《大氣環(huán)流》課件：水分平衡

1、第第2章章 大氣中的水分平衡大氣中的水分平衡 第第1節(jié)節(jié) 水文循環(huán)的構(gòu)成水文循環(huán)的構(gòu)成1 氣候系統(tǒng)中的水循環(huán)過程氣候系統(tǒng)中的水循環(huán)過程在太陽能量的直接或間接作用下：在太陽能量的直接或間接作用下：1）海洋或陸地上的水）海洋或陸地上的水蒸發(fā)，以及由植物和動物蒸騰到大氣中；蒸發(fā)，以及由植物和動物蒸騰到大氣中；2）大氣中的水）大氣中的水分以象云這樣的凝結(jié)態(tài)（液態(tài)水和冰晶）或以氣態(tài)（水汽）分以象云這樣的凝結(jié)態(tài)（液態(tài)水和冰晶）或以氣態(tài)（水汽）形式輸送；形式輸送；3）然后以雨、雪、霧、冰雹或其它降水形式）然后以雨、雪、霧、冰雹或其它降水形式降到陸地或海洋上；降到陸地或海洋上；4）有些以蒸發(fā)的方式返回到大氣之

2、）有些以蒸發(fā)的方式返回到大氣之中，有些則滲透到地下，或在地面和地下以徑流形式進(jìn)入中，有些則滲透到地下，或在地面和地下以徑流形式進(jìn)入河流和小溪中，再回歸大海（圖河流和小溪中，再回歸大海（圖12.1）水文循環(huán)有兩個(gè)主要分支，即水文循環(huán)有兩個(gè)主要分支，即陸地分支和大氣分支陸地分支和大氣分支：陸地分支陸地分支：包括陸地中或海洋中各種方式的水的流入、流：包括陸地中或海洋中各種方式的水的流入、流出或存儲；出或存儲；大氣分支大氣分支：主要以汽態(tài)形式在大氣中輸送。：主要以汽態(tài)形式在大氣中輸送。 地表以蒸發(fā)或蒸散作用散失的水或說地表以蒸發(fā)或蒸散作用散失的水或說“輸入輸入”的水是的水是大氣分支的水汽大氣分支的水汽

3、“輸入輸入”，大氣分支的流出是水文循環(huán)中，大氣分支的流出是水文循環(huán)中陸地分支的源。陸地分支的源。 氣候系統(tǒng)中的水氣候系統(tǒng)中的水 2.428%97.57%0.00001%(Ternberthet.al.,2007. EstimatesoftheGlobalWaterBudgetandItsAnnualCycleUsingObservationalandModelData.Journal of HydrometeorologySpecialsection,8:758-769)海洋海洋: 98.86%陸地陸地: 1.13%大氣大氣: 0.0000092%大氣中水的循環(huán)大氣中水的循環(huán) 水在各種水體中的

4、停留時(shí)間可從大氣的水在各種水體中的停留時(shí)間可從大氣的10天天左右到極冰和海洋的幾千年（左右到極冰和海洋的幾千年（3740）。平均而）。平均而言，全球大氣中的水汽全部凝結(jié)成水，均勻地鋪言，全球大氣中的水汽全部凝結(jié)成水，均勻地鋪在地球表面僅僅為在地球表面僅僅為25 mm的水層，而全球年平均的水層，而全球年平均蒸發(fā)和降水量約有蒸發(fā)和降水量約有1m水深，由此可推導(dǎo)出水深，由此可推導(dǎo)出10天天左右作一次循環(huán)。左右作一次循環(huán)。 2 水文方程水文方程 經(jīng)典的水文學(xué)方程是基于陸地分支的水分平衡而得出經(jīng)典的水文學(xué)方程是基于陸地分支的水分平衡而得出的：的：其中：其中：S水的貯存率；水的貯存率；P降水率；降水率；E

5、蒸發(fā)率；蒸發(fā)率；R0-表面徑流；表面徑流；Ru地下徑流。地下徑流。 對于較大的陸地區(qū)域，地下徑流通常很小，故經(jīng)典水對于較大的陸地區(qū)域，地下徑流通常很小，故經(jīng)典水文方程可簡化成：文方程可簡化成：其中其中代表空間平均；代表空間平均；“”表示時(shí)間平均。表示時(shí)間平均。 uRREPS00REPS對于長時(shí)間平均和大面積區(qū)域，表面和地下水的對于長時(shí)間平均和大面積區(qū)域，表面和地下水的貯存的變化率同其它項(xiàng)相比很小，故方程又可以簡化貯存的變化率同其它項(xiàng)相比很小，故方程又可以簡化為為 傳統(tǒng)水文學(xué)的主要興趣是徑流，它可以通過密集傳統(tǒng)水文學(xué)的主要興趣是徑流，它可以通過密集的河流測量網(wǎng)而準(zhǔn)確測出，而降水則是徑流的主要原的

6、河流測量網(wǎng)而準(zhǔn)確測出，而降水則是徑流的主要原因。因。 0RPE應(yīng)用經(jīng)典水文學(xué)方程估算河水流量的例子應(yīng)用經(jīng)典水文學(xué)方程估算河水流量的例子視水汽匯的計(jì)算采用倒算法，其公式為：視水汽匯的計(jì)算采用倒算法，其公式為： 其中其中q為比濕，為比濕，v為水平風(fēng)矢量，為水平風(fēng)矢量， 為為p坐標(biāo)垂直速度，坐標(biāo)垂直速度，L為蒸發(fā)潛熱參數(shù)。為蒸發(fā)潛熱參數(shù)。 水汽匯、水汽通量的垂直積分可表示為：水汽匯、水汽通量的垂直積分可表示為：其中其中ps為地面氣壓，由于為地面氣壓，由于NCEP高空水汽資料只到高空水汽資料只到300hPa，故，故pT =300hPa，P和和E分別為降水率和地分別為降水率和地面蒸發(fā)率。面蒸發(fā)率。 pq

7、qtqLQv2)(122EPLdpQgQSTpp1994年年6月北江洪水過程月北江洪水過程1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005-3-2-10123(b)年夏季:高要站水流量與西江流域上空水汽匯標(biāo)準(zhǔn)化距平時(shí)間序列。實(shí)曲線和虛曲線分別代表水汽匯和水流量；實(shí)直線和虛直線分別代表水汽匯和水流量的線性回歸直線 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005-2-10123(b)年夏季：石角站水流量與北江流域上空水汽匯標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)間序列。 第第2 2節(jié)節(jié) 水分平衡方程水分平衡方程 單位空氣柱的水分

8、總含量可用積分表示：單位空氣柱的水分總含量可用積分表示：其中其中q q為比濕，為比濕，PsPs為地表氣壓，為地表氣壓，P PT T為大氣上層為大氣上層q q0 0處的等壓面，一處的等壓面，一般取般取300hPa300hPa。由水汽方程及連續(xù)方程可知，大氣中的水汽收支由水汽方程及連續(xù)方程可知，大氣中的水汽收支其中其中e e、c c和和D D分別表示大氣中的蒸發(fā)率、凝結(jié)率和通過邊界的分子分別表示大氣中的蒸發(fā)率、凝結(jié)率和通過邊界的分子和湍流渦動擴(kuò)散。垂直積分上式得到和湍流渦動擴(kuò)散。垂直積分上式得到 其中其中E E為地表蒸發(fā)率，為地表蒸發(fā)率，P P為落到地表的降水率。為落到地表的降水率。 STPPqd

9、pgW1DcepqqVtqPEQtWdpVqgtWsTPP22)1(這里為單位水平面積空氣柱的總的水汽通量（水平），并可展開成這里為單位水平面積空氣柱的總的水汽通量（水平），并可展開成 取時(shí)間和緯圈平均，得：取時(shí)間和緯圈平均，得： 方程說明緯帶內(nèi)得總含量的方程說明緯帶內(nèi)得總含量的局地變化局地變化，是由于該緯帶內(nèi)的，是由于該緯帶內(nèi)的平均蒸發(fā)平均蒸發(fā)率與平均降水率的差值率與平均降水率的差值，以及，以及水汽的經(jīng)向凈輸入或輸出水汽的經(jīng)向凈輸入或輸出引起的。引起的。 jQiQqvdpgjqudpgiQSTTPPPsP)1()1(coscos1PEQatW對于某一等壓面上水汽的水平通量輻合項(xiàng)可以分解成：對

10、于某一等壓面上水汽的水平通量輻合項(xiàng)可以分解成： 于是：于是： 其中：其中：MH平均經(jīng)圈環(huán)流對水汽的水平平流輸送；平均經(jīng)圈環(huán)流對水汽的水平平流輸送； Mv平均經(jīng)圈環(huán)流對水汽的垂直平流輸送；平均經(jīng)圈環(huán)流對水汽的垂直平流輸送； SE常定渦旋的水汽通量輻散；常定渦旋的水汽通量輻散； TE瞬變渦旋的水汽通量輻散。瞬變渦旋的水汽通量輻散。 coscos1coscos1coscoscoscos1*vqavqavaqqavqvaTESEMMQqVHcoscos1STPPPsPTVdppqgdpvaqgM1coscos1注：注：第第3 3節(jié)節(jié) 蒸發(fā)和降水蒸發(fā)和降水 低緯度（低緯度（11N-8S11N-8S），降

11、水大于蒸發(fā)，大氣水汽虧損，是水汽匯區(qū)；副熱帶），降水大于蒸發(fā)，大氣水汽虧損，是水汽匯區(qū)；副熱帶（南北緯度（南北緯度10104040），），EPEP，水汽剩余，是源區(qū)；中高緯度：，水汽剩余，是源區(qū)；中高緯度：PEPE，是水汽匯區(qū)，是水汽匯區(qū)，水汽虧損明顯，是與極鋒鋒面氣旋的活動相對應(yīng)的。水汽虧損明顯，是與極鋒鋒面氣旋的活動相對應(yīng)的。 年平均年平均E-P氣候分布圖（單位：氣候分布圖（單位：mm/day）第第4 4節(jié)節(jié) 平均經(jīng)圈環(huán)流對水汽的輸送平均經(jīng)圈環(huán)流對水汽的輸送 一、平均經(jīng)圈環(huán)流的水汽通量一、平均經(jīng)圈環(huán)流的水汽通量 特征：特征： 1 1 ） 冬 半 球） 冬 半 球HadleyHadley環(huán)流

12、低層環(huán)流低層分支是最重要的分支是最重要的水汽輸送者；水汽輸送者；2 2）對流層中上層）對流層中上層通量很??；通量很?。? 3）冬夏兩季的共）冬夏兩季的共同點(diǎn)：在赤道附同點(diǎn)：在赤道附近的低層有跨赤近的低層有跨赤道通量，從冬半道通量，從冬半球向夏半球輸送。球向夏半球輸送。二、平均經(jīng)圈環(huán)流對水汽的水平平流二、平均經(jīng)圈環(huán)流對水汽的水平平流 其極大值出現(xiàn)在冬半球（輻散），所在緯度位置與其極大值出現(xiàn)在冬半球（輻散），所在緯度位置與HadleyHadley環(huán)流環(huán)流的低層分支相對應(yīng)。的低層分支相對應(yīng)。 三、平均經(jīng)圈環(huán)流對水汽三、平均經(jīng)圈環(huán)流對水汽的垂直平流的垂直平流 由于由于qq主要集中在主要集中在低層，圖中

13、負(fù)值表示這些低層，圖中負(fù)值表示這些區(qū)域盛行上升運(yùn)動。熱帶區(qū)域盛行上升運(yùn)動。熱帶有有MvMv的極值中心，絕對的極值中心，絕對數(shù)值明顯大于水平平流的數(shù)值明顯大于水平平流的極值，說明極值，說明MvMv在在HadleyHadley環(huán)流中對水汽輸送的貢獻(xiàn)環(huán)流中對水汽輸送的貢獻(xiàn)比比MhMh更加重要。更加重要。MvMv在在HadleyHadley環(huán)流上升支緯度是環(huán)流上升支緯度是負(fù)值（水平輻合），在下負(fù)值（水平輻合），在下沉支緯度上是正值（水平沉支緯度上是正值（水平輻散）輻散） 四、平均經(jīng)圈環(huán)流水汽總通量的經(jīng)向散度四、平均經(jīng)圈環(huán)流水汽總通量的經(jīng)向散度 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 1 1）熱帶地區(qū)是強(qiáng)）熱帶地區(qū)是強(qiáng)的水汽輻合

14、帶；副熱的水汽輻合帶；副熱帶地區(qū)有強(qiáng)的輻散；帶地區(qū)有強(qiáng)的輻散；中緯度是弱的輻合帶；中緯度是弱的輻合帶； 2 2）熱帶的強(qiáng)輻合）熱帶的強(qiáng)輻合主要是垂直平流的貢主要是垂直平流的貢獻(xiàn)，冬季在副熱帶緯獻(xiàn)，冬季在副熱帶緯度上的水汽輻散帶度上的水汽輻散帶（相對極大值），以（相對極大值），以及中緯度弱的水汽輻及中緯度弱的水汽輻合，則是水平平流與合，則是水平平流與垂直平流兩項(xiàng)共同作垂直平流兩項(xiàng)共同作用的結(jié)果。用的結(jié)果。 第第5 5節(jié)節(jié) 渦旋對水汽的輸送渦旋對水汽的輸送一、常定渦旋通量一、常定渦旋通量 二、常定渦旋通量散度（二、常定渦旋通量散度（SE）特征：特征：1 1）冬季：）冬季：505070N70N有輻合

15、有輻合極值極值阿留申低壓、阿留申低壓、冰島低壓強(qiáng)冰島低壓強(qiáng)盛發(fā)展的貢盛發(fā)展的貢獻(xiàn)；獻(xiàn)；2 2）夏季：）夏季：252540N40N有輻合有輻合極值極值季季風(fēng)環(huán)流和副風(fēng)環(huán)流和副高活動的作高活動的作用。用。三、瞬變渦旋通量三、瞬變渦旋通量 特征：特征：1 1）冬夏兩季整個(gè)北）冬夏兩季整個(gè)北半球的經(jīng)向水汽半球的經(jīng)向水汽通量都是向北輸通量都是向北輸送。極大值中心送。極大值中心在在900900700 hPa700 hPa間 ， 冬 間 ， 冬 3 0 N , 3 0 N , 夏夏50N50N；2 2）南半球，極值）南半球，極值40S, 850hPa;40S, 850hPa;3) 3) 瞬變渦旋對水汽瞬變渦

16、旋對水汽的向兩極輸送，的向兩極輸送，大部分發(fā)生在海大部分發(fā)生在海洋上，與海洋上洋上，與海洋上氣旋的活動相聯(lián)氣旋的活動相聯(lián)系。系。 四、瞬變渦旋通量散度四、瞬變渦旋通量散度特征：中高緯度輻合、副熱帶低緯輻散；冬強(qiáng)夏弱。特征：中高緯度輻合、副熱帶低緯輻散；冬強(qiáng)夏弱。 第第6 6節(jié)節(jié) 小結(jié)小結(jié) 1 1、在半球范圍內(nèi)，副熱帶是大氣水分的、在半球范圍內(nèi)，副熱帶是大氣水分的“源源”區(qū)（冬區(qū)（冬強(qiáng)、夏弱）。熱帶輻合帶（強(qiáng)、夏弱）。熱帶輻合帶（ITCZITCZ）和溫帶（中高緯）和溫帶（中高緯度）分別是大氣水分的度）分別是大氣水分的“匯匯”區(qū)，前者冬弱夏強(qiáng)，區(qū)，前者冬弱夏強(qiáng)，后者相反。后者相反。2 2、在副熱帶

17、、在副熱帶“源源”區(qū)，水汽的來源依靠下墊面的水蒸區(qū)，水汽的來源依靠下墊面的水蒸發(fā)過程；在熱帶輻合帶發(fā)過程；在熱帶輻合帶“匯匯”區(qū)，水汽的流失是通區(qū)，水汽的流失是通過熱對流大降水過程；而在中高緯度過熱對流大降水過程；而在中高緯度“匯匯”區(qū)，水區(qū)，水汽的虧損主要是通過鋒面氣旋活動的降水過程來完汽的虧損主要是通過鋒面氣旋活動的降水過程來完成。成。3 3、水汽由副熱帶向赤道輻合帶的輸送，主要依靠、水汽由副熱帶向赤道輻合帶的輸送，主要依靠HadleyHadley環(huán)流的垂直和水平平流過程（冬強(qiáng)、夏弱）環(huán)流的垂直和水平平流過程（冬強(qiáng)、夏弱）來實(shí)現(xiàn)，并補(bǔ)充供給來實(shí)現(xiàn)，并補(bǔ)充供給ITCZITCZ和季風(fēng)區(qū)的大降水對水汽和季風(fēng)區(qū)的大降水對水汽的需求。的需求。 4、由副熱帶向溫帶的水汽輸送，主要由瞬變渦旋和常定、由副熱帶向溫帶的水汽輸送，主