現代水文學2-第二章水文循環(huán)理論與進展

1、第二章 水文循環(huán)理論與進展水循環(huán)理論是水文學的重要基礎內容之一。水循環(huán)是聯系氣圈和生物圈相互作用的紐帶，是水資源可持續(xù)利用的物理基礎。在水循環(huán)的一系列過程中，通過大氣降水、植被截留、地表徑流、入滲、地下徑流、蒸發(fā)和植物蒸騰等各個環(huán)節(jié)，使大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈相互聯系起來，并在它們之間進行水量和能量交換。由于水循環(huán)運動，使大氣降水、地表水、土壤水、地下水之間相互轉化，使水資源形成不斷更新的統(tǒng)一系統(tǒng)。也正是由于水文循環(huán)作用，使水資源成為可再生資源，才能談論水資源的可持續(xù)利用問題。本章將介紹水文循環(huán)的概念、原理及研究進展。這是本書后面章節(jié)研究分布式水文模型、水文生態(tài)耦合系統(tǒng)模型以及水資源可再生

2、性理論、可持續(xù)水資源管理等內容的基礎。2.1 水循環(huán)與水量平衡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重力的作用下，以蒸發(fā)、降水和徑流等方式進行周而復始的運動過程。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，是自然環(huán)境中發(fā)展演變最活躍的因素，并使地球獲得淡水資源。全球水循環(huán)時刻都在進行著，它發(fā)生的領域有：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。水循環(huán)示意如圖。2.1.1.1 海陸間水循環(huán)海陸間水循環(huán)，是指海洋水與陸地水之間通過一系列的過程所進行的相互轉化。具體過程是：廣闊海洋表面的水經過蒸發(fā)變成水汽，水汽上升到空中隨著氣流運動，被輸送到大陸上空，其

3、中一部分水汽在適當的條件下凝結，形成降水。降落到地面的水，一部分沿地面流動形成地表徑流；一部分滲入地下，形成地下徑流。二者經過江河匯集，最后又回到海洋。這種海陸間的水循環(huán)又稱大循環(huán)。通過這種循環(huán)運動，陸地上的水就不斷地得到補充，水資源得以再生。2.1.1.2 內陸水循環(huán)降落到大陸上的水，其中一部分或全部（指內流區(qū)域）通過陸面、水面蒸發(fā)和植物蒸騰形成水汽，被氣流帶到上空。冷卻凝結形成降水，仍降落到大陸上，這就是內陸水循環(huán)。由內陸水循環(huán)運動而補給陸面上水體的水量為數很少。2.1.1.3 海上內循環(huán)海上內循環(huán)，就是海洋面上的水蒸發(fā)成水汽，進入大氣后在海洋上空凝結，形成降水，又降到海面。圖 水循環(huán)示意

4、圖2.1.1.4 水循環(huán)周期據計算，大氣中總含水量約1.29105億立方米，而全球年降水總量約5.77106億立方米，大氣中的水汽平均每年轉化成降水44次（5.77106 / 1.29105），也就是大氣中的水汽，平均每8天多循環(huán)更新一次（365/44）。全球河流總儲水量約2.12104億立方米，而河流年徑流量為4.7105105 / 2.12104 ），亦即河水平均每 16 天多更新一次（365/22）。水是一種世界性的不斷更新的資源，具有取之不竭的特點。但是在一定的空間和時間范圍內，水資源又是有限的。如果人類取用水量超過更新的數量，就要造成水資源的枯竭。2.1.2 全球的水量平衡2.1.2

5、.1 全球儲水量1010億立方米，其中海水約1010億立方米，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%。108億立方米，主要通過海洋蒸發(fā)和水循環(huán)而產生，在全球總儲水量中只占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。108億立方米，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)。2.1.2.2 水量變化規(guī)律地球上的水時時刻刻都在循環(huán)運動，在相當長的水循環(huán)中，地球表面的蒸發(fā)量同返回地球表面的降水量相等，處于相對平衡狀態(tài)，總水量沒有什么變化。但是，對某地區(qū)來說，水量的年際變化往往很明顯

6、，河川的豐水、枯水年常常交替出現。降水量的時空差異性導致了區(qū)域水量分布極其不均。在水文循環(huán)和水資源演變中，水量平衡是一個至關重要的基本規(guī)律。根據水平衡原理，某個地區(qū)在某一段時期內，水量收入和支出差額，等于該地區(qū)的儲水變化量。一般的流域水平衡方程式可表達為：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為流域儲水變量。從多年平均來說，流域儲水變量S的值趨于零。流域多年水平衡方程式為：P0 = E0 + R0 （2.1.2）式中P0、E0、R0分別代表多年的平均降水量、蒸發(fā)量、徑流量。海洋的蒸發(fā)量大于降水量，多年平均降水量平衡方程式可寫為：P0

7、= E0 - R0 （2.1.3）全球多年平均水平衡公式為：P0 = E0據估算，全球平均每年海洋上約有5050000億m3的水蒸發(fā)到空中，而總降水量約為4580000億m3，總降水量比總蒸發(fā)量少470000億m3，這同陸地注入海洋的總徑流量相等。如表。表2.1.1 全球水平衡表（單位：億m3）區(qū)域多年平均蒸發(fā)量多年平均降水量多年平均徑流量海洋50500004580000-470000陸地外流區(qū)域6300001100000470000陸地內流區(qū)域9000090000全球5770000570000掌握水循環(huán)和水平衡的規(guī)律，便可以改變水的時間和空間分布，化“水害”為“水利”。目前，人類活動對水循環(huán)

8、的影響主要表現在調節(jié)徑流和增加降水等方面上。通過修建水庫等攔蓄洪水，可以增加枯水徑流。通過跨流域調水等可以平衡地區(qū)水量的分布。通過植樹造林等能增加入滲，調節(jié)徑流，加大蒸發(fā)，在一定程度上可調節(jié)氣候，增加降水。而人工降雨、人工消雹和人工消霧等活動則直接影響水汽的運移途徑和降水過程，通過改變局部水循環(huán)來達到防災抗災的目的。當然，如果忽視了水循環(huán)規(guī)律，不恰當地改變水的時間和空間分布，如大面積地排干湖泊、過度引用河水和抽取地下水等，就會造成湖泊干枯、河道斷流、地下水位下降等，導致水資源枯竭，給生產和生活帶來不利的后果。因此，了解水循環(huán)的基本規(guī)律，對合理利用自然界的水資源，是十分重要的。2.2 產匯流原理

9、徑流過程是水循環(huán)中最關鍵和最復雜的物理過程。我們知道，降落到陸地上的水，一部分蒸發(fā)，返回大氣；一部分經植物截留、下滲、填洼及地面滯留后，通過不同途徑形成地面徑流、壤中流和地下徑流，匯入江河，流入湖海。產匯流理論便是揭示徑流形成和演變的機制與原理，為水循環(huán)過程的模擬與研究提供重要的理論依據。2.2.1 產流理論2.2.1.1 產流機制產流機制是指降雨產生徑流的基本物理條件，它取決于下墊面結構及降雨特性。目前研究表明，“超滲”產流和“蓄滿”產流是自然界中基本的兩種產流模式，它們是現行流域產流量計算方法的基礎。(1) 超滲產流早在1935年Horton在地表徑流現象論文中明確指出，降雨強度（i）超過

10、地面下滲能力（fp）和包氣帶缺水量（D）得到滿足，即下滲到包氣帶中的水量（I）與其蒸發(fā)量（E）之差超過其缺水量（D），是產流的基本物理條件。Horton斷言：當i fp，IE D時，無徑流產生，河流處于原先的退水狀態(tài)；當i fp，IE D時，河流中將出現尖瘦且漲落洪段大致對稱的洪水過程線，它是由單一地面徑流所形成；當i fp，IE D時，河流中將出現矮胖且漲落洪段大致對稱的洪水過程線，它是由單一地下水徑流所形成；當i fp ，IE D時，河流中將出現漲洪快速、落洪緩慢、具有明顯不對稱的洪水過程線，它顯然由地面和地下兩種徑流成分混合所形成。Horton產流理論正確地闡明了均質包氣帶情況下超滲地面

11、徑流和地下水徑流產生的物理條件。在某種程度上講，他指出了徑流產生的最基本規(guī)律。(2) 蓄滿產流在自然界中，許多情況下包氣帶的巖土結構并非均質，而是具有一定的層次結構。人們從一些流域的退水曲線分析中發(fā)現有多于兩種的徑流成分存在；在一些表層土壤十分疏松、下滲能力很大的地區(qū)，既使降雨強度不夠大，也可以觀測到地面徑流現象。這些現象為經典的Horton產流理論所不能解釋。從20世紀60年代起Hewlett就開始注意到這個問題。直到70年代初，Kirkby等在大量水文實驗研究基礎上提出了一種新的產流理論，稱為山坡水文學產流理論。山坡水文學產流理論揭示了蓄滿產流的機制。在兩種透水性有差別的土層，形成的相對不

12、透水界面上，可形成臨時飽和帶，其側向流動即成為壤中徑流；如果該界面上土層的透水性遠遠好于其下面土層的透水性，則隨著降雨的繼續(xù)，這種臨時飽和帶容易向上發(fā)展，直至上層土壤全部達到飽和含水量，這時如仍有降雨補給，則將出現地面徑流現象。這樣產生的地面徑流有別于超滲地面徑流，故稱為飽和地面徑流。山坡水文學產流理論使得人們對自然界復雜的產流現象有了更深入的認識，是對Horton產流理論的重要補充。（3）界面產流剖析超滲地面徑流、地下水徑流、壤中水徑流和飽和地面徑流等4種基本徑流成分的產生機制，可以發(fā)現任何一種徑流成分都是在兩種不同透水性介質的界面上形成的。這就是所謂界面產流規(guī)律。此時，如果將界面作為下滲面

13、，則任何徑流量都是這樣界面的“超滲量”；但如果著眼于界面以上土層的水量平衡，則又可以得知任何徑流量都是該水量平衡方程式中的“余額”?，F有產流機制的主要不足是，忽略了地形坡度和土層各向異性對產流的影響，對非飽和側向流在壤中流和地下水流形成中的作用也注意不夠。關于地形坡度對產流的影響，1981年，Zaslausky曾引用過這樣一個例子：若用下滲能力作為指標來決定茅草是否可作為蓋屋頂的材料，則必定會作出由于其下滲能力太大而不宜作蓋屋頂材料的結論。但事實上，人們并未發(fā)現雨水透過茅屋頂漏入室內。究其原因，是由于茅屋頂不僅具有陡峻的坡度，而且具有各向異性，即垂直于茅屋頂方向的滲透性遠小于平行于茅屋頂方向的

14、滲透性。可以認為，對地形坡度、土層各向異性及非飽和側向流的作用進行深入的實驗和分析，將會有力地推動對產流機制的進一步研究。2.2.1.2 流域產流分析降落在流域上的雨水，經產流機制的作用，有一部分將通過流域出口斷面流出，這便是流域產流量。在降雨過程中，流域上產生徑流的區(qū)域稱為產流區(qū)，其面積稱為產流面積。流域產流面積的大小及位置在降雨過程中是變化的，這是流域產流的一個重要特點，對其變化規(guī)律的揭示和定量描述，是流域產流量定量計算的關鍵。據觀察，流域產流面積的變化過程一般可描述如下（圖2）：降雨開始前，河流中的水量主要來自流域中包氣帶相對較厚的中、下游地區(qū)的地下水補給，在流域上游地區(qū)，由于土層淺薄，

15、一般是沒有地下水補給枯季徑流的。降雨開始后，流域中易產流的地區(qū)先產流，這時河溝開始向上游延伸，河網密度開始增加。隨著降雨的繼續(xù)，河網密度不斷增加，產流面積不斷擴大，組成了流域出口斷面漲洪段不同時刻的流量。降雨停止后，流域中河網密度逐步減小，河中流量處于消退階段。圖2.2.1 流域產流面積變化（）降雨開始前；（）降雨初期；（）、（）繼續(xù)降雨流域產流面積的變化顯然取決于降雨特性和下墊面特性空間分布的不均勻性及其配合關系。這里涉及的降雨特性主要是降雨量和降雨強度，涉及的下墊面特性主要是包氣帶厚度、土質、土壤結構和初始土壤含水量等。可見，產流面積的變化是十分復雜的。但如果降雨特性的空間分布均勻，則易知

16、產流面積的變化僅與下墊面特性空間分布的統(tǒng)計性質有關。此時，人們曾對蓄滿產流和超滲產流兩種基本產流模式的產流面積變化的基本特點和描述方法進行了討論。為分析蓄滿產流的產流面積變化問題，可引進流域蓄水容量分配曲線，該曲線是一條單增曲線，對一個流域它是唯一的。根據蓄滿產流條件，就可以在流域蓄水容量分配曲線上求得其產流面積變化過程。降雨特性空間分布均勻情況下蓄滿產流的產流面積變化與降雨強度無關，僅隨著降雨量的增加而增加。為分析超滲產流的產流面積變化問題，可引進流域下滲容量分配曲線，該曲線對一個流域不是唯一的，而是以流域蓄水容量為參變量的一組曲線。根據超滲產流條件，就可以在流域下滲容量分配曲線上求得其產流

17、面積變化過程。降雨特性空間分布均勻情況下超滲產流的產流面積變化不僅與降雨強度有關，而且還與降雨過程中流域蓄水容量變化有關。有關流域產流的詳細分析，可查閱有關文獻。由于產流問題的復雜性以及許多過程還未被揭示或認識，使得產流機制研究仍要付出巨大努力。2.2.2 匯流理論2.2.2.1 匯流過程降落在流域上的雨水，從流域各處向流域出口斷面匯集的過程稱為流域匯流。流域匯流包含坡面流、壤中流、地下水流以及河道匯流等多種水流的匯集，可為坡面匯流和河網匯流兩個階段。在坡面匯流階段，雨水經過產流階段扣除損失后形成凈雨，凈雨在坡面匯流過程中，有的沿坡面注入河網成為地面徑流；有的下滲形成表層流（壤中流）和地下徑流

18、再流入河網。地面徑流流速較大且流程短，因而匯流時間較短；地下徑流要通過土層中各種孔隙再匯入河網，流速小，匯流時間較長；表層流介于二者之間。地面徑流在坡面流動過程中，有一部分會滲入土層中成為表層流；而表層流在流動中，部分水流又會回歸地面成為地面徑流。各種水源的徑流進入河網后，即開始河網匯流階段。在該階段，各種水源的水流匯集在一起，從低一級河流匯入高一級河流，從上游到下游，最后匯集到流域出口斷面。因此，該階段不同水源的徑流在匯流時間上就存在著差異。河網中水流的匯流速度比坡面大得多，但因匯流路徑長，匯流時間也較長。上述兩個匯流階段，在實際降雨過程中并無截然的分界，而是交錯進行的。2.2.2.2 匯流

19、的概化由于流域匯流的復雜性，目前還不能用純粹水力學的方法求解水流的運動過程，需要對匯流過程進行概化。實際上，人們也不需要掌握水流在流域空間上和時間上變化的全部發(fā)展過程，只需了解由降水所形成的流域出口斷面的流量過程。一般對流域的概化主要有兩種途徑，一是單位線，二是等流時線。單位線途徑是將流域設想成一種自然積分器，凈雨進入其中，形成一條光滑的出流過程，單位凈雨得到單位線。當假定積分器是線性時，則可以利用迭加原理，通過單位線將凈雨過程轉變?yōu)榱髁窟^程。等流時線則把流域設想成按照相同匯流時間勾繪出的若干等流時面積，每塊面積上的凈雨，按各自的匯流時間平移到流域出口；同時利用迭加原理，將各等流時塊的凈雨轉變

20、成流量過程線。兩種途徑的共同點都是采用卷積，不同點在于單位線按凈雨時序實現卷積，等流時線則按照匯流時間實現卷積。20世紀50年代，水文學家J.E.Nash等將系統(tǒng)概念引入流域匯流，將流域概化成一種水文動力系統(tǒng)，用線性水庫（代表坦化）與線性渠道（代表平移）作為流域系統(tǒng)的概念性組成元件。然后設想凈雨進入流域后經過不同組合的水庫和渠道，最后在流域出口形成出流過程。60年代以后，非線性匯流逐漸為水文學者所關注。80年代中期又開始了地貌瞬時單位線的研究。不同的概化，得出不同的匯流計算模型。非線性單位線與變動等流時線仍然是概化的主流。自然界產匯流機制十分復雜，人類活動的影響又增加了其復雜性。在 2 1世紀

21、，進一步揭示不同氣候和下墊面條件下的產匯流規(guī)律，尤其是探討人類活動對產匯流的影響，仍然是十分重要的研究課題。發(fā)揮多學科交叉與相互滲透的作用，采用新的科學理論和技術，仍然是探求新的產匯流理論和計算方法的重要手段。在流域產流理論和計算方法方面，重點要研究下墊面結構各向異性、地形坡度等在產流中的作用，人類不同的土地利用方式對產流的影響， 以及能分別計算出各種徑流成分的流域產流量計算方法。在流域匯流理論和計算方法方面，重點要研究水系發(fā)展與流域匯流的關系，流域地形地貌與流域匯流的關系，以及在流域匯流計算中尺度對這些關系的影響。2.3 水循環(huán)研究進展水循環(huán)深刻地影響著全球水資源系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的結構和演

22、變，影響自然界中一系列的物理過程、化學過程和生物過程，影響人類社會的發(fā)展和生產活動。自然環(huán)境和社會環(huán)境的變化反過來又影響水循環(huán)。水循環(huán)研究旨在提出精確評估水循環(huán)、水資源、水環(huán)境對全球變化和人類活動的響應模式，為國家的水資源管理、環(huán)境戰(zhàn)略和區(qū)域開發(fā)提供理論決策依據。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)境變化的人文科學研究計劃（HDP）、國際地圈與生物圈計劃、國際減災十年等。各種計劃的交叉與聯系，更加豐富了“人與水”關系的研究內容，將促進人們

23、對人地關系、人水關系的理解。下面僅介紹與水循環(huán)研究關系密切的兩個大型國際計劃。2.3.1.1 IGBP的“水文循環(huán)的生物圈方面”核心計劃（BAHC）全球變化是當今地球科學研究的熱點和難題，而水文循環(huán)在地圈生物圈大氣圈的相互作用中占有顯著地位。1994年后，國際地圈生物圈計劃（IGBP）開始了它的核心項目水文循環(huán)的生物圈方面 ，即Biospheric Aspects of the Hydrological Cycle（BAHC）工作，這是一項專門側重水文學與地圈生物圈和全球變化的交互作用研究。不僅有重大的科學意義，而且對社會可持續(xù)發(fā)展，資源可持續(xù)利用和環(huán)境保護方面有重要的應用價值。BAHC探索的

24、主要問題是：植被如何作用于水文循環(huán)的物理過程? 具體而言它研究水文循環(huán)的生物控制和它們在氣候、水文和環(huán)境的重要性；改進人們對水、碳和能量在土壤植被大氣界面交換的認識；評價那些由于氣候和其他變化而導致的陸面性質的改變，這些變化又影響不同尺度生物圈、大氣圈、水圈和地圈交互作用；估計植物群落與淡水生態(tài)系統(tǒng)在陸面和大氣之間碳、水、能量和其它物質中的作用；改進模擬不同尺度（從微觀到150km）各種尺度過程的能力；研制易理解和簡化的生態(tài)水文模型；提供改進的參數估計技術，它能在世界范圍應用和利用生態(tài)系統(tǒng)土壤和遙感的各種數據庫信息；模擬氣候變化及影響等。進入21世紀，水資源短缺已成為影響國家食物安全、社會穩(wěn)定

25、的重要因素。全球碳循環(huán)、水循環(huán)、食物纖維成為國際IGBP即將啟動的三個關鍵聯合項目。水成為聯系上（全球變化）下（生物圈）的核心紐帶，而這恰是BAHC 的主要研究任務。根據21世紀IGBP發(fā)展方向，BAHC也相應地進行了調整，主要有以下10個具體任務：小尺度水、熱、CO2通量研究；地下水過程作用的評價；地-氣相互作用的參數化；區(qū)域尺度上的土地利用與氣候的相互作用；全球尺度植被與氣候的相互作用；氣候變化和人類活動對流域系統(tǒng)穩(wěn)定與傳輸的影響；山區(qū)水文與生態(tài)；開發(fā)全球數據集；設計、優(yōu)選和實施綜合的陸地系統(tǒng)實驗；發(fā)展與風險/脆弱性的情景分析。2.3.1.2 WCRP的“全球能量與水循環(huán)實驗”計劃（GEW

26、EX）1990年以后，世界氣候研究計劃（WCRP）開展“全球能量與水循環(huán)實驗”計劃（GEWEX）。這是與BAHC計劃相對應的國際研究計劃，WCRP與IGBP都是在90年代興起具有前沿性水文循環(huán)研究。 與BAHC不同，GEWEX是大尺度的，從全球氣候的角度出發(fā)研究水文循環(huán)。BAHC更多地從生態(tài)學的角度研究水文循環(huán)。兩個計劃并不相悖，可以形成互補。目前的GEWEX研究經歷了從19911993年的準備階段，于1994年開始實施研究活動，其主要內容是GEWEX的大尺度水文研究，總的項目名稱為：“GCIP”即GEWEX大陸尺度國際研究。GEWEX研究計劃中的陸地水循環(huán)觀測是核心問題。主要致力于以下活動：

27、改進物理過程的參數化方案，進行陸面過程、云、邊界層的研究。水循環(huán)研究的基本內容是陸地水資源的收支問題，研究動向包括兩個方面：一是研究和定量描述各種物理、化學和生物成分與過程在廣泛的時間和空間尺度上的相互作用。二是研究人類對陸地水循環(huán)的影響作用。分為：對水循環(huán)系統(tǒng)的改變，包括水系的改變和干擾，如，大壩的建造、重大水利工程和土地利用。人類活動對土地覆蓋的改變，并由此所引起的氣候變化和下墊面因素的改變。土地利用及其管理通過增強或減弱滲透而對水循環(huán)產生顯著的影響。洪流產生的強弱，又影響到沉積物和營養(yǎng)成分進入河道。2.3.2 水循環(huán)國際研究進展近年來，通過一系列國際研究計劃的實施，如IGBP的“水文循環(huán)

28、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）等，使水循環(huán)研究取得了很大進展。2.3.2.1 中小尺度水循環(huán)研究研究范圍一般小于200平方公里，主要研究水、熱通量從大氣進入不同植物、積雪場、土壤和水體后的遷移機理；研究不同植物、積雪場、土壤和水體的蒸發(fā)、蒸騰機理。在全球范圍內了解各種土壤、植被和積雪冰川對水的傳輸機理。發(fā)展從植被的小塊到大氣環(huán)流模式網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）。目前，具有代表性的研究成果是農業(yè)水循環(huán)模擬模型（ACRU, Agricultural Catchments Research Unit,

29、Schulze, R.E. 1995），它是一個多用途的具有物理概念的確定性模型。ACRU計算時間步長為天，空間上把土壤分為多層，進行水量平衡計算。模型模擬的單個內部狀態(tài)變量（如土壤濕度）及最終結果輸出（如徑流量或沉積物產量）已經在非洲、歐洲和美洲的不同土地利用狀態(tài)下的實驗場所和流域條件中得到廣泛證實（Schulze,R.E. 1995）。在南非具有混合土地利用性質的Lions河流域（面積為362km2），用ACRU模型模擬的19791993年的水流量與觀測值相比，不僅看上去時間趨勢明顯吻合，而且在十年中最濕潤的年份和最干旱的年份積累徑流量和每月徑流量也模擬得很好（Schulze,R.E. 1

30、997）。2.3.2.2 中尺度水循環(huán)研究研究范圍為2002000平方公里，主要利用遙感技術研究植被水的可利用性蒸散發(fā)氣候之間的關系，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，修正大氣環(huán)流模式，預測區(qū)域環(huán)境變化、區(qū)域開發(fā)對水循環(huán)的影響。目前觀測研究表明，在2002000公里尺度上地表的非均一性，能形成強烈的大氣對流。Vidale等（1997）、Eastman等（1998）和Smith等（1992）通過觀測數據證實了這一點。氣候模型的模擬也表明，在2002000公里區(qū)域尺度上，地表擾動對溫度、降水和其他氣候要素有重要的作用。Bonan等（1992）

31、、Polcher & Laval（1994）、Lean & Rowntree（1997）、Henderson-Sellers等（1993）模擬研究了森林砍伐的影響，Xue（1997）、Nicholson（1998）模擬研究了沙漠化的影響，Chase等（1996,1999）、Zhao等（1999）模擬了土地利用變化的影響。東南亞是全球尺度的敏感地區(qū)，這里地表覆蓋的變化對全球尺度的影響比南美地區(qū)要大。區(qū)域尺度上植被葉面的季節(jié)性變化對全球尺度的溫度和降水特別是高緯度地區(qū)影響很大。Chase等（1996，1997）的研究認為其他地區(qū)大尺度的土地利用變化（例如砍伐森林）對全球變化沒有明顯的影響，高緯度地

32、區(qū)的溫度與赤道的降水存在遙相關，這個結果令人驚訝。Zhao等（1999）使用不同的土地利用格局和不同的氣候模型重復了這組實驗，結果支持了上述結論。Beljaars等（1996）使用ECMWF預報模式研究了地表的敏感性。地面蒸發(fā)的改變，將引起降水的改變。Xue等（1999）的研究發(fā)現，陸地表面參數的變化對亞洲季風的形成、演化和強度有重要影響。Eastman等（1999）、Lu等（1999）研究了大氣圈和陸面過程之間（年以上）長時間尺度的反饋。在這個尺度上，美國中心草原的暴雨明顯受植被變化的影響，反過來，降水又影響了植被的生長。模擬表明，如果這一地區(qū)CO2加倍，氣候將有顯著改變。Pielke等（1

33、998）研究了美國南Florida七、八月份降水和溫度的變化明顯受土地利用變化的影響。19001973年南Florida土地利用發(fā)生了明顯的變化。模擬研究表明，在這種變化格局下，溫度和降水確實受到影響，極端最高溫度上升。實際上，這一地區(qū)的土地利用變化不是溫度和降水變化的唯一動力，但是它是最主要的動力，并且在這個尺度上足以驅動天氣變化。因此，可以下結論說，區(qū)域尺度的擾動能導致大陸尺度氣候的變化，敏感地區(qū)區(qū)域尺度的土地利用變化，能導致地緣上不相鄰的大氣圈遙相關地區(qū)的氣候變化。2.3.2.3 大尺度水循環(huán)研究主要關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。重點是陸面與氣候相互作用、

34、水文學過程與生物圈過程的氣候強迫、陸面反饋機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、世界氣象觀測網來研究水循環(huán)狀況，預測水循環(huán)變化。模擬全球水文循環(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循環(huán)和能量循環(huán)。為了扭轉由于流域絕對大小而導致細節(jié)泛濫的趨勢，應采取從宏觀出發(fā)，根據需要向微觀方向發(fā)展的方法。這種方法與傳統(tǒng)的由微觀向宏觀的途徑相反，使問題大大簡化。把大流域分成亞流域，把復雜的亞流域再細分成次一級的亞流域。亞流域描述可以通過把以絕對統(tǒng)計為基礎的物理過程簡單概念化后建立起來，不必力求模仿大自然的詳細公式準確地再現自然過程，只需要把亞

35、流域范圍的自然過程進行統(tǒng)計描述。因此，如果統(tǒng)計描述合理，概念模型就可以比物理模型應用于更廣闊的尺度范圍。大尺度水循環(huán)研究進展：Otterman等（1984）、Harvey等（1988,1989）研究了在植被和大氣反饋下地球軌道驅動力對氣候的作用。Foley等（1994）研究表明，氣候對土地覆蓋變化的響應，與雪蓋-森林植被的反照率的反饋有關。生物地理的反饋有助于全新世中期高溫氣候的形成，但相反的例子是115kaBP前Eemian暖期的結束。Harvey（1989）、Berger等（1992,1993）、deNoblet等（1996）的研究表明，植被-雪-反照率反饋機制對北半球變冷作用明顯。Jol

36、ly等（1998）、Hoelzmann等（1998）研究表明，全新世中期北非比現在更綠。Texier等（1997）、Kutzbach等（1996）、Brostrom等（1998）發(fā)現了北非地區(qū)植被與降水之間存在弱的正反饋。Claussen & Gayler（1997）發(fā)現了一個強的正反饋使西Sahara和部分東Sahara地區(qū)幾乎全部變綠。Claussen & Gayler（1997） 和 Claussen等（1998）解釋說這個正反饋是由于Sahara沙漠的高反照率與大氣環(huán)流的相互作用。他們在諸如水汽輻合、對流降水等大氣水文學方面擴充了Charney理論。Clussen等（1999）使用大氣海洋植被耦合模型（Canopolski等1998）研究了北非的沙漠化問題。模擬表明，地球軌道驅動力觸發(fā)了Sahara氣候的快速變化。Claussen等（1999）的研究表明，非洲濕期的結束不僅是由于這個地區(qū)的大