第4章 氣候系統(tǒng)的水循環(huán)

第四章氣候系統(tǒng)的水循環(huán)4.1水的物理性質(zhì)4.2氣候系統(tǒng)中的水4.3水分循環(huán)4.4地表面蒸發(fā)4.5大氣中的水分4.6降水4.7徑流4.8氣候系統(tǒng)的水分平衡第一節(jié)水的物理性質(zhì)一、水的密度

4℃時最大，1Kg/L二、水的熱力屬性（1）傳熱性比其他液體??；不同狀態(tài)下傳熱率差異明顯；（2）水的比熱容大---水受熱時，其溫度不易升高，失熱時其溫度不易降低4.1水的物理性質(zhì)三、水的表面張力：表面張力大，降水時水很容易濕潤植被、土壤等四、水的壓縮率：很小，可作為不可壓縮流體五、水的三相水循環(huán)是自然界的水在氣、液、固三態(tài)之間的不斷轉(zhuǎn)化的過程海洋水：海洋是水圈的主體，是地球上水的最大源地。約占地球總水量的96%～97%。陸地水：河流；湖泊；沼澤；地下水；冰川。4.2氣候系統(tǒng)中的水2、氣候系統(tǒng)水的更新速度水體類別更新時間（年）水體類別更新時間極地冰川10000土壤水1年海洋2500河流水16日高山冰川1600大氣水8日深部地下水1400生物水幾個小時湖泊水17全球2400年沼澤水5水體的更替周期是指水體在水循環(huán)過程中全部水量被交替更新一次所需要的時間，T=W/ΔW。25.2×106km3全球水圈系統(tǒng)大氣圈中的水雨、霧、露雪、雹、霰、水水蒸汽生物圈中的水體液（細(xì)胞外液）細(xì)胞液（細(xì)胞內(nèi)液）生物聚合水化物（鍵合水）地表圈中的水陸地水海洋水泉水、沼澤水池水、塘水、湖水、冰蓋和雪蓋江水、河水、冰川河口區(qū)水淺海水大洋水海洋沉積物孔隙水巖石圈中的水地下水巖漿水聚合水土壤水1350×106km3占全球總水量的97%0.0006×106km30.013×106km38.4×106km34.3

氣候系統(tǒng)的水分循環(huán)第3節(jié)水分循環(huán)水分循環(huán)的基本過程水分循環(huán)：地球上各種形態(tài)的水，在太陽輻射、地球引力以及大氣運動等作用下，通過蒸發(fā)、水汽輸送、凝結(jié)降水、下滲以及徑流等環(huán)節(jié)，不斷地發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)換和周而復(fù)始運動的過程。水循環(huán)海洋1350×1015m3陸地33.6×1015m3大氣0.013×1015m3冰川＝25地下水（活躍）＝8.4湖河＝0.2生物圈＝0.0006E=361×1012m3/YearR0=37×1012m3/YearP=324×1012m3/YearE=62×1012m3/YearP=99×1012m3/Year1117140385425水循環(huán)土壤水分(w)陸地水循環(huán)海洋水循環(huán)全球水循環(huán)裸地蒸發(fā)雪3851111.類型：

水分循環(huán)：水在氣候系統(tǒng)各圈層間的永無休止的循環(huán)運動；外循環(huán)（大循環(huán)）：水分由海洋輸送到陸地，又回到海洋的循環(huán)；內(nèi)循環(huán)（小循環(huán)）：由海洋（陸地）通過蒸發(fā)的水汽，再以降水的形式直接落到海洋（陸地）的循環(huán)。水循環(huán)陸地上內(nèi)流區(qū)，其多年平均降水量等于蒸發(fā)量，自成一個獨立的水循環(huán)系統(tǒng)；地面上并不直接和海洋相溝通，水分交換以垂向為主；僅借助于大氣環(huán)流，在高空與外界之間，進(jìn)行一定量的水汽輸送和交換。塔里木盆地及內(nèi)流河流塔里木河冰川融水補給是重要來源。2.水分循環(huán)的成因：內(nèi)因：水的三種狀態(tài)及其相互轉(zhuǎn)化外因：熱力（太陽輻射）和動力（地球引力）條件水循環(huán)機(jī)理與特征1、水循環(huán)服從質(zhì)量、能量守恒定律。水循環(huán)是物質(zhì)與能量的傳輸、儲存和轉(zhuǎn)化的過程。在蒸發(fā)環(huán)節(jié)中，伴隨液態(tài)水轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水的是能量的吸收，伴隨著凝結(jié)降水是潛熱的釋放，所以蒸發(fā)與降水就是地面向大氣輸送熱量的過程。由降水轉(zhuǎn)化為地面與地下徑流的過程，則是勢能轉(zhuǎn)化為動能的過程。這些動能成為水流的動力，消耗在沿途的沖刷、搬運與堆積作用中，直到注入海洋才消耗殆盡。2、太陽輻射與重力作用是水循環(huán)的基本動力，此動力不消失，水分循環(huán)將永恒存在。水的物理特性，即在常溫常壓下固態(tài)、液態(tài)與氣態(tài)的三相變化是水分循環(huán)的基本前提；外部環(huán)境包括地理緯度、海陸分布、地貌形態(tài)等，它們制約著水分循環(huán)的路徑、規(guī)模與強度。如果海洋環(huán)流是水分循環(huán)一種，那地球自轉(zhuǎn)也是水循環(huán)的重要動力之一。3、水分循環(huán)廣及整個水圈，并深入大氣圈、巖石圈以及生物圈。在水分循環(huán)過程中，其循環(huán)路徑不是單一的，而是通過無數(shù)條路徑實現(xiàn)循環(huán)和相變的，所以水循環(huán)系統(tǒng)是由無數(shù)不同尺度、不同規(guī)模的局部水循環(huán)所組合而成的復(fù)雜的巨系統(tǒng)。4、全球水分循環(huán)是閉合系統(tǒng)，但局部水分循環(huán)卻是開放系統(tǒng)。5、地球上的水分在交替循環(huán)過程中，總是溶解并攜帶著某些物質(zhì)一起運動，諸如溶于水中的各種化學(xué)元素、氣體以及泥沙等固體雜質(zhì)。3.水分循環(huán)尺度

全球水循環(huán)區(qū)域水循環(huán)水-土-植系統(tǒng)水循環(huán)3.水分循環(huán)尺度

(1)、全球水分循環(huán)：海陸間的水分循環(huán)—大循環(huán)，循環(huán)的過程慢，水汽運行的路程長．(2)、區(qū)域水分循環(huán)：海洋或陸地內(nèi)的水分循環(huán)—小循環(huán)的過程快，水汽運行的路程短。（開放式循環(huán)系統(tǒng)）(3)、水-土-植系統(tǒng)水分循環(huán)：土壤、植物和水分構(gòu)成的相互作用的系統(tǒng)。（開放式循環(huán)系統(tǒng)）水分循環(huán)是由空間尺度幾米到幾千米、時間尺度幾小時到幾個月的相互交叉融合的復(fù)雜過程

氣候系統(tǒng)內(nèi)不同尺度水分循環(huán)

水-土-植系統(tǒng)4.水分循環(huán)的意義：水分循環(huán)使地球上水體組成一個連續(xù)的、統(tǒng)一的水圈，把氣候系統(tǒng)五大圈層聯(lián)立成既互相聯(lián)系、又互相制約的有機(jī)整體。水分循環(huán)與全球氣候：水循環(huán)是大氣系統(tǒng)能量的主要傳輸、儲存和轉(zhuǎn)化者；水分循環(huán)通過對地表太陽輻射能的重新分配，使不同緯度熱量收支不平衡的矛盾得到緩解；如果沒有水循環(huán)調(diào)節(jié)，氣溫在赤道附近~40?C，兩極地區(qū)<-15?C。如墨西哥灣流與北大西洋西風(fēng)漂流使55~70?N之間的北歐地區(qū)比同緯度的大西洋西岸高16-20?C。科羅拉多大峽谷流水作用５、影響水分循環(huán)的因素1）氣象因素：如風(fēng)向、風(fēng)速、溫度、濕度等；2）下墊面因素：即自然地理條件，如地形、地質(zhì)、地貌、土壤、植被等3）人類改造自然的活動：水利措施、農(nóng)林措施和環(huán)境工程措施等

氣象因素是主要的，因為蒸發(fā)、水汽輸送和降水這三個環(huán)節(jié)，基本上決定于地球表面輻射平衡和大氣環(huán)流狀況。而徑流雖與下墊面條件有關(guān)，但基本規(guī)律還是決定于氣象因素。都江堰長江三峽大壩“之最世界防洪效益最為顯著水利工程；世界最大的電站；世界工程量最大的水利工程；世界施工難度最大的水利工程；施工期流量最大的水利工程；世界泄洪能力最大的泄洪閘；世界級數(shù)最多、總水頭最高的內(nèi)河船閘；世界規(guī)模最大難度最高的升船機(jī)；世界水庫移民最多、工作最為艱巨的移民建設(shè)工程。金沙江溪洛渡水電站大壩2003年開始籌建，2005年底主體開工2015年竣工投產(chǎn)總工期約13年。4.4地表面蒸發(fā)一、蒸發(fā)和蒸散的概念：水分從物體表面既蒸發(fā)面向大氣逸散的現(xiàn)象稱為蒸發(fā)。植被地段的地面蒸發(fā)和植物蒸騰統(tǒng)稱為蒸散。蒸發(fā)凝結(jié)水二、蒸發(fā)率的概念

單位時間從蒸發(fā)面單位面積上逸散到大氣中的水分子數(shù)與從大氣中返回到蒸發(fā)面的水分子數(shù)的差值（當(dāng)為正值時）稱為蒸發(fā)率（或地面水汽輸送通量)，用于表示蒸發(fā)面蒸發(fā)快慢的特征量，mm/h，mm/d,mm/mon,mm/a等蒸發(fā)率是蒸發(fā)現(xiàn)象的定量描述三、蒸發(fā)潛熱L=24912.177t0(Jg-1)t0為蒸發(fā)面溫度蒸發(fā)凝結(jié)水單位水量蒸發(fā)到空氣中所需的能量稱為蒸發(fā)潛熱四、蒸發(fā)的物理機(jī)制1、水面蒸發(fā)水面蒸發(fā)是在充分供水條件下的蒸發(fā)。分子運動角度：水分蒸發(fā)是發(fā)生在水體與大氣界面上的水分子交換現(xiàn)象。包括水分子從水面逸出和水汽分子返回液面。通常說的蒸發(fā)量E，即是從蒸發(fā)面躍出的水量和返回蒸發(fā)面的水量之差值，稱為有效蒸發(fā)量。能態(tài)角度：在液態(tài)水和水汽兩相共存的系統(tǒng)中，每個水分子都具有一定的動能，逸出水面的首先是動能大的分子，而溫度是物質(zhì)分子運動平均動能的反映，因此，溫度越高，水分子動能越大，自水面逸出的水分子越多。由于躍入空氣中的分子能量大，蒸發(fā)面上水分子的平均動能變小，水體溫度因此降低。蒸發(fā)伴隨著熱量的吸收，從液態(tài)水變?yōu)闅鈶B(tài)時吸收的熱量為蒸發(fā)潛熱，以L表示，其值與蒸發(fā)面的溫度T有以下的關(guān)系：

L=2491－2.177T（J/g）2、土壤蒸發(fā)土壤蒸發(fā)是發(fā)生在土壤孔隙中的水的蒸發(fā)現(xiàn)象。與水面蒸發(fā)相比較，不僅蒸發(fā)面的性質(zhì)不同，更重要的是供水條件的差異。土壤水在汽化過程中，除了要克服水分子之間的內(nèi)聚力外，還要克服土壤顆粒對水分子的吸附力。（與溶液蒸發(fā)相似）３植物蒸騰植物蒸騰，其過程大致是：植物根系從土壤中吸收水分后，經(jīng)由根、莖，葉柄和葉脈輸送到葉面，并為葉肉細(xì)胞所吸收，其中除一小部分留在植物體內(nèi)，90%以上的水分在葉片的氣腔中汽化而向大氣散逸。

由于植物的散發(fā)主要是通過葉片上的氣孔進(jìn)行的，而氣孔大小則隨著外界條件改變而變化，從而控制植物蒸騰的強弱。白天，氣孔開啟度大，水散發(fā)強；夜晚氣孔關(guān)閉，水散發(fā)力弱。五影響蒸發(fā)率的三個因素：供水供能動力條件:水汽含量梯度，對流，擴(kuò)散蒸發(fā)皿三種途徑采用一定的儀器和某種手段進(jìn)行直接測定；根據(jù)典型資料建立地區(qū)經(jīng)驗公式，以進(jìn)行估算；通過成因分析建立理論公式，進(jìn)行計算。五、蒸發(fā)（地表水汽通量）的計算1.渦動相關(guān)法分別是垂直速度、溫度、比濕和水平運動的脈動值，湍流脈動儀觀測采樣頻率一般為10Hz五、蒸發(fā)（地表水汽通量）的計算2.整體空氣動力學(xué)方法

熱量總體輸送系數(shù)

T0,T地面及z高度的溫度U

是z高度風(fēng)速

感（顯）熱輸送通量水汽總體輸送系數(shù)地面溫度下的飽和比濕，及空氣實際比濕

地表水汽通量3.通量梯度方法（湍流擴(kuò)散理論）4.氣候?qū)W計算方法（1）為什么要采用氣候?qū)W方法？基于超聲脈動儀的渦度相關(guān)法和基于梯度觀測的湍流相似法，都不便利用臺站常規(guī)氣象資料，不能進(jìn)行大范圍、長時間尺度的氣候?qū)W分析。常規(guī)臺站對蒸發(fā)的觀測：

小面積蒸發(fā)皿:不能代表自然水面的蒸發(fā)和陸面蒸發(fā)，也不能代表土壤蒸發(fā)和植物的蒸騰，常偏大10%~6倍。

蒸發(fā)池：E601型蒸發(fā)器，未能普及所有臺站。所以，蒸發(fā)量計算的準(zhǔn)確資料很少，仍主要依賴間接計算求得。4.氣候?qū)W計算方法（2）熱量平衡方法：其中R為地表輻射差額，L為蒸發(fā)潛熱系數(shù)，為土壤熱交換量引入鮑文比：（3）Penman（1948）的潛在蒸發(fā)計算公式（主要用于開闊水面）Penman—Monteith方法-----考慮地表植被的影響世界糧農(nóng)組織發(fā)展的Penman－Monteith方法（1990－1998）：水面蒸發(fā)量的確定器測法直接應(yīng)用陸地蒸發(fā)器、蒸發(fā)池及水面漂浮蒸發(fā)器測定蒸發(fā)量的方法。由于蒸發(fā)器的水熱條件和天然水面不同，需要進(jìn)行換算。換算關(guān)系式為：E=

φ

E’其中，E為實際蒸發(fā)量，E’為蒸發(fā)器測定值，

φ為換算系數(shù)，受蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)、口徑大小、季節(jié)、氣候等條件的不同而有差別。我國部分地區(qū)不同類型蒸發(fā)器φ值表經(jīng)驗公式法在缺乏實測資料的情況下，可采用經(jīng)驗公式估算水面蒸發(fā)?；咎卣魇沁x擇有實測資料的飽和水汽壓、風(fēng)速等作為主要參數(shù)，其他因素統(tǒng)一作為相關(guān)系數(shù)來考慮。國外有Penman公式、Kuzmin公式，國內(nèi)有華東水利學(xué)院和重慶蒸發(fā)站的公式。熱量平衡法建立在水面蒸發(fā)不僅是水交換過程、還是熱量交換過程，并遵循能量守恒原理這一基礎(chǔ)上。土壤蒸發(fā)量的確定器測法基本原理：通過直接稱重或者靜水浮力稱重的方法測量出土體重量的變化，據(jù)此計算土壤蒸發(fā)量的變化。也有非稱重的蒸滲儀、負(fù)壓計(張力計)等。經(jīng)驗公式法建立原理與水面蒸發(fā)相同，建立的公式結(jié)構(gòu)也相似。植物蒸發(fā)量的確定比較復(fù)雜，一般可歸納為直接測定和分析估算兩種方法。1.直接測定法有器測法、坑測法和棵枝稱重法等。2.分析計算法有水量平衡法、熱量平衡法和各種散發(fā)模型等。流域總蒸發(fā)量的估算水量平衡法建立在區(qū)域有較長期的降雨和徑流資料的基礎(chǔ)上，按水量平衡的原理來估算全區(qū)域的總蒸發(fā)量。不足之處是將各項觀測誤差和計算誤差歸入蒸發(fā)項內(nèi)，影響精度。另外對于較短時段區(qū)域蓄水變量往往難以估算，影響適用性。水熱平衡法如前所述，水面蒸發(fā)不僅是水交換過程、還是熱量交換過程，所以水量平衡與熱平衡有緊密聯(lián)系。中國年地表蒸發(fā)量的空間分布（mm）地表蒸發(fā)的分布全球:由副熱帶向高緯遞減;最大值在副熱帶海洋,可達(dá)2000mm以上/a;最小值出現(xiàn)在副熱帶大陸.中國:從東南（800mm以上/a）向西北（不足50mm/a）減小;夏季最大,冬季最小.蒸發(fā)研究的問題實際蒸發(fā)觀測資料的缺乏大量的蒸發(fā)皿蒸發(fā)研究無法給出陸地表面的實際蒸發(fā)；蒸發(fā)皿蒸發(fā)、潛在蒸發(fā)和實際蒸發(fā)的關(guān)系（非常復(fù)雜）尚不清楚加強觀測、衛(wèi)星遙感資料的使用4.5大氣中的水分

一、大氣中水含量1、定義：從地面到大氣頂單位面積大氣柱中的水分含量.2、計算a(z)為高度z處的空氣絕對濕度7月1月P(hPa)30-40oN，110-120oE區(qū)域1971-2000年平均大氣水份的垂直變化分布q（g/kg）

全球1971-2000年平均大氣水分含量的空間分布（可降水量表示，單位：mm）1月7月赤道向兩級遞減同緯度上，海洋大于陸地7月，大值區(qū)偏向北半球。夏季比冬季多，最大變化在副熱帶地區(qū)。北半球南半球全球1月7月193425202227大氣中的平均水汽含量(mm)中國大氣年水汽含量的分布（mm）二、大氣中的水汽輸送1.計算從地面到大氣頂水汽（E）單位緯向距離在南北方向上的水平輸送:中國東亞季風(fēng)區(qū)1958-1998年夏季平均水汽輸送通量矢量分布(100g/cm*s)2.中國夏季水汽輸送特征二、大氣中的水汽輸送降水蒸發(fā)大氣中水分：副熱帶向赤道和高緯傳輸大氣水分過剩大氣水分不足大氣水分不足4.6降水第六節(jié)一、定義云中的液態(tài)或固態(tài)水在重力作用下，克服空氣阻力，從空中降落到地面的現(xiàn)象，稱為降水.二、形成條件水汽，降水形成的物質(zhì)基礎(chǔ)；水汽凝結(jié)的動力條件.三、降水量分布

世界年降水量的分布（1961-1990年平均，mm）中國年降水量的空間分布（1961-1990年，mm）中國年降水量的空間分布（1961-1990年，mm）4.7徑流第七節(jié)一、徑流的形成徑流形成過程：由降水到水流匯集至出口斷面的整個物理過程降水過程；流域的蓄滲過程：植物截留、下滲、洼地蓄水等過程；坡面漫流過程；河網(wǎng)匯流階段.二、徑流特征量徑流總量：一定時間內(nèi)通過河川橫斷面的水量，稱為徑流總量。W=Q*T

徑流系數(shù)：任意時段內(nèi)流域平均的徑流深度與流域平均降水量之比。α=f/r

徑流變率（模比系數(shù)）：任何時段的平均徑流量與同期多年平均徑流量之比。

Ki=QI/Q0三、徑流的時間變化1.季節(jié)（年）變化，一年內(nèi)徑流（河槽水位）的變化：汛期、平水期、枯水期；2.徑流的年際及年代際變化，同一時期不同年份或年代之間的徑流之差異。四、中國的徑流分布中國年徑流量的空間分布（mm）第八節(jié)4.8氣候系統(tǒng)的水分平衡一、水量平衡概念:水分循環(huán)的數(shù)量表示，即任一區(qū)域在某一時段內(nèi),水分收入與支出的差等于該區(qū)域在該時段內(nèi)的水量變化,長期意義下,任一區(qū)域水量保持收支平衡.二、地面水量平衡方程陸地海洋通用形式多年平均陸地：海洋：全球：三、地表水分收支狀況區(qū)域面積106km2降水量104km3蒸發(fā)量104km3徑流量104km3海洋大陸全球36114951041.29.951.144.96.251.13.7－3.7－地球上水份平衡大洋降水量蒸發(fā)量大陸邊緣地區(qū)的徑流與臨近大洋交換的水量大西洋印度洋太平洋北冰洋78010101210240104013801140120－200－70－60－230－60－300130350地球各大洋的水分平衡(mm/a)流出流入第七節(jié)全球年水量平衡因素水量/km3海洋降水量382000海洋蒸發(fā)量419000陸地降水量106000