水环境气象学

1、 第二章 水环境气象学 天文气象与水环境之间的关系极为密切。早在十五世纪达芬奇在开凿米兰运河的工作中就注意到了自然界中的水循环。1884年俄国的沃叶意柯夫在“世界气候与俄国气候”一书中就提出了“河川是气候的产物”这一科学论断。她指出，河道是水流冲出来的,水流是降水的成果,因此研究水环境科学,一方面必须研究作为水文要素，且是气象要素之一的降水现象。降水与蒸发是水象与气象间互相联系的媒介。19俄国水文学家奥里杰柯普在研究了西欧地区50多处河川流域的年平均雨量与年平均蒸发量的资料之后指出,不使用径流的直接观测资料，只要根据降水量及其他气象要素资料，就可以计算出多种不同流域的蒸发量和径流量。法国人潘劳（60880年）通过测量河水流域面积和年径流量,计算出了区域年降雨雪的总量。水文气象学在十九世纪末和二十世纪初期逐渐形成一门独立的学科。国内周礼卷六冬官考工中也记载有:“水有时以凝，有时以泽,此天时也”,指出水的旱与涝是随同气候的变化而转变的。礼记月令里也记载有“季春之月，令司空日：时而将降,下水将腾,循行国邑，周视旷野,修利堤防,道达沟读”。古代的气象学家们从气候的经验中推定出了降雨的季节,由此

2、估计出河流水位上涨的时间，制定出防洪的措施,在农业灌溉和防御洪水方面起到了重要的作用。 第一节 地球上的水循环水循环是指地球上多种形态的水,在太阳辐射、地心引力等作用下，全球海陆空间水循环过程可分解为水汽蒸发、水汽输送、凝结降水、水分入渗,以及地表、地下径流等5个基本环节。这个环节互相联系、互相影响，又交错并存、相对独立,并在不同的环境条件下，呈现不同的组合，在不同规模的地区，不断地发生相态转换和周而复始运动的水循环过程。从全球整体角度来说,这个循环过程可以设想从海洋的蒸发开始；蒸发的水汽升入空中，并被气流输送至各地,大部分留在海洋上空，少部分进一步内陆。在合适条件下,这些水汽凝结降水。其中海面上的降水直接回归海洋，降落到陆地表面的雨雪，除重新蒸发升入空中的水汽外，一部提成为地面径流补给江河、湖泊,另一部分渗入岩土层中，转化为土壤中流与地下径流。地面径流,土壤中流与地下径流,最后亦流入海洋,构成全球性统一的,持续有序的动态大系统。水的循环是一种十分复杂的过程。水分循环系统是一种水文气象系统，它的蒸发、水汽输送、凝结、云雾和降水过程是气象学所研究的范畴。而降水达到地面后来,入渗、产流、汇

3、流、形成河川径流,则是河流水文学的研究对象。此外，尚有湖泊和水库水文学,沼泽水文学，冰川水文学和海洋水文学(海洋学）等。水文学与气象学分别研究了水分循环系统的两个不同的构成部分，它们之间是互相依附，密不可分，可以说是地球科学中的一对孪生姐妹。一. 水循环体系. 水的大循环和小循环地球上的水分布在海洋、湖泊、沼泽、河流、冰川、雪山，以及大气、生物体、土壤和地层中，因此广义上说,水分循环应涉及地球上所有的水，无论是大气、海洋、地壳,还是生物圈中的水都应纳入这个综合的自然系统中。水圈内所有的水都参与水的循环。海洋有自己的洋流等水圈内部的水循环;大气圈里有随着大气环流进行的大气内部水循环；大气圈与陆地之间，大气圈与洋面之间,也有着蒸发的水汽又形成降水,降落的水分又形成蒸发的直接循环；岩石圈上也存在着水的转换与循环；生物体内也有着生物水的循环。水循环分为大循环和小循环。从海洋蒸发出来的水蒸气,被气流带到陆地上空，凝结为雨、雪、雹等落到地面,一部分被蒸发返回大气，其他部提成为地面径流或地下径流等,最后回归海洋。这种海洋和陆地之间水的往复运动过程,称为水的大循环。仅在局部地区(陆地或海洋）进行的水循

4、环称为水的小循环。环境中水的循环是大、小循环交错在一起的，并在全球范畴内不断地进行着。人体中,从饮水到排出体外只要几小时。而大气中的水，从蒸发进入大气,到形成降水离开大气，完毕一次循环平均说来需要八天左右的时间。如果要将海洋中的水全都蒸发进入大气,完毕一次水分循环过程的话,则要耗上二、三千年的时间。土壤表面上热量和水汽的收支关系是很复杂的。土壤水分特别重要,由于它能贮藏好几种月。温度和环流对土壤湿度非常敏感。土壤初始状态时的湿度对环流和降水的影响可长达几周和几种月。地球上的水循环通过三条重要途径完毕，即降水、蒸发和水蒸汽输送。以雨或雪的形式降落的水量（每年约385000立方千米）中的大部分降落到海洋，然后又蒸发到大气中。尚有一部分以径流或地下水的形式从陆地流向海洋。另一条途径是大气中的气流带着水蒸气从海洋到陆地。图中数字的单位是千立方千米/年。 图2.1.1 地球上的水循环当土壤表面覆盖上冰雪时，由于冰雪盖的反照,可以反射掉太阳大部分的辐射，从而影响地表热量平衡。模式实验表白，当撒哈拉沙漠和美洲高原的反照率增长到045时，那些地区的降水减少1一毫米/日。反照率的增长会加剧土壤的沙漠化。

5、2. 水循环的影响因素影响水循环的因素诸多。自然因素重要有气象条件(大气环流、风向、风速、温度、湿度等）和地理条件(地形、地质、土壤、植被等)。人为因素对水循环也有直接或间接的影响。(1) 自然因素 形成水循环的内因是水在一般环境条件下气态、液态、固态易于转化的特性,外因是太阳辐射和重力作用,为水循环提供了水的物理状态变化和运动的能量。地球上的水分布广泛，贮量巨大,是水循环的物质基本。由于地球上太阳辐射的强度不均匀,不同地区的水循环的状况也就不相似。如在赤道地区太阳辐射强度大，降水量一般比中纬地区多,特别比高纬地区多。(2)人为因素 人类活动不断变化着自然环境,越来越强烈地影响水循环的过程。人类构筑水库,开凿运河、渠道、河网,以及大量开发运用地下水等,变化了水的本来径流路线,引起水的分布和水的运动状况的变化。农业的发展,森林的破坏,引起蒸发、径流、下渗等过程的变化。都市和工矿区的大气污染和热岛效应也可变化本地区的水循环状况。此外,人类生产和消费活动排出的污染物通过不同的途径进入水循环。矿物燃料燃烧产生并排入大气的二氧化硫和氮氧化物,进入水循环能形成酸雨,从而把大气污染转变为地面水和土壤

6、的污染。大气中的颗粒物也可通过降水等过程返回地面。土壤和固体废物受降水的冲洗、淋溶等作用,其中的有害物质通过径流、渗入等途径,参与水循环而迁移扩散。人类排放的工业废水和生活污水，使地表水或地下水受到污染，最后使海洋受到污染。3. 水循环的自净作用 环境中许多物质的互换和运动依托水循环来实现。水在循环过程中，沿途挟带的多种有害物质，可由于水的稀释扩散，减少浓度而无害化,但也也许由于水的流动互换而迁移,导致其她地区或更大范畴的污染。陆地上每年有6101 m3的水带着约3.61 t的可溶解物质流入海洋。水分循环系统是一种水的自然净化系统。水不断地从潮湿的表面蒸发,或者从植物表面蒸腾，当水蒸气进入大气时，大部分杂质留了下来，雨水到了地面通过沙石的过滤和沉淀，成为干净的水源。在这个净化过程中，太阳、海洋和大气象一种巨大的蒸馏装置，时刻不断地运转着。这样由于水分循环的存在使得水成为我们星球上最活跃的物质，它处在永恒的运动状态,不断地散失，又不断地恢复,以气、液、固三态出目前整个生物圈中。在开放的自然系统中，水分循环处在能量与物质的转换和输送的动态平衡，正由于系统平均活动的均衡性，才保持了地球上生物

7、生存的环境条件的长期稳定。1965年斯马戈林斯基等进行过简朴水循环的大气环流的数值实验。这个水循环涉及大尺度运动的水汽的平流,地表的蒸发，降水和为了模拟水分对流过程所作的人工校正，选择了无任何热容量的完全潮湿的地表作为下边界,初始条件为完全干燥和等温的大气。北半球平均降雨率的计算成果与布德科求得的年平均降雨的估算值相接近。海洋是水分循环过程中水的贮藏库,海洋和大气，通过热量、水汽和动量的互换和输送而耦合在一起，最初研究海气耦合模式的是真锅(199年)。近十几年来,这方面的研究己经诸多。随着卫星技术的提高，后来可以由卫星提供海温、海面应力资料,和由卫星测定海洋区域的降水率和水汽浓度,将会更大地增强模式对于水圈的计算能力和计算精度。在研究宏观水分循环系统的同步，也有不少人在研究水分循环的微观过程。例如，把入渗、排水、植物吸水、蒸腾和蒸发这些事件作为发生在一小块单一地面以及其上和其下的局部小尺度过程,进行水分循环中的土壤-植物-大气持续统一的研究,可觉得宏观模型的参数化提供物理根据。第二节 重要的水文气象一. 太阳辐射1. 地理位置与太阳辐射 水循环系统是一种开放的能量系统。进入到地球上的太

8、阳能约有3%消耗于海洋表面和陆地表面的蒸发上，当水汽凝结时,这些能量又重新释放出来。对于整个地球大气系统来说，由于纬度不同和海陆分布不同,不同地区所接受到的太阳辐射能的多少有着很大差别。就全年平均状况看,大概从北纬0o到南纬30o是一种广大的过剩辐射区域,而两个极地周边的高纬度地区是辐射亏损区。海陆之间,在不同的季节有着不同的亏损和盈余。热量从盈余的地区向亏空的地区输送，最后达到了全球的能量平衡。而这种能量输送，重要靠水分循环过程来完毕。国内各地太阳辐射年总量大体在80200千卡/厘米2之间。等值线为14千卡/厘米2，大概从大兴安岭西麓至云南西藏交界处。此外，国内地跨寒、温、热三带，南北纬度相差近o。就东西而言，西部如新疆、西藏、甘肃等西北地区太阳辐射量高于东部；而就南北而言,太阳辐射呈自南向北递减的态势。2. 洋流对太阳辐射的影响 水在海洋中可以形成洋流。在低纬度地区洋流的经向输送作用比较强,而在副热带高压靠极地一侧,大气向极地的热量输送最大。这种能量输送保持了全球的能量平衡，它使得辐射的亏空区不至于太冷，辐射的过剩区不至于太热，为生物提供了一种合适的生活环境。3. 行星风系位置对太

9、阳辐射的影响 水资源是一种气候资源，在很大限度上决定于气候的变化趋势。随着太阳对面地球辐射的季节性变化,行星风系位置和强度都将发生明显的变化，从而影响到低空的大气环流,如国内的江淮的梅雨就与副热带西风急流的削弱北移密切有关，华西秋雨是川黔上空的东风环流变为西风环流所致。4. 厄尔尼诺和拉尼娜现象 当太阳对地球的辐射增强，赤道中东太平洋区的表层海水温度与近年平均值相比，持续个月偏高，就称为厄尔尼诺现象。与此相反,当太阳对地球的辐射削弱,海水温度偏低，则称为拉尼娜现象。厄尔尼诺和拉尼娜均系西班牙语,前者意为“耶稣的小男孩”，后者意为“耶酥的小女孩”。由于这两种异常的自然现象在发生的时间上常常一前一后，因此也被称为“孪生兄妹”。从历史记录看,拉尼娜现象和厄尔尼诺现象的浮现都给全球气候带来了严重的影响。拉尼娜现象使得美国西部地区，南美以及非洲东部地区面临干旱的威胁,非洲东南部和北部则洪涝成灾。厄尔尼诺现象对国内所导致的气候异常重要有如下几种方面:（)台风减少，厄尔尼诺现象发生后,西北太平洋热带风暴（台风)的发生个数及在国内沿海登陆个数均较常年减少。（2)国内北方夏季易发生高温、干旱，一般在厄尔尼诺现象发生的当年，国内的夏季风较弱,季风雨带偏南,位于国内中部或长江以南地区,国内北方地区夏季往往容易浮现干旱、高温。1997年强厄尔尼诺发生后，国内北方的干旱和高温十分明显。（3) 国内南方易发生低温、洪涝，在厄尔尼诺现象发生后的次年,在国内南方,涉及长江流域和江南地区，容易浮现洪涝,近百年来发生在国内的严重洪水,如1931年、1945年和99年，都发生在厄尔尼诺年的次年。一般来说，厄尔尼诺年，印度季风较弱；反之,拉尼娜年，印度季风较强。在8731994年这122年中有18个强季风年,其中有浮现拉尼娜(冷海水事件 ）， 而在个弱季风年中有浮现厄尔尼诺(暖海水事件)。

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