第二章 地球上的水及其循环(上课)

第二章地球上的水及其循环2.1地球上的水2.2自然界的水循环2.2.1水文循环2.2.2地质循环2.3与水文循环有关的气象、水文因素2.3.1气象因素2.3.2径流2.4我国的水文循环2.1地球上的水地球上的水不仅存在于大气圈、地球表面、岩石圈和生物圈中，也存在于地球深部的地幔乃至地核中。地球上水的起源有32种假说：普遍的看法是：从地球内部不断逸出而起源的。1.浅部层圈水（1）浅部层圈水：从大气圈到地壳上半部。包括：大气水、地表水、地下水以及生物体中的水。（2）联合国教科文组织资料（UNESCO——UnitedNationsEducational,ScientificandCulturalOrganization)：浅部层圈的水的总体积为13.86×108km3(其中咸水占97.47%，淡水占2.53%)。若将这些水平均平铺在地球体表面，水深约为2718m。（3）中国水资源：中国水资源（淡水）的总量为2800km3（2.8万亿m3），人均占有水量仅2400m3，只相当于世界人均占有量的1/4，居世界第109位。中国已被列为全世界人均水资源13个贫水国之一中国水资源与人口组合特点

目前：人类能利用的水资源仅仅是淡水资源。淡水主要分布于陆地上的河流、湖泊、冰川和地下水中陆地淡水中只有30.4％，即1.065x1016m3分布在湖泊、沼泽、河流、土壤和地下600m以内的含水层中FreshwaterFigure14.1Only2.5%oftheplanet’swaterisfreshwater,andonly1%ofthatexistsonEarth’ssurface.Only1partin10,000ofwateriseasilyaccessiblefordrinkingandirrigation./edu/charts/waterdistribution.gif

Distributionofwateronearth2地球深层圈水（1）概念地壳深层圈水：分布于地壳下部直到下地幔这一范围内。分布：地壳15－35km；地温4000C，压力很大，呈被压密的气水溶液。（2）研究地球深层圈水的意义：地球深层圈的水和矿物结合水均与地球浅层圈中的水相互转化，地球各层圈中以各种形式存在的水是一个相互联系、相互转化的整体。在成岩、成矿、岩浆、变质等过程乃至地球变形过程中，深层圈的水及矿物结合水都发挥着重要的不可忽视的作用。广义的水圈应当包括地球各层圈中以各种不同形态存在相互转化的所有水。2.2自然界的水循环自然界的水循环：自大气圈到地幔的地球各个层圈中的水构成一个系统。这一系统内的水相互联系、相互转化的过程。

自然界的水循环按其循环途径长短、循环速度的快慢以及涉及层圈的范围，可分为水文循环和地质循环两类。1.水文循环（1）水文循环的概念水文循环：是发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的循环。水文循环包括：大循环：海洋与大陆之间的水分交换；小循环：海洋或大陆内部的水分交换。

水文循环示意图水循环：通过不断的转化，水质得以净化通过不断循环，水量得以更新再生全球水循环量(km3)流域水循环降水蒸发蒸发截流蒸腾水分储存在土壤水分储存为地下水水分储存在地表下滲表面径流河道径流吸收壤中流滲透基本径流（地下径流）人类活动对水循环的改造人类活动对水循环的改造（2）

水更新的速度大气水循环更新一次：8天河水循环更新一次：16天海洋水循环更新一次：2500年地下水循环更新一次：几个月至若干万年不等（取决于埋藏条件）2地质循环地质循环：地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程。研究较少。初生水：由地幔熔岩物质直接分异出来的水。每年从地球深部溢出地表的初生水约为2×108吨地质循环还发生在成岩作用、变质作用、风化作用等过程中。例如：风化作用中水的参与：4KAlSi3O8+6H2O=Al(Si4O10)(OH)8+8SiO2+4K++4OH-(钾长石）粘土矿物（高岭土）胶体溶液矿物结合水的形成与脱出，也是水的地质循环的一部分。

3水文循环与地质循环的区别

水文循环：①通常发生于地球浅层圈中，是H2O分子态水的转换，通常更替较快。②水文循环对地球的气候、水资源、生态环境等影响显著③水文循环是水文学与水文地质学的研究重点地质循环：①发生于地球浅层圈与深层圈之间，常伴有水分子的分解与合成，转换速度缓慢，过去常被人们所忽视②随着对各种成岩、成矿地质作用认识的深化，水参与各种地质作用过程的意义不断被人们所认识③对深入了解水的起源，水在各种地质作用过程乃至地球演化过程中的作用，都有重要意义2.3与水文循环有关的气象、水文因素一、气象因素

1.大气圈的结构大气的主要成分是氮(78％)和氧(21％)，此外还有二氧化碳、臭氧、水汽及固体尘埃等。水汽的含量变化很大，一般占0.01－4％。（1）水汽在大气圈中分布是不均匀的水平向：赤道带2.6％，北纬700：0.2％，900纬度带：0.9％垂直向：大气圈下部3.5km范围内集中了其全部水量的70％，下部5km范围内含全部水量的90％。再往高处水汽的含量很少。

（2）大气圈的厚度地球的表面即是大气圈的下限，而大气圈的上限很难确定，其上限高度可达2000一3000km。（3）大气圈分层对流层、平流层、中层、热层和外层。对流层：对流层的厚度是变化的：炎热的赤道区对流层的上界约17—18km，中纬度带约10—12km，寒冷的极地地区仅8—9km对流层的温度随高度的增加而递减对流层经常发生上升和下降气流和大规模的水平对流对流层的物理状态随时间和空间的变化，决定着气象要素的复杂变化Theatmosphereconsistsoffourdistinctlayers(Tropopause)topofmesospherethermosphere1.AtmosphereLayersw/Pauses2.Pressuretheweightofairabove4.75%ofgassesInTroposphere6.5oC/kmequatorpolesOzonelayer6.NotechangeofsignoflapserateatTropopause(nextslide)5.lapserate3.TropopausehigheratequatorRadiationPenetration300meters2.大气的热源太阳的热辐射是地表和大气的最主要热源。太阳辐射能量约8.16J/min.cm2,太阳辐射主要是短波辐射。氮和氧几乎不吸收太阳辐射能水汽和二氧化碳则主要吸收波长较长的红外光线，大气所直接吸收的太阳辐射能仅占15％，其余部分约有42％通过反射和散射返回宇宙空间，43％达到地球表面地表接受辐射增热后，自身再向大气和宇宙空间进行长波辐射，故大部为大气吸收而增温。Fig.4-29,p.1113.主要气象要素⑴气温：随时间的变化是指一个地区气温的昼夜变化、季节变化和多年变化。气温随空间的变化包括水平方向和垂直方向的变化。⑵气压：大气的质量施加在地表或地表物体上的压力称为大气压力，常用毫米水银柱高度表示。在标堆状态下(气温为0℃时，纬度450的海平面上)的气压为760毫米水银柱高度，即约相当105Pa。

气压的变化：垂向：压力随高度的增加而降低水平向：地表的热力状况的差异，造成气压的变化。

HadleycirculationWarmairrises,coolairdescendscreatingtwohugeconvectivecells.AtmosphericcirculationTropicalEasterlies/TradesWesterliesPolareasterliesIntertropicalconvergencezone(ITCZ)/DoldrumsHorselatitudesSubpolarlowPolarhighFerrelCellPolarCellHadleycellFerrelCellPolarcellLatitudesWindsCirculationcellsEffectoflandmassdistributionA)IdealizedwindsgeneratedbypressuregradientandCoriolisForce.B)ActualwindpatternsowingtolandmassdistributionUnevendistributionoflandandocean,coupledwithdifferentthermalpropertiescreatesspatialvariationinatmosphericcirculation⑶湿度：大气中水汽含量构成了空气湿度。绝对湿度：表示某一地区某一时刻空气中水汽的含量。绝对湿度只能说明某一时刻空气中水汽含量的多少，而不能表明此时空气中水汽含量的饱和程度。饱和水汽含量：某一温度下，空气中可容纳的最大水汽数量，称为该温度下的饱和水汽含量，同样也可用重量单位(代号为M)，或压力单位(代号为E)表示。相对湿度(r)：绝对湿度和饱和水汽含量之比。r=(e／E)x100％，或r＝(m／M)x100％露点：空气中水汽达到饱和时的气温称为露点。⑷降水降水：当空气中水汽含量达饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，以液态或固态形式降落到地面，这就是降水。天气：在一定地区一定时间内，各种气象因素综合影响所决定的大气物理状态称为天气。气候：某一区域天气的平均状态（用气象要素多年平均值表征），称为该地区的气候。

2.4我国水文循环概况

气候：季风气候地形、地貌：欧亚大陆东缘，世界的最大青藏高原亚热带及接近两极地带是高气压带。控制我国气候的两个高气压中心：（1）形成于海洋的夏威夷亚热带高压中心，带来暖湿气流；（2）形成于大陆腹地的蒙古寒带高压中心，带来干寒气流。

降水的空间分布我国水循环的另一重要特征就是降水在空间分布上的不均匀性。东南沿海地区年均降水量均在1500mm以上，最大可达2000一3000mm；长江流域约1200mm，华北地区一般在600一800mm；新疆塔里木盆地降水量仅在50mm以下，有的地方几乎终年无雨。中国降水量空间分布特点我国年地表径流量约2.78万亿m3，长江流域及其以南地区占75％以