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1、第四章气候系统的水循环WCRP属下的CLIVAR和GEWEX项目以及IGBP属下的BAHCBAHC(BiosphericAspectsoftheHydrologicalCycle)项目的研究主题，是地学界关注的一个焦点。从21世纪开始，这两项内容将合并而成为一个整体,而成为世纪性的科学研究主题之一;水圈/冰雪圈气圈陆圈/生物圈相互作用是地球系统中的基本物理过程；而水份循环则是海陆气相互作用中的一种最活跃，最重要的纽带。两者在全球变化的区域响应中起着关键的作用;是进行准确的季节和年际气候预测的保障,是国家防洪抗旱决策的需要。对于我国经济的持续发展具有重要的意义涉及大气、海洋、地理、水文和生态多种
2、学科。科学意义科学意义主要内容主要内容4.1气候系统的水分循环 4.2地表蒸发的计算4.3降水与地表径流 4.4气候系统的水分输送、水分平衡以及研究进展4.1 气候系统的水分循环气候系统的水分循环 全球水圈的组成水循环25.2106km3全全球球水水圈圈系系统统大气圈中的水雨、雾、露雪、雹、霰、水水蒸汽生物圈中的水体液（细胞外液）细胞液（细胞内液）生物聚合水化物（键合水）地表圈中的水陆地水海洋水泉水、沼泽水池水、塘水、湖水、冰盖和雪盖江水、河水、冰川河口区水浅海水大洋水海洋沉积物孔隙水岩石圈中的水地下水岩浆水聚合水土壤水1350106km3占全球总水量的97%0.0006106km30.013
3、106km38.4106km3（一）全球水圈的组成将进酒将进酒 李白李白 君不见，黄河之水天上来，奔流到海不复回。君不见，黄河之水天上来，奔流到海不复回。君不见，高堂明镜悲白发，朝如青丝暮成雪。人生得意须尽欢，莫使金樽空对月。天生我材必有用，千金散尽还复来。烹羊宰牛且为乐，会须一饮三百杯。岑夫子，丹丘生，将进酒，君莫停。与君歌一曲，请君为我侧耳听。钟鼓馔玉不足贵，但愿长醉不愿醒。古来圣贤皆寂寞，惟有饮者留其名。陈王昔时宴平乐，斗酒十千恣欢谑。主人何为言少钱，径须沽取对君酌。五花马，千金裘，呼儿将出换美酒，与尔同销万古愁。（二）水循环（二）水循环海洋海洋1350101350101515m m3
4、3陆地陆地33.61033.6101515m m3 3大气大气0.013100.013101515m m3 3冰川冰川25地下水（活跃）地下水（活跃）8.4湖河湖河0.2生物圈生物圈0.0006E=3611012m3/YearR0=371012m3/YearP=3611012m3/YearE=621012m3/YearP=991012m3/Year1117140385425（二）水循环（二）水循环1.定义：定义：水分循环：水分循环：水在气候系统各圈层间的永无休止的循环运动；外循环（大循环）：外循环（大循环）：水分由海洋输送到陆地，又回到海洋的循环；内循环（小循环）：内循环（小循环）：由海洋（陆
5、地）通过蒸发的水汽，再以降水的形式直接落到海洋（陆地）的循环。（二）水循环（二）水循环土壤水分(w)陆地水循环陆地水循环海洋水循环海洋水循环全球水循环全球水循环裸地裸地蒸发蒸发雪雪3851112.水分循环的成因：水分循环的成因：（二）水循环（二）水循环内因：内因：水的三种状态及其相互转化外因：外因：热力（太阳辐射）和动力（地球引力）条件3.水分循环尺度水分循环尺度（二）水循环（二）水循环全球水循环全球水循环区域水循环区域水循环水水-土土-植系统水循环植系统水循环4.水分循环的意义水分循环的意义：将气候系统各圈层紧密联系在一起，形成有机整体；输送地球上的能量和物质；使海洋和陆地联系更紧密；可再生
6、资源。（二）水循环（二）水循环都江堰都江堰长江三峡大坝长江三峡大坝“之最之最世界防洪效益最为显著水利工程；世界最大的电站；世界工程量最大的水利工程；世界施工难度最大的水利工程；施工期流量最大的水利工程；世界泄洪能力最大的泄洪闸；世界级数最多、总水头最高的内河船闸；世界规模最大难度最高的升船机；世界水库移民最多、工作最为艰巨的移民建设工程。5.影响水分循环的因素影响水分循环的因素:气象因素气象因素下垫面因素下垫面因素人类改造自然的活动人类改造自然的活动（二）水循环（二）水循环全球水循环的陆地分支全球水循环的陆地分支陆地水循环陆地水循环蒸发地表径流土壤湿度地下水水分过程水分过程4.2 地表蒸发的计
7、算定义定义:蒸发：蒸发：水分从物体表面（蒸发面）向大气逸散的现象。蒸发率：蒸发率：单位时间从蒸发面单位面积上逸散到大气中的水分子数与从大气中返回到蒸发面的分子数的差值（当为正值时）。蒸散蒸散土壤蒸发植被蒸腾。广义的蒸发广义的蒸发=陆面、水面的蒸发+植物的蒸腾+冰雪面的冰雪汽化。4.2 地表蒸发的计算掌握基本概念掌握基本概念自由水面蒸发（湖面、河面）、土壤蒸发、冰面和积雪面的蒸发、蒸腾。需要严格区分的几个基本概念：需要严格区分的几个基本概念：自由水面蒸发（一般用蒸发皿观测），潜在蒸散（最大潜在蒸发）、实际蒸发（观测困难）蒸发皿蒸发皿4.2 地表蒸发的计算影响蒸发率的三个因素：影响蒸发率的三个因素
8、：供水供水供能供能动力条件动力条件蒸发的计算（1）1.梯度（扩散）方法蒸发计算（2）热量平衡方法：其中R为辐射平衡量，L为蒸发潜热系数，为土壤热交换量蒸发计算（3）Penman（1948）的潜在蒸发计算公式：主要用于开阔水面PenmanMonteith 方法：方法：蒸发计算（蒸发计算（4）蒸发计算（5）世界粮农组织发展的PenmanMonteith方法（19901998）：地表蒸发的分布全球全球:由副热带向高纬递减;最大值在副热带海洋,可达2000mm以上/a;最小值出现在副热带大陆.中国中国:从东南（800mm以上/a）向西北（不足50mm/a）减小;夏季最大,冬季最小.全疆年蒸发皿蒸发变化
9、曲线全疆年蒸发皿蒸发变化曲线新疆天山中部博斯腾湖的水位变化新疆天山中部博斯腾湖的水位变化蒸发问题实际蒸发观测资料的缺乏大量的蒸发皿蒸发研究无法给出陆地表面的实际蒸发；蒸发皿蒸发、潜在蒸发和实际蒸发的关系（非常复杂）尚不清楚加强观测、卫星遥感资料的使用土壤水分的计算土壤水分含量的理论计算基本方程式：基本方程式：如果把土壤柱简单的分为两层，那么，对于多孔介质中非饱和水流，通常可略去流体和介质的可压缩性，导出连续方程：利用达西定律：经过一系列简化，可变为非线性FokkerPlanok方程上层饱和层重力毛细管力重力渗透土壤水分的实际计算土壤水分的实际计算EPR0R1R2S:水的储存率P:降水率E：蒸发
10、率（陆地蒸散和冰雪升华）R0：表面径流Ru=R1+R2：地下径流陆地水循环的一个重要过程及它的作用陆地水循环的一个重要过程及它的作用土壤湿度土壤湿度是陆地水循环的一个重要组成部分是陆地水循环的一个重要组成部分对气候变化有重要的作用，也受气候的作用对气候变化有重要的作用，也受气候的作用全球土壤湿度观测站点分布中国土壤湿度观测站点分布1.降水：降水：大气的可降水量：单位面积的空气柱内（从地表到大大气的可降水量：单位面积的空气柱内（从地表到大气顶）的水量气顶）的水量水平输送的水汽量的计算：4.3降水和径流水汽通量水汽通量大气中的水分（大气中的水分（2）大气中总水量的平衡方程：大气中总水量的平衡方程：
11、液态和固态水的变化项全球水循环中的全球水循环中的陆地水循环陆地水循环1.降水：降水：水汽来源：水汽来源：蒸发和水汽输送蒸发和水汽输送形成条件：形成条件：水汽条件、垂直运动、云滴增长过程水汽条件、垂直运动、云滴增长过程空间分布特征：空间分布特征：局地性强局地性强4.3降水和径流1900-20051900-2005年全球陆地降水距平的时间序列年全球陆地降水距平的时间序列（以（以1981-20001981-2000年年GHCNGHCN为平均值）（为平均值）（IPCCIPCC，20072007）全球年降水量分布全球年降水量分布（IPCCIPCC，20012001）中间图为年降水平均趋势（中间图为年降水
12、平均趋势（%百年）分布，四周为年降水时间序列百年）分布，四周为年降水时间序列（19611990年均值的百分比，均值标于每个小图上）年均值的百分比，均值标于每个小图上）1880-19981880-1998年中国东部年中国东部3535站平均四季及年降水量距平站平均四季及年降水量距平（以（以1961-19901961-1990年为基准期）年为基准期）（王绍武等，（王绍武等，19981998）Annual precipitation in North China(trend:-19mm/10a)Annual precipitation in Northeast China(trend:-13mm/10
13、a)新疆全疆温度变化新疆全疆温度变化（）新疆全疆温度变化新疆全疆温度变化新疆全疆降水变化新疆全疆降水变化4.3降水和径流2.径流：地表径流和地下径流径流：地表径流和地下径流形成：由降雨到水流汇集至出口断面的整个物理过程。包括以下几个阶段：降雨过程流域的蓄渗过程坡面漫流过程河网汇流阶段地下径流过程4.3降水和径流2.径流：径流：定义：截留水量：降雨到达地面时，被暂存在地面的植物和建筑物等的表面一部分降雨；超渗水：降雨强度大于下渗强度时，坡面有积水和流水；蓄渗过程：植物截留、下渗及洼地蓄水过程的总称；净水量（产流量）：降水扣除损失后的雨量；地下径流（基流）：雨水经下渗到地下，一部分到达土壤的饱和层
14、抬高地下水位，缓慢注入河流。4.3降水和径流2.径流：径流：特征量：径流总量：在一定时间内通过河川横断面的水量；W=Q*TW:径流总量Q：时段T内单位时间的平均流量4.3降水和径流2.径流：径流：特征量：径流系数：任意时段内流域平均的径流深度与流域平均的降水量之比；=f/r:径流系数f：径流深度r：平均的降水量4.3降水和径流2.径流：径流：特征量：径流变率（模比系数）：任意时段内平均径流量与同期的多年平均径流量之比；Ki=Qi/Q0Ki：径流变率Qi：某时段平均径流量Q0：多年平均的降水量径流量的计算（径流量的计算（1）1.地表径流与下渗（以暴雨为例，地表水分守恒方程）暴雨强度下渗率地面径流
15、率地面蓄水率水量在暴雨状态下，可认为Vs(tr)中没有蒸发和蓄水，则地表径流可写为：关键是对下渗率的计算。地下水地下水地下水：地表以下土层或岩层中的水称为地下水地下水：地表以下土层或岩层中的水称为地下水。地下水的分层非非饱饱和和层层土壤水带中间水带毛管水带地下水面饱饱和和层层径流的计算（径流的计算（2 2）2.地下径流的计算：同样采用水量守恒方程重力水渗速率毛管水上升速率地下水径流速率地下蓄水量的增率4.3降水和径流2.径流：径流：时间分布特征：时间分布特征：年内变化：汛期、平水期、枯水期和冰冻期；年际变化：由降水的年际变化引起的，常用离差系数表示，在中国由南向北逐渐增大；空间分布特征：空间分
16、布特征：由东南向西北减少4.4气候系统的水分输送、水分平衡以及研究进展1.水分平衡：水分平衡：地表水分平衡方程：Ecy=rcy-fy+Wc陆地Esy=rsy+fy+WS海洋Ecy+Esy=rcy+rsy全球E：蒸发r：降水f：径流W：蓄水量变化量4.4气候系统的水分输送、水分平衡以及研究进展 2.海洋的作用海洋的作用1)、对地球大气的系统热力平衡的影响；a）巨大的热能载体b）热能输送2)、在水循环的角色：提供大气的主要水汽来源，并通过蒸发和凝结潜热影响气候变化；3)、对大气运动具有调谐作用：巨大的热惯性调制大气的高频变化为低频变化4)、对温室效应的缓解作用。潜热是提供了大气源源不断的水分和能源
17、潜热是提供了大气源源不断的水分和能源海气相互作用的例子：海气相互作用的例子：El NioEl Nio的作用：对热带大气环流的影响的作用：对热带大气环流的影响 130E18013080WElNio130E18013080WNormal同样，El Nio也将使也将使Hadley环流明显增强环流明显增强El Nio对中高纬度大气环流异常的影响对中高纬度大气环流异常的影响1)、El Nio年年Ferrel环流偏强，中纬度西风也环流偏强，中纬度西风也偏强，而在反偏强，而在反El Nio年，则环流反之。年，则环流反之。2)、在、在El Nio(La Nina)事件发生之后，对流层事件发生之后，对流层上层和
18、平流层低层的纬向风会有明显变化，高纬上层和平流层低层的纬向风会有明显变化，高纬度地区西风明显偏弱（偏强），而副热带地区西度地区西风明显偏弱（偏强），而副热带地区西风明显偏强（偏弱）。风明显偏强（偏弱）。太平洋年代际振荡（PacificDecadalOscillation,PDO）太平洋年代际振荡（太平洋年代际振荡（PDOPDO）和中国北方干）和中国北方干湿变化的关系（湿变化的关系（1951195120052005）暖时段少雨时段干旱时段暖位相暖位相冷时段多雨时段湿润时段冷位相冷位相19761978197719761976年PDOI春季PDOI年湿润指数距平年降水距平年气温距平PDO与华北干旱化
19、趋势与华北干旱化趋势3.研究现状及进展研究现状及进展Global Soil Moisture Project(GSWP)介绍介绍1994年8月，由ISLSCP（theInternationalSatelliteLandSurfaceClimatologyProject）和GEWEX（GlobalEnergyandWaterCycleExperiment）下属的数值实验小组共同主办了一次讨论会，这个讨论会的主题就是讨论如何为大气环流模式提供一个全球土壤湿度资料集，包括模式的土壤湿度初始化问题。会议提出了建立全球土壤湿度资料场的初步计划。1995年形成正式实施，这个计划的实施得到了GEWEX和IG
20、BP中BAHC(theBiosphericAspectsofHydrologicCycle)计划的大力支持。目的：目的：探索建立大尺度有效的土壤湿度和地表通量数据的可行性。GSWP的三个任务组1、TheProductionGroup：10个陆面模式2、TheValidationGroup：实测资料少，只能有限的进行3、TheInter-ComparisonCenter：模式结果的互相比较主要目标：用陆面式建立高分辨率的11的土壤湿度、径流、表面通量资料。GSWPGSWP-2iscloselylinkedtotheISLSCPInitiativeIIdataeffort,andLSSsimula
21、tionsinGSWP-2willencompassthesamecore10-yearperiodasISLSCPInitiativeII(1986-1995).当前亟待研究的问题增暖背景下全球水循环可能变化及机理水循环变化的作用一些研究结果一些研究结果全球水循环的数值模拟全球水循环的数值模拟（BosilovichM.G.etal，2005）降水变化的模拟降水变化的模拟陆地上陆地上海洋上海洋上TheGlobal Energy and Water Cycle Experiment(GEWEX)isaprograminitiatedbytheWorldClimateResearchProgram
22、me(WCRP)toobserve,understandandmodelthehydrologicalcycleandenergyfluxesintheatmosphere,atlandsurfaceandintheupperoceans.GEWEXisanintegratedprogramofresearch,observations,andscienceactivitiesultimatelyleadingtothepredictionofglobalandregionalclimatechange.The goal of the GEWEX is to reproduce and pre
23、dict,by means of suitable models,the variations of the global hydrological regime,its impact on atmospheric and surface dynamics,and variations in regional hydrological processes and water resources and their response to changes in the environment,such as the increase in greenhouse gases.GEWEXwillpr
24、ovideanorderofmagnitudeimprovementintheabilitytomodelglobalprecipitationandevaporation,aswellasaccurateassessmentofthesensitivityofatmosphericradiationandcloudstoclimatechange.Research FociGEWEXiscomposedofseveralcomponentsdesignedtoaddresstheelementsofthescientificfocus,theglobalenergyandwatercycle
25、.Radiation-Determineatmosphericandsurfaceradiationfluxesandheatingwiththeprecisionneededtopredicttransientclimatevariationsanddecadal-to-centennialclimatetrends.Hydrometeorology-Demonstrateskillinpredictingchangesinwaterresourcesandsoilmoistureontimescalesuptoseasonalandannualasanintegralpartofthecl
26、imatesystem.Modeling and Prediction-Developaccurateglobalmodelformulationoftheenergyandwaterbudgetanddemonstratepredictabilityoftheirvariabilityandresponsetoclimateforcing.GEWEX projects are organized by their relationship to the following three research focus areas:Radiation-Determineatmosphericand
27、surfaceradiationfluxesandheatingwiththeprecisionneededtopredicttransientclimatevariationsanddecadal-to-centennialclimatetrends.Hydrometeorology-Demonstrateskillinpredictingchangesinwaterresourcesandsoilmoistureontimescalesuptoseasonalandannualasanintegralpartoftheclimatesystem.Modeling and Predictio
28、n-Developaccurateglobalmodelinformationontheenergyandwaterbudgetanddemonstratepredictabilityoftheirvariabilityandresponsetoclimateforcing.The activities under each research foci are coordinated and guided by their respective panels:GEWEX Radiation Panel(GRP)-GuidesGEWEXradiationprojectsindetermining
29、theradiationbudgetandfluxesintheatmosphereandatthesurface,asanelementofseasonal-to-inter-annualclimatevariability,andtheresponseoftheclimatesystemondecadal-to-centennialtimescalestochangesinanthropogenicforcing.GEWEX Hydrometeorology Panel(GHP)-Coordinatestheplansandthefocusofscientificissuesrelated
30、tothedevelopmentandimplementationoftheContinental-ScaleExperiments(CSEs)andhasoversightofallGEWEXhydrometeorologyandland-surfaceprojects.TheprincipaltaskoftheGHPistoguidetheseprojectsinthegoalofachievingdemonstrableskillinpredictingchangesinwaterresourcesandsoilmoistureasanintegralpartoftheclimatesy
31、stemuptoseasonalandannualtimescales.GEWEX Modeling and Prediction Panel(GMPP)-Overseesdevelopmentandimprovementofcloudandland-surfaceparameterizationschemesofGEWEXModelingandPredictionProjectstoensuretheirsuccessfulintegrationintoglobalcirculationmodels(GCMs).增暖背景下水循环发生变化的事实环环北北极极冰冰盖盖的的变变化化来自NASA，20
32、051989年年2004年年西支冰舌末端告别东支西支冰舌末端告别东支冰川的水平距离达到了冰川的水平距离达到了45m（杨惠安等，（杨惠安等，2005）；）；2004年一号冰川的东年一号冰川的东支发现一支发现一30m2的冰面的冰面湖，与夏季的冰雪融化湖，与夏季的冰雪融化有关有关（李忠勤，（李忠勤，2005）。乌鲁木齐河源一号乌鲁木齐河源一号冰川冰川区域水环区域水环境对全球增暖响应境对全球增暖响应的一个典型例子的一个典型例子水文学：水文学：水文气象学、地表水文学和地下水文学。地表水文学：地表水文学：海洋水文学和陆地水文学。陆地水文学：陆地水文学：河流水文学、湖泊水文学、沼泽水文学、冰川水文学等。河流水文学：河流水文学：水文测验学、河流动力学、实验水文学、水文分析和计算、水文预报。另外，还有工程水文学，是水文学应用于工程建设的技术科学。水体的循环恢复周期:T=W/QT循环恢复周期，d(天)W水体体积，km3Q单位时间进入水体的交换量，km3/d我国地下水的交换周期是我国地下水的交换周期是81天，天，湖泊水的交换周期是湖泊水的交换周期是16天。天。水文学的分支水文学的分支需要掌握的内容需要掌握的内容1、掌握水循环的基本过程（全球水循环示意图）2、了解地表和大气水分循环主要过程的计算3、掌握水循环在全球变化中的作用4、掌握地表、大气能量循环的基本过程5、了解当前相关研究的进展4、总结、总结