a d e m y

of S ci e n c es, p n as. 0 9 0 2 3 5 6 1 0 6. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 7 3/ p n a s. 0 9 0 2 3 5 6 1 0 6

N u m m eli n, A., Ili c a k, M., Li, C., & S m e dsr u d, L. H. ( 2 0 1 6). C o ns e q u e n c e s of f ut ur e i n cr e as e d Ar cti c r u n off o n Ar cti c O c e a n str ati fi c ati o n,

cir c ul ati o n, a n d s e a i c e c o v er. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h, O c e a ns , 1 2 1 ( 1), 6 1 7– 6 3 7.

O ki, T., & K a n a e, S. ( 2 0 0 6). Gl o b al h y dr ol o gi c al c y cl es a n d w orl d w at er r e s o ur c es. S ci e n c e , 3 1 3 ( 5 7 9 0), 1 0 6 8– 1 0 7 2. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 2 6/

s ci e n c e. 1 1 2 8 8 4 5

O ki, T., Y a n o, S., & H a n as a ki, N. ( 2 0 1 7). E c o n o mi c as p e cts of virt u al w at er tr a d e. E n vir o n m e nt al R es e ar c h L ett ers , 1 2 ( 4), 0 4 4 0 0 2. htt ps:// d oi.

or g/ 1 0. 1 0 8 8/ 1 7 4 8 ‐9 3 2 6/ a a 6 2 5f

Osl a n d, M. J., E n wri g ht, N. M., D a y, R. H., G a bl er, C. A., St a g g, C. L., & Gr a c e, J. B. ( 2 0 1 6). B e y o n d j ust s e a ‐l e v el ris e: C o nsi d eri n g

m a cr o cli m ati c dri v ers wit hi n c o ast al w etl a n d v ul n er a bilit y ass ess m e nts t o cli m at e c h a n g e. Gl o b al C h a n g e Bi ol o g y , 2 2 ( 1), 1– 1 1.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 1 1 / g c b. 1 3 0 8 4

O v ert o n, I. C., J oll y, I. D., Sl a vi c h, P. G., L e wis, M. M., & W al k er, G. R. ( 2 0 0 6). M o d elli n g v e g et ati o n h e alt h fr o m t h e i nt er a cti o n of s ali n e

gr o u n d w at er a n d fl o o di n g o n t h e C h o will a fl o o d pl ai n, S o ut h A ustr ali a. A ustr ali a n J o ur n al of B ot a n y , 5 4 ( 2), 2 0 7– 2 2 0. htt ps:// d oi. or g /

1 0. 1 0 7 1/ B T 0 5 0 2 0

P a hl ‐W ostl, C., G u pt a, J., & P etr y, D. ( 2 0 0 8). G o v er n a n c e a n d t h e gl o b al w at er s yst e m: A t h e or eti c al e x pl or ati o n. Gl o b al G o v er n a n c e: A

R e vi e w of M ultil at er alis m a n d I nt er n ati o n al Or g a ni z ati o ns , 1 4 ( 4), 4 1 9– 4 3 5.

P ar di ni, R., d e Arr u d a B u e n o, A., G ar d n er, T. A., Pr a d o, P. I., & M et z g er, J. P. ( 2 0 1 0). B e y o n d t h e fr a g m e nt ati o n t hr es h ol d h y p ot h esis:

R e gi m e s hifts i n bi o di v ersit y a cr oss fr a g m e nt e d l a n ds c a p es. P L o S O N E , 5 ( 1 0), e 1 3 6 6 6. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 3 7 1/j o ur n al. p o n e. 0 0 1 3 6 6 6

P ar et o, V. ( 1 8 9 6). C o urs e of p oliti c al e c o n o m y. L a us a n n e.

P er ki n, J. S., Gi d o, K. B., F al k e, J. A., F a us c h, K. D., Cr o c k ett, H., J o h ns o n, E. R., & S a n d ers o n, J. ( 2 0 1 7). Gr o u n d w at er d e cli n es ar e li n k e d t o

c h a n g es i n Gr e at Pl ai ns str e a m fi s h ass e m bl a g es. Pr o c e e di n gs of t h e N ati o n al A c a d e m y of S ci e n c es, 2 0 1 6 1 8 9 3 6. R etri e v e d fr o m

htt p:// w w w . p n as. or g/ c o nt e nt/ e arl y/ 2 0 1 7/ 0 6/ 2 0/ 1 6 1 8 9 3 6 1 1 4.s h ort

Pir es, G. F., & C ost a, M. H. ( 2 0 1 3). D ef or est ati o n c a us es diff er e nt s u br e gi o n al eff e cts o n t h e A m a z o n bi o cli m ati c e q uili bri u m. G e o p h ysi c al

R es e ar c h L ett ers , 4 0 ( 1 4), 3 6 1 8– 3 6 2 3. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2/ grl. 5 0 5 7 0

P off, N. L., & M att h e ws, J. H. ( 2 0 1 3). E n vir o n m e nt al fl o ws i n t h e A nt hr o p o c e n c e: P ast pr o gr e ss a n d f ut ur e pr os p e cts. C urr e nt O pi ni o n i n

E n vir o n m e nt al S ust ai n a bilit y , 5 ( 6), 6 6 7– 6 7 5.

P off, N. L., Ri c ht er, B. D., Art hi n gt o n, A. H., B u n n, S. E., N ai m a n, R. J., K e n d y, E., et al. ( 2 0 0 9). T h e e c ol o gi c al li mit s of h y dr ol o gi c alt er ati o n

( E L O H A): A n e w fr a m e w or k f or d e v el o pi n g r e gi o n al e n vir o n m e nt al fl o w st a n d ar ds. Fr es h w at er Bi ol o g y , 5 5 ( 1), 1 4 7– 1 7 0. R etri e v e d fr o m

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 1 1 /j. 1 3 6 5 ‐2 4 2 7. 2 0 0 9. 0 2 2 0 4. x

P o ol, T. K., Ol d e n, J. D., W hitti er, J. B., & P a u k ert, C. P. ( 2 0 1 0). E n vir o n m e nt al dri v ers of fi s h f u n cti o n al di v ersit y a n d c o m p o siti o n

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0 9 5

P or k k a, M., K u m m u, M., Si e b ert, S., & Fl ör k e, M. ( 2 0 1 2). T h e r ol e of virt u al w at er fl o ws i n p h ysi c al w at er s c ar cit y: T h e c as e of C e ntr al Asi a.

I nt er n ati o n al J o ur n al of W at er R es o ur c es D e v el o p m e nt, 2 8 ( 3), 4 5 3– 4 7 4. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 8 0/ 0 7 9 0 0 6 2 7. 2 0 1 2. 6 8 4 3 1 0

Pri n gl e, C. ( 2 0 0 3). W h at is h y dr ol o gi c c o n n e cti vit y a n d w h y is it e c ol o gi c all y i m p ort a nt ? H y dr ol o gi c al Pr o c ess es , 1 7 ( 1 3), 2 6 8 5– 2 6 8 9.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2 / h y p. 5 1 4 5

R e a g er, J. T., G ar d n er, A. S., F a mi gli etti, J. S., Wi es e, D. N., Ei c k er, A., & L o, M. ‐H. ( 2 0 1 6). A d e c a d e of s e a l e v el ris e sl o w e d b y cli m at e ‐

dri v e n h y dr ol o g y. S ci e n c e , 3 5 1 ( 6 2 7 4), 6 9 9– 7 0 3. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 2 6/s ci e n c e. a a d 8 3 8 6

Ri g n ot, E., C as as s a, G., G o gi n e ni, P., Kr a bill, W., Ri v er a, A., & T h o m a s, R. ( 2 0 0 4). A c c el er at e d i c e dis c h ar g e fr o m t h e A nt ar cti c P e ni ns ul a

f oll o wi n g t h e c oll a ps e of L ars e n B i c e s h elf. G e o p h ysi c al R es e ar c h L ett ers , 3 1 ( 1 8). htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 / 2 0 0 4 G L 0 2 0 6 9 7

R o c h a, J. C., P et ers o n, G., B o di n, Ö., & L e vi n, S. ( 2 0 1 8). C as c a di n g r e gi m e s hifts wit hi n a n d a cr oss s c al es. S ci e n c e , 3 6 2 ( 6 4 2 1),

1 3 7 9 – 1 3 8 3.

R o c h a, J. C., P et ers o n, G. D., & Bi g gs, R. ( 2 0 1 5). R e gi m e s hift s i n t h e A nt hr o p o c e n e: Dri v ers, ris ks, a n d r esili e n c e. P L o S O N E , 1 0 ( 8),

e 0 1 3 4 6 3 9. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 3 7 1/j o ur n al. p o n e. 0 1 3 4 6 3 9

R o c kstr ö m, J., F al k e n m ar k, M., F ol k e, C., L a n n erst a d, M., B arr o n, J., E nf ors, E., et al. ( 2 0 1 4). W at er r esili e n c e f or h u m a n pr os p erit y.

C a m bri d g e U ni v ersit y Pr ess.

R o c kstr ö m, J., G or d o n, L. J., F ol k e, C., F al k e n m ar k, M., & E n g w all, M. ( 1 9 9 9). Li n k a g es a m o n g w at er v a p or fl o ws, f o o d pr o d u cti o n, a n d

t err estri al e c os yst e m s er vi c e s. C o ns er v ati o n E c ol o g y , 3 ( 2), 5.

R o c kstr ö m, J., St eff e n, W., N o o n e, K., P ers s o n, Å., C h a pi n, F. S., L a m bi n, E. F., et al. ( 2 0 0 9 b). A s af e o p er ati n g s p a c e f or h u m a nit y. N at ur e ,

4 6 1 ( 7 2 6 3), 4 7 2– 4 7 5. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 3 8/ 4 6 1 4 7 2 a

R o c kstr ö m, J., St eff e n, W., N o o n e, K., P erss o n, Å., C h a pi n, F. S. I., L a m bi n, E., et al. ( 2 0 0 9 a). Pl a n et ar y b o u n d ari es: E x pl ori n g t h e s af e

o p er ati n g s p a c e f or h u m a nit y. E c ol o g y a n d S o ci et y , 1 4 ( 2), art 3 2. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 5 7 5 1 / E S‐0 3 1 8 0 ‐1 4 0 2 3 2

R o d h e, H. ( 1 9 9 0). A c o m p aris o n of t h e c o ntri b uti o n of v ari o us g as es t o t h e gr e e n h o us e eff e ct. S ci e n c e , 2 4 8 ( 4 9 6 0), 1 2 1 7– 1 2 1 9. htt ps:// d oi.

or g/ 1 0. 1 1 2 6/s ci e n c e. 2 4 8. 4 9 6 0. 1 2 1 7

R o h d e, M. M., Fr o e n d, R., & H o w ar d, J. ( 2 0 1 7). A Gl o b al s y nt h esis of m a n a gi n g gr o u n d w at er d e p e n d e nt e c os yst e ms u n d er s ust ai n a bl e

gr o u n d w at er p oli c y. Gr o u n d w at er, n/ a ‐n/ a. . htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 1 1 1/ g w at. 1 2 5 1 1

R ulli, M. C., S a vi ori, A., & D' O d ori c o, P. ( 2 0 1 3). Gl o b al l a n d a n d w at er gr a b bi n g. Pr o c e e di n gs of t h e N ati o n al A c a d e m y of S ci e n c es , 1 1 0 ( 3),

8 9 2 – 8 9 7.

S a v e nij e, H. H., H o e kstr a, A. Y., & v a n d er Z a a g, P. ( 2 0 1 4). E v ol vi n g w at er s ci e n c e i n t h e A nt hr o p o c e n e. H y dr ol o g y a n d E art h S yst e m

S ci e n c es , 1 8 ( 1), 3 1 9– 3 3 2.

S c h eff er, M., C ar p e nt er, S., F ol e y, J. A., F ol k e, C., & W al k er, B. ( 2 0 0 1). C at astr o p hi c s hifts i n e c os yst e ms. N at ur e , 4 1 3 ( 6 8 5 6), 5 9 1– 5 9 6.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 / 3 5 0 9 8 0 0 0

S c h u ur, E. A. G., M c G uir e, A. D., S c h ä d el, C., Gr oss e, G., H ar d e n, J. W., H a y es, D. J., et al. ( 2 0 1 5). Cli m at e c h a n g e a n d t h e p er m afr ost

c ar b o n f e e d b a c k. N at ur e , 5 2 0 ( 7 5 4 6), 1 7 1– 1 7 9. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 / n at ur e 1 4 3 3 8

S c ott, M. L., S h afr ot h, P. B., & A u bl e, G. T. ( 1 9 9 9). R es p o ns es of ri p ari a n c ott o n w o o d s t o all u vi al w at er t a bl e d e cli n es. E n vir o n m e nt al

M a n a g e m e nt , 2 3 ( 3), 3 4 7– 3 5 8. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 7 /s 0 0 2 6 7 9 9 0 0 1 9 1

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 2 2 of 2 4

S hi b u o, Y., J arsj ö, J., & D est o u ni, G. ( 2 0 0 7). H y dr ol o gi c al r es p o n s es t o cli m at e c h a n g e a n d irri g ati o n i n t h e Ar al S e a dr ai n a g e b asi n.

G e o p h ysi c al R es e ar c h L ett ers , 3 4 ( 2 1). htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 0 7 G L 0 3 1 4 6 5

S hi kl o m a n o v, I. A., & R o d d a, J. C. ( 2 0 0 3). W orl d w at er r es o ur c e s at t h e b e gi n ni n g of t h e t w e nt y ‐fi rst c e nt ur y. R etri e v e d fr o m htt p:// b as es.

bir e m e. br / c gi ‐bi n/ w xisli n d. e x e/i a h/ o nli n e/ ?Isis S cri pt =i a h/i a h. xis &sr c = g o o gl e & b as e = R E PI DI S C A &l a n g = p & n e xt A cti o n =

l n k & e x pr S e ar c h = 3 0 3 1 5 &i n d e x S e ar c h =I D

Si v a p al a n, M., K o n ar, M., Sri ni v as a n, V., C h h atr e, A., W uti c h, A., S c ott, C. A., et al. ( 2 0 1 4). S o ci o ‐h y dr ol o g y: Us e ‐i ns pir e d w at er s ust ai n-

a bilit y s ci e n c e f or t h e A nt hr o p o c e n e. E art h's F ut ur e , 2 ( 4), 2 2 5– 2 3 0. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 3 E F 0 0 0 1 6 4

Si v a p al a n, M., S a v e nij e, H. H., & Bl ös c hl, G. ( 2 0 1 2). S o ci o ‐h y dr ol o g y: A n e w s ci e n c e of p e o pl e a n d w at er. H y dr ol o gi c al Pr o c ess es , 2 6 ( 8),

1 2 7 0 – 1 2 7 6.

S m a k hti n, V. U., R e v e n g a, C., & D öll, P. ( 2 0 0 4). A pil ot gl o b al ass ess m e nt of e n vir o n m e nt al w at er r e q uir e m e nts a n d s c ar cit y. W at er

I nt er n ati o n al, 2 9 ( 3), 3 0 7– 3 1 7.

S mit h, T. J. ( 1 9 9 2). F or est Str u ct ur e. I n A. I. R o b erts o n & D. M. Al o n gi ( E d s.), Tr o pi c al m a n gr o v e e c os yst e ms ( p p. 1 0 1– 1 3 6). W as hi n gt o n D C:

A m eri c a n G e o p h ysi c al U ni o n. R etri e v e d fr o m htt p:// o nli n eli br ar y. wil e y. c o m/ d oi/ 1 0. 1 0 2 9/ C E 0 4 1 p 0 1 0 1/s u m m ar y

S mit h, V. H., & S c hi n dl er, D. W. ( 2 0 0 9). E utr o p hi c ati o n s ci e n c e: W h er e d o w e g o fr o m h er e ? Tr e n ds i n E c ol o g y & E v ol uti o n , 2 4 ( 4), 2 0 1– 2 0 7.

S o o d, A., & S m a k hti n, V. ( 2 0 1 5). Gl o b al h y dr ol o gi c al m o d els: A r e vi e w. H y dr ol o gi c al S ci e n c es J o ur n al , 6 0 ( 4), 5 4 9– 5 6 5.

S o yl u, M. E., Ist a n b ull u o gl u, E., L e nt ers, J. D., & W a n g, T. ( 2 0 1 1). Q u a ntif yi n g t h e i m p a ct of gr o u n d w at er d e pt h o n e v a p otr a ns pir ati o n i n a

s e mi‐ari d gr assl a n d r e gi o n. H y dr ol o g y a n d E art h S yst e m S ci e n c es , 1 5 ( 3), 7 8 7– 8 0 6. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 5 1 9 4/ h ess ‐1 5 ‐7 8 7 ‐2 0 1 1

S o yl u, M. E., K u c h ari k, C. J., & L o h ei d e, S. P. ( 2 0 1 4). I n fl u e n c e of gr o u n d w at er o n pl a nt w at er us e a n d pr o d u cti vit y: D e v el o p m e nt of a n

i nt e gr at e d e c os yst e m – V ari a bl y s at ur at e d s oil w at er fl o w m o d el. A gri c ult ur al a n d F or est M et e or ol o g y , 1 8 9 ‐1 9 0 , 1 9 8– 2 1 0. htt ps:// d oi. or g/

1 0. 1 0 1 6/j. a grf or m et. 2 0 1 4. 0 1. 0 1 9

S p er a, S. A., G alf or d, G. L., C o e, M. T., M a c e d o, M. N., & M ust ar d, J. F. ( 2 0 1 6). L a n d ‐us e c h a n g e aff e ct s w at er r e c y cli n g i n Br a zil' s l ast

a gri c ult ur al fr o nti er. Gl o b al C h a n g e Bi ol o g y , 2 2 ( 1 0), 3 4 0 5 – 3 4 1 3. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 1 1 / g c b. 1 3 2 9 8

St a al, A., T ui n e n b ur g, O. B., B o s m a ns, J. H. C., H ol m gr e n, M., v a n N e s, E. H., S c h eff er, M., et al. ( 2 0 1 8). F or e st ‐r ai nf all c as c a d es b uff er

a g ai nst dr o u g ht a cr oss t h e A m a z o n. N at ur e Cli m C h a n g e , 8 , 5 3 9– 5 4 3. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8/s 4 1 5 5 8- 0 1 8- 0 1 7 7- y

St a v er, A. C., Ar c hi b al d, S., & L e vi n, S. A. ( 2 0 1 1). T h e gl o b al e xt e nt a n d d et er mi n a nt s of s a v a n n a a n d f or est as alt er n ati v e bi o m e st at es.

S ci e n c e , 3 3 4 ( 6 0 5 3), 2 3 0– 2 3 2. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 1 2 6/s ci e n c e. 1 2 1 0 4 6 5

St eff e n, W., Br o a d g at e, W., D e uts c h, L., G aff n e y, O., & L u d wi g, C. ( 2 0 1 5). T h e tr aj e ct or y of t h e A nt hr o p o c e n e: T h e gr e at a c c el er ati o n. T h e

A nt hr o p o c e n e R e vi e w , 2 ( 1), 8 1– 9 8. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 1 7 7/ 2 0 5 3 0 1 9 6 1 4 5 6 4 7 8 5

St eff e n, W., Ri c h ar ds o n, K., R o c kstr ö m, J., C or n ell, S. E., F et z er, I., B e n n ett, E. M., et al. ( 2 0 1 5). Pl a n et ar y b o u n d ari es: G ui di n g h u m a n

d e v el o p m e nt o n a c h a n gi n g pl a n et. S ci e n c e , 3 4 7 ( 6 2 2 3), 1 2 5 9 8 5 5. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 1 2 6/s ci e n c e. 1 2 5 9 8 5 5

St eff e n, W., R o c k str ö m, J., Ri c h ar ds o n, K., L e nt o n, T. M., F ol k e, C., Li v er m a n, D., et al. ( 2 0 1 8). Tr aj e ct ori es of t h e e art h s yst e m i n t h e

A nt hr o p o c e n e. Pr o c e e di n gs of t h e N ati o n al A c a d e m y of S ci e n c es , 1 1 5 ( 3 3), 8 2 5 2– 8 2 5 9. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 7 3/ p n a s. 1 8 1 0 1 4 1 1 1 5

St erli n g, S. M., D u c h ar n e, A., & P ol c h er, J. ( 2 0 1 2). T h e i m p a ct of gl o b al l a n d ‐c o v er c h a n g e o n t h e t err estri al w at er c y cl e. N at ur e Cli m at e

C h a n g e , 3 ( 4), 3 8 5– 3 9 0. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 / n cli m at e 1 6 9 0

S u m m er fi el d, M. A. ( 2 0 0 5). T h e c h a n gi n g l a n ds c a p e of g e o m or p h ol o g y. E art h S urf a c e Pr o c ess es a n d L a n df or ms: T h e J o ur n al of t h e Britis h

G e o m or p h ol o gi c al R es e ar c h Gr o u p , 3 0 ( 6), 7 7 9– 7 8 1.

S u m m er fi el d, M. A. ( 2 0 1 4). Gl o b al g e o m or p h ol o g y . N e w Y or k, U S A: R o utl e d g e.

S w a n n, A. L. S., L o n g o, M., K n o x, R. G., L e e, E., & M o or cr oft, P. R. ( 2 0 1 5). F ut ur e d ef or est ati o n i n t h e A m a z o n a n d c o ns e q u e n c es f or S o ut h

A m eri c a n cli m at e. A gri c ult ur al a n d F or est M et e or ol o g y , 2 1 4 – 2 1 5 , 1 2– 2 4. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6/j. a grf or m et. 2 0 1 5. 0 7. 0 0 6

S y vits ki, J. P., K ett n er, A. J., O v er e e m, I., H utt o n, E. W., H a n n o n, M. T., Br a k e nri d g e, G. R., et al. ( 2 0 0 9). Si n ki n g d elt as d u e t o h u m a n

a cti viti es. N at ur e G e os ci e n c e , 2 ( 1 0), 6 8 1– 6 8 6. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 3 8/ n g e o 6 2 9

S y vits ki, J. P. M. ( 2 0 0 2). S e di m e nt dis c h ar g e v ari a bilit y i n Ar cti c ri v ers: I m pli c ati o ns f or a w ar m er f ut ur e. P ol ar R es e ar c h , 2 1 ( 2), 3 2 3– 3 3 0.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 1 1 /j. 1 7 5 1 ‐8 3 6 9. 2 0 0 2.t b 0 0 0 8 7. x

Qi u h o n g T a n g, & T ai k a n O ki ( E ds.). ( 2 0 1 6). T err estri al w at er c y cl e a n d cli m at e c h a n g e: N at ur al a n d h u m a n ‐i n d u c e d i m p a cts, I n

G e o p h ysi c al M o n o gr a p h 2 2 1, First E diti o n. ( p p. 3 – 1 6). A m eri c a n G e o p h ysi c al U ni o n.

T essl er, Z. D., V ör ös m art y, C. J., O v er e e m, I., & S y vits ki, J. P. ( 2 0 1 8). A m o d el of w at er a n d s e di m e nt b al a n c e as d et er mi n a nt s of r el ati v e s e a

l e v el ris e i n c o nt e m p or ar y a n d f ut ur e d elt as. G e o m or p h ol o g y , 3 0 5 , 2 0 9– 2 2 0.

Ti er n e y, J. E., P a us at a, F. S. R., & D e M e n o c al, P. B. ( 2 0 1 7). R ai nf all r e gi m es of t h e gr e e n s a h ar a. S ci e n c e A d v a n c es ,

3 ( 1). htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 2 6/s ci a d v. 1 6 0 1 5 0 3

Ti ets c h e, S., N ot z, D., J u n g cl a us, J. H., & M ar ot z k e, J. ( 2 0 1 1). R e c o v er y m e c h a nis m s of Ar cti c s u m m er s e a i c e. G e o p h ysi c al R es e ar c h L ett ers ,

3 8 ( 2). htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 / 2 0 1 0 G L 0 4 5 6 9 8

T öl g y ess y, J. ( 1 9 9 3). C h e mistr y a n d bi ol o g y of w at er, air a n d s oil: E n vir o n m e nt al as p e cts ( V ol. 5 3). Els e vi er.

T ui n e n b ur g, O. A. ( 2 0 1 3). At m os p h eri c eff e cts of irri g ati o n i n m o o ns o o n cli m at e: T h e I n di a n s u b c o nti n e nt ( P h D T h esi s). W a g e ni n g e n

U ni v ersit y.

T will e y, R. R., & Ri v er a ‐M o nr o y, V. H. ( 2 0 0 5). D e v el o pi n g p erf or m a n c e m e a s ur es of m a n gr o v e w etl a n d s usi n g si m ul ati o n m o d els of

h y dr ol o g y, n utri e nt bi o g e o c h e mistr y, a n d c o m m u nit y d y n a mi cs. J o ur n al of C o ast al R es e ar c h , 7 9– 9 3. R etri e v e d fr o m. htt p:// w w w.jst or.

or g/st a bl e/ 2 5 7 3 6 6 1 7

U N E S C O ( 1 9 7 8). W orl d w at er b al a n c e a n d w at er r es o ur c es of t h e e art h ( V ol. U S S R c o m mitt e e f or t h e i nt er n ati o n al h y dr ol o gi c d e c a d e) . P aris:

U N E S C O.

v a n d er E nt, R. J., S a v e nij e, H. G. G., S c h a e fl i, B., & St e el e‐D u n n e, S. C. ( 2 0 1 0). Ori gi n a n d f at e of at m os p h eri c m oi st ur e o v er c o nti n e nts.

W at er R es o ur c es R es e ar c h , 4 6 ( 9), 1– 1 2. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 / 2 0 1 0 W R 0 0 9 1 2 7

V a n d er E nt, R. J., & S a v e nij e, H. H. G. ( 2 0 1 1). L e n gt h a n d ti m e s c al es of at m os p h eri c m oist ur e r e c y cli n g. At m os p h eri c C h e mistr y a n d

P h ysi cs , 1 1 ( 5), 1 8 5 3– 1 8 6 3.

V ar a d y, R. G., M e e h a n, K., & M c G o v er n, E. ( 2 0 0 9). C h arti n g t h e e m er g e n c e of ‘gl o b al w at er i niti ati v es ’ i n w orl d w at er g o v er n a n c e. P h ysi cs

a n d C h e mistr y of t h e E art h, P arts A/ B/ C , 3 4 ( 3), 1 5 0– 1 5 5. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6/j. p c e. 2 0 0 8. 0 6. 0 0 4

V eli c o g n a, I., S utt erl e y, T. C., & v a n d e n Br o e k e, M. R. ( 2 0 1 4). R e gi o n al a c c el er ati o n i n i c e m as s l oss fr o m Gr e e nl a n d a n d

A nt ar cti c a usi n g G R A C E ti m e ‐v ari a bl e gr a vit y d at a. G e o p h ysi c al R es e ar c h L ett ers , 4 1 ( 2 2), 8 1 3 0– 8 1 3 7. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2/

2 0 1 4 G L 0 6 1 0 5 2

Vil à ‐G u er a u d e Ar ell a n, J., v a n H e er w a ar d e n, C. C., v a n Str at u m, B. J. H., & v a n d e n Dri es, K. ( 2 0 1 5). At m os p h eri c b o u n d ar y l a y er i nt e-

gr ati n g air c h e mistr y a n d l a n d i nt er a cti o ns: At m os p h eri c s ci e n c e a n d m et e or ol o g y . N e w Y or k, U S A: C a m bri d g e U ni v ersit y Pr ess.

V o g el, R. M., L all, U., C ai, X., R aj a g o p al a n, B., W eis k el, P. K., H o o p er, R. P., & M at al as, N. C. ( 2 0 1 5). H y dr ol o g y: T h e i nt er dis ci pli n ar y

s ci e n c e of w at er. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 5 1 ( 6), 4 4 0 9– 4 4 3 0. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 5 W R 0 1 7 0 4 9

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 2 3 of 2 4

V ör ös m art y, C. J., H o e kstr a, A. Y., B u n n, S. E., C o n w a y, D., & G u pt a, J. ( 2 0 1 5). Fr es h w at er g o es gl o b al. S ci e n c e , 3 4 9 ( 6 2 4 7), 4 7 8– 4 7 9.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 2 6 /s ci e n c e. a a c 6 0 0 9

V ör ös m art y, C. J., M cI nt yr e, P. B., G ess n er, M. O., D u d g e o n, D., Pr us e vi c h, A., Gr e e n, P., et al. ( 2 0 1 0). Gl o b al t hr e at s t o h u m a n w at er

s e c urit y a n d ri v er bi o di v ersit y. N at ur e , 4 6 7 ( 7 3 1 5), 5 5 5– 5 6 1. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8/ n at ur e 0 9 4 4 0

W a d a, Y. ( 2 0 1 6). M o d eli n g gr o u n d w at er d e pl eti o n at r e gi o n al a n d gl o b al s c al es: Pr es e nt st at e a n d f ut ur e pr os p e cts. S ur v e ys i n G e o p h ysi cs ,

3 7 ( 2), 4 1 9– 4 5 1. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 7/s 1 0 7 1 2 ‐0 1 5 ‐9 3 4 7 ‐x

W a d a, Y., Gl e es o n, T., & Es n a ult, L. ( 2 0 1 4). W e d g e a p pr o a c h t o w at er str ess. N at ur e G e os ci e n c e , 7 ( 9), 6 1 5– 6 1 7. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 3 8/

n g e o 2 2 4 1

W a d a, Y., L o, M. ‐H., Y e h, P. J. ‐F., R e a g er, J. T., F a mi gli etti, J. S., W u, R. ‐J., & Ts e n g, Y. ‐H. ( 2 0 1 6). F at e of w at er p u m p e d fr o m u n d er gr o u n d

a n d c o ntri b uti o ns t o s e a ‐l e v el ris e. N at ur e Cli m at e C h a n g e , 6 ( 8), 7 7 7– 7 8 0. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 3 8/ n cli m at e 3 0 0 1

W a d a, Y., v a n B e e k, L. P., S p er n a W eil a n d, F. C., C h a o, B. F., W u, Y. ‐H., & Bi er k e ns, M. F. ( 2 0 1 2). P ast a n d f ut ur e c o ntri b uti o n of gl o b al

gr o u n d w at er d e pl eti o n t o s e a ‐l e v el ris e. G e o p h ysi c al R es e ar c h L ett ers , 3 9 ( 9).

W a g e n er, T., Si v a p al a n, M., Tr o c h, P., & W o o ds, R. ( 2 0 0 7). C at c h m e nt cl assi fi c ati o n a n d h y dr ol o gi c si mil arit y. G e o gr a p h y C o m p ass , 1 ( 4),

9 0 1 – 9 3 1. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 1 1 /j. 1 7 4 9 ‐8 1 9 8. 2 0 0 7. 0 0 0 3 9. x

W a g e n er, T., Si v a p al a n, M., Tr o c h, P. A., M c Gl y n n, B. L., H ar m a n, C. J., G u pt a, H. V., et al. ( 2 0 1 0). T h e f ut ur e of h y dr ol o g y: A n e v ol vi n g

s ci e n c e f or a c h a n gi n g w orl d. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 4 6 ( 5). htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 0 9 W R 0 0 8 9 0 6

W al k er, B., H olli n g, C. S., C ar p e nt er, S., & Ki n zi g, A. ( 2 0 0 4). R esili e n c e, a d a pt a bilit y a n d tr a n sf or m a bilit y i n s o ci al – e c ol o gi c al s yst e ms.

E c ol o g y a n d S o ci et y , 9 ( 2).

W all erst ei n, I. M. ( 1 9 7 4). T h e m o d er n w orl d ‐s yst e m. V ol u m e 1. I n C a pit alist a gri c ult ur e a n d t h e ori gi ns of t h e E ur o p e a n w orl d ‐e c o n o m y i n

t h e si xt e e nt h c e nt ur y ( p p. 2– 3 5 5). C a m bri d g e, U K: C a m bri d g e U ni v ersit y Pr es s.

W a n g, C., & T e m m er m a n, S. ( 2 0 1 3). D o es bi o g e o m or p hi c f e e d b a c k l e a d t o a br u pt s hift s b et w e e n alt er n ati v e l a n ds c a p e st at es ?: A n

e m piri c al st u d y o n i nt erti d al fl ats a n d m ars h es, 1 1 8, 2 2 9 – 2 4 0. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 2 J F 0 0 2 4 7 4

W a n g ‐Erl a n dss o n, L., F et z er, I., K e ys, P. W., v a n d er E nt, R. J., S a v e nij e, H. H. G., & G or d o n, L. J. ( 2 0 1 8). R e m ot e l a n d us e i m p a cts o n ri v er

fl o ws t hr o u g h at m os p h eri c t el e c o n n e cti o ns. H y dr ol o g y a n d E art h S yst e m S ci e n c es , 2 2 ( 8), 4 3 1 1– 4 3 2 8. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 5 1 9 4 / h ess ‐2 2 ‐

4 3 1 1 ‐2 0 1 8

W ats o n, K. A., M a y er, A. S., & R e e v e s, H. W. ( 2 0 1 4). Gr o u n d w at er a v ail a bilit y as c o nstr ai n e d b y h y dr o g e ol o g y a n d e n vir o n m e nt al fl o ws.

Gr o u n d w at er , 5 2 ( 2), 2 2 5– 2 3 8. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 1 1 1/ g w at. 1 2 0 5 0

W eis k el, P. K., V o g el, R. M., St e e v es, P. A., Z arri ell o, P. J., D e Si m o n e, L. A., & Ri es, K. G., III. ( 2 0 0 7). W at er us e r e gi m es: C h ar a ct eri zi n g

dir e ct h u m a n i nt er a cti o n wit h h y dr ol o gi c s yst e ms. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 4 3 ( 4), W 0 4 4 0 2. R etri e v e d fr o m htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/

2 0 0 6 W R 0 0 5 0 6 2

W hitf or d, W. G., Vir gi ni a, R. A., H u e n n e k e, L. F., R e y n ol d s, J. F., S c hl esi n g er, W. H., J arr ell, W. M., & C u n ni n g h a m, G. L. ( 2 0 0 6). Bi ol o gi c al

f e e d b a c ks i n gl o b al d es ertifi c ati o n. S ci e n c e , 2 4 7 ( 4 9 4 6), 1 0 4 3– 1 0 4 8. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 1 2 6/s ci e n c e. 2 4 7. 4 9 4 6. 1 0 4 3

Wi e ns, J. A., M os s, M. R., F a hri g, L., & Mil n e, B. ( 2 0 0 5). Iss u es a n d p ers p e cti v es i n l a n ds c a p e e c ol o g y. C a m bri d g e, U K: C a m bri d g e U ni v ersit y

Pr ess.

W o o d, E. F., R o u n d y, J. K., Tr o y, T. J., v a n B e e k, L. P. H., Bi er k e ns, M. F. P., Bl yt h, E., et al. ( 2 0 1 1). H y p err e s ol uti o n gl o b al l a n d s urf a c e

m o d eli n g: M e eti n g a gr a n d c h all e n g e f or m o nit ori n g E art h's t err estri al w at er. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 4 7 ( 5). htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/

2 0 1 0 W R 0 1 0 0 9 0

X u, J., Gr u m bi n e, R. E., S hr est h a, A., Eri kss o n, M., Y a n g, X., W a n g, Y., & Wil k es, A. ( 2 0 0 9). T h e m elti n g Hi m al a y as: C as c a di n g eff e cts of

cli m at e c h a n g e o n w at er, bi o di v ersit y, a n d li v eli h o o ds. C o ns er v ati o n Bi ol o g y , 2 3 ( 3), 5 2 0– 5 3 0. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 1 1 1/j. 1 5 2 3 ‐

1 7 3 9. 2 0 0 9. 0 1 2 3 7. x

Y a n g, Y., S a at c hi, S. S., X u, L., Y u, Y., C h oi, S., P hilli ps, N., et al. ( 2 0 1 8). P ost ‐dr o u g ht d e cli n e of t h e A m a z o n c ar b o n si n k. N at ur e

C o m m u ni c ati o ns , 9 ( 1), 1, 3 1 7 2– 9. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 3 8 /s 4 1 4 6 7 ‐0 1 8 ‐0 5 6 6 8 ‐6

Y e h, P. J. ‐F., & F a mi gli etti, J. S. ( 2 0 0 9). R e gi o n al gr o u n d w at er e v a p otr a ns pir ati o n i n Illi n ois. J o ur n al of H y dr o m et e or ol o g y , 1 0 ( 2), 4 6 4– 4 7 8.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 1 7 5 / 2 0 0 8 J H M 1 0 1 8. 1

Y u, K., D' O d ori c o, P., B h att a c h a n, A., O ki n, G. S., & E v a n, A. T. ( 2 0 1 5). D ust ‐r ai nf all f e e d b a c k i n W est Afri c a n S a h el. G e o p h ysi c al R es e ar c h

L ett ers , 4 2 ( 1 8), 7 5 6 3 – 7 5 7 1. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 0 2 / 2 0 1 5 G L 0 6 5 5 3 3

Z al asi e wi c z, J., W at ers, C. N., Willi a ms, M., B ar n os k y, A. D., C e arr et a, A., Cr ut z e n, P., et al. ( 2 0 1 5). W h e n di d t h e A nt hr o p o c e n e b e gi n ? A

mi d ‐t w e nti et h c e nt ur y b o u n d ar y l e v el is str ati gr a p hi c all y o pti m al. Q u at er n ar y I nt er n ati o n al , 3 8 3 , 1 9 6– 2 0 3. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6 /j.

q u ai nt. 2 0 1 4. 1 1. 0 4 5

Z e m p, D. C., S c hl e uss n er, C. ‐F., B ar b os a, H. M. J., Hir ot a, M., M o nt a d e, V., S a m p ai o, G., et al. ( 2 0 1 7). S elf ‐a m pli fi e d A m a z o n f or est l oss d u e

t o v e g et ati o n‐at m os p h er e f e e d b a c ks. N at ur e C o m m u ni c ati o ns , 8 ( 1), 1 4 6 8 1. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 3 8/ n c o m m s 1 4 6 8 1

Zi p p er, S. C., J ar a mill o, F., Erl a n dss o n, L. W., C or n ell, S., Gl e es o n, T., P or k k a, M., et al. ( 2 0 2 0). I nt e gr ati n g t h e w at er pl a n et ar y b o u n d ar y

wit h w at er m a n a g e m e nt fr o m l o c al t o gl o b al s c al es. E art h's F ut ur e , e 2 0 1 9 E F 0 0 1 3 7 7. htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9 / 2 0 1 9 E F 0 0 1 3 7 7

Zi p p er, S. C., L a m o nt a g n e ‐H all é, P., M c K e n zi e, J. M., & R o c h a, A. V. ( 2 0 1 8). Gr o u n d w at er c o ntr ols o n p ost ‐fi r e p er m afr ost t h a w: W at er a n d

e n er g y b al a n c e eff e cts. J o ur n al of G e o p h ysi c al R es e ar c h ‐ E art h S urf a c e , 1 2 3 ( 1 0), 2 6 7 7– 2 6 9 4. htt ps:/ / d oi. or g/ 1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 8 J F 0 0 4 6 1 1

Zi p p er, S. C., S o yl u, M. E., B o ot h, E. G., & L o h ei d e, S. P. ( 2 0 1 5). U nt a n gli n g t h e eff e cts of s h all o w gr o u n d w at er a n d s oil t e xt ur e as dri v ers of

s u bfi el d ‐s c al e yi el d v ari a bilit y. W at er R es o ur c es R es e ar c h , 5 1 ( 8), 6 3 3 8– 6 3 5 8. htt ps:// d oi. or g / 1 0. 1 0 0 2/ 2 0 1 5 W R 0 1 7 5 2 2

Zi p p er, S. C., S o yl u, M. E., K u c h ari k, C. J., & L o h ei d e, S. P. II ( 2 0 1 7). Q u a ntif yi n g i n dir e ct gr o u n d w at er ‐m e di at e d eff e cts of ur b a ni z ati o n o n

a gr o e c os yst e m pr o d u cti vit y usi n g M O D F L O W ‐A gr oI BI S ( M A GI), a c o m pl et e criti c al z o n e m o d el. E c ol o gi c al M o d elli n g , 3 5 9 , 2 0 1– 2 1 9.

htt ps:// d oi. or g/ 1 0. 1 0 1 6 /j. e c ol m o d el. 2 0 1 7. 0 6. 0 0 2

1 0. 1 0 2 9/ 2 0 1 9 W R 0 2 4 9 5 7W at e r R e s o u r c e s R e s e a r c h

G L E E S O N E T A L. 2 4 of 2 4