第二章水循環(huán)過程和原理

1、第二章水循環(huán)過程和原理水循環(huán)過程水循環(huán)過程水循環(huán)原理水循環(huán)原理 水循環(huán)研究進(jìn)展水循環(huán)研究進(jìn)展2.12.22.3第第2 2章章 水循環(huán)過程與原理水循環(huán)過程與原理主要內(nèi)容主要內(nèi)容 2.1 2.1 水循環(huán)過程水循環(huán)過程2.1.1 2.1.1 自然界的水循環(huán)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)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)降水和徑流等方式進(jìn)行周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)過程。動(dòng)過程。 自然界的水循環(huán)是連接大氣圈、水圈、巖石圈和生自然界的水循環(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，是物圈的

2、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。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(shí)刻都在進(jìn)行著水循環(huán)過程。海洋上空之間時(shí)刻都在進(jìn)行著水循環(huán)過程。 水文循環(huán)過程如下圖所示水文循環(huán)過程如下圖所示 大 氣 降 水 水汽水平運(yùn)動(dòng) 蒸騰 內(nèi)陸 海陸間 海上 地面 蒸發(fā) 滴落 蒸騰 地表徑流 滴落 水面蒸發(fā) 根系吸收 根系吸收 地下徑流 海洋 根系吸收 海陸間水循環(huán)海陸間水循環(huán) 內(nèi)陸水循環(huán)內(nèi)陸水循環(huán) 海上內(nèi)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這種海陸間的水循環(huán)又稱大

3、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。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。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。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，又降到海面的過程在海洋上空凝結(jié)，形成降水，又降到海面的過程。v2.1.1.4

4、 2.1.1.4 水循環(huán)周期水循環(huán)周期 大氣中總含水量約大氣中總含水量約1.291.2910105 5億億m m3 3，而全球年降水總量，而全球年降水總量約約5.775.7710106 6億億m m3 3，由此可推算出大氣中的水汽平均每年，由此可推算出大氣中的水汽平均每年轉(zhuǎn)化成降水轉(zhuǎn)化成降水4444次，也就是大氣中的水汽，平均每次，也就是大氣中的水汽，平均每8 8天多循天多循環(huán)更新一次。環(huán)更新一次。 全球河流總儲水量約全球河流總儲水量約2.122.1210104 4億億m m3 3，而河流年徑流量，而河流年徑流量為為4.74.710105 5億億m m3 3，全球的河水每年轉(zhuǎn)化為徑流，全球的河

5、水每年轉(zhuǎn)化為徑流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。v2.1.2 2.1.2 人類社會的水循環(huán)人類社會的水循環(huán) “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(dòng)中是指人類在經(jīng)濟(jì)社會活動(dòng)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(gè)組成部分，或者是一個(gè)環(huán)節(jié)、分依附于自然水循環(huán)的一個(gè)組成部分，或者是一個(gè)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(gè)獨(dú)立的支（如同降水、蒸發(fā)、下滲等環(huán)節(jié)），而不是一個(gè)獨(dú)立的水循環(huán)過程。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

6、的，水的社會水的自然循環(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(shí)又嚴(yán)重干擾自然界的水循環(huán)依賴于自然循環(huán)而存在，同時(shí)又嚴(yán)重干擾自然界的水循環(huán)。從循環(huán)。從“天人合一天人合一”和和“人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展”的角度，的角度，應(yīng)當(dāng)將水循環(huán)研究納入到應(yīng)當(dāng)將水循環(huán)研究納入到“天然天然- -人工人工”這個(gè)更為完整的這個(gè)更為完整的水循環(huán)體系中。水循環(huán)體系中。 “天然天然人工人工”水循環(huán)示意圖水循環(huán)示意圖 內(nèi)因（水的物理特性）內(nèi)因（水的物理特性） 外因（太陽輻射和地心引力）外因（太陽輻射和地心引力）水循環(huán)2.2 2.2 水循環(huán)原理水循環(huán)原理v2.2.1 2.2.1 水量平衡原理水

7、量平衡原理 Water balance（水量平衡）是指在任一時(shí)段內(nèi)研究區(qū)（水量平衡）是指在任一時(shí)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(shí)段可以是水體（如河段、湖泊、沼澤、海洋等）。研究的時(shí)段可以是分鐘、小時(shí)、日、月、年，或更長的尺度。水量平衡原理是分鐘、小時(shí)、日、月、年，或更長的尺度。水量平衡原理是物理學(xué)中物理學(xué)中“物質(zhì)不滅定律物質(zhì)不滅定律”的一種表現(xiàn)形式。的一種表現(xiàn)形式。

8、v2.2.1.1 2.2.1.1 全球儲水量全球儲水量 地球的總儲水量約地球的總儲水量約1.381010億億m3，其中海水約，其中海水約1.341010億億m3，占全球總水量的，占全球總水量的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%。 人類可利用的淡水量約為人類可利用的淡水量約為3.5108億億m3，主要通過，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

9、土的形式存水中，大部分則以冰川、永久積雪和多年凍土的形式存儲。其中冰川儲水量約儲。其中冰川儲水量約2.4108億億m3，約占世界淡水總，約占世界淡水總量的量的69%，大部分都存儲在南極和格陵蘭地區(qū)。，大部分都存儲在南極和格陵蘭地區(qū)。v2.2.1.2 2.2.1.2 水量變化規(guī)律水量變化規(guī)律 水量平衡在水循環(huán)和水資源轉(zhuǎn)化過程中是一個(gè)至關(guān)重水量平衡在水循環(huán)和水資源轉(zhuǎn)化過程中是一個(gè)至關(guān)重要的基本規(guī)律要的基本規(guī)律 。就某個(gè)地區(qū)在某一段時(shí)期內(nèi)的水量平衡來。就某個(gè)地區(qū)在某一段時(shí)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。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

10、平衡方程式可表達(dá)為一般流域水量平衡方程式可表達(dá)為 ： P - E - R = S （）（） 式中，式中，P為流域降水量，為流域降水量，E為流域蒸發(fā)量，為流域蒸發(fā)量，R為流域徑為流域徑流量，流量，S為流域儲水量的變化量。從多年平均來說，流域?yàn)榱饔騼λ康淖兓俊亩嗄昶骄鶃碚f，流域儲水變量儲水變量S的值趨于零。的值趨于零。 流域多年平均水量平衡方程式為：流域多年平均水量平衡方程式為： P0 = E0 + R0 （）（） 式中式中P0、E0、R0分別代表多年平均降水量、蒸發(fā)量、徑流分別代表多年平均降水量、蒸發(fā)量、徑流量。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海洋的蒸發(fā)量大于降水量

11、，多年平均水量平衡方程式可寫為：為： P0 = E0 - R0 （）（） 全球多年平均水量平衡公式為：全球多年平均水量平衡公式為： P0 = E0全球水平衡全球水平衡( (數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)來自John Mbugua et al, 1995) )1.191.1910106 6億億m m3 3陸地年降水量陸地年降水量0.72106億億m3陸地年蒸發(fā)量陸地年蒸發(fā)量4.584.5810106 6億億m m3 3海洋年降水量海洋年降水量5.055.0510106 6億億m m3 3海洋年蒸發(fā)量海洋年蒸發(fā)量v2.2.2 2.2.2 能量平衡原理能量平衡原理 能量守恒定律是水循環(huán)運(yùn)動(dòng)所遵循的另一個(gè)基本規(guī)律，能量

12、守恒定律是水循環(huán)運(yùn)動(dòng)所遵循的另一個(gè)基本規(guī)律，水分的三態(tài)轉(zhuǎn)換和運(yùn)移都時(shí)刻伴隨著能量的轉(zhuǎn)換和輸送。水分的三態(tài)轉(zhuǎn)換和運(yùn)移都時(shí)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(gè)水循環(huán)過程中。的紐帶，貫穿于整個(gè)水循環(huán)過程中。v2.2.2.1 2.2.2.1 地球的輻射平衡地球的輻射平衡 太陽輻射是水循環(huán)的原動(dòng)力，也是整個(gè)地球太陽輻射是水循環(huán)的原動(dòng)力，也是整個(gè)地球大氣系大氣系統(tǒng)的外部能源。統(tǒng)的外部能源。 射入地球的太陽輻射量，其中的射入地球的太陽輻射量，其中的3030仍以短波輻射形仍以短波輻射形式被大氣和地表反射回太空

13、，余下的式被大氣和地表反射回太空，余下的7070在地表與大氣之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（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。形式被再度輻射回太空。 地球的輻射平衡地球的輻射平衡v2.2.2.2 2.2.2.2 熱量傳送熱量傳送 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，約有用的需要外，約有23%23%消耗于海洋表面和陸地表面的蒸發(fā)消耗于海洋表面和陸地表面的蒸發(fā)上

14、。上。 在不同緯度以及海洋和陸地之間，存在著太陽輻射的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。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。一種適宜的生存環(huán)境。 v2.2.2.3 2.2.2

15、.3 地表能量平衡一般方程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：根據(jù)能量守恒原理，地表能量的收支平衡關(guān)系如下： doenAPGHLEAR （）（） 式中：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；波輻射）減去返回大氣的輻射；LE為潛熱通量，其中為潛熱通量，其中L代表汽化潛熱代表汽化潛熱（2.45MJ/Kg2.45MJ/Kg），），E為被蒸發(fā)水量；為被蒸發(fā)水量；H為顯熱通量，代表與大氣的顯熱為顯熱通量，代表與大氣的顯熱交換；交換；G為地中熱傳導(dǎo)，代表通過地表物質(zhì)的熱量傳輸；

16、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 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(xiàng)為移流項(xiàng)（因空氣或水的水平流動(dòng)引起的能量凈損失）。（因空氣或水的水平流動(dòng)引起的能量凈損失）。nRoPeAdAv2.2.2.4 2.2.2.4 土壤土壤植被植被大氣界面的水熱傳輸大氣界面的水熱傳輸 土壤土壤植被植被大氣間的水熱傳輸（大氣間的水熱傳輸（Soil-Vegetation-Atmosphere Tra

17、nsfer, SVAT）問題是陸面過程研究的重點(diǎn)）問題是陸面過程研究的重點(diǎn)之一。之一。 SVAT目前發(fā)展到含有多個(gè)植被層的物理目前發(fā)展到含有多個(gè)植被層的物理- -化學(xué)化學(xué)- -生物生物聯(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。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)行的對土壤現(xiàn)行的對土壤- -植被植被- -大氣連續(xù)體內(nèi)水分交換的估計(jì)，大氣連續(xù)體內(nèi)水分交換的估計(jì)，主要基于能量平衡方程，即利用波紋比能量平衡法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：

18、能量平衡方程可表示為：GHLERn （）（）式中：式中： 為系統(tǒng)的凈輻射；為系統(tǒng)的凈輻射；LE為潛熱通量；為潛熱通量；H為顯熱通量；為顯熱通量；G為界面的熱傳導(dǎo)通量。為界面的熱傳導(dǎo)通量。 nR2.3 2.3 水循環(huán)研究進(jìn)展水循環(huán)研究進(jìn)展v2.3.1 2.3.1 水循環(huán)國際研究計(jì)劃水循環(huán)國際研究計(jì)劃 近些年來，涉及水循環(huán)的一系列全球性研究計(jì)劃相繼近些年來，涉及水循環(huán)的一系列全球性研究計(jì)劃相繼提出，如世界氣候計(jì)劃、環(huán)球大氣計(jì)劃、國際地球物理年、提出，如世界氣候計(jì)劃、環(huán)球大氣計(jì)劃、國際地球物理年、國際水文計(jì)劃、國際生態(tài)計(jì)劃、國際巖石圈計(jì)劃、人與生物國際水文計(jì)劃、國際生態(tài)計(jì)劃、國際巖石圈計(jì)劃、人與生物

19、圈計(jì)劃、全球環(huán)境變化的人文科學(xué)研究計(jì)劃（圈計(jì)劃、全球環(huán)境變化的人文科學(xué)研究計(jì)劃（HDPHDP）、國際）、國際地圈與生物圈計(jì)劃、國際減災(zāi)十年等。各種計(jì)劃的交叉與聯(lián)地圈與生物圈計(jì)劃、國際減災(zāi)十年等。各種計(jì)劃的交叉與聯(lián)系，更加豐富了系，更加豐富了“人與水人與水”關(guān)系的研究內(nèi)容，促進(jìn)人們對人關(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。地關(guān)系、人水關(guān)系的理解。 IGBP IGBP的的“水水循環(huán)的生物循環(huán)的生物圈方面圈方面”核核心計(jì)劃心計(jì)劃（BAHCBAHC） WCRP WCRP的的“全全球能量與水球能量與水循環(huán)實(shí)驗(yàn)循環(huán)實(shí)驗(yàn)”計(jì)劃計(jì)劃（GEWEXGEWEX） 與水循環(huán)研究關(guān)系密切的兩個(gè)大型國際計(jì)劃

20、與水循環(huán)研究關(guān)系密切的兩個(gè)大型國際計(jì)劃2.3.2 2.3.2 水循環(huán)國際研究進(jìn)展水循環(huán)國際研究進(jìn)展 2.3.2.1 2.3.2.1 中小尺度水循環(huán)研究中小尺度水循環(huán)研究 研究范圍一般小于研究范圍一般小于200km200km2 2，主要研究水、熱通量從大，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)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)

21、研究發(fā)展到大氣環(huán)流模式網(wǎng)格理。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(shí)空尺度上的土壤單元時(shí)空尺度上的土壤植被植被大氣系統(tǒng)中能量和水的通大氣系統(tǒng)中能量和水的通用模式（用模式（SVATSVAT）研究。）研究。v2.3.2.2 2.3.2.2 中尺度水循環(huán)研究中尺度水循環(huán)研究 研究范圍為研究范圍為2002002000km2000km2 2，主要利用遙感技術(shù)研究植，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

22、面變化的響應(yīng)，修正大氣環(huán)流模式，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。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。v2.3.2.3 2.3.2.3 大尺度水循環(huán)研究大尺度水循環(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(diǎn)是陸面與氣候相社會圈的水循環(huán)的綜合影響問題，其重點(diǎn)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GCMsGCMs、遙感技術(shù)、世界氣象觀測網(wǎng)來研究水循環(huán)狀況，預(yù)、遙感技術(shù)、世界氣象