水循环过程及原理

1、Zuo Qiting,第,2,章,水循环过程与原理,Zuo Qiting,水循环过程,水循环原理,水循环研究进展,2.1,2.2,2.3,第,2,章,水循环过程与原理,主要内容,Zuo Qiting,2.1,水循环过程,2.1.1,自然界的水循环,水循环是指地球上的水在太阳辐射和地心引力等作,用下，以蒸发,降水和径流等方式进行周而复始的运,动过程,自然界的水循环是连接大气圈、水圈、岩石圈和生,物圈的纽带，是影响自然环境演变的最活跃因素，是,地球上淡水资源的获取途径,在海洋与陆地之间，陆地与陆地上空之间，海洋与,海洋上空之间时刻都在进行着水循环过程,Zuo Qiting,水文循环过程如下图所示,

2、大,气,降,水,水汽水平运动,蒸腾,内陆,海陆间,海上,地面,蒸发,滴落,蒸腾,地表径流,滴落,水面蒸发,根系吸收,根系吸收,地下径流,海洋,根系吸收,Zuo Qiting,海陆间水循环,内陆水循环,海上内循环,这种海陆间的水循环又称大循环，是指海洋水与陆地水,之间通过一系列的过程所进行的相互转化,它是陆面补水的主要形式,是指陆面水分的一部分或者全部通过陆面、水面蒸发和植,物蒸腾形成水汽，在高空冷凝形成降水，仍落到陆地上，从,而完成的水循环过程,海上内循环，就是海面上的水份蒸发成水汽，进入大气后,在海洋上空凝结，形成降水，又降到海面的过程,Zuo Qiting,2.1.1.4,水循环周期,大气

3、中总含水量约,1.29,10,5,亿,m,3,而全球年降水总量,约,5.77,10,6,亿,m,3,由此可推算出大气中的水汽平均每年,转化成降水,44,次，也就是大气中的水汽，平均每,8,天多循,环更新一次,全球河流总储水量约,2.12,10,4,亿,m,3,而河流年径流量,为,4.7,10,5,亿,m,3,全球的河水每年转化为径流,22,次，亦,即河水平均每,16,天多更新一次,Zuo Qiting,2.1.2,人类社会的水循环,人类社会的水循环”是指人类在经济社会活动中不,断地取水、用水和排水而产生的人为水循环过程。它是依,附于自然水循环的一个组成部分，或者是一个环节、分支,如同降水、蒸发

4、、下渗等环节），而不是一个独立的水,循环过程,水的自然循环和社会循环是交织在一起的，水的社会,循环依赖于自然循环而存在，同时又严重干扰自然界的水,循环。从“天人合一”和“人与自然协调发展”的角度,应当将水循环研究纳入到“天然,人工”这个更为完整的,水循环体系中,Zuo Qiting,天然,人工”水循环示意图,Zuo Qiting,内因（水的物理特性,外因（太阳辐射和地心引力,水,循,环,Zuo Qiting,2.2,水循环原理,2.2.1,水量平衡原理,Water balance,水量平衡）是指在任一时段内研究区,的输入与输出水量之差等于该区域内的储水量的变化值。水,量平衡研究的对象可以是全球

5、、某区（流）域、或某单元的,水体（如河段、湖泊、沼泽、海洋等）。研究的时段可以是,分钟、小时、日、月、年，或更长的尺度。水量平衡原理是,物理学中“物质不灭定律”的一种表现形式,Zuo Qiting,2.2.1.1,全球储水量,地球的总储水量约,1.38,10,10,亿,m,3,其中海水约,1.34,10,10,亿,m,3,占全球总水量的,96.5,余下的水量中,地表水占,1.78,地下水占,1.69,人类可利用的淡水量约为,3.5,10,8,亿,m,3,主要通过,海洋蒸发和水循环而产生，仅占全球总储水量,2.53,淡水中只有少部分分布在湖泊、河流、土壤和浅层地下,水中，大部分则以冰川、永久积雪

6、和多年冻土的形式存,储。其中冰川储水量约,2.4,10,8,亿,m,3,约占世界淡水总,量的,69,大部分都存储在南极和格陵兰地区,Zuo Qiting,2.2.1.2,水量变化规律,水量平衡在水循环和水资源转化过程中是一个至关重,要的基本规律,就某个地区在某一段时期内的水量平衡来,说，水量收入和支出差额等于该地区的储水量的变化量,一般流域水量平衡方程式可表达为,P,E,R,S,2.1.1,式中,P,为流域降水量,E,为流域蒸发量,R,为流域径,流量,S,为流域储水量的变化量。从多年平均来说，流域,储水变量,S,的值趋于零,Zuo Qiting,流域多年平均水量平衡方程式为,P,0,E,0,R

7、,0,2.1.2,式中,P,0,E,0,R,0,分别代表多年平均降水量、蒸发量、径流,量,海洋的蒸发量大于降水量，多年平均水量平衡方程式可写,为,P,0,E,0,R,0,2.1.3,全球多年平均水量平衡公式为,P,0,E,0,Zuo Qiting,全球水平衡,数据来自,John Mbugua et al, 1995,1.19,10,6,亿,m,3,陆地年降水量,0.72,10,6,亿,m,3,陆地年蒸发量,4.58,10,6,亿,m,3,海洋年降水量,5.05,10,6,亿,m,3,海洋年蒸发量,Zuo Qiting,2.2.2,能量平衡原理,能量守恒定律是水循环运动所遵循的另一个基本规律,水

8、分的三态转换和运移都时刻伴随着能量的转换和输送,大气传送的潜热（水汽）作为一条联系全球能量平衡,的纽带，贯穿于整个水循环过程中,Zuo Qiting,2.2.2.1,地球的辐射平衡,太阳辐射是水循环的原动力，也是整个地球大气系,统的外部能源,射入地球的太阳辐射量，其中的,30,仍以短波辐射形,式被大气和地表反射回太空，余下的,70,在地表与大气之,间经过辐射能、感热通量（接触和对流输热）和潜热通量,水分蒸发吸热）等复杂的再循环过程，最终以长波辐射,形式被再度辐射回太空,Zuo Qiting,地球的辐射平衡,Zuo Qiting,2.2.2.2,热量传送,进入到地球上的太阳能除了很少一部分供植物

9、光合作,用的需要外，约有,23,消耗于海洋表面和陆地表面的蒸发,上,在不同纬度以及海洋和陆地之间，存在着太阳辐射的,亏损和盈余。只有当能量从盈余的地区向亏空的地区输送,后，才能达到全球的能量平衡。而这种能量输送，主要靠,水循环过程来完成,能量输送保持了全球的能量平衡，它使得辐射的亏空,区不致于太冷，辐射的过剩区不致于太热，为生物提供了,一种适宜的生存环境,Zuo Qiting,2.2.2.3,地表能量平衡一般方程,根据能量守恒原理，地表能量的收支平衡关系如下,d,o,e,n,A,P,G,H,LE,A,R,2.2.1,式中,为净辐射，其值为到达地面的总辐射（包括短波辐射和长,波辐射）减去返回大气

10、的辐射,LE,为潜热通量，其中,L,代表汽化潜热,2.45MJ/Kg,E,为被蒸发水量,H,为显热通量，代表与大气的显热,交换,G,为地中热传导，代表通过地表物质的热量传输,为植物生化,过程的能量转换，其中植物光合作用的能量吸收约占净辐射的,2,为人工热辐射量（燃料等消耗对地表产生的能量释放,为移流项,因空气或水的水平流动引起的能量净损失,n,R,o,P,e,A,d,A,Zuo Qiting,2.2.2.4,土壤植被大气界面的水热传输,土壤植被大气间的水热传输,Soil-Vegetation,Atmosphere Transfer, SV,AT,问题是陆面过程研究的重点,之一,SV,AT,目前

11、发展到含有多个植被层的物理,化学,生物,联合模式，并对水平方向的不均匀性进行了考虑。按其对,植被冠层的处理可分为单层模型、双层模型和多层模型,现行的对土壤,植被,大气连续体内水分交换的估计,主要基于能量平衡方程，即利用波纹比能量平衡法,Zuo Qiting,能量平衡方程可表示为,G,H,LE,R,n,2.2.2,式中,为系统的净辐射,LE,为潜热通量,H,为显热通量,G,为界面的热传导通量,n,R,Zuo Qiting,2.3,水循环研究进展,2.3.1,水循环国际研究计划,近些年来，涉及水循环的一系列全球性研究计划相继,提出，如世界气候计划、环球大气计划、国际地球物理年,国际水文计划、国际生

12、态计划、国际岩石圈计划、人与生物,圈计划、全球环境变化的人文科学研究计划,HDP,国际,地圈与生物圈计划、国际减灾十年等。各种计划的交叉与联,系，更加丰富了“人与水”关系的研究内容，促进人们对人,地关系、人水关系的理解,Zuo Qiting,IGBP,的“水,循环的生物,圈方面”核,心计划,BAHC,WCRP,的“全,球能量与水,循环实验,计划,GEWEX,与水循环研究关系密切的两个大型国际计划,Zuo Qiting,2.3.2,水循环国际研究进展,2.3.2.1,中小尺度水循环研究,研究范围一般小于,200km,2,主要研究水、热通量从大,气进入不同植物、积雪场、土壤和水体后的迁移机理；研,

13、究不同植物、积雪场、土壤和水体的蒸发、蒸腾机理。在,全球范围内了解各种土壤、植被和积雪冰川对水的传输机,理。从植被的小范围水循环研究发展到大气环流模式网格,单元时空尺度上的土壤植被大气系统中能量和水的通,用模式,SVAT,研究,Zuo Qiting,2.3.2.2,中尺度水循环研究,研究范围为,200,2000km,2,主要利用遥感技术研究植,被水的可利用性蒸散发气候之间的关系，观测气象,和气候的变化，比较研究区域气候差异。利用大气环流模,式研究水循环对下垫面变化的响应，修正大气环流模式,预测区域环境变化、区域开发对水循环的影响,Zuo Qiting,2.3.2.3,大尺度水循环研究,主要关注

14、大气圈水圈生物圈冰雪圈岩石圈,社会圈的水循环的综合影响问题，其重点是陆面与气候相,互作用、水文学过程与生物圈过程的气候强迫、陆面反馈,机理的研究以及水文尺度问题。大尺度水循环研究利用,GCMs,遥感技术、世界气象观测网来研究水循环状况，预,测水循环变化趋势；模拟全球水循环及其对大气、海洋和,陆面的影响；利用可观测到的大气与陆面特征的全球观测,值确定水量循环和能量循环,Zuo Qiting,2.3.3,水循环国内研究进展,2.3.3.1,水循环要素研究进展,降水研究进展：在暴雨时空分布统计特征研究方面出现一些有价值,的新成果，如“中国降水与暴雨季节变化”（王家祁等,1997,关于致洪暴雨中期预报

15、研究取得了新的进展并在实际应用中取得一定,成效（章淹等,1996,径流研究进展：在流域产流的理论和计算方法研究中，由于水向土壤,中入渗的研究取得了新成果（唐海行等,1995,，推动了超渗产流机,制和模型的研究。在汇流方面的研究进展主要表现在两个方面：将,水力学方法和水文学方法相结合的河道汇流研究取得显著进展（谭维,炎等,1996,；数值地貌学的理论和方法被应用于流域汇流研究,并取得一定成果,蒸发研究进展：近年来关于作物蒸腾和土壤与潜水蒸发的研究取得了,较大进展，提出了一些植物蒸腾计算新公式（谢贤群等,1997,和土,壤蒸发计算新公式（罗毅等,1997,Zuo Qiting,水循环过程研究进展,土壤植被大气界面水分输移过程,SVAT,的研究进展,水循环界面过程是一个近年来研究的前沿和热点。代表性,研究成果有：“土壤植被大气系统水分运移界面过程,研究”（