水循环是水在地球表面上方、地表及地下持续循环的过程。它通过水的迁移以及液态、固态和气态之间的转变，将海洋、地球大气层、内陆水体、土壤、冰和生物体联系起来。水循环并不是一条具有固定起点的单一环形路线，而是由相互联系的储水空间和水流组成的网络。水文学研究这些水的运动、控制它们的物理因素，以及它们与水量和水质的关系。(usgs.gov)
水的储存与时间尺度
地球的水圈包含储存在许多不同空间中的水，这些空间通常称为储水库。海洋容纳了地球总水量的约96.5%。大部分淡水储存在冰盖、冰川和地下水中：一项广泛采用的全球水量统计估计，约68.7%的淡水储存在冰和永久积雪中，30.1%储存在地下。湖泊、河流、土壤水分、大气水分和生物体所占的比例要小得多。这些估计描述的是储存量，而不是水的流动速率。(usgs.gov)
水的储存时间差异很大。大气中的水蒸气平均停留约九天，而有些地下水沿其流动路径迁移所需的时间可长达数千年，甚至数百万年。因此，水可以在系统的某一部分中快速循环，同时在另一部分中停留很长时间。包括积雪和陆地冰在内的冰冻圈能够储存水，储存时间既可能具有季节性，也可能持续得更久。(science.nasa.gov)
大气中的水分输送与相变
来自太阳的能量和引力的作用是水循环的主要自然驱动力。太阳加热为蒸发提供能量，使液态水变为水蒸气。蒸发发生在海洋、湖泊、河流、湿润土壤及其他表面上。冰雪也可以不经融化，通过升华直接变成水蒸气。大气环流将水分从源地输送到其他地方，通过水的交换把相距遥远的地区联系起来。(usgs.gov)
植被通过蒸腾作用参与水循环，即由植物释放水蒸气。蒸发和蒸腾作用共同构成蒸散发。这两种过程将土壤和植被中储存的水输送到大气中，其强度部分取决于可用能量和水分供应。当土壤变干时，即使其他条件有利于快速蒸发，实际蒸散发也可能受到限制。(usgs.gov)
凝结将水蒸气转变为液态水滴，是云形成的关键过程。凝结向大气释放热量，将水的迁移与大气中的能量交换联系起来。水通过降水返回地表，降水形式包括雨、雪和冰雹。这些过程并不要求水按照某种既定顺序完成循环：水分可能返回海洋、落到陆地上，也可能在到达地表之前继续随大气输送。(usgs.gov)
地表与地下的水流路径
在陆地上，降水可能汇集于地表水体、进入土壤、返回大气，或以冻结状态留存。地表径流使水沿地面流动，而河流则通过河道网络输送水。融雪提供了额外的季节性水量输入。地表水流和地下水排泄将这些路径联系起来，湖泊和河流既是储水空间，也是水的输送通道。(usgs.gov)
入渗是水从地表进入土壤或岩石的过程。部分入渗水停留在近地表处，可供植物利用；另一部分则向更深处移动，补给地下水。含水层通过孔隙和裂隙储存并传输地下水。地下水可以排泄到溪流、湖泊、泉和海洋中，因此，地表水和地下水是同一系统中相互作用的组成部分，而不是彼此独立的资源。(usgs.gov)
水量平衡
水量平衡核算进入、离开以及积存于某个特定区域或空间内的水量。它可以用于描述土柱、湖泊、含水层或流域。其基本关系为：
其中， 为核算期内储水量的变化。对于一个与外部的地下水交换可忽略、且没有外部调入或向外调出水量的简化流域，该关系可写为 ，其中 为降水量， 为蒸散发量， 为流出流域的河川径流量。更复杂的水量平衡还包括其他跨边界水流和人为调水。(usgs.gov)
水量平衡区分了庞大的储水量与可更新的供水量：现有水量并不一定等于在实际有意义的时间尺度内能够得到补充的水量。它也揭示了某一组成部分的变化如何影响其他部分。例如，农业排水和灌溉会改变入渗、径流、蒸发和蒸腾作用，因此核算时必须将这些变化纳入考虑。(pubs.usgs.gov)
人类影响与气候变化
人类活动会改变水的储存、流动路径、时间分布和水质。水坝形成水库，并改变下游水流；取水则将河流或含水层中的水转移到其他用途。城市化使道路和建筑取代透水地表，通常会减少入渗，并使径流更快地汇入溪流。使用后的水通过排放、入渗或向大气输送重新进入水循环，其水质往往已发生变化。(usgs.gov)
气候变化会改变大气水分、降水、蒸发和水的储存状况。气温每升高1摄氏度，近地面大气的水汽容纳能力约增加7%，为更强烈的强降水提供条件。由于受到能量交换的制约，全球平均降水和蒸发的增加速度较慢。区域变化还取决于大气环流和陆地状况；全球水循环增强，并不意味着每个地方都会变得更湿润，也不意味着所有水都会更快地流经这一系统。(ipcc.ch)