第4章气候系统的水循环-课件.ppt

1、4.1 4.1 水的物理性质水的物理性质4.24.2 气候系统中的水气候系统中的水4.34.3 水分循环水分循环4.44.4 地表面蒸发地表面蒸发4.54.5 大气中的水分大气中的水分4.64.6 降水降水4.74.7 径流径流4.84.8 气候系统的水分平衡气候系统的水分平衡4.1 4.1 水的物理性质水的物理性质4.24.2 气候系统中的水气候系统中的水一、水的物理性质热力属性：传热率、比热容二、气候系统中的水1、气候系统的水组成陆地水海洋水l海洋水：海洋是水圈的主体，是地球上水的最大源地。约占地球总水量的96%97%。l陆地水：河流；湖泊；沼泽；地下水；冰川。地地球球上上水水的的组组成成

2、 液液态态水水 97.859%地地表表水水 99.389%海海水水 97.23%海海水水 97.23%固固态态水水 2.14%地地下下水水 0.61%咸咸水水 0.008%湖湖水水 0.017%气气态态水水 0.001%大大气气水水 0.001%淡淡水水 2.762%河河水水 0.000 1%冰冰川川水水 2.14%地地下下水水 0.61%土土壤壤水水 0.005%2、气候系统水的更新速度水体类别水体类别更新时间更新时间（年）（年）水体类别水体类别更新时间更新时间极地冰川极地冰川10000土壤水土壤水1年年海洋海洋2500河流水河流水16日日高山冰川高山冰川1600大气水大气水8日日深部地下水

3、深部地下水1400生物水生物水几个小时几个小时湖泊水湖泊水17全球全球2400年年沼泽水沼泽水5地球上各种水体重水的更新时间25.2106km3全球水圈系统全球水圈系统大气圈中的水雨、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%0.0006106km30.013106km38.4106km34.34.3 气候系统的水分循环气候系统的水分循环 海洋海洋13

4、50135010101515m m3 3陆地陆地33.633.610101515m m3 3大气大气0.0130.01310101515m 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水循环水循环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）

5、：内循环（小循环）：由海洋（陆地）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。水循环水循环土壤水分(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：水循环水循环内因：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 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地表径流下渗降水植物截流土壤水分储蓄渗透毛管水浅层地下水储蓄越流补给深层地下水储蓄植物蒸腾土壤蒸发地下水蒸发陆 面 蒸 发降水地表径流壤中径流

6、不透水面降水蒸发河 川 储 蓄河川径流海洋蒸发降水水面蒸发水汽输送地下径流 气候系统内不同尺度水分循环 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；可再生资源。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。金沙江溪洛渡水电站大坝2019年开始筹建，20

7、19年底主体开工2019年竣工投产总工期约13年。5.影响水分循环的因素影响水分循环的因素:1.气象因素：风、温度、湿度等；2.下垫面因素：地形、地质、地貌、土壤、植被；3.人类活动：水利工程、农林措施等。水循环水循环4.4 地表面蒸发地表面蒸发一、蒸发和蒸散的概念：水分从物体表面既蒸发面向大气逸散的现象称为蒸发。植被地段的地面蒸发和植物蒸腾统称为蒸散。蒸发凝结水二、蒸发率的概念 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水分子数的差值（当为正值时）称为蒸发率（或地面水汽输送通量)，用于表示蒸发面蒸发快慢的特征量，mmh-1.三、蒸发潜热L=24912.177t0

8、 (Jg-1)t0为蒸发面温度蒸发皿蒸发皿影响蒸发率的三个因素：影响蒸发率的三个因素：供水供水供能供能动力条件动力条件:水汽含量梯度，对流，扩散水汽含量梯度，对流，扩散涡动相关法涡动相关法分别是垂直速度、温度、比湿和水平分别是垂直速度、温度、比湿和水平运动的脉动值，湍流脉动仪观测采样运动的脉动值，湍流脉动仪观测采样频率一般为频率一般为10Hz qwLEVwVqTw,TwCHP蒸发的计算（1）总体空气动力学方法总体空气动力学方法 热量总体输送系数热量总体输送系数 T0,T 地面及地面及z高度的温度高度的温度U 是是z高度风速高度风速HC 感（显）热输送通量感（显）热输送通量)(0TTUCCHHp

9、)(qqULCEsEEC水汽总体输送系数水汽总体输送系数qqs,地面及地面及z高度比湿高度比湿 潜热输送通量潜热输送通量蒸发的计算（2）蒸发的计算（4）1.梯度（扩散）方法ZqKE为高度为比湿，为水汽湍流交换系数，为空气密度，其中zqK蒸发计算（5-1）AQAQLEPRzqKEzTCKPp ,因为：TeQRzqZTCLQREApA64.0)(/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（5-2）为常数。、速，为某标准高度的平均分其中实际蒸发：汽压曲线的斜率一定的气温下温度水）湿度计算常数（约为下层土壤的热通量；其中cbauucbaufeeufEGELGREasa

10、aN),()()(66.0/)(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（5-2）)1()()(0asaaspnrrLreecGRET蒸发计算（5-2）世界粮农组织发展的PenmanMonteith 方法（19902019）：)34.01()(273900)(408.022ueeuTGREasn)C(kPaconstant ricpsychromet)C(kPa curve pressure vapour slope Pa)presurre(k vapour actual Pa)pressure(k vapour

11、saturation)(msheight 2mat speed winduC)(height 2mat atureair temperdaily mean T)daym(MJdensity flux heat soilG)daym(MJ surface crop at theradiation net )day(mmpiration evapotrans reference 1-1-1-21-2-1-2-1asneeRE中国年地表蒸发量的空间分布（mm）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

12、以上/a）向西北（不足50mm/a）减小;夏季最大,冬季最小.蒸发研究的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4.5 大气中的水分 一、大气中水含量1、定义：从地面到大气顶单位面积大气柱中的水分含量.2、计算zadzzaW0)(ppadppqgW0)(17月1月P(hPa)30-40N，110-120E区域1971-2000年平均大气水份的垂直变化分布q（g/kg）全球1971-2000年平均大气水分含量的空间分布（可降水量表示，单位：mm）1月7月北半球南半球全球1月7月1

13、93425202227大气中的平均水汽含量(mm)中国大气年水汽含量的分布（mm）二、大气中的水汽输送1.计算从地面到大气顶水汽（E）单位纬向距离在南北方向上的水平输送:001PVqdPgEniiiiPqVgE12/12/11中国东亚季风区1958-2019年夏季平均水汽输送 通量矢量分布(100g/cm*s)2.中国夏季水汽输送特征4.6 降水第六节一、定义云中的液态或固态水在重力作用下，克服空气阻力，从空中降落到地面的现象，称为降水.二、形成条件 水汽，降水形成的物质基础；1.水汽凝结的动力条件.三、降水量分布 60oE 120oE 180o 60oW 80oS 40oS 0o 80oN

14、50050050050050050050050050050050050050050050050050050050050050050050050010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000100010001000200020002000200020002000200020002000200020003000300030003000 120oW 40oN 世界年降水量的分布（1961-1990年平均，mm）中国年降水量的空间分布（1961-1990年，mm）

15、4.7 径流第七节一、径流的形成径流形成过程：由降水到水流汇集至径流形成过程：由降水到水流汇集至出口断面的整个物理过程出口断面的整个物理过程 降水过程；流域的蓄渗过程：植物截留、下渗、洼地蓄水等过程；坡面漫流过程；河网汇流阶段.二、径流特征量 径流总量：一定时间内通过河川横断面的水量，称为径流总量。W=Q*T 径流系数：任意时段内流域平均的径流深度与流域平均降水量之比。=f/r 径流变率（模比系数）：任何时段的平均径流量与同期多年平均径流量之比。Ki=QI/Q0三、径流的时间变化1.季节（年）变化，一年内径流（河槽水位）的变化：汛期、平水期、枯水期；2.径流的年际及年代际变化，同一时期不同年份

16、或年代之间的径流之差异。四、中国的径流分布中国年径流量的空间分布（mm）第八节4.8 气候系统的水分平衡一、水量平衡概念:水分循环的数量表示，即任一区域在某一时段内,水分收入与支出的差等于该区域在该时段内的水量变化,长期意义下,任一区域水量保持收支平衡.二、地面水量平衡方程陆地21IDWWW fErWccc海洋fErWsss通用形式多年平均ycycyfrE陆地：海洋：ysysyfrE全球：sycysycyrrEErE 三、地表水分收支状况区域面积106km2降水量104km3蒸发量104km3径流量104km3海洋大陆全球36114951041.29.951.144.96.251.13.73.

17、7地球上水份平衡 大洋降水量蒸发量大陆边缘地区的径流与临近大洋交换的水量大西洋印度洋太平洋北冰洋78010101210240104013801140120200706023060300130350地球各大洋的水分平衡(mm/a)第七节全球年水量平衡因素水量/km3海洋降水量382000海洋蒸发量419000陆地降水量106000陆地蒸发量69000进入海洋的径流量37000来自陆地蒸发的陆地降水量12000来自海洋蒸发的陆地降水量94000来自陆地蒸发的海洋降水量57000来自海洋蒸发的海洋降水量325000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

18、蒸发雪雪385111中国的水量平衡外流区水分循环数值大于内流区外流区的径流系数大于内流区不同外流区的水分循环数值以及径流系数也不同四、大气的水分平衡1.定义：某一地区在给定的一段时间内，大气柱中总收入的水汽量与总支出的水汽量之差，等于该地区这一时段内大气柱中水汽含量的变化量。2.方程rEQQqagaia大气柱水气量的变化大气柱水汽流入量大气柱水汽流出量蒸发进入大气柱水汽量降水减少大气柱水汽量根据 r-E 平衡和大气通量推算出的水汽平均向北通量（10 14kga-1）纬度706050403020100北半球r-E平衡82310518914242143165大气通量145513725419487105103南半球r-E平衡55218629117352227165大气通量14217522916343225141aQRQqaaR五、地-气系统的水分平衡fErWccc陆地大气rEQqaa地-气系统水分平衡方程fqWQaca3.分布NNJanJuly纬圈平均大气水汽收支的分布(单位:10 5ta-1)，细实线和虚线 分别为总涡动和经圈环流水汽的水平辐合，粗实线为水汽的源（大于零）汇（小于零）分布intertropical convergence zone;ITCZ热带（赤道）辐合带在25N到10S之间本章小结气候系统的水分循环蒸发降水水汽输送径流气候系统的水分平衡