水循环过程及原理（课堂PPT）

1、Zuo Qiting第第2 2章章水循环过程与原理水循环过程与原理1 Zuo Qiting水循环过程水循环过程水循环原理水循环原理 水循环研究进展水循环研究进展2.12.22.3第第2 2章章 水循环过程与原理水循环过程与原理主要内容主要内容2Zuo Qiting 2.1 2.1 水循环过程水循环过程2.1.1 2.1.1 自然界的水循环自然界的水循环 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，以蒸发用下，以蒸发降水和径流等方式进行周而复始的运降水和径流等方式进行周而复始的运动过程。动过程。 自然界的水循环是连接大气圈、水圈、岩石圈和生自然界

2、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。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。海洋上空之间时刻都在进行着水循环过程。 3Zuo Qiting水文循环过程如下图所示水文循环过程如下图所示 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 4Zuo Qiting 海陆间

3、水循环海陆间水循环 内陆水循环内陆水循环 海上内循环海上内循环 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。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。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。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，进入大气后海上内循环，就是

4、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，又降到海面的过程在海洋上空凝结，形成降水，又降到海面的过程。5Zuo Qitingv2.1.1.4 2.1.1.4 水循环周期水循环周期 大气中总含水量约大气中总含水量约1.291.2910105 5亿亿m m3 3，而全球年降水总量，而全球年降水总量约约5.775.7710106 6亿亿m m3 3，由此可推算出大气中的水汽平均每年，由此可推算出大气中的水汽平均每年转化成降水转化成降水4444次，也就是大气中的水汽，平均每次，也就是大气中的水汽，平均每8 8天多循天多循环更新一次。环更新一次。 全球河流总储水量约全球河流总储水量约2

5、.122.1210104 4亿亿m m3 3，而河流年径流量，而河流年径流量为为4.74.710105 5亿亿m m3 3，全球的河水每年转化为径流，全球的河水每年转化为径流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。6Zuo Qitingv2.1.2 2.1.2 人类社会的水循环人类社会的水循环 “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、分依附于自然水循环的一个组成部分

6、，或者是一个环节、分支（如同降水、蒸发、下渗等环节），而不是一个独立的支（如同降水、蒸发、下渗等环节），而不是一个独立的水循环过程。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。从循环。从“天人合一天人合一”和和“人与自然协调发展人与自然协调发展”的角度，的角度，应当将水循环研究纳入到应当将水循环研究纳入到“天然天然- -人工人工”这个更为完整的这个更为完整的水循环体系中。水循环体系中。7Zuo Qiting “天然天然人工人工”

7、水循环示意图水循环示意图8Zuo Qiting 内因（水的物理特性）内因（水的物理特性） 外因（太阳辐射和地心引力）外因（太阳辐射和地心引力）水循环9Zuo Qiting2.2 2.2 水循环原理水循环原理v2.2.1 2.2.1 水量平衡原理水量平衡原理 Water balance（水量平衡）是指在任一时段内研究区（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、某区（流）域、或某单元的量平衡研究的对象可以是全球、某区（流）域、或某单元的水体（如河段、湖泊、沼泽、海洋等）。研究

8、的时段可以是水体（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理学中“物质不灭定律物质不灭定律”的一种表现形式的一种表现形式。 10Zuo Qitingv2.2.1.1 2.2.1.1 全球储水量全球储水量 地球的总储水量约地球的总储水量约1.381010亿亿m3，其中海水约，其中海水约1.341010亿亿m3，占全球总水量的，占全球总水量的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%。 人类可利用的淡水量约为人类可利用的淡水量约

9、为3.5108亿亿m3，主要通过，主要通过海洋蒸发和水循环而产生，仅占全球总储水量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、永久积雪和多年冻土的形式存水中，大部分则以冰川、永久积雪和多年冻土的形式存储。其中冰川储水量约储。其中冰川储水量约2.4108亿亿m3，约占世界淡水总，约占世界淡水总量的量的69%，大部分都存储在南极和格陵兰地区。，大部分都存储在南极和格陵兰地区。11Zuo Qitingv2.2.1.2 2.2.1.2 水量变化规律水量变化规律 水量平衡在水循环

10、和水资源转化过程中是一个至关重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要的基本规律 。就某个地区在某一段时期内的水量平衡来。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。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一般流域水量平衡方程式可表达为 ： P - E - R = S （2.1.12.1.1） 式中，式中，P为流域降水量，为流域降水量，E为流域蒸发量，为流域蒸发量，R为流域径为流域径流量，流量，S为流域储水量的变化量。从多年平均来说，流域为流域储水量的变化量。从多年平均来说，流域储水变量储水

11、变量S的值趋于零。的值趋于零。12Zuo Qiting 流域多年平均水量平衡方程式为：流域多年平均水量平衡方程式为： P0 = E0 + R0 （2.1.22.1.2） 式中式中P0、E0、R0分别代表多年平均降水量、蒸发量、径流分别代表多年平均降水量、蒸发量、径流量。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：为： P0 = E0 - R0 （2.1.32.1.3） 全球多年平均水量平衡公式为：全球多年平均水量平衡公式为： P0 = E013Zuo Qiting全球水平衡全球水平衡( (数据来自数据来自John Mbugua

12、et al, 1995) )1.191.1910106 6亿亿m m3 3陆地年降水量陆地年降水量0.72106亿亿m3陆地年蒸发量陆地年蒸发量4.584.5810106 6亿亿m m3 3海洋年降水量海洋年降水量5.055.0510106 6亿亿m m3 3海洋年蒸发量海洋年蒸发量14Zuo 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环运动所遵循的另一个基本规律，能量守恒定律是水循环运动所遵循的另一个基本规律，水分的三态转换和运移都时刻伴随着能量的转换和输送。水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

13、平衡大气传送的潜热（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。的纽带，贯穿于整个水循环过程中。15Zuo Qitingv2.2.2.1 2.2.2.1 地球的辐射平衡地球的辐射平衡 太阳辐射是水循环的原动力，也是整个地球太阳辐射是水循环的原动力，也是整个地球大气系大气系统的外部能源。统的外部能源。 射入地球的太阳辐射量，其中的射入地球的太阳辐射量，其中的3030仍以短波辐射形仍以短波辐射形式被大气和地表反射回太空，余下的式被大气和地表反射回太空，余下的7070在地表与大气之在地表与大气之间经过辐射能、感热通量（接触和对流输热）和潜热通量间经过辐射能、感热通量（接触和对流输热

14、）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（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。形式被再度辐射回太空。 16Zuo Qiting 地球的辐射平衡地球的辐射平衡17Zuo Qitingv2.2.2.2 2.2.2.2 热量传送热量传送 进入到地球上的太阳能除了很少一部分供植物光合作进入到地球上的太阳能除了很少一部分供植物光合作用的需要外，约有用的需要外，约有23%23%消耗于海洋表面和陆地表面的蒸发消耗于海洋表面和陆地表面的蒸发上。上。 在不同纬度以及海洋和陆地之间，存在着太阳辐射的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

15、有当能量从盈余的地区向亏空的地区输送亏损和盈余。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。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。一种适宜的生存环境。 18Zuo 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 根据能量守恒原理，地表能量的收支平衡关系如

16、下：根据能量守恒原理，地表能量的收支平衡关系如下： doenAPGHLEAR （2.2.12.2.1） 式中：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）减去返回大气的辐射；波辐射）减去返回大气的辐射；LE为潜热通量，其中为潜热通量，其中L代表汽化潜热代表汽化潜热（2.45MJ/Kg2.45MJ/Kg），），E为被蒸发水量；为被蒸发水量；H为显热通量，代表与大气的显热为显热通量，代表与大气的显热交换；交换；G为地中热传导，代表通过地表物质的热量传输；为地中热传导，代表通过地表物质的热量传输； 为植物生化为植物生化过程的能量

17、转换，其中植物光合作用的能量吸收约占净辐射的过程的能量转换，其中植物光合作用的能量吸收约占净辐射的2 2； 为人工热辐射量（燃料等消耗对地表产生的能量释放）；为人工热辐射量（燃料等消耗对地表产生的能量释放）； 为移流项为移流项（因空气或水的水平流动引起的能量净损失）。（因空气或水的水平流动引起的能量净损失）。nRoPeAdA19Zuo Qitingv2.2.2.4 2.2.2.4 土壤土壤植被植被大气界面的水热传输大气界面的水热传输 土壤土壤植被植被大气间的水热传输（大气间的水热传输（Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer, SVAT）问题是陆面过程研究的重点）

18、问题是陆面过程研究的重点之一。之一。 SVAT目前发展到含有多个植被层的物理目前发展到含有多个植被层的物理- -化学化学- -生物生物联合模式，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。植被冠层的处理可分为单层模型、双层模型和多层模型。 现行的对土壤现行的对土壤- -植被植被- -大气连续体内水分交换的估计，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主要基于能量平衡方程，即利用波纹比能量平衡法。 20Zuo Qiting 能量平衡方程可表示为：能量平衡方程可表示为：G

19、HLERn （2.2.22.2.2）式中：式中： 为系统的净辐射；为系统的净辐射；LE为潜热通量；为潜热通量；H为显热通量；为显热通量；G为界面的热传导通量。为界面的热传导通量。 nR21Zuo Qiting2.3 2.3 水循环研究进展水循环研究进展v2.3.1 2.3.1 水循环国际研究计划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、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、国际生态计划、国际岩石圈计划、人与生物国际水文计划、国际生态计划、国际岩石

20、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（圈计划、全球环境变化的人文科学研究计划（HDPHDP）、国际）、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，更加丰富了系，更加丰富了“人与水人与水”关系的研究内容，促进人们对人关系的研究内容，促进人们对人地关系、人水关系的理解。地关系、人水关系的理解。 22Zuo Qiting IGBP IGBP的的“水水循环的生物循环的生物圈方面圈方面”核核心计划心计划（BAHCBAHC） WCRP WCRP的的“全全球能量与水球能量与水循环实验循环实验”计划计划（GEWEXGEWEX

21、） 与水循环研究关系密切的两个大型国际计划与水循环研究关系密切的两个大型国际计划23Zuo Qiting2.3.2 2.3.2 水循环国际研究进展水循环国际研究进展 2.3.2.1 2.3.2.1 中小尺度水循环研究中小尺度水循环研究 研究范围一般小于研究范围一般小于200km200km2 2，主要研究水、热通量从大，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；研气进入不同植物、积雪场、土壤和水体后的迁移机理；研究不同植物、积雪场、土壤和水体的蒸发、蒸腾机理。在究不同植物、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全球范围

22、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单元时空尺度上的土壤植被植被大气系统中能量和水的通大气系统中能量和水的通用模式（用模式（SVATSVAT）研究。）研究。24Zuo Qitingv2.3.2.2 2.3.2.2 中尺度水循环研究中尺度水循环研究 研究范围为研究范围为2002002000km2000km2 2，主要利用遥感技术研究植，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

23、候差异。利用大气环流模和气候的变化，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，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。预测区域环境变化、区域开发对水循环的影响。25Zuo Qitingv2.3.2.3 2.3.2.3 大尺度水循环研究大尺度水循环研究 主要关注大气圈水圈生物圈冰雪圈岩石圈主要关注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、陆面反馈互作用、水文学过程与生物圈过程

24、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机理的研究以及水文尺度问题。大尺度水循环研究利用GCMsGCMs、遥感技术、世界气象观测网来研究水循环状况，预、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。值确定水量循环和能量循环。26Zuo Qitingv2.3.3 2.3.3 水循环国内研究进展水循环国内研究进展 2.3.3.1 2.3.3.1 水循

25、环要素研究进展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，如的新成果，如“中国降水与暴雨季节变化中国降水与暴雨季节变化”（王家祁等，（王家祁等，19971997）；）；关于致洪暴雨中期预报研究取得了新的进展并在实际应用中取得一定关于致洪暴雨中期预报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，成效（章淹等，19961996）。）。 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，中入渗的研究取得了新成果（唐海行等，19951995），推动了超渗产流机），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，炎等，1996199