第二章降水与蒸发

第一节大气水分的循环与平衡大气水：以水汽、水滴和冰晶形式存在于大气中的水。大气水是降水的来源，也是水资源的初始来源，它通过降水形式补给地表水、土壤水和地下水。大气水含量一般随纬度的降低而升高（0.2%～2.6%）90%的水汽集中在地面以上0～5km的大气层中大气水研究内容：物理化学性质、分布特征、大气水分输送量的计算、大气水分循环和平衡。第一节大气水分的循环与平衡第一节大气水分的循环与平衡计算时现将流域（或区域）概化为平行于经度和纬度的多边形，将实测风速矢量分解为垂直计算边界的分量u和v：式中lu和lv为纬向和经向边界长度为便于计算，规定输入计算区域边界为正，输出计算区域边界为负。第一节大气水分的循环与平衡我国水汽主要由南边界输入，其输入量约占总输入量的42%，超过全年降水总量。东边界是水汽的主要输出边界，多年平均输出量约占全国总输出量的68%。输入研究区域的大气水从以下三方面输出该区域：1、由大气平流方式直接输出研究区域2、通过降水和地表凝结，使部分大气水转化为地表水3、降落在地表的雨水通过蒸发转化为大气水，在一定的天气条件下，它又有一部分降落在地面，形成河川径流，流出区域外，剩下部分随着大气环流以大气水的形态输出研究区域外。第二节降水资料的收集与审查资料收集原则：应尽可能多的占有资料，这样才能得到比较可靠的分析成果。方法：1、除在水资源评价区域内收集雨量站、水文站及气象台资料，还要收集区域外围的降水资料。2、当区域内雨量站密度较大时，可以选择资料质量好、系列较长的雨量站作为分析的主要依据站。3、多雨和降水量变化梯度大的地区，尽可能多选4、山丘区尽可能多选5、平原地区着重考虑雨量站分布均匀第二节降水资料的收集与审查对于网站过密的情况，可用相关系数法进行代表性分析，即用相关系数来论证不同网站密度对降水的代表性。第二节降水资料的收集与审查资料审查（可靠性、一致性、代表性）（一）可靠性审查是指对原始资料的可靠程度进行鉴定1、与邻近站资料比较本站的年降水量与同一年其他站年降水量资料对照比较点绘逐年降水量等值线图及多年平均降水量等值线图相关分析法，离差较大的点进行审查和修正第二节降水资料的收集与审查2、与其他水文气象要素比较降水→径流（二）一致性审查指一个系列不同时期的资料成因是否相同，对于降水资料，其一致性主要表现在测站的气候条件及周围环境的稳定性上。测站位置及测量方法等改变—逆时序修正人类活动引起的变化—顺时序修正第二节降水资料的收集与审查第二节降水资料的收集与审查双累积曲线法通过绘制单站（分析站）累积降水量与多站平均累积降水量关系曲线，对分析站降水资料的一致性进行审查。第二节降水资料的收集与审查(三）代表性分析指样本资料的统计特征能否很好的反映总体的统计特征代表性分析方法也是降水量随时间变化特征的分析方法降水资料的代表性分析，主要通过对年降水系列的周期、稳定性和代表期分析来揭示。第二节降水资料的收集与审查第二节降水资料的收集与审查第二节降水资料的收集与审查第二节降水资料的收集与审查第二节降水资料的收集与审查【例】已知某水文站1949～2000年年降水资料（表），试绘制其差积曲线和5年滑动平均值过程线。第二节降水资料的收集与审查第二节降水资料的收集与审查（3）计算逐年降水量的模比系数离差值Ki-1（4）计算逐年降水量的模比系数差积值∑(Ki-1)（5）点绘∑(Ki-1)～t关系（6）计算5年滑动平均年降水量（7）点绘5年滑动平均年降水量～t关系曲线第二节降水资料的收集与审查第二节降水资料的收集与审查（3）代表期的确定是指样本系列的统计参数能够较好地代表总体（长系列）的时期。第二节降水资料的收集与审查降水资料的插补延展（一）地理插值法1、移动法2、算数平均值法3、加权平均法第二节降水资料的收集与审查第二节降水资料的收集与审查第二节降水资料的收集与审查（三）相关分析法建立插补站降水量与邻近站降水量或其他水文、气象要素之间的相关关系。原则：（1）参证变量与研究变量之间必须有物理成因上的联系（2）参证变量与研究变量应有一定数量的同步观测资料（3）参证变量的系列要足够长。第二节降水资料的收集与审查第三节降水量分析计算第三节降水量分析计算第三节降水量分析计算第三节降水量分析计算点绘经验频率点据先把样本系列由大到小排序，应用数学期望公式计算经验频率P值，并把xi值转化为模比系数Ki，以纵坐标为Ki，横坐标为对应的经验频率，点绘在几率格纸上。选定总体分布线型初定参数（Cv，Cs）根据初定参数进行适配（Kp—P），若不理想另设参数进行适配。选择采用曲线，求总体参数的估值三、年降水量统计参数等值线1、多年平均降水量等值线图的勾绘（1）选择资料质量好、系列完整、面上分布均匀且能反映地形变化影响的雨量站作为主要点据。（2）选择准确、清晰、有经纬度且能分清高山、丘林、平原等的地形图作为工作底图，全国统一要求根据1:25万电子图缩放。（3）多年平均年降水量等值线图线距为：降水量2000mm，线距1000mm；降水量800～2000mm，线距200mm；降水量100～800mm，线距100mm；降水量50～100mm，线距50mm；降水量50mm，线距25mm。第三节降水量分析计算（4）等值线必须与大尺度的地形分水线走向大体一致，切忌横穿山岭。（二）合理性检查（1）从气候、地形及其他地理及其他地理条件等方面检查，研究等值线的梯度、弯曲情况、高值区和低值区的配置是否合理。（2）与以往编制的等值线图进行对比分析，检查高值区和低值区是否对应。（3）将年降水量等值线图与年径流等值线图、年蒸发量等值线图对比对照。（4）与相邻省份的有关图幅检查对照和拼接。第三节降水量分析计算四、区域多年平均及不同频率年降水量的计算（一）补充计算工作（二）多年平均年降水量等值线图的转绘与补充（三）区域降水量的计算第三节降水量分析计算一、降水量的时程变化年内分配年际变化（一）年内分配（1）用多年平均连续最大四个月降水量占全年降水量的百分数和相应的发生月份，粗略地反映年内降水量分布的集中程度和发生季节。（2）在上述分析的基础上，按不同降水类型划分区域，并在各个区域中选择代表站，统计分析不同频率典型年和多年平均降水量月分配。第四节降水量时空分布由于连续最大四个月降水量占全年降水量的百分数在地区上的变化较小，故并不需对所有的测站进行分析计算，只需选择资料质量好、分布均匀、资料系列较长的测站进行分析计算。由各站百分数绘制等值线图。第四节降水量时空分布第四节降水量时空分布第四节降水量时空分布第四节降水量时空分布二、降水量的空间分布掌握降水量的空间变化规律，对国民经济发展规划，特别是农业发展规划具有重要的指导作用，这是因为在不同量级降水地区，适宜于生长的作物也不同。降水量的空间分布可用降水量等值线图来反映，包括多年平均降水量等值线图及多年连续最大四个月平均降水量等值线图等。第四节降水量时空分布流域（区域）蒸发量是流域（区域）面积上的综合蒸发量，包括水面蒸发、土壤蒸发和植物散发三部分。由于水面蒸发与陆地蒸发的机理不尽相同，通常都将水面蒸发和陆地蒸发分别研究的。一、水面蒸发量分析与计算自然水体的水面蒸发反映一个地区的蒸发能力。目前常用的都是通过观测小面积水面蒸发，并找出小面积水面蒸发与大面积水面蒸发之间的关系来间接推求大面积的水面蒸发，这就是常说的蒸发皿法。第五节蒸发（一）蒸发皿折算系数法国内常用的蒸发器有：E601蒸发器、Φ80cm蒸发器、Φ20cm蒸发器。气象部门统一使用Φ20cm蒸发器。建立蒸发器与大型蒸发池的相关关系是目前常用的计算水面蒸发的方法。第五节蒸发Φ80cmΦ20cm为了使不同型号蒸发皿观测到的水面蒸发资料具有相同的代表性，因此必须将不同型号蒸发皿的观测值统一折算为同一蒸发面。式中，E100，E20—面积为100m2,20m2蒸发池的实测蒸发量。Ex—小型蒸发皿实测蒸发量Kz—折算系数第五节蒸发100/zxKEE20/zxKEE20m2蒸发池E601蒸发皿另一种是折算为E601蒸发量的折算系数，即：第五节蒸发601601/ExKEE（二）道尔顿经验公式式中E—蒸发量es—蒸发表面的饱和水汽压，mbared—空气水汽压f(u)—风速函数不同水文站根据实测资料得出了适合于本地区的经验公式：，E0=611Pa第五节蒸发()()sdEfuee202002000.20(10.32)()sEuee17.152350TseEe（三）彭曼经验公式英国农业物理学家Penman于1948年提出了以空气动力学与能量平衡联立的综合法。式中，Δ—气温等于Ta时饱和水汽压与温度曲线斜率Rn—水面净辐射r—干湿表常数Ea—空气干燥力函数第五节蒸发1naRErErΔRnRs—天空短波辐射，即太阳总辐射RA—天空辐射量，与地理纬度和月份有关N，n—天文上可能出现的最大日照时数，实际日照时数a，b—经验系数；α—反射率，0.05RL—地面有效长波辐射第五节蒸发64633.927273273aaaeTT()aaefT(1)nsLRRRsAnRRabNRLσ—斯蒂芬玻尔兹曼常数，5.670×10-12Tk—热力学温度，Tk=273+Taed—空气温度为Ta时的实际水汽压rp—以mbar为单位的大气压力第五节蒸发4(0.560.092)0.10.9LkdnRTeN0.461013prEa式中，u2—2m高处风速（ea-ed）空气饱和水汽压差综上，第五节蒸发20.350.5100aaduEee2(,,,,,)adLEfTupeGt（四）水面蒸发的空间分布1、水面蒸发等值线图的绘制2、等值线图合理性检查（1）一般情况下，气温随高程的增加而降低，风速和日照则随高程的增加而增大，综合影响水面蒸发随高程的增加而减小。（2）平原地区蒸发量一般要大于山区，水土流失严重、植被稀疏的干旱高温地区蒸发量要大于植被良好、湿度较大的地区。（3）水文部门和气象部门的资料各有不同特点，分析时应注意。第五节蒸发（五）水面蒸发的时程分配1、水面蒸发的年内分配2、水面蒸发的年际变化第五节蒸发二、流域蒸发量计算分析流域蒸发即流域的实际蒸发，流域内土壤和水体蒸发以及植被蒸腾散发的总和。（一）计算方法直接观测流域蒸发困难，目前都用水量平衡估算，即流域的年降水量和年径流量相减。这样做把降水和径流的误差全部计入流域蒸发中，使它不准确。但由于资料缺乏，国内还都采用该方法。第五节蒸发M.H.布迪科提出联解月水量平衡方程和蒸发与土壤湿度的经验公式：式中，W2，W1—土壤水分变化层月末、月初含水量E—当月蒸发量，mmR—当月径流量，mmx—当月降雨量，mm第五节蒸发21()xERWERWW（1）式中，W—土壤水分变化层月平均含水量，W=（W1+W2)/2W0—土层临界含水量，当W≥W0时，其蒸发量等于蒸发能力EmEm—当月蒸发能力第五节蒸发0,,mmEEWEW0WW0WW（2）联解上述两式（1），（2）得到：在已知逐月的Em，x，R后，即可用试算法推求各月的流域蒸发量。第五节蒸发2011,12,mmxRE0WW0WW试算法（1）假设第1年中正气温第一个月月初土壤湿度为W1，确定各月的Em（2）用适用于WW0的算式计算W2，如果（W1+W2)/2W0，以计算的W2作为下一个月的W1；反之，如果（W1+W2)/2≥W0，则改用W≥W0的算式计算W2。（3）计算到正气温最后一个月的W2，若恰好等于假设第一个正气温月份的W1，则计算有效；否则重新假定W1，再进行上述计算。（4）W0的大小可用经验方法确定。第五节蒸发（二）流域蒸发时空分布1、流域蒸发空间分布（1）根据实测资料等情况，选定代表流域，用水量平衡法或其他方法计算出各流域多年平均蒸发量，分别标注