大气环流ppt课件水分平衡.ppt

第2章 大气中的水分平衡,第1节水文循环的构成 1 气候系统中的水循环过程 在太阳能量的直接或间接作用下：1）海洋或陆地上的水蒸发，以及由植物和动物蒸腾到大气中；2）大气中的水分以象云这样的凝结态（液态水和冰晶）或以气态（水汽）形式输送；3）然后以雨、雪、雾、冰雹或其它降水形式降到陆地或海洋上；4）有些以蒸发的方式返回到大气之中，有些则渗透到地下，或在地面和地下以径流形式进入河流和小溪中，再回归大海（图12.1）,水文循环有两个主要分支，即陆地分支和大气分支： 陆地分支：包括陆地中或海洋中各种方式的水的流入、流出或存储； 大气分支：主要以汽态形式在大气中输送 地表以蒸发或蒸散作用散失的水或说“输入”的水是大气分支的水汽“输入”，大气分支的流出是水文循环中陆地分支的源气候系统中的水,2.428%,97.57%,0.00001%,(Ternberth et. al.,2007. Estimates of the Global Water Budget and Its Annual Cycle Using Observational and Model Data. Journal of HydrometeorologySpecial section, 8:758-769),海洋: 98.86% 陆地: 1.13% 大气: 0.0000092%,大气中水的循环,水在各种水体中的停留时间可从大气的10天左右到极冰和海洋的几千年（3740）。

平均而言，全球大气中的水汽全部凝结成水，均匀地铺在地球表面仅仅为25 mm的水层，而全球年平均蒸发和降水量约有1m水深，由此可推导出10天左右作一次循环2 水文方程,经典的水文学方程是基于陆地分支的水分平衡而得出的： 其中：S水的贮存率；P降水率；E蒸发率；R0-表面径流；Ru地下径流 对于较大的陆地区域，地下径流通常很小，故经典水文方程可简化成： 其中代表空间平均；“”表示时间平均对于长时间平均和大面积区域，表面和地下水的贮存的变化率同其它项相比很小，故方程又可以简化为 传统水文学的主要兴趣是径流，它可以通过密集的河流测量网而准确测出，而降水则是径流的主要原因应用经典水文学方程估算河水流量的例子,视水汽汇的计算采用倒算法，其公式为： 其中q为比湿，v为水平风矢量，为p坐标垂直速度，L为蒸发潜热参数 水汽汇、水汽通量的垂直积分可表示为： 其中ps为地面气压，由于NCEP高空水汽资料只到300hPa，故pT =300hPa，P和E分别为降水率和地面蒸发率1994年6月北江洪水过程,夏季:高要站水流量与西江流域上空水汽汇标准化距平时间序列实曲线和虚曲线分别代表水汽汇和水流量；实直线和虚直线分别代表水汽汇和水流量的线性回归直线,夏季：石角站水流量与北江流域上空水汽汇标准化时间序列。

第2节 水分平衡方程,单位空气柱的水分总含量可用积分表示： 其中q为比湿，Ps为地表气压，PT为大气上层q0处的等压面，一般取300hPa 由水汽方程及连续方程可知，大气中的水汽收支 其中e、c和D分别表示大气中的蒸发率、凝结率和通过边界的分子和湍流涡动扩散垂直积分上式得到 其中E为地表蒸发率，P为落到地表的降水率这里为单位水平面积空气柱的总的水汽通量（水平），并可展开成 取时间和纬圈平均，得： 方程说明纬带内得总含量的局地变化，是由于该纬带内的平均蒸发 率与平均降水率的差值，以及水汽的经向净输入或输出引起的对于某一等压面上水汽的水平通量辐合项可以分解成： 于是： 其中：MH平均经圈环流对水汽的水平平流输送； Mv平均经圈环流对水汽的垂直平流输送； SE常定涡旋的水汽通量辐散； TE瞬变涡旋的水汽通量辐散注：,第3节 蒸发和降水,低纬度（11N-8S），降水大于蒸发，大气水汽亏损，是水汽汇区；副热带（南北纬度1040），EP，水汽剩余，是源区；中高纬度：PE，是水汽汇区，水汽亏损明显，是与极锋锋面气旋的活动相对应的年平均E-P气候分布图（单位：mm/day）,第4节 平均经圈环流对水汽的输送 一、平均经圈环流的水汽通量,特征： 1）冬半球Hadley环流低层分支是最重要的水汽输送者； 2）对流层中上层通量很小； 3）冬夏两季的共同点：在赤道附近的低层有跨赤道通量，从冬半球向夏半球输送。

二、平均经圈环流对水汽的水平平流 其极大值出现在冬半球（辐散），所在纬度位置与Hadley环流的低层分支相对应三、平均经圈环流对水汽的垂直平流 由于q主要集中在低层，图中负值表示这些区域盛行上升运动热带有Mv的极值中心，绝对数值明显大于水平平流的极值，说明Mv在Hadley环流中对水汽输送的贡献比Mh更加重要Mv在Hadley环流上升支纬度是负值（水平辐合），在下沉支纬度上是正值（水平辐散）,四、平均经圈环流水汽总通量的经向散度,特点： 1）热带地区是强的水汽辐合带；副热带地区有强的辐散；中纬度是弱的辐合带； 2）热带的强辐合主要是垂直平流的贡献，冬季在副热带纬度上的水汽辐散带（相对极大值），以及中纬度弱的水汽辐合，则是水平平流与垂直平流两项共同作用的结果第5节 涡旋对水汽的输送一、常定涡旋通量,二、常定涡旋通量散度（SE）,特征： 1）冬季：5070N有辐合极值阿留申低压、冰岛低压强盛发展的贡献； 2）夏季：2540N有辐合极值季风环流和副高活动的作用三、瞬变涡旋通量,特征： 1）冬夏两季整个北半球的经向水汽通量都是向北输送极大值中心在900700 hPa间，冬30N, 夏50N； 2）南半球，极值40S, 850hPa; 3) 瞬变涡旋对水汽的向两极输送，大部分发生在海洋上，与海洋上气旋的活动相联系。

四、瞬变涡旋通量散度特征：中高纬度辐合、副热带低纬辐散；冬强夏弱第6节 小结,1、在半球范围内，副热带是大气水分的“源”区（冬强、夏弱）热带辐合带（ITCZ）和温带（中高纬度）分别是大气水分的“汇”区，前者冬弱夏强，后者相反 2、在副热带“源”区，水汽的来源依靠下垫面的水蒸发过程；在热带辐合带“汇”区，水汽的流失是通过热对流大降水过程；而在中高纬度“汇”区，水汽的亏损主要是通过锋面气旋活动的降水过程来完成 3、水汽由副热带向赤道辐合带的输送，主要依靠Hadley环流的垂直和水平平流过程（冬强、夏弱）来实现，并补充供给ITCZ和季风区的大降水对水汽的需求4、由副热带向温带的水汽输送，主要由瞬变涡旋和常定涡旋的水汽通量辐散作用来实现，通量要比输送到热带的水汽含量少 5、夏季常定涡旋的水汽通量比冬季强，可能与季风环流有关 6、瞬变涡旋作用在冬季较强的表现，主要是斜压扰动上的气旋波的活动，气旋的前方将暖湿空气输送到中高纬度，气旋的后部却把干冷空气从中高纬度输送到低纬度。