Groundwater, the largest available store of global freshwater1, is relied upon by more than two billion people2. It is therefore important to quantify the spatiotemporal interactions between groundwater and climate. However, current understanding of the global-scale sensitivity of groundwater systems to climate change3,4—as well as the resulting variation in feedbacks from groundwater to the climate system5,6—is limited. Here, using groundwater model results in combination with hydrologic data sets, we examine the dynamic timescales of groundwater system responses to climate change. We show that nearly half of global groundwater fluxes could equilibrate with recharge variations due to climate change on human (~100 year) timescales, and that areas where water tables are most sensitive to changes in recharge are also those that have the longest groundwater response times. In particular, groundwater fluxes in arid regions are shown to be less responsive to climate variability than in humid regions. Adaptation strategies must therefore account for the hydraulic memory of groundwater systems, which can buffer climate change impacts on water resources in many regions, but may also lead to a long, but initially hidden, legacy of anthropogenic and climatic impacts on river flows and groundwater-dependent ecosystems. Groundwater model results and hydrologic data sets reveal that half of global groundwater fluxes may equilibrate with climate-driven recharge variations on human timescales, indicating that hydraulic memory may buffer climatic change impacts.

Abstract Subsurface barriers have been proposed to protect coastal aquifers from sea-level rise induced seawater intrusion, but the potential for groundwater emergence near subsurface barriers remains unknown. Here, we investigated how emergence changes groundwater flow conditions and influences the protective performance of subsurface barriers with sea-level rise. We tested the subterranean consequences of sea-level rise for cutoff walls and subsurface dams with cross-shore groundwater flow and salt transport models, investigating how barrier design, aquifer properties, and hydrological conditions control the potential for emergence, groundwater partitioning at the barrier, and seawater intrusion with sea-level rise. We find that most subsurface infrastructure cannot prevent seawater intrusion and emergence simultaneously. Subsurface dams spanning more than half of the aquifer thickness created emergence hazards and subsequent groundwater partitioning for all scenarios tested. Cutoff walls were less effective at reducing seawater intrusion for all opening sizes but could reduce the emergence potential compared to similarly sized subsurface dams. Our results demonstrate the challenging trade-offs in mitigating the coastal groundwater hazards of seawater intrusion and emergence with sea-level rise, where groundwater flooding inland of protective infrastructure would require combinations of subsurface impoundments and other mitigation techniques, such as pumping or drains.