第2章水循环过程与原理

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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2.12.22.3第2章 水循环过程与原理主要内容Zuo Qiting2.1 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Zuo Qiting 海陆间水循环 内陆

2、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 Qitingv2.1.1.4 水循环周期大气中总含水量约1.29105亿m3，而全球年降水总量 约5.77106亿m3，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

3、2.12104亿m3，而河流年径流量 为4.7105亿m3，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 Qitingv2.1.2 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、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

4、 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 Qiting2.2 水循环原理v2.2.1 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、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 Qitingv2.2.1.1 全球储水量地球的总储水量约1.381010亿m3

5、，其中海水约 1.341010亿m3，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3.5108亿m3，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、永久积雪和多年冻土的形式存储 。其中冰川储水量约2.4108亿m3，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 Qitingv2.2.1.2 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

6、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：P0 = E0 + R0 （2.1.2）式中P0、E0、R0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：P0 = E0 - R0 （2.1.3）全球多年平均水量平衡公式为： P0 = E0Zuo Qiting全球水平衡(数据来自John Mbugua et al, 1

7、995)1.19106亿亿m3 陆陆地年降水量0.72106亿亿m3 陆陆地年蒸发发量4.58106亿亿m3 海洋年降水量5.05106亿亿m3 海洋年蒸发发量Zuo Qitingv2.2.2 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 Qitingv2.2.2.1 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

8、 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 Qitingv2.2.2.2 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

9、存环境。 Zuo Qitingv2.2.2.3 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：（2.2.1）式中： 为净辐为净辐 射，其值为值为 到达地面的总辐总辐 射（包括短波辐辐射和 长长波辐辐射）减去返回大气的辐辐射；LE为为潜热热通量，其中L代表汽化潜 热热（2.45MJ/Kg），E为为被蒸发发水量；H为显热为显热 通量，代表与大气的显显 热热交换换；G为为地中热传导热传导 ，代表通过过地表物质质的热热量传输传输 ； 为为植物 生化过过程的能量转换转换 ，其中植物光合作用的能量吸收约约占净辐净辐 射的2 ； 为为人工热辐热辐 射量（燃料等消耗对对地表产产生的能量释释

10、放）； 为为移 流项项（因空气或水的水平流动动引起的能量净损净损 失）。Zuo Qitingv2.2.2.4 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, SVAT）问题是陆面过程研究的重点 之一。SVAT目前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：（2.2.2）式中： 为为

11、系统统的净辐净辐 射；LE为为潜热热通量；H为显热为显热 通 量；G为为界面的热传导热传导 通量。 Zuo Qiting2.3 水循环研究进展v2.3.1 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 QitingIGBP的“水 循环环的生物 圈方面”核 心计计划（ BAH

12、C） 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 Qiting2.3.2 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200km2，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 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 Qitingv2.3.2.2 中尺度水循环研究研究范围为200200

13、0km2，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 Qitingv2.3.2.3 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 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

14、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 Qitingv2.3.3 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

15、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 Qitingv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”（刘昌明等，1997），“土根界面行为对单根 吸水的影响研究”（黄明斌等，1997），“土壤水势植 物叶面水势蒸腾速率关系研究”（邵明安等，1996）等 。 水循环大气过程的研究进展：在中国大陆尺度和流域与区 域尺度水循环大气过程研究方面，做了系统研究，对区域 水分内循环过程的研究也取得了重要成果，揭示出在我国 自然条件下，当地蒸发的水分通过再循环形成的降水约占 当地总降水量的10%等事实（刘国纬等，1996，1997）。Zuo QitingZHENGZHOU UNIVERSITY