地球上水循环

第二章地球上的水循环第一节水循环概述(4)一、水循环的基本过程和类型二、水循环机理与特征三、水体的更替周期四、水循环作用与效应第二节水量平衡(35)一、水量平衡的相关概念二、通用水量平衡方程三、全球水量平衡方程第三节蒸发(47)一、蒸发的物理机制二、影响蒸发的因素三、蒸发量的计算本章结构第四节：水汽扩散与输送(80)一、扩散现象二、水汽输送第五节降水(97)一、降水要素及降水特征的表示方法二、面降水的计算三、影响降水的因素四、可能最大降水第六节下渗(121)一、下渗的物理过程二、下渗理论与经验公式三、影响下渗的因素第七节径流(136)一、径流的涵义与表示方法二、径流的形成过程三、影响径流的因素第一节水循环概述一、水循环的基本过程和类型•1、水循环的基本过程•水循环：地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。你能想到的水循环/水循环现象有哪些？可以设想这里是起点2、水循环的类型与层次结构•1）水循环的基本类型•根据水循环的路径与规模差异，将全球的水循环分为大循环与小循环。•A、大循环/外循环：发生于全球海洋(、大气)与陆地之间的水分交换过程。•在循环过程中，水分通过蒸发与降水两个环节进行垂向交换；以水汽输送和径流的形式进行横向交换。•B、小循环/内部循环：发生在海洋与大气之间（海洋小循环），或陆地与大气之间（陆地小循环）的水分交换过程。•海洋小循环主要包括海面的蒸发与降水两大环节。•陆地小循环：从水汽来源看，包括陆地蒸发的水汽及海洋输送的水汽；•水汽的地区分布很不均匀，距离海洋越远，水汽含量越少，因而水循环强度具有从海洋向内陆深处逐步递减的趋势。•陆地小循环还分为外流区小循环与内流区小循环。•外流区小循环除自身垂向的水分交换外，还有多余的水量，以地表径流以及地下径流的形式向海洋输送；•与此同时，高空必然有等量的水分从海洋输送到陆地，即陆地小循环还存在与海洋之间的横向水分交换。•试举例外流区小循环和内流区小循环习题：•陆地上内流区，其多年平均降水量等于蒸发量，自成一个独立的水循环系统；•地面上并不直接和海洋相沟通，水分交换以垂向为主；•仅借助于大气环流，在高空与外界之间，进行一定量的水汽输送和交换。塔里木盆地及内流河流冰川融水补给是重要来源。冰川退缩•内流区和海洋之间有联系吗？问题•大循环：发生于全球海洋与陆地之间的水分交换过程；•发生在海洋与大气之间，或陆地与大气之间的水分交换过程。洋流算不算水循环的过程?大洋环流算不算(小的)水循环?水循环的定义应该算！•水循环的动力；•水循环影响范围。讨论：•2）全球水循环系统的层次结构二、水循环机理与特征•1、水循环服从质量、能量守恒定律。•水循环是物质与能量的传输、储存和转化的过程。蒸发中有什么物质和能量传递？二、水循环机理与特征•1、水循环服从质量、能量守恒定律。•水循环是物质与能量的传输、储存和转化的过程。•在蒸发环节中，伴随液态水转化为气态水的是能量的吸收，伴随着凝结降水是潜热的释放，所以蒸发与降水就是地面向大气输送热量的过程。•由降水转化为地面与地下径流的过程，则是势能转化为动能的过程。这些动能成为水流的动力，消耗在沿途的冲刷、搬运与堆积作用中，直到注入海洋才消耗殆尽。•2、太阳辐射与重力作用是水循环的基本动力，此动力不消失，水循环将永恒存在。•水的物理特性，即在常温常压下固态、液态与气态的三相变化是水循环的基本前提；•外部环境包括地理纬度、海陆分布、地貌形态等，它们制约着水循环的路径、规模与强度。如果海洋环流是水循环一种，那地球自转也是水循环的重要动力之一。•3、水循环广及整个水圈，并深入大气圈、岩石圈以及生物圈。在水循环过程中，其循环路径不是单一的，而是通过无数条路径实现循环和相变的，所以水循环系统是由无数不同尺度、不同规模的局部水循环所组合而成的复杂的巨系统。•4、全球水循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统。•5、地球上的水分在交替循环过程中，总是溶解并携带着某些物质一起运动，诸如溶于水中的各种化学元素、气体以及泥沙等固体杂质。但通常意义上的水文循环仅指水分循环。三、水体的更替周期•水体的更替周期是指水体在水循环过程中全部水量被交替更新一次所需要的时间，T=W/ΔW。•更替周期是在有规律地逐步轮换这一假设条件下得出的平均所需时间。水体周期水体周期水体周期极地冰川10000a深层地下水1400a河水16d永冻地带地下水9700a湖泊水17a大气水8d世界大洋2500a沼泽水5a生物水12h高山冰川1600a土壤水1aT为更体周期，W为水体总储水量，ΔW为参与水循环的活动量。•水体更替周期是反映水循环强度的重要指标，也是反映水资源可利用率的基本参数。•事实上，水体的储水量并不是全部都能被利用，只是其中积极参与水循环的那部分水量，由于利用后能得到恢复，才能看作可以利用的水资源；这部分水量的多少，主要决定于水体循环更新速度和周期的长短，循环速度愈快，周期愈短，可开发的水量就愈大。更替周期与水资源可利用率关系应该如何？四、水循环作用与效应•水文循环与地球圈层构造地球表层系由大气圈、岩石圈、生物圈以及水圈组合而成。在这一有序的庞大层次结构中，水圈居于主导地位，正是水圈中的水，通过周流不息的循环运动，积极参与了圈层之间界面活动，并且深入4大圈层内部，将它们耦合在一起。四、水循环作用与效应•水文循环与全球气候水循环一方面受到全球气候变化尤其是大气环流活动的影响，另一方面，它又深入大气系统内部，极其深刻地制约了全球气候。水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者；虽然太阳辐射是地球表层的根本热源，但大气得自太阳的直接辐射仅占其吸收总能量的30%，而来自地面的长波辐射占23%，地面与大气间显热交换占11%，来自蒸发的潜热输送占36%。有人计算，如果大气圈中水汽含量比现在减少一半，地球表面平均气温将下降5˚C。四、水循环作用与效应•水文循环与全球气候水循环一方面受到全球气候变化尤其是大气环流活动的影响，另一方面，它又深入大气系统内部，极其深刻地制约了全球气候。水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者；水循环通过对地表太阳辐射能的重新分配，使不同纬度热量收支不平衡的矛盾得到缓解；问题：如果没有水循环，赤道和两极地区温度会怎么变化？如果没有热平流调节高低纬度热量不均，赤道附近会比现在热10˚C，两极地区会比现在冷20˚C。如果没有水循环调节，气温在赤道附近~40˚C，两极地区-15˚C。四、水循环作用与效应•水文循环与全球气候水循环一方面受到全球气候变化尤其是大气环流活动的影响，另一方面，它又深入大气系统内部，极其深刻地制约了全球气候。水循环是大气系统能量的主要传输、储存和转化者；水循环通过对地表太阳辐射能的重新分配，使不同纬度热量收支不平衡的矛盾得到缓解；水循环的强弱及其路径还直接影响到各地的天气过程。如墨西哥湾流与北大西洋西风漂流使55~70˚N之间的北欧地区比同纬度的大西洋西岸高16-20˚C。如墨西哥湾流与北大西洋西风漂流使55~70˚N之间的北欧地区比同纬度的大西洋西岸高16-20˚C。四、水循环作用与效应•水文循环与地貌形态和地壳运动地壳构造运动奠定了全球海陆分布及陆地表面高山、深谷、盆地和平原等地表形态的基本轮廓，而水循环过程中的各种物理和化学侵蚀、搬运和沉积过程则在地质构造的基础上重新塑造了全球地貌形态。珠穆朗玛峰冰川作用科罗拉多大峡谷流水作用水循环不仅影响地表形态，而且影响到地壳表层内应力的平衡，是触发地震甚至影响地壳运动的重要原因。新丰江水电站1962年3月19日广东新丰江水库6.1级地震,就是水库蓄水过程中地壳荷载变化导致地壳本身积蓄能量的集中释放。冰盖卸载后均衡回调主要分布在南极、格陵兰、北美和北欧等在冰河期形成过大冰盖的地方。四、水循环作用与效应•水文循环与生态平衡水是生命之源，又是生命有机体的基本组成物质……水循环的强度及其时空变化还制约一个地区的生态环境平衡或失调的关键……海南岛西部属于典型的热带半干旱气候区,是我国惟一的热带稀树干草原沙漠化地区降水影响海南岛东西植被差异四、水循环作用与效应•水文循环与水资源开发利用水是廉价、清洁的能源……如果自然界不存在水循环，那水资源亦不能再生，无法持续利用。我国境内冰川储存的静态水资源约相当于５条长江，每年提供的融水量相当于一条黄河，而我国冰川总面积的80％上以在青藏高原。仅喜马拉雅冰川融水径流量，就占全国冰川融水径流总量的12.7％。特别在西北内陆干旱区，冰川融水更是绿洲地区社会进步、生态环境保护的命脉。冰川水资源与冰川退缩南极Adelaide岛冰川退缩(从1986到2001，15年间)。冰川退缩不只是发生在高山四、水循环作用与效应•水文循环与水文现象和水文学科的发展水循环是地球上一切水文现象的根源……研究地球上的水文循环，是认识和掌握自然界错综复杂的水文现象的一把钥匙……水循环与水量平衡的研究引导了以往水文学科的发展，亦将指导水文学的未来……第二节水量平衡一、水量平衡的相关概念1、水量平衡及水量平衡方程•水量平衡：任意选择的区域或水体，在任意时段内，其收入与支出水量之间的差额必等于该时段内某区域或水体蓄水的变化量。•水量平衡是地球上水循环持续不断进行下去的基本前提。•水量平衡方程是水循环的数学表达式，根据不同类型的水循环，可建立不同的水量平衡方程。如通用、全球、海洋、陆地、流域水量平衡方程等。水量平衡研究的意义•通过水量平衡研究，可以定量地揭示水循环过程与全球地理环境、自然生态系统之间的联系、相互制约的关系，揭示水循环过程对人类的影响及人类活动对水循环的消极影响和积极控制作用；•水量平衡是研究水循环系统内在结构和运行机制、分析系统内蒸发、降水及径流等各环节之间内在联系、揭示自然界水文过程基本规律的主要方法……•水量平衡是分析水资源现状评价与供需预测研究工作的核心。•在流域规划、水资源工程系统规划与设计中同样离不开水量平衡工作。二、通用水量平衡方程•水量平衡方程式的通式：•I是水量的收入项，Q为水量的支出项，ds为研究时段内区域或水体内的蓄水变化量；•分别是计算时段Δt内的水量收入、支出与蓄水变化量。sttdtdsQII或sttI、、•以陆地上任一地区为研究对象，沿该地区边界作一垂直柱体，以地表作为柱体的上界,以地面下某一深度为柱体的下界(以界面上不发生水分垂直交换的深度为准),则水量平衡方程式可写做为：•P为时段内降水量；•E1、E2分别为时段内水汽凝结量和蒸发量；•R表、R′表分别为时段内地表流入与流出的水量；•R地下、R′地下分别为时段内地下流入与流出的水量；•S1、S2分别为时段内始末蓄水量。•q为时段内工农业以及生活净用水量；2211RRsqREsREP，地下，表地下表•令E=E2－E1为时段内净蒸发量；Δs=S2－S1为时段内蓄水变化量，则上述水量平衡方程式可以变化为：•此式为通用水量平衡方程式，其简繁程度与研究对象及时段长短有关。•如对于多年平均来说，Δs→0，可忽略不计；•但对于短时段而言，蓄水变化量Δs非但不可忽略，而且必须细分为地表水体蓄水变化量、土壤蓄水变化量、地下水蓄水变化量等。sqREP)R()RR(，地下，表地下表三、全球水量平衡方程•全球水量平衡系由海洋和陆地水量平衡联合组成。1、海洋水量平衡方程式•以全球海洋为研究对象，则任意时段内的水量平衡方程式为：•多年平均状态下Δs海→0，所以•即在多年平均状态下，整个海洋的降水量加上入海径流量与海面水蒸发量处于动态平衡状态。•对于各大洋来说，降水量与入海径流量之和并非等于蒸发量？海海海sPER0ER海海P2、陆地水量平衡方程式陆地上水循环可分为外流区与内流区，其水量平衡方程式可分为外流区和内流区水量平衡方程。1）外流区水量平衡方程•对于外流区来说，任意时段的水量平衡方程为：•P外－E外－R地表－R地下=Δs外•对于多年平均而言Δs外→0