水循環(huán)過程與原.pptVIP

第2章 水循環(huán)過程與原理,水循環(huán)過程,水循環(huán)原理,水循環(huán)研究進(jìn)展,2.1,2.2,2.3,第2章 水循環(huán)過程與原理,主要內(nèi)容,2.1 水循環(huán)過程,2.1.1 自然界的水循環(huán) 水循環(huán)是指地球上的水在太陽輻射和地心引力等作用下，以蒸發(fā)降水和徑流等方式進(jìn)行周而復(fù)始的運(yùn)動過程。 自然界的水循環(huán)是連接大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，是影響自然環(huán)境演變的最活躍因素，是地球上淡水資源的獲取途徑。 在海洋與陸地之間，陸地與陸地上空之間，海洋與海洋上空之間時刻都在進(jìn)行著水循環(huán)過程。,水文循環(huán)過程如下圖所示,海陸間水循環(huán),內(nèi)陸水循環(huán),海上內(nèi)循環(huán),這種海陸間的水循環(huán)又稱大循環(huán)，是指海洋水與陸地水 之間通過一系列的過程所進(jìn)行的相互轉(zhuǎn)化。 它是陸面補(bǔ)水的主要形式。,是指陸面水分的一部分或者全部通過陸面、水面蒸發(fā)和植 物蒸騰形成水汽，在高空冷凝形成降水，仍落到陸地上，從 而完成的水循環(huán)過程。,海上內(nèi)循環(huán)，就是海面上的水份蒸發(fā)成水汽，進(jìn)入大氣后 在海洋上空凝結(jié)，形成降水，又降到海面的過程。,2.1.1.4 水循環(huán)周期 大氣中總含水量約1.29105億m3，而全球年降水總量約5.77106億m3，由此可推算出大氣中的水汽平均每年轉(zhuǎn)化成降水44次，也就是大氣中的水汽，平均每8天多循環(huán)更新一次。 全球河流總儲水量約2.12104億m3，而河流年徑流量為4.7105億m3，全球的河水每年轉(zhuǎn)化為徑流22次，亦即河水平均每16天多更新一次。,2.1.2 人類社會的水循環(huán) “人類社會的水循環(huán)”是指人類在經(jīng)濟(jì)社會活動中不斷地取水、用水和排水而產(chǎn)生的人為水循環(huán)過程。它是依附于自然水循環(huán)的一個組成部分，或者是一個環(huán)節(jié)、分支（如同降水、蒸發(fā)、下滲等環(huán)節(jié)），而不是一個獨(dú)立的水循環(huán)過程。 水的自然循環(huán)和社會循環(huán)是交織在一起的，水的社會循環(huán)依賴于自然循環(huán)而存在，同時又嚴(yán)重干擾自然界的水循環(huán)。從“天人合一”和“人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展”的角度，應(yīng)當(dāng)將水循環(huán)研究納入到“天然-人工”這個更為完整的水循環(huán)體系中。,“天然人工”水循環(huán)示意圖,內(nèi)因（水的物理特性）,外因（太陽輻射和地心引力）,水循環(huán),2.2 水循環(huán)原理,2.2.1 水量平衡原理 Water balance（水量平衡）是指在任一時段內(nèi)研究區(qū)的輸入與輸出水量之差等于該區(qū)域內(nèi)的儲水量的變化值。水量平衡研究的對象可以是全球、某區(qū)（流）域、或某單元的水體（如河段、湖泊、沼澤、海洋等）。研究的時段可以是分鐘、小時、日、月、年，或更長的尺度。水量平衡原理是物理學(xué)中“物質(zhì)不滅定律”的一種表現(xiàn)形式。,2.2.1.1 全球儲水量 地球的總儲水量約1.381010億m3，其中海水約1.341010億m3，占全球總水量的96.5%。余下的水量中地表水占1.78%，地下水占1.69%。 人類可利用的淡水量約為3.5108億m3，主要通過海洋蒸發(fā)和水循環(huán)而產(chǎn)生，僅占全球總儲水量2.53%。淡水中只有少部分分布在湖泊、河流、土壤和淺層地下水中，大部分則以冰川、永久積雪和多年凍土的形式存儲。其中冰川儲水量約2.4108億m3，約占世界淡水總量的69%，大部分都存儲在南極和格陵蘭地區(qū)。,2.2.1.2 水量變化規(guī)律 水量平衡在水循環(huán)和水資源轉(zhuǎn)化過程中是一個至關(guān)重要的基本規(guī)律 。就某個地區(qū)在某一段時期內(nèi)的水量平衡來說，水量收入和支出差額等于該地區(qū)的儲水量的變化量。 一般流域水量平衡方程式可表達(dá)為 ： P - E - R = S （2.1.1） 式中，P為流域降水量，E為流域蒸發(fā)量，R為流域徑流量，S為流域儲水量的變化量。從多年平均來說，流域儲水變量S的值趨于零。,流域多年平均水量平衡方程式為： P0 = E0 + R0 （2.1.2） 式中P0、E0、R0分別代表多年平均降水量、蒸發(fā)量、徑流量。 海洋的蒸發(fā)量大于降水量，多年平均水量平衡方程式可寫為： P0 = E0 - R0 （2.1.3） 全球多年平均水量平衡公式為： P0 = E0,全球水平衡(數(shù)據(jù)來自John Mbugua et al, 1995),1.19106億m3 陸地年降水量,0.72106億m3 陸地年蒸發(fā)量,4.58106億m3 海洋年降水量,5.05106億m3 海洋年蒸發(fā)量,2.2.2 能量平衡原理 能量守恒定律是水循環(huán)運(yùn)動所遵循的另一個基本規(guī)律，水分的三態(tài)轉(zhuǎn)換和運(yùn)移都時刻伴隨著能量的轉(zhuǎn)換和輸送。 大氣傳送的潛熱（水汽）作為一條聯(lián)系全球能量平衡的紐帶，貫穿于整個水循環(huán)過程中。,2.2.2.1 地球的輻射平衡 太陽輻射是水循環(huán)的原動力，也是整個地球大氣系統(tǒng)的外部能源。 射入地球的太陽輻射量，其中的30仍以短波輻射形式被大氣和地表反射回太空，余下的70在地表與大氣之間經(jīng)過輻射能、感熱通量（接觸和對流輸熱）和潛熱通量（水分蒸發(fā)吸熱）等復(fù)雜的再循環(huán)過程，最終以長波輻射形式被再度輻射回太空。,地球的輻射平衡,2.2.2.2 熱量傳送 進(jìn)入到地球上的太陽能除了很少一部分供植物光合作用的需要外，約有23%消耗于海洋表面和陸地表面的蒸發(fā)上。 在不同緯度以及海洋和陸地之間，存在著太陽輻射的虧損和盈余。只有當(dāng)能量從盈余的地區(qū)向虧空的地區(qū)輸送后，才能達(dá)到全球的能量平衡。而這種能量輸送，主要靠水循環(huán)過程來完成。 能量輸送保持了全球的能量平衡，它使得輻射的虧空區(qū)不致于太冷，輻射的過剩區(qū)不致于太熱，為生物提供了一種適宜的生存環(huán)境。,2.2.2.3 地表能量平衡一般方程 根據(jù)能量守恒原理，地表能量的收支平衡關(guān)系如下：,（2.2.1）,式中： 為凈輻射，其值為到達(dá)地面的總輻射（包括短波輻射和長波輻射）減去返回大氣的輻射；LE為潛熱通量，其中L代表汽化潛熱（2.45MJ/Kg），E為被蒸發(fā)水量；H為顯熱通量，代表與大氣的顯熱交換；G為地中熱傳導(dǎo)，代表通過地表物質(zhì)的熱量傳輸； 為植物生化過程的能量轉(zhuǎn)換，其中植物光合作用的能量吸收約占凈輻射的2； 為人工熱輻射量（燃料等消耗對地表產(chǎn)生的能量釋放）； 為移流項（因空氣或水的水平流動引起的能量凈損失）。,2.2.2.4 土壤植被大氣界面的水熱傳輸 土壤植被大氣間的水熱傳輸（Soil-Vegetation-Atmosphere Transfer, SVAT）問題是陸面過程研究的重點之一。 SVAT目前發(fā)展到含有多個植被層的物理-化學(xué)-生物聯(lián)合模式，并對水平方向的不均勻性進(jìn)行了考慮。按其對植被冠層的處理可分為單層模型、雙層模型和多層模型。 現(xiàn)行的對土壤-植被-大氣連續(xù)體內(nèi)水分交換的估計，主要基于能量平衡方程，即利用波紋比能量平衡法。,能量平衡方程可表示為：,（2.2.2）,式中： 為系統(tǒng)的凈輻射；LE為潛熱通量；H為顯熱通量；G為界面的熱傳導(dǎo)通量。,2.3 水循環(huán)研究進(jìn)展,2.3.1 水循環(huán)國際研究計劃 近些年來，涉及水循環(huán)的一系列全球性研究計劃相繼提出，如世界氣候計劃、環(huán)球大氣計劃、國際地球物理年、國際水文計劃、國際生態(tài)計劃、國際巖石圈計劃、人與生物圈計劃、全球環(huán)境變化的人文科學(xué)研究計劃（HDP）、國際地圈與生物圈計劃、國際減災(zāi)十年等。各種計劃的交叉與聯(lián)系，更加豐富了“人與水”關(guān)系的研究內(nèi)容，促進(jìn)人們對人地關(guān)系、人水關(guān)系的理解。,IGBP的“水循環(huán)的生物圈方面”核心計劃（BAHC）,WCRP的“全球能量與水循環(huán)實驗”計劃（GEWEX）,與水循環(huán)研究關(guān)系密切的兩個大型國際計劃,2.3.2 水循環(huán)國際研究進(jìn)展 2.3.2.1 中小尺度水循環(huán)研究 研究范圍一般小于200km2，主要研究水、熱通量從大氣進(jìn)入不同植物、積雪場、土壤和水體后的遷移機(jī)理；研究不同植物、積雪場、土壤和水體的蒸發(fā)、蒸騰機(jī)理。在全球范圍內(nèi)了解各種土壤、植被和積雪冰川對水的傳輸機(jī)理。從植被的小范圍水循環(huán)研究發(fā)展到大氣環(huán)流模式網(wǎng)格單元時空尺度上的土壤植被大氣系統(tǒng)中能量和水的通用模式（SVAT）研究。,2.3.2.2 中尺度水循環(huán)研究 研究范圍為2002000km2，主要利用遙感技術(shù)研究植被水的可利用性蒸散發(fā)氣候之間的關(guān)系，觀測氣象和氣候的變化，比較研究區(qū)域氣候差異。利用大氣環(huán)流模式研究水循環(huán)對下墊面變化的響應(yīng)，修正大氣環(huán)流模式，預(yù)測區(qū)域環(huán)境變化、區(qū)域開發(fā)對水循環(huán)的影響。,2.3.2.3 大尺度水循環(huán)研究 主要關(guān)注大氣圈水圈生物圈冰雪圈巖石圈社會圈的水循環(huán)的綜合影響問題，其重點是陸面與氣候相互作用、水文學(xué)過程與生物圈過程的氣候強(qiáng)迫、陸面反饋機(jī)理的研究以及水文尺度問題。大尺度水循環(huán)研究利用GCMs、遙感技術(shù)、世界氣象觀測網(wǎng)來研究水循環(huán)狀況，預(yù)測水循環(huán)變化趨勢；模擬全球水循環(huán)及其對大氣、海洋和陸面的影響；利用可觀測到的大氣與陸面特征的全球觀測值確定水量循環(huán)和能量循環(huán)。,2.3.3 水循環(huán)國內(nèi)研究進(jìn)展 2.3.3.1 水循環(huán)要素研究進(jìn)展 降水研究進(jìn)展：在暴雨時空分布統(tǒng)計特征研究方面出現(xiàn)一些有價值的新成果，如“中國降水與暴雨季節(jié)變化”（王家祁等，1997）；關(guān)于致洪暴雨中期預(yù)報研究取得了新的進(jìn)展并在實際應(yīng)用中取得一定成效（章淹等，1996）。 徑流研究進(jìn)展：在流域產(chǎn)流的理論和計算方法研究中，由于水向土壤中入滲的研究取得了新成果（唐海行等，1995），推動了超滲產(chǎn)流機(jī)制和模型的研究。在匯流方面的研究進(jìn)展主要表現(xiàn)在兩個方面：將水力學(xué)方法和水文學(xué)方法相結(jié)合的河道匯流研究取得顯著進(jìn)展（譚維炎等，1996）；數(shù)值地貌學(xué)的理論和方法被應(yīng)用于流域匯流研究，并取得一定成果。 蒸發(fā)研究進(jìn)展：近年來關(guān)于作物蒸騰和土壤與潛水蒸發(fā)的研究取得了較大進(jìn)展，提出了一些植物蒸騰計算新公式（謝賢群等，1997）和土壤蒸發(fā)計算新公式（羅毅等，1997）。,水循環(huán)過程研究進(jìn)展 土壤植被大氣界面水分輸移過程（SVAT）的研究進(jìn)展：水循環(huán)界面過程是一個近年來研究的前沿和熱點。代表性研究成果有：“土壤植被大氣系統(tǒng)水分運(yùn)移界面過程研究”（劉昌明等，1997），“土根界面行為對單根吸水的影響研