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1、其次章 降 水 与 蒸 发水文学原理及应用水文学原理及应用2.1 大气基础大气基础由地表向上大气层分为：由地表向上大气层分为：1、对流层（、对流层（Troposphere）：）：约约010km范围范围2、平流层（、平流层（Stratosphere）3、中层（、中层（Mesosphere）4、热成层（、热成层（Thermosphere）大气边界层大气边界层(Atmospheric Boundary Layer)：part of the troposphere that is directly influenced by the presence of the earths surface,and
2、 responds to surface forcing with a time scale of about an hour.l近近近近地地地地大大大大气气气气层层层层（地地地地球球球球表表表表面面面面以以以以上上上上1 1 1 12km2km2km2km范范范范围围围围）是是是是全全全全球球球球水循环的一个关键路径；水循环的一个关键路径；水循环的一个关键路径；水循环的一个关键路径；l近近近近地地地地大大大大气气气气层层层层在在在在全全全全球球球球范范范范围围围围内内内内传传传传输输输输水水水水汽汽汽汽和和和和能能能能量量量量，不不不不受受受受大大大大陆陆陆陆或或或或洲洲洲洲际际际际边边边边
3、界界界界的的的的限限限限制制制制，并并并并将将将将大大大大气气气气、海海海海洋洋洋洋和和和和陆陆陆陆地地地地联系在一起。联系在一起。联系在一起。联系在一起。l水水水水汽汽汽汽在在在在近近近近地地地地大大大大气气气气层层层层中中中中的的的的传传传传输输输输和和和和分分分分布布布布是是是是限限限限制制制制降降降降水水水水和和和和蒸发的重要因素之一；蒸发的重要因素之一；蒸发的重要因素之一；蒸发的重要因素之一；l相相相相应应应应的的的的，降降降降水水水水和和和和蒸蒸蒸蒸发发发发确确确确定定定定了了了了土土土土壤壤壤壤和和和和地地地地下下下下水水水水的的的的储储储储量量量量以及不同的河川径流现象。以及不
4、同的河川径流现象。以及不同的河川径流现象。以及不同的河川径流现象。2.1.1 大气中的水循环和能量循环大气中的水循环和能量循环来源陆地 (1.49108km2)海洋 (3.61108km2)全球P=EPERPEBaumgartner and Reichel(1975)75048027010701180970全球水量平衡（单位：mm/y）活跃的地下水土壤水河流大气69801203 25全球不同形式的储水量（单位：mm，按全球面积计算）l大气中的储水量大气中的储水量25 mm/全球的平均蒸发量全球的平均蒸发量1 000mm y-1 =9天天;l河流中的储水量（河流中的储水量（3mm/0.29）/陆
5、地上径流的流速陆地上径流的流速270 mm y-1=14天天.陆地占全球面积的比例陆地占全球面积的比例l水汽在大气中的平均停留时间约为水汽在大气中的平均停留时间约为9 9天。这一时间尺天。这一时间尺度确定了全球大气与地表度确定了全球大气与地表(包括陆地和海洋包括陆地和海洋)之间的之间的相互作用和水分传输。相互作用和水分传输。l陆地的降水一部分蒸发会回到大气，另一部分主要陆地的降水一部分蒸发会回到大气，另一部分主要通过河川径流进入海洋；海洋的蒸发大于降水，海通过河川径流进入海洋；海洋的蒸发大于降水，海洋上空的水汽被传输到陆地上空。洋上空的水汽被传输到陆地上空。l水从液态或固态转变为气态须要大量的
6、潜热，这正水从液态或固态转变为气态须要大量的潜热，这正是地表与大气之间能量转化的机理所在。是地表与大气之间能量转化的机理所在。l作为潜热的水汽在大尺度范围内传输，使地球表面作为潜热的水汽在大尺度范围内传输，使地球表面特殊不匀整的太阳辐射能量得到重新支配。特殊不匀整的太阳辐射能量得到重新支配。2.1.2 大气的物理性质大气的物理性质 在很多状况下，近地大气被认为是志向气体的混合物。为了便利，假设其为固定成分的干空气和水汽的混合物。l混合比（混合比（mixing ratio）：水汽密度与干空气密度之比）：水汽密度与干空气密度之比。水汽的密度水汽的密度没有水汽存在的干空气密度没有水汽存在的干空气密度
7、l比湿（比湿（specific humidity）定义为每单位质量湿空气中水）定义为每单位质量湿空气中水汽的质量。汽的质量。水汽的密度水汽的密度湿空气密度湿空气密度2.2 降水的形成和分类降水的形成和分类降水降水降水降水(Precipitation)(Precipitation)：是指液态或固态的水：是指液态或固态的水：是指液态或固态的水：是指液态或固态的水汽凝合物，从天空下降至地面而成的液态水或固态汽凝合物，从天空下降至地面而成的液态水或固态汽凝合物，从天空下降至地面而成的液态水或固态汽凝合物，从天空下降至地面而成的液态水或固态水的现象。降水是气象要素之一，也是水循环中重水的现象。降水是气象
8、要素之一，也是水循环中重水的现象。降水是气象要素之一，也是水循环中重水的现象。降水是气象要素之一，也是水循环中重要的一个环节。要的一个环节。要的一个环节。要的一个环节。2.2.1 降水的形成降水的形成降水的各种形态：降水的各种形态：雨（雨（雨（雨（Rain)Rain)、雪、雪、雪、雪 (Snow)(Snow)、霰、霰、霰、霰 (Graupel)(Graupel)、雹、雹、雹、雹 (Hail)(Hail)2.2.2 降水形成的四个过程降水形成的四个过程 大气温度降至露点温度大气温度降至露点温度(Cooling of air to approximately the dew-point tempe
9、rature)大气中核凝合形成小水珠或冰晶大气中核凝合形成小水珠或冰晶(condensation on nuclei to form cloud droplets or ice crystals)小水珠或冰晶增大形成雨滴、雪片或冰雹小水珠或冰晶增大形成雨滴、雪片或冰雹(growth of droplets or crystals into raindrops,snowflakes,or hailstones)不断的水汽输入维持上述过程不断的水汽输入维持上述过程(importation of water vapor to sustain the process)大大大大气气气气凝凝凝凝合合合合核
10、核核核：指指指指飘飘飘飘浮浮浮浮在在在在大大大大气气气气中中中中的的的的尘尘尘尘粒粒粒粒，其其其其直直直直径径径径约约约约10-310m10-310m10-310m10-310m。大大大大气气气气凝凝凝凝合合合合核核核核由由由由固固固固态态态态物物物物质质质质、溶溶溶溶液液液液滴滴滴滴或或或或两两两两者者者者的的的的混混混混合合合合物物物物组组组组成成成成，其其其其化化化化学学学学成成成成分分分分很很很很困困困困难难难难，最常见的是氯、氮、碳、镁、钠、钙等化合物。最常见的是氯、氮、碳、镁、钠、钙等化合物。最常见的是氯、氮、碳、镁、钠、钙等化合物。最常见的是氯、氮、碳、镁、钠、钙等化合物。露露
11、点点 (Dew(Dew point)point)：空空气气中中水水汽汽达达到到饱饱和和时时的的温温度度。大大气气温温度度下下降降到到露露点点是是水水汽汽凝凝合合的的必必要要条件。条件。【名词说明】【名词说明】【名词说明】【名词说明】2)2)接触冷却接触冷却接触冷却接触冷却 (Contact Cooling)(Contact Cooling)3)3)气团上升冷却气团上升冷却气团上升冷却气团上升冷却 (Cooling due to vertical uplift)(Cooling due to vertical uplift)：天气过程中的主要冷却方式天气过程中的主要冷却方式天气过程中的主要冷却方
12、式天气过程中的主要冷却方式1)1)辐射冷却辐射冷却辐射冷却辐射冷却 (Radiant Cooling)(Radiant Cooling)2.2.3 降温或空气冷却的起因降温或空气冷却的起因气团气团抬抬升冷却升冷却(Cooling due to vertical uplift)当空气团因某种缘由而抬升，上升愈高则气当空气团因某种缘由而抬升，上升愈高则气压愈低，故空气在上升过程中要膨胀作功，则要压愈低，故空气在上升过程中要膨胀作功，则要消耗能量。但若上升的速度很快，空气团可能来消耗能量。但若上升的速度很快，空气团可能来不及从四周的空气中吸热，则只能从空气团本身不及从四周的空气中吸热，则只能从空气团
13、本身吸取热量，这样，空气团一边上升一边能量消耗吸取热量，这样，空气团一边上升一边能量消耗而冷却。当温度降至露点以下时，则形成了水汽而冷却。当温度降至露点以下时，则形成了水汽凝合的条件。这亦称绝热冷却，是大气降水的主凝合的条件。这亦称绝热冷却，是大气降水的主要缘由。要缘由。2.3 降雨的分类及其特性降雨的分类及其特性 (Types of Rainfall&Their Features)1、对流雨、对流雨(Convective Rain)2、地形雨地形雨(Orographic Rain)3、锋面雨锋面雨(Frontal Rain)4、气旋雨气旋雨(Cyclonic Rain)按气流上升运动的原因，
14、通常把降雨按气流上升运动的原因，通常把降雨分成四个类型：分成四个类型：对流雨对流雨(亦称对流性降雨亦称对流性降雨)发生的条件：发生的条件：地面受辐射温度升高，下层暖湿空气膨胀上地面受辐射温度升高，下层暖湿空气膨胀上升，则暖湿空气在上升过程中形成绝热冷却，水升，则暖湿空气在上升过程中形成绝热冷却，水汽则会凝结成云，汽则会凝结成云，形成形成 降雨。降雨。2.3.1 对流雨（对流雨（Convective Rain）l对对流流雨雨是是在在大大气气不不稳稳定定的的条条件件下下产产生生的的，多多发发生在夏季酷热的午后；生在夏季酷热的午后；l其其水水平平尺尺度度很很小小(0.150公公里里)，降降雨雨历历时
15、时较较短（几特殊钟），形成阵性降水，常称阵雨短（几特殊钟），形成阵性降水，常称阵雨;l降降水水强强度度的的变变更更很很大大。对对流流性性降降水水常常伴伴有有雷雷暴暴（伴有闪电和雷声），称为雷阵雨。（伴有闪电和雷声），称为雷阵雨。对流雨发生的特点：对流雨发生的特点：地形雨形成示意图地形雨形成示意图山山 脉脉 暖暖湿湿空空气气在在运运移移过过程程中中，因因受受地地形形（如如山山脉脉等）影响而被抬升，则由于动力冷却而形成的雨。等）影响而被抬升，则由于动力冷却而形成的雨。地形雨发生的条件：地形雨发生的条件：2.3.2 地形雨（地形雨（Orographic Rain）l因因气气流流（空空气气）的的湿湿度
16、度、温温度度、抬抬升升速速度度及地形特点的差异而不同及地形特点的差异而不同;l地地形形作作用用一一般般使使山山的的迎迎风风面面的的降降水水量量大大，而背风面降水量削减。而背风面降水量削减。地形雨的特点：地形雨的特点：由于不同性质的气团相遇所形成的雨称为锋面雨由于不同性质的气团相遇所形成的雨称为锋面雨。2.3.3 锋面雨（锋面雨（Frontal Rain）l气团气团（Air-mass）：）：物理属性（物理属性主要是温度、物理属性（物理属性主要是温度、湿度、大气静力稳定度等物理量）在水平方向差异很湿度、大气静力稳定度等物理量）在水平方向差异很小的空气质点群体。其水平范围可达几百几万平方小的空气质点
17、群体。其水平范围可达几百几万平方公里，铅直厚度可达几公里至十几公里。公里，铅直厚度可达几公里至十几公里。【名词解释名词解释名词解释名词解释】气团的分类：气团的分类：按按温温度度分分为为：冷冷气气团团（比比其其所所经经下下垫垫面面冷冷）和和暖气团（比其所经下垫面暖）暖气团（比其所经下垫面暖）;按湿度分为：干气团和湿气团；按湿度分为：干气团和湿气团；按静力稳定度可分为：稳定气团和不稳定气团；按静力稳定度可分为：稳定气团和不稳定气团；按按气气团团的的发发源源地地分分为为：极极地地气气团团和和热热带带气气团团两两大大类类，再再按按发发源源地地带带的的海海陆陆差差别别，这这些些气气团团还还可可划划分为一
18、些亚类。分为一些亚类。在北半球的主要气团有在北半球的主要气团有：北北北北冰冰冰冰洋洋洋洋气气气气团团团团：形形成成于于北北极极的的北北冰冰洋洋，空空气气极极寒寒且干燥。且干燥。极极极极地地地地气气气气团团团团：形形成成于于除除北北极极的的中中、高高纬纬度度大大陆陆上上的有极地大陆气团、西伯利亚气团。的有极地大陆气团、西伯利亚气团。赤赤赤赤道道道道气气气气团团团团：形形形形成成成成于于于于赤赤赤赤道道道道海海海海洋洋洋洋上上上上，既既既既热热热热又又又又很很很很潮潮潮潮湿湿湿湿的的的的气团，有时难以将它和热带海洋气团相区分。气团，有时难以将它和热带海洋气团相区分。气团，有时难以将它和热带海洋气团
19、相区分。气团，有时难以将它和热带海洋气团相区分。热热热热带带带带气气气气团团团团：形形成成于于热热带带、副副热热带带的的暖暖气气团团。其其中中形形成成于于大大陆陆上上的的称称为为热热带带大大陆陆气气团团，形形成成于于海洋上的称为热带海洋气团。海洋上的称为热带海洋气团。l l锋面锋面（Frontal Surface）：）：温度或密度差温度或密度差异很大的两个气团相遇，接触区形成一过渡带，异很大的两个气团相遇，接触区形成一过渡带，简称锋面。简称锋面。l l锋线锋线（Surface Front）：）：锋面与地面交线锋面与地面交线称为地面锋线称为地面锋线 ，也简称为锋。，也简称为锋。锋线锋线锋面锋面冷
20、气团冷气团暖气团暖气团 地地 面面气气旋旋：北北（南南）半半球球，由由于于地地球球离离心心力力、偏偏向向力力及及摩摩擦擦力力的的共共同同作作用用下下，大大气气中中水水平平气气流流呈呈逆逆（顺顺）时时针针旋旋转转的的大大型型涡涡旋旋。在在同同高高度度上上，气气旋旋中中心心的的气气压压比比四四周周低低，又称又称低压低压。2.3.4 气旋雨气旋雨（Cyclonic Rain）气旋按其生成的地理位置气旋按其生成的地理位置可分为：可分为：热带气旋和温带热带气旋和温带气旋。气旋。气旋区气流运动特点：气旋区气流运动特点：气旋平面图气旋平面图气旋平面图气旋平面图低气压区低气压区气旋立面图气旋立面图气旋立面图气
21、旋立面图低气压区低气压区 在在低低气气压压中中心心区区，气气流流从从四四周周向向中中心心辐辐合合，垂垂直直方方向向上上运运动动是是上上升升的的，即即暖暖湿湿气气流流辐辐合合上上升升，在在水水平平面面上上温温度度和和湿湿度度变变更更很很大大，故故常常常常有有凝凝合合降降水水现现象象。可可出出现现大大范范围围降降雨雨和和大大风风的的天天气气现现象象，称为气旋雨。称为气旋雨。风速风速平均风力平均风力分分 类类10.817.1m/s68级级热带低气压热带低气压Tropical low atmosphere pressure17.232.7m/s89级级热带风暴热带风暴 Storm1011级级强热带风暴
22、强热带风暴 Strong storm32.7m/s 12级级台风台风 Typhoon（中国气象部门分类法）（中国气象部门分类法）热带气旋分类热带气旋分类（按地面中心旁边风速大小划分）（按地面中心旁边风速大小划分）1)暴雨暴雨(Storm):50 mm/24h暴雨：暴雨：50100大暴雨：大暴雨：100200特大暴雨：特大暴雨：2004)小雨小雨(Light Rainfall)：10 mm/24h2)大雨大雨(Heavy Rainfall)：2550 mm/24h3)中雨中雨(Moderate Rainfall)：1025 mm/24h降雨强度分级：暴雨、大雨、中雨、小雨降雨强度分级：暴雨、大雨
23、、中雨、小雨2.4 降雨的观测降雨的观测 Measurement of Precipitation观测降雨量的常用仪器有：观测降雨量的常用仪器有：观测降雨量的常用仪器有：观测降雨量的常用仪器有：l雨量器雨量器l自记雨量计自记雨量计l气象雷达气象雷达20cm雨量器现场图70 cm20cm雨量器示意图l 雨量器雨量器（Raingauge）雨量器的四个构件：雨量器的四个构件：承雨器，承雨器，漏斗，漏斗，储水储水 瓶，瓶，雨量杯雨量杯虹吸式自记雨量计虹吸式自记雨量计虹吸式自记雨量计记录图虹吸式自记雨量计记录图翻斗式自记雨量计翻斗式自记雨量计气象雷达图像气象雷达图像2.5.1 点降雨特性分析点降雨特性分
24、析2.5 降水的特性分析降水的特性分析 Analysis of Precipitation Characteristics点降雨量（点降雨量（Point RainfallPoint Rainfall）：由于雨量观）：由于雨量观测站观测到的降雨量仅代表其四周小范围内测站观测到的降雨量仅代表其四周小范围内的降水量，故称为点降水量。的降水量，故称为点降水量。降雨量（降雨量（Rainfall amountRainfall amount）：为确定时段内的降）：为确定时段内的降雨总量（一般用雨总量（一般用mmmm1000m3/m21000m3/m2表示）；表示）；降雨历时（降雨历时（Rainfall du
25、rationRainfall duration）：一次降雨所）：一次降雨所阅历的时间（阅历的时间（dayday或或h h）；）；降雨强度降雨强度 (Rainfall intensity)：为单位时间内为单位时间内的降雨量（的降雨量（mm/min或或mm/h）；）；描述降雨特性的几个特征值描述降雨特性的几个特征值:降雨强度过程线降雨强度过程线降雨强度过程线降雨强度过程线图图注：其纵坐标为单位时间的降雨量（即为注：其纵坐标为单位时间的降雨量（即为降雨强度降雨强度），），横坐标为时序，通常以直方图或曲线表示。横坐标为时序，通常以直方图或曲线表示。累积降雨过程线累积降雨过程线注：其横坐标为时序；注：其
26、横坐标为时序；纵坐标为降雨起先到各时段的降雨量的累积值。纵坐标为降雨起先到各时段的降雨量的累积值。累积降雨量曲线累积降雨量曲线图图流域流域平均降水量：平均降水量：通常指面平均雨量，一般由已通常指面平均雨量，一般由已知的各点雨量来推求面雨量。知的各点雨量来推求面雨量。2.5.2 流域降雨分布和流域平均雨量流域降雨分布和流域平均雨量 降降雨雨面面积积（Rainfall area）：指指降降雨雨笼笼罩罩的的水水平平面上的面积，其反映雨区的大小；面上的面积，其反映雨区的大小；降降雨雨中心中心（Rainfall center）：）：指降雨面积上降指降雨面积上降雨量最为集中且范围较小的局部地点雨量最为集中
27、且范围较小的局部地点（区区）。描述流域降雨分布特点：描述流域降雨分布特点：该法适用于流域内地形该法适用于流域内地形起伏不大，雨量站分布起伏不大，雨量站分布较匀整较密的状况。较匀整较密的状况。142365由点雨量估算面平均雨量的常用方法：由点雨量估算面平均雨量的常用方法：式中式中:p i 各雨量站同时期的降雨量各雨量站同时期的降雨量(mm)；n 测站数；测站数；流域平均降雨量。流域平均降雨量。1 1）算术平均法：）算术平均法：分水岭2)泰森多边形法泰森多边形法（面积加权平分法或垂直平分法）（面积加权平分法或垂直平分法）泰森多边形法示意图泰森多边形法示意图A5P5式中式中:流域平均降雨量流域平均降
28、雨量 (mm)A 全全流域面积流域面积 (km2)A1、A2 An 各多边形面积各多边形面积 (km2)p1、p2、pn 各多边形面积内的点降雨量各多边形面积内的点降雨量(mm)各雨量站控制面积与流域面积之比值各雨量站控制面积与流域面积之比值 （称作雨量站权重系数，（称作雨量站权重系数，Weight Coefficient）泰森多边形法计算公式：泰森多边形法计算公式：3)降雨量等值线法降雨量等值线法 fi上的平均各雨深上的平均各雨深(相邻二等雨深线值的平均相邻二等雨深线值的平均)式中，式中，流域平均降雨量流域平均降雨量(mm)；F 全全流域面积流域面积(km2)；fi 两条等雨深线间的部分流域
29、面积两条等雨深线间的部分流域面积(km2)；降雨量等值线法计算公式：降雨量等值线法计算公式：绘制等雨量线需较多站点雨量资料；不同绘制等雨量线需较多站点雨量资料；不同时段的等值线图需重绘，工作量大。时段的等值线图需重绘，工作量大。等值线法的不足点：等值线法的不足点：求流域平均降水量精度较高，适合于地形求流域平均降水量精度较高，适合于地形变化显著的流域；变化显著的流域；能反映出降雨量在空间的实际分布情况。能反映出降雨量在空间的实际分布情况。等值线法的优点：等值线法的优点：可用以下两种降水特性综合曲线来反映流域面可用以下两种降水特性综合曲线来反映流域面降雨量的特性。降雨量的特性。2.5.3 降雨在流
30、域的分布特性分析降雨在流域的分布特性分析降雨在流域的空间分布干脆影响到流域的径流降雨在流域的空间分布干脆影响到流域的径流特征，尤其是洪水的特征。特征，尤其是洪水的特征。面平均雨深面平均雨深面积曲线面积曲线面平均雨深面平均雨深面积面积历时曲线历时曲线降雨等值线图降雨等值线图2.6 我国的降雨特性我国的降雨特性 Precipitation in China我国年平均年降水量：我国年平均年降水量：648 mm648 mm全球陆面全球陆面年年平均降水量：平均降水量：800800 mm mm亚洲亚洲年平均降水量年平均降水量：740740 mm mm 2.5 5 20 40 80 120 160 200
31、300(cm)十分湿润带十分湿润带1600-2000湿润带湿润带半湿润带半湿润带半干旱带半干旱带干旱带干旱带8.0 K8.0 说明丰枯变更很大。说明丰枯变更很大。l北京地区：北京地区：Pmax=1405mm(1959年年)Pmin=242mm(1869年年)K=1405/242=5.8l南方多雨地区：南方多雨地区：K=1.5-3.0 K=1.5-3.0 说明年际间说明年际间降雨相对匀整；降雨相对匀整；l北方少雨地区：北方少雨地区：K=3.0-6.0 K=3.0-6.0 说明丰枯变说明丰枯变更较大；更较大；暴暴 雨雨：指指在在短短时时期期出出现现的的大大量量降降水水，大大暴暴雨雨往往往往形形成成
32、大大洪洪水水。特特大大暴暴雨雨是是一一种种灾灾难难性性天天气气,往往往往造造成成洪洪涝涝灾灾难难和和严严峻峻的的水水土土流流失失,导导致致工工程程失失事事、堤堤防防溃溃决决和和农农作作物物被被淹淹等重大的突发事故。等重大的突发事故。我国暴雨的时空分布特点我国暴雨的时空分布特点按一次降雨的数量来划分：按一次降雨的数量来划分：暴雨：暴雨：50100 mm大暴雨：大暴雨：100200 mm特大暴雨：特大暴雨：200 mml4-64-6月月：东东南南季季风风登登陆陆，大大暴暴雨雨主主要要出出现现在在长长江江以以南南地地区区，是是华华南南地地区区汛汛前前暴暴雨雨和和江江南南梅梅雨雨期期暴雨出现的季节；暴雨出现的季节；l6-76-7月：月：季风南移，暴雨区主要发生在江淮流季风南移，暴雨区主要发生在江淮流域，是长江中下游的梅雨期；域，是长江中下游的梅雨期；l7-87-8月：月：月：月：由于西南与东南季风盛行，暴雨区主要由于西南与东南季风盛行，暴雨区主要发生在华北、川西、东南沿海多发生在华北、川西、东南沿海多热带气旋热带气旋暴雨暴雨。我国大陆上暴雨主要集中在三个时期：我国大陆上暴雨主要集中在三个时期：