Chap2 能量及水循环

1、能量及水循环Energy and Water Circulation从21世纪开始，能量及水循环的内容已合并成为一个整体，是世纪性的科学研究主题之一水份循环是海-陆-气相互作用中的一种最活跃，最重要的纽带是进行准确的季节和年际气候预测的保障，是国家防洪抗旱决策的需要涉及大气、海洋、地理、水文和生态多种学科科学意义科学意义1 水循环及其基本过程水循环及其基本过程2 能量循环及其基本过程能量循环及其基本过程3 能量及水循环的变异能量及水循环的变异主要内容主要内容一、水循环及其基本过程u 全球水圈的组成全球水圈的组成u 全球水循环全球水循环u 水分过程的作用水分过程的作用u 人类活动对水循环的影响人

2、类活动对水循环的影响2520104km3全球水圈系统大气圈中的水雨、雾、露雪、雹、霰、水蒸汽生物圈中的水体液（细胞外液）细胞液（细胞内液）生物聚合水化物（键合水）地表圈中的水陆地水海洋水泉水、沼泽水池水、塘水、湖水、冰盖和雪盖江水、河水、冰川河口区水浅海水大洋水海洋沉积物孔隙水岩石圈中的水地下水岩浆水聚合水土壤水13.5108km3占全球总水量的97%600km31.3104km3840104km3（一）全球水圈的组成（一）全球水圈的组成a 大气中水分-雨云2旗云（地形云）在天气晴朗时，珠峰顶常飘浮着形似旗帜的乳白色烟云，这就是珠峰旗云。旗云是由对在天气晴朗时，珠峰顶常飘浮着形似旗帜的乳白色烟

3、云，这就是珠峰旗云。旗云是由对流性积云形成，可根据其飘动的位置和高度，来推断峰顶风力的大小。如果旗云飘动的流性积云形成，可根据其飘动的位置和高度，来推断峰顶风力的大小。如果旗云飘动的位置越向上掀，说明高空风越小，越向下倾，风力越大；若和峰顶平齐，风力约有九级。位置越向上掀，说明高空风越小，越向下倾，风力越大；若和峰顶平齐，风力约有九级。因此，珠峰旗云又有因此，珠峰旗云又有“世界上最高的风向标世界上最高的风向标”之称。之称。云洞云洞雾凇雾凇,德国德国雾凇2 2雨凇3腾冲腾冲黄石公园黄石公园雾2b 生物圈中的水生物圈中的水 植物体都含有植物体都含有6080的水分，有的可达的水分，有的可达90以上。

4、动物体以上。动物体含水量一般也在含水量一般也在75以上。水母含水量约为体重的以上。水母含水量约为体重的95，软体，软体动物为动物为8092，鱼类为，鱼类为8085，蛙为，蛙为80，鸟类为，鸟类为70，哺乳类为哺乳类为75。 水在人体各主要部分中所占的比例是：脑水在人体各主要部分中所占的比例是：脑74.5%74.5%，骨骼，骨骼22%22%，肾肾82.7%82.7%，胆汁，胆汁97%97%，肌肉，肌肉75.6%75.6%，血管，血管83%83%。水在人体总体。水在人体总体重中占了重中占了70%70%，人体失失水量只要达到体重的，人体失失水量只要达到体重的1/41/4就会丧命。就会丧命。帛帛(b)

5、硫水母硫水母-95泉水、沼泽水池水、塘水、湖水、冰盖和雪盖江水、河水、冰川c 地表圈中的水地表圈中的水泉水泉水沼泽水湖水-天池冰川冰川江水江水-长江长江长江长江河水河水海洋海洋1350135010101515m m3 3陆地陆地33.633.610101515m m3 3大气大气0.0130.01310101515m m3 3冰川冰川25地下水（活跃）地下水（活跃）8.4湖河湖河0.2生物圈生物圈0.0006E=3611012m3/YearR0=371012m3/YearP=3271012m3/YearE=621012m3/YearP=991012m3/Year1117140385425（二）

6、全球水循环（二）全球水循环海洋水循环海洋水循环土壤水分(w)陆地水循环陆地水循环全球水循环裸地裸地蒸发蒸发雪雪385111（三）水循环各过程分量的作用、海洋的作用1、对地球大气的系统热力平衡的影响； a）巨大的热能载体 b）热能输送2、在水循环的角色：提供大气的主要水汽来源，并通过蒸发和凝结 潜热影响气候变化；3、对大气运动具有调谐作用：巨大的热惯性调制大气的高频变化为 低频变化4、对温室效应的缓解作用。5、潜热提供了大气源源不断的水分和能源（1）维持全球水体之间的动态平衡，使陆地水资源不断得以更新。（2）促使自然界物质循环和能量的转化 。（3）影响全球的气候，塑造着地表的形态。 河川径流的作

7、用河川径流的作用(四) 人类活动对水循环的影响 地表径流-抽水、灌溉、排污修建水库-影响了水循环人工降雨-从时空角度改变了水循环植树造林-水文效应还没有定论跨流域调水-改变水资源的空间分布修建水库修建水库2人工降水 根据自然界降水的原理，利用催化剂，促使云滴迅速凝结或碰并增大形成雨滴，达到降水的方法。冷云催化：人工增加冰晶，产生冰晶效应。方法： 干冰（降温自生冰晶）； 人工冰核（碘化银、氯化汞等）。暖云催化：提供大水滴，促进凝结、冲并增长；方法：氯化钠、氯化钾等吸湿性物质。 2009年2月2日，受西南暖湿气流和冷空气的共同影响，山西省临汾市出现降雨天气。当地气象部门抓住有利时机，适时发射人工增

8、雨火箭炮进行人工增雨作业，以缓解旱情。 随着西南旱情日趋严重，成都军区空军原有的三架增雨运输机已不能满足灾区人工增雨的需要， 2010年3月23日，成都军区空军紧急命令装备部门迅速制作人工增雨器转接器，加装14架运输机。 2010年3月24日，贵州安顺现场，实施人工增雨作业的飞机正在起飞。据空军有关部门介绍，截至3月24日，空军派出的3架人工增雨飞机，已在贵州等地完成人工增雨飞行13架次，作业面积达20余万平方公里。植树/毁林2跨流域调水七大江河流域长江黄河淮河海河珠江辽河松花江二、能量循环 全球能量的主要来源 全球能量循环 人类对能量循环的扰动万物生长靠太阳，全球能量的主要来源a 太阳辐射与

9、天文气候 太阳辐射在大气上界的时空分布称为天文辐射，是由太阳与地球间的天文位置决定的。 天文辐射所决定的地球气候称为天文气候，反映了世界气候的基本轮廓。 影响天文辐射的因素 天文辐射能量的大小决定于日地距离、太阳高度和白昼长度。（一）（一） 全球能量的主要来源全球能量的主要来源-太阳辐射太阳辐射近日点和远日点近日点和远日点大气上界太阳辐射强度的变化1 1 日地距离日地距离 太阳高度角越小，太阳辐射穿过的大气层越厚，被减弱的也越多，到达地面的直接辐射就越少。反之，太阳高度角越大，到达地面的直接辐射就越多。2 太阳高度 由于地球自转轴与公转轨道平面斜交成约6633的倾角。因此，在地球绕太阳公转的一

10、年中，有时地球北半球倾向太阳，有时南半球倾向太阳。总之太阳的直射点总是在南北回归线之间移动，于是产生了昼夜长短的变化和四季的交替。 3 昼夜长度地球气候带的理想模式b 辐射收支与能量系统 低纬度地区太阳辐射能的收入大于长波辐射支低纬度地区太阳辐射能的收入大于长波辐射支出，有热量盈余；高纬度地区辐射能支出大于收出，有热量盈余；高纬度地区辐射能支出大于收入，热量亏损。入，热量亏损。 辐射收支的地理分布是形成气候地带性分布，辐射收支的地理分布是形成气候地带性分布，并驱动大气运动的基本动力。并驱动大气运动的基本动力。 对太阳辐射的吸收值，低纬度明显多于高纬度。所以由热带到极地间太阳辐射的吸收值随纬度的

11、增高而递减的梯度甚大。 在赤道附近稍偏北处因云量多，减少其对太阳辐射的吸收率。 在低纬度地区太阳辐射能的收入大于其长波辐射的支出，有热量的盈余。而在高纬度地区则相反，辐射能的支出大于收入，热量是亏损的。 这种辐射能收支的差异是形成气候地带性分布，并驱动大气运动，力图使其达到平衡的基本动力。辐射差异成因（二） 全球能量循环 太阳辐射在全年投射到整个地球大气圈上界的总能量，在日地平均距离处，总能量为17.51016W。能量循环能量循环 入射太阳辐射中的约30被云和地面反射。在剩余的70中，其中的20被大气吸收，50为海洋和陆地所吸收。有一部分通过蒸发来维持水循环（24），并借助水汽的凝结来间接加热

12、大气，另一部分通过感热通量来直接加热大气（6）；剩余的20用来加热下垫面，随后将以红外辐射的形式再给予大气（14）以及在大气谱窗区回到外层空间（6） 大气吸收的热量用来增加内能和位能，其中一部分（不到1）被转化成动能，以克服摩擦，维持大气海洋环流。最后大约64被大气以红外辐射形式辐射到空间，完成能量循环。（三）人类对能量循环的扰动人为余热排放改变大气成分城市热岛效应三、能量及水循环的变异水循环发生变化的事实能量循环变化的事实大气环流的变异示例直立灌木在苔原的增加： 航空和地面重复摄影的判读：1948-2004 环北极海冰的厚度四季变化环北极冰盖的变化来自NASA，20051989年年2004年

13、年 西支冰舌末端告别东支冰川的水平距离达到了45m（杨惠安等，2005）；2004年一号冰川的东支发现一30m2的冰面湖，与夏季的冰雪融化有关（李忠勤，2005）。 乌鲁木齐河源一号冰川:区域水环境对全球增暖响应的一个典型例子 亚洲高压非常活跃，不断形成冷气团南下影响我国，造成大范围大风降温天气，对于季节、年际变率都很大的我国季风气候区来说，这样的天气本来也很正常； 南支槽导致南方2008年的暖气团也很活跃，大量来自太平洋、印度洋的暖湿气流频频光顾南方地区； 当来自蒙古西伯利亚的强大冷气团迅速南下至南方地区，并与暖湿气团相遇后，就形成了大范围雨雪天气。 20082008年雪灾年雪灾2008年的

14、雪灾4广州火车站广州火车站200万人滞留万人滞留 厄尔尼诺厄尔尼诺 厄尔尼诺（El Nino）原指每年圣诞节前后，沿厄瓜多尔和秘鲁沿岸出现一股弱暖洋流，取代了沿岸原有冷海水的现象。现在，厄尔尼诺一词是指大范围的海洋异常现象，即赤道太平洋中部和东部海洋表层水温持续异常增温的现象。（暖水事件）夏季海洋气温分布夏季海洋气温分布冬季海洋气温分布冬季海洋气温分布厄尔尼诺引发气候异常厄尔尼诺引发气候异常 当厄尔尼诺发生时，热带中、东太平洋海温迅速升高，直接导致该海域和南美太平洋沿岸哥伦比亚、厄瓜多尔和秘鲁等地异常多雨。另一方面，厄尔尼诺事件又使热带西太平洋降雨减少，造成南亚、印度尼西亚、马来西亚、东南亚和

15、澳大利亚等地大范围的严重干旱。还会导致加拿大西部、美国北部出现暖冬，使美国南部冬季潮湿多雨。Normal conditionsWarm phase (El Nio)Cool phase (La Nia)厄尔尼诺对我国气候的影响使来自东南部海洋上的夏季风强度减弱，造成夏季降雨带的位置偏南，出现南方暴雨成灾、北方干旱少雨的异常现象；长江中下游地区进入梅雨期偏晚；东部地区秋季容易出现北少南多的降雨分布；容易出现暖冬；在西北太平洋和南海地区生成的热带气旋或台风数量偏少。1998年8月11日凌晨0：30，洪水冲毁了平齐铁路大兴站区间的一段60多米长的路基 1998年洪水4 42009-2010年西南地区

16、 遭受秋、冬、春、初夏四季连旱蝗虫灾害蝗虫灾害躲避漫天飞躲避漫天飞舞的蝗虫舞的蝗虫 西非塞内加尔 u拉尼娜 “La Nina” 拉尼娜的发生与赤道偏东信风加强有关。偏东信风加强，赤道洋流受信风推动，从东太平洋流向西太平洋，使高温暖水在热带西太平洋地区堆积，成为全球水温最高的海域。相反，在赤道东太平洋表层比较暖的海水向西输送后，深层比较冷的海水就来补充，因此造成东太平洋海表水温偏低，从而引发拉尼娜现象。 拉尼娜现象是一种厄尔尼诺年之后的矫正过渡现象使太平洋东部水温下降，出现干旱，与此相反的是西部水温上升，降水量比正常年份明显偏多。 上帝创造了两个孩子，亚当和夏娃。人类也创造了两个孩子，厄尔尼诺和拉尼娜。厄尔尼诺不是圣婴，拉尼娜也不是小女孩，人们剖开了大自然母亲的腹部，并给她加热，就诞生了，这两个魔鬼。他们来到了人间，翻手为云，覆手为雨，扰乱