第2章水循環(huán)過程原理

1、zuo qiting第第2 2章章水循環(huán)過程與原理水循環(huán)過程與原理zuo qiting水循環(huán)過程水循環(huán)過程水循環(huán)原理水循環(huán)原理 水循環(huán)研究進展水循環(huán)研究進展2.12.22.3第第2 2章章 水循環(huán)過程與原理水循環(huán)過程與原理主要內(nèi)容主要內(nèi)容zuo qiting 2.1 2.1 水循環(huán)過程水循環(huán)過程2.1.1 2.1.1 自然界的水循環(huán)自然界的水循環(huán) 水循環(huán)是指地球上的水在太陽輻射和地心引力等作水循環(huán)是指地球上的水在太陽輻射和地心引力等作用下，以蒸發(fā)用下，以蒸發(fā)降水和徑流等方式進行周而復(fù)始的運降水和徑流等方式進行周而復(fù)始的運動過程。動過程。 自然界的水循環(huán)是連接大氣圈、水圈、巖石圈和生自然界的水循

2、環(huán)是連接大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，是影響自然環(huán)境演變的最活躍因素，是物圈的紐帶，是影響自然環(huán)境演變的最活躍因素，是地球上淡水資源的獲取途徑。地球上淡水資源的獲取途徑。 在海洋與陸地之間，陸地與陸地上空之間，海洋與在海洋與陸地之間，陸地與陸地上空之間，海洋與海洋上空之間時刻都在進行著水循環(huán)過程。海洋上空之間時刻都在進行著水循環(huán)過程。 zuo qiting水文循環(huán)過程如下圖所示水文循環(huán)過程如下圖所示 大 氣 降 水 水汽水平運動 蒸騰 內(nèi)陸 海陸間 海上 地面 蒸發(fā) 滴落 蒸騰 地表徑流 滴落 水面蒸發(fā) 根系吸收 根系吸收 地下徑流 海洋 根系吸收 zuo qiting 海陸間水循環(huán)海陸

3、間水循環(huán) 內(nèi)陸水循環(huán)內(nèi)陸水循環(huán) 海上內(nèi)循環(huán)海上內(nèi)循環(huán) 這種海陸間的水循環(huán)又稱大循環(huán)，是指海洋水與陸地水這種海陸間的水循環(huán)又稱大循環(huán)，是指海洋水與陸地水之間通過一系列的過程所進行的相互轉(zhuǎn)化。之間通過一系列的過程所進行的相互轉(zhuǎn)化。 它是陸面補水的主要形式。它是陸面補水的主要形式。 是指陸面水分的一部分或者全部通過陸面、水面蒸發(fā)和植是指陸面水分的一部分或者全部通過陸面、水面蒸發(fā)和植物蒸騰形成水汽，在高空冷凝形成降水，仍落到陸地上，從物蒸騰形成水汽，在高空冷凝形成降水，仍落到陸地上，從而完成的水循環(huán)過程。而完成的水循環(huán)過程。 海上內(nèi)循環(huán)，就是海面上的水份蒸發(fā)成水汽，進入大氣后海上內(nèi)循環(huán)，就是海面上的水

4、份蒸發(fā)成水汽，進入大氣后在海洋上空凝結(jié)，形成降水，又降到海面的過程在海洋上空凝結(jié)，形成降水，又降到海面的過程。zuo qitingv2.1.1.4 2.1.1.4 水循環(huán)周期水循環(huán)周期 大氣中總含水量約大氣中總含水量約1.291.2910105 5億億m m3 3，而全球年降水總量，而全球年降水總量約約5.775.7710106 6億億m m3 3，由此可推算出大氣中的水汽平均每年，由此可推算出大氣中的水汽平均每年轉(zhuǎn)化成降水轉(zhuǎn)化成降水4444次，也就是大氣中的水汽，平均每次，也就是大氣中的水汽，平均每8 8天多循天多循環(huán)更新一次。環(huán)更新一次。 全球河流總儲水量約全球河流總儲水量約2.122.1

5、210104 4億億m m3 3，而河流年徑流量，而河流年徑流量為為4.74.710105 5億億m m3 3，全球的河水每年轉(zhuǎn)化為徑流，全球的河水每年轉(zhuǎn)化為徑流2222次，亦次，亦即河水平均每即河水平均每1616天多更新一次。天多更新一次。zuo qitingv2.1.2 2.1.2 人類社會的水循環(huán)人類社會的水循環(huán) “人類社會的水循環(huán)人類社會的水循環(huán)”是指人類在經(jīng)濟社會活動中是指人類在經(jīng)濟社會活動中不斷地取水、用水和排水而產(chǎn)生的人為水循環(huán)過程。它是不斷地取水、用水和排水而產(chǎn)生的人為水循環(huán)過程。它是依附于自然水循環(huán)的一個組成部分，或者是一個環(huán)節(jié)、分依附于自然水循環(huán)的一個組成部分，或者是一個環(huán)

6、節(jié)、分支（如同降水、蒸發(fā)、下滲等環(huán)節(jié)），而不是一個獨立的支（如同降水、蒸發(fā)、下滲等環(huán)節(jié)），而不是一個獨立的水循環(huán)過程。水循環(huán)過程。 水的自然循環(huán)和社會循環(huán)是交織在一起的，水的社會水的自然循環(huán)和社會循環(huán)是交織在一起的，水的社會循環(huán)依賴于自然循環(huán)而存在，同時又嚴重干擾自然界的水循環(huán)依賴于自然循環(huán)而存在，同時又嚴重干擾自然界的水循環(huán)。從循環(huán)。從“天人合一天人合一”和和“人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展”的角度，的角度，應(yīng)當(dāng)將水循環(huán)研究納入到應(yīng)當(dāng)將水循環(huán)研究納入到“天然天然- -人工人工”這個更為完整的這個更為完整的水循環(huán)體系中。水循環(huán)體系中。zuo qiting “天然天然人工人工”水循環(huán)示意圖水循

7、環(huán)示意圖zuo qiting 內(nèi)因（水的物理特性）內(nèi)因（水的物理特性） 外因（太陽輻射和地心引力）外因（太陽輻射和地心引力）水循環(huán)zuo qiting2.2 2.2 水循環(huán)原理水循環(huán)原理v2.2.1 2.2.1 水量平衡原理水量平衡原理 water balance（水量平衡）是指在任一時段內(nèi)研究區(qū)（水量平衡）是指在任一時段內(nèi)研究區(qū)的輸入與輸出水量之差等于該區(qū)域內(nèi)的儲水量的變化值。水的輸入與輸出水量之差等于該區(qū)域內(nèi)的儲水量的變化值。水量平衡研究的對象可以是全球、某區(qū)（流）域、或某單元的量平衡研究的對象可以是全球、某區(qū)（流）域、或某單元的水體（如河段、湖泊、沼澤、海洋等）。研究的時段可以是水體（如

8、河段、湖泊、沼澤、海洋等）。研究的時段可以是分鐘、小時、日、月、年，或更長的尺度。水量平衡原理是分鐘、小時、日、月、年，或更長的尺度。水量平衡原理是物理學(xué)中物理學(xué)中“物質(zhì)不滅定律物質(zhì)不滅定律”的一種表現(xiàn)形式的一種表現(xiàn)形式。 zuo qitingv2.2.1.1 2.2.1.1 全球儲水量全球儲水量 地球的總儲水量約地球的總儲水量約1.381010億億m3，其中海水約，其中海水約1.341010億億m3，占全球總水量的，占全球總水量的96.5%。余下的水量中。余下的水量中地表水占地表水占1.78%，地下水占，地下水占1.69%。 人類可利用的淡水量約為人類可利用的淡水量約為3.5108億億m3，

9、主要通過，主要通過海洋蒸發(fā)和水循環(huán)而產(chǎn)生，僅占全球總儲水量海洋蒸發(fā)和水循環(huán)而產(chǎn)生，僅占全球總儲水量2.53%。淡水中只有少部分分布在湖泊、河流、土壤和淺層地下淡水中只有少部分分布在湖泊、河流、土壤和淺層地下水中，大部分則以冰川、永久積雪和多年凍土的形式存水中，大部分則以冰川、永久積雪和多年凍土的形式存儲。其中冰川儲水量約儲。其中冰川儲水量約2.4108億億m3，約占世界淡水總，約占世界淡水總量的量的69%，大部分都存儲在南極和格陵蘭地區(qū)。，大部分都存儲在南極和格陵蘭地區(qū)。zuo qitingv2.2.1.2 2.2.1.2 水量變化規(guī)律水量變化規(guī)律 水量平衡在水循環(huán)和水資源轉(zhuǎn)化過程中是一個至關(guān)

10、重水量平衡在水循環(huán)和水資源轉(zhuǎn)化過程中是一個至關(guān)重要的基本規(guī)律要的基本規(guī)律 。就某個地區(qū)在某一段時期內(nèi)的水量平衡來。就某個地區(qū)在某一段時期內(nèi)的水量平衡來說，水量收入和支出差額等于該地區(qū)的儲水量的變化量。說，水量收入和支出差額等于該地區(qū)的儲水量的變化量。 一般流域水量平衡方程式可表達為一般流域水量平衡方程式可表達為 ： p - e - r = s （2.1.12.1.1） 式中，式中，p為流域降水量，為流域降水量，e為流域蒸發(fā)量，為流域蒸發(fā)量，r為流域徑為流域徑流量，流量，s為流域儲水量的變化量。從多年平均來說，流域為流域儲水量的變化量。從多年平均來說，流域儲水變量儲水變量s的值趨于零。的值趨于零

11、。zuo qiting 流域多年平均水量平衡方程式為：流域多年平均水量平衡方程式為： p0 = e0 + r0 （2.1.22.1.2） 式中式中p0、e0、r0分別代表多年平均降水量、蒸發(fā)量、徑流分別代表多年平均降水量、蒸發(fā)量、徑流量。量。 海洋的蒸發(fā)量大于降水量，多年平均水量平衡方程式可寫海洋的蒸發(fā)量大于降水量，多年平均水量平衡方程式可寫為：為： p0 = e0 - r0 （2.1.32.1.3） 全球多年平均水量平衡公式為：全球多年平均水量平衡公式為： p0 = e0zuo qiting全球水平衡全球水平衡( (數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)來自john mbugua et al, 1995) )1.19

12、1.1910106 6億億m m3 3陸地年降水量陸地年降水量0.72106億億m3陸地年蒸發(fā)量陸地年蒸發(fā)量4.584.5810106 6億億m m3 3海洋年降水量海洋年降水量5.055.0510106 6億億m m3 3海洋年蒸發(fā)量海洋年蒸發(fā)量zuo qitingv2.2.2 2.2.2 能量平衡原理能量平衡原理 能量守恒定律是水循環(huán)運動所遵循的另一個基本規(guī)律，能量守恒定律是水循環(huán)運動所遵循的另一個基本規(guī)律，水分的三態(tài)轉(zhuǎn)換和運移都時刻伴隨著能量的轉(zhuǎn)換和輸送。水分的三態(tài)轉(zhuǎn)換和運移都時刻伴隨著能量的轉(zhuǎn)換和輸送。 大氣傳送的潛熱（水汽）作為一條聯(lián)系全球能量平衡大氣傳送的潛熱（水汽）作為一條聯(lián)系全

13、球能量平衡的紐帶，貫穿于整個水循環(huán)過程中。的紐帶，貫穿于整個水循環(huán)過程中。zuo qitingv2.2.2.1 2.2.2.1 地球的輻射平衡地球的輻射平衡 太陽輻射是水循環(huán)的原動力，也是整個地球太陽輻射是水循環(huán)的原動力，也是整個地球大氣系大氣系統(tǒng)的外部能源。統(tǒng)的外部能源。 射入地球的太陽輻射量，其中的射入地球的太陽輻射量，其中的3030仍以短波輻射形仍以短波輻射形式被大氣和地表反射回太空，余下的式被大氣和地表反射回太空，余下的7070在地表與大氣之在地表與大氣之間經(jīng)過輻射能、感熱通量（接觸和對流輸熱）和潛熱通量間經(jīng)過輻射能、感熱通量（接觸和對流輸熱）和潛熱通量（水分蒸發(fā)吸熱）等復(fù)雜的再循環(huán)過

14、程，最終以長波輻射（水分蒸發(fā)吸熱）等復(fù)雜的再循環(huán)過程，最終以長波輻射形式被再度輻射回太空。形式被再度輻射回太空。 zuo qiting 地球的輻射平衡地球的輻射平衡zuo qitingv2.2.2.2 2.2.2.2 熱量傳送熱量傳送 進入到地球上的太陽能除了很少一部分供植物光合作進入到地球上的太陽能除了很少一部分供植物光合作用的需要外，約有用的需要外，約有23%23%消耗于海洋表面和陸地表面的蒸發(fā)消耗于海洋表面和陸地表面的蒸發(fā)上。上。 在不同緯度以及海洋和陸地之間，存在著太陽輻射的在不同緯度以及海洋和陸地之間，存在著太陽輻射的虧損和盈余。只有當(dāng)能量從盈余的地區(qū)向虧空的地區(qū)輸送虧損和盈余。只有

15、當(dāng)能量從盈余的地區(qū)向虧空的地區(qū)輸送后，才能達到全球的能量平衡。而這種能量輸送，主要靠后，才能達到全球的能量平衡。而這種能量輸送，主要靠水循環(huán)過程來完成。水循環(huán)過程來完成。 能量輸送保持了全球的能量平衡，它使得輻射的虧空能量輸送保持了全球的能量平衡，它使得輻射的虧空區(qū)不致于太冷，輻射的過剩區(qū)不致于太熱，為生物提供了區(qū)不致于太冷，輻射的過剩區(qū)不致于太熱，為生物提供了一種適宜的生存環(huán)境。一種適宜的生存環(huán)境。 zuo qitingv2.2.2.3 2.2.2.3 地表能量平衡一般方程地表能量平衡一般方程 根據(jù)能量守恒原理，地表能量的收支平衡關(guān)系如下：根據(jù)能量守恒原理，地表能量的收支平衡關(guān)系如下： do

16、enapghlear （2.2.12.2.1） 式中：式中： 為凈輻射，其值為到達地面的總輻射（包括短波輻射和長為凈輻射，其值為到達地面的總輻射（包括短波輻射和長波輻射）減去返回大氣的輻射；波輻射）減去返回大氣的輻射；le為潛熱通量，其中為潛熱通量，其中l(wèi)代表汽化潛熱代表汽化潛熱（2.45mj/kg2.45mj/kg），），e為被蒸發(fā)水量；為被蒸發(fā)水量；h為顯熱通量，代表與大氣的顯熱為顯熱通量，代表與大氣的顯熱交換；交換；g為地中熱傳導(dǎo)，代表通過地表物質(zhì)的熱量傳輸；為地中熱傳導(dǎo)，代表通過地表物質(zhì)的熱量傳輸； 為植物生化為植物生化過程的能量轉(zhuǎn)換，其中植物光合作用的能量吸收約占凈輻射的過程的能量轉(zhuǎn)

17、換，其中植物光合作用的能量吸收約占凈輻射的2 2； 為人工熱輻射量（燃料等消耗對地表產(chǎn)生的能量釋放）；為人工熱輻射量（燃料等消耗對地表產(chǎn)生的能量釋放）； 為移流項為移流項（因空氣或水的水平流動引起的能量凈損失）。（因空氣或水的水平流動引起的能量凈損失）。nropeadazuo qitingv2.2.2.4 2.2.2.4 土壤土壤植被植被大氣界面的水熱傳輸大氣界面的水熱傳輸 土壤土壤植被植被大氣間的水熱傳輸（大氣間的水熱傳輸（soil-vegetation-atmosphere transfer, svat）問題是陸面過程研究的重點）問題是陸面過程研究的重點之一。之一。 svat目前發(fā)展到含有

18、多個植被層的物理目前發(fā)展到含有多個植被層的物理- -化學(xué)化學(xué)- -生物生物聯(lián)合模式，并對水平方向的不均勻性進行了考慮。按其對聯(lián)合模式，并對水平方向的不均勻性進行了考慮。按其對植被冠層的處理可分為單層模型、雙層模型和多層模型。植被冠層的處理可分為單層模型、雙層模型和多層模型。 現(xiàn)行的對土壤現(xiàn)行的對土壤- -植被植被- -大氣連續(xù)體內(nèi)水分交換的估計，大氣連續(xù)體內(nèi)水分交換的估計，主要基于能量平衡方程，即利用波紋比能量平衡法主要基于能量平衡方程，即利用波紋比能量平衡法。 zuo qiting 能量平衡方程可表示為：能量平衡方程可表示為：ghlern （2.2.22.2.2）式中：式中： 為系統(tǒng)的凈輻射

19、；為系統(tǒng)的凈輻射；le為潛熱通量；為潛熱通量；h為顯熱通量；為顯熱通量；g為界面的熱傳導(dǎo)通量。為界面的熱傳導(dǎo)通量。 nrzuo qiting2.3 2.3 水循環(huán)研究進展水循環(huán)研究進展v2.3.1 2.3.1 水循環(huán)國際研究計劃水循環(huán)國際研究計劃 近些年來，涉及水循環(huán)的一系列全球性研究計劃相繼近些年來，涉及水循環(huán)的一系列全球性研究計劃相繼提出，如世界氣候計劃、環(huán)球大氣計劃、國際地球物理年、提出，如世界氣候計劃、環(huán)球大氣計劃、國際地球物理年、國際水文計劃、國際生態(tài)計劃、國際巖石圈計劃、人與生物國際水文計劃、國際生態(tài)計劃、國際巖石圈計劃、人與生物圈計劃、全球環(huán)境變化的人文科學(xué)研究計劃（圈計劃、全球

20、環(huán)境變化的人文科學(xué)研究計劃（hdphdp）、國際）、國際地圈與生物圈計劃、國際減災(zāi)十年等。各種計劃的交叉與聯(lián)地圈與生物圈計劃、國際減災(zāi)十年等。各種計劃的交叉與聯(lián)系，更加豐富了系，更加豐富了“人與水人與水”關(guān)系的研究內(nèi)容，促進人們對人關(guān)系的研究內(nèi)容，促進人們對人地關(guān)系、人水關(guān)系的理解。地關(guān)系、人水關(guān)系的理解。 zuo qiting igbp igbp的的“水水循環(huán)的生物循環(huán)的生物圈方面圈方面”核核心計劃心計劃（bahcbahc） wcrp wcrp的的“全全球能量與水球能量與水循環(huán)實驗循環(huán)實驗”計劃計劃（gewexgewex） 與水循環(huán)研究關(guān)系密切的兩個大型國際計劃與水循環(huán)研究關(guān)系密切的兩個大型

21、國際計劃zuo qiting2.3.2 2.3.2 水循環(huán)國際研究進展水循環(huán)國際研究進展 2.3.2.1 2.3.2.1 中小尺度水循環(huán)研究中小尺度水循環(huán)研究 研究范圍一般小于研究范圍一般小于200km200km2 2，主要研究水、熱通量從大，主要研究水、熱通量從大氣進入不同植物、積雪場、土壤和水體后的遷移機理；研氣進入不同植物、積雪場、土壤和水體后的遷移機理；研究不同植物、積雪場、土壤和水體的蒸發(fā)、蒸騰機理。在究不同植物、積雪場、土壤和水體的蒸發(fā)、蒸騰機理。在全球范圍內(nèi)了解各種土壤、植被和積雪冰川對水的傳輸機全球范圍內(nèi)了解各種土壤、植被和積雪冰川對水的傳輸機理。從植被的小范圍水循環(huán)研究發(fā)展到

22、大氣環(huán)流模式網(wǎng)格理。從植被的小范圍水循環(huán)研究發(fā)展到大氣環(huán)流模式網(wǎng)格單元時空尺度上的土壤單元時空尺度上的土壤植被植被大氣系統(tǒng)中能量和水的通大氣系統(tǒng)中能量和水的通用模式（用模式（svatsvat）研究。）研究。zuo qitingv2.3.2.2 2.3.2.2 中尺度水循環(huán)研究中尺度水循環(huán)研究 研究范圍為研究范圍為2002002000km2000km2 2，主要利用遙感技術(shù)研究植，主要利用遙感技術(shù)研究植被水的可利用性蒸散發(fā)氣候之間的關(guān)系，觀測氣象被水的可利用性蒸散發(fā)氣候之間的關(guān)系，觀測氣象和氣候的變化，比較研究區(qū)域氣候差異。利用大氣環(huán)流模和氣候的變化，比較研究區(qū)域氣候差異。利用大氣環(huán)流模式研究水

23、循環(huán)對下墊面變化的響應(yīng)，修正大氣環(huán)流模式，式研究水循環(huán)對下墊面變化的響應(yīng)，修正大氣環(huán)流模式，預(yù)測區(qū)域環(huán)境變化、區(qū)域開發(fā)對水循環(huán)的影響。預(yù)測區(qū)域環(huán)境變化、區(qū)域開發(fā)對水循環(huán)的影響。zuo qitingv2.3.2.3 2.3.2.3 大尺度水循環(huán)研究大尺度水循環(huán)研究 主要關(guān)注大氣圈水圈生物圈冰雪圈巖石圈主要關(guān)注大氣圈水圈生物圈冰雪圈巖石圈社會圈的水循環(huán)的綜合影響問題，其重點是陸面與氣候相社會圈的水循環(huán)的綜合影響問題，其重點是陸面與氣候相互作用、水文學(xué)過程與生物圈過程的氣候強迫、陸面反饋互作用、水文學(xué)過程與生物圈過程的氣候強迫、陸面反饋機理的研究以及水文尺度問題。大尺度水循環(huán)研究利用機理的研究以及水

24、文尺度問題。大尺度水循環(huán)研究利用gcmsgcms、遙感技術(shù)、世界氣象觀測網(wǎng)來研究水循環(huán)狀況，預(yù)、遙感技術(shù)、世界氣象觀測網(wǎng)來研究水循環(huán)狀況，預(yù)測水循環(huán)變化趨勢；模擬全球水循環(huán)及其對大氣、海洋和測水循環(huán)變化趨勢；模擬全球水循環(huán)及其對大氣、海洋和陸面的影響；利用可觀測到的大氣與陸面特征的全球觀測陸面的影響；利用可觀測到的大氣與陸面特征的全球觀測值確定水量循環(huán)和能量循環(huán)。值確定水量循環(huán)和能量循環(huán)。zuo qitingv2.3.3 2.3.3 水循環(huán)國內(nèi)研究進展水循環(huán)國內(nèi)研究進展 2.3.3.1 2.3.3.1 水循環(huán)要素研究進展水循環(huán)要素研究進展 降水研究進展：降水研究進展：在暴雨時空分布統(tǒng)計特征研究

25、方面出現(xiàn)一些有價值在暴雨時空分布統(tǒng)計特征研究方面出現(xiàn)一些有價值的新成果，如的新成果，如“中國降水與暴雨季節(jié)變化中國降水與暴雨季節(jié)變化”（王家祁等，（王家祁等，19971997）；）；關(guān)于致洪暴雨中期預(yù)報研究取得了新的進展并在實際應(yīng)用中取得一定關(guān)于致洪暴雨中期預(yù)報研究取得了新的進展并在實際應(yīng)用中取得一定成效（章淹等，成效（章淹等，19961996）。）。 徑流研究進展：在流域產(chǎn)流的理論和計算方法研究中，由于水向土壤徑流研究進展：在流域產(chǎn)流的理論和計算方法研究中，由于水向土壤中入滲的研究取得了新成果（唐海行等，中入滲的研究取得了新成果（唐海行等，19951995），推動了超滲產(chǎn)流機），推動了超滲產(chǎn)流機制和模型的研究。在匯流方面的研究進展主要表現(xiàn)在兩個方面：制和模型的研究。在匯流方面的研究進展主要表現(xiàn)在兩個方面：將將水力學(xué)方法和水文學(xué)方法相結(jié)合的河道匯流研究取得顯著進展（譚維水力學(xué)方法和水文學(xué)方法相結(jié)合的河道匯流研究取得顯著進展（譚維炎等，炎等，199619