1、第第2章章 大气中的水分平衡大气中的水分平衡 第第1节节 水文循环的构成水文循环的构成1 气候系统中的水循环过程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：在太阳能量的直接或间接作用下：1）海洋或陆地上的水）海洋或陆地上的水蒸发，以及由植物和动物蒸腾到大气中；蒸发，以及由植物和动物蒸腾到大气中；2）大气中的水）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）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；形式输送；3）然后以雨、雪、雾、冰雹或其它降水形式）然后以雨、雪、雾、冰雹或其它降水形式降到陆地或海洋上；降到陆地或海洋上；4）有些以蒸发的方式返回到大气之
2、）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和大气分支：陆地分支陆地分支：包括陆地中或海洋中各种方式的水的流入、流：包括陆地中或海洋中各种方式的水的流入、流出或存储；出或存储；大气分支大气分支：主要以汽态形式在大气中输送。：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地表以蒸发或蒸散作用散失的水或说“输入输入”的水是的水是大气分支的水汽大气分支的水汽
3、“输入输入”，大气分支的流出是水文循环中，大气分支的流出是水文循环中陆地分支的源。陆地分支的源。 气候系统中的水气候系统中的水 2.428%97.57%0.00001%(Ternberthet.al.,2007. EstimatesoftheGlobalWaterBudgetandItsAnnualCycleUsingObservationalandModelData.Journal of HydrometeorologySpecialsection,8:758-769)海洋海洋: 98.86%陆地陆地: 1.13%大气大气: 0.0000092%大气中水的循环大气中水的循环 水在各种水体中的
4、停留时间可从大气的水在各种水体中的停留时间可从大气的10天天左右到极冰和海洋的几千年（左右到极冰和海洋的几千年（3740）。平均而）。平均而言，全球大气中的水汽全部凝结成水，均匀地铺言，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在地球表面仅仅为25 mm的水层，而全球年平均的水层，而全球年平均蒸发和降水量约有蒸发和降水量约有1m水深，由此可推导出水深，由此可推导出10天天左右作一次循环。左右作一次循环。 2 水文方程水文方程 经典的水文学方程是基于陆地分支的水分平衡而得出经典的水文学方程是基于陆地分支的水分平衡而得出的：的：其中：其中：S水的贮存率；水的贮存率；P降水率；降水率；E
5、蒸发率；蒸发率；R0-表面径流；表面径流；Ru地下径流。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：文方程可简化成：其中其中代表空间平均；代表空间平均；“”表示时间平均。表示时间平均。 uRREPS00REPS对于长时间平均和大面积区域，表面和地下水的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，故方程又可以简化贮存的变化率同其它项相比很小，故方程又可以简化为为 传统水文学的主要兴趣是径流，它可以通过密集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的
6、河流测量网而准确测出，而降水则是径流的主要原因。因。 0RPE应用经典水文学方程估算河水流量的例子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：视水汽汇的计算采用倒算法，其公式为： 其中其中q为比湿，为比湿，v为水平风矢量，为水平风矢量， 为为p坐标垂直速度，坐标垂直速度，L为蒸发潜热参数。为蒸发潜热参数。 水汽汇、水汽通量的垂直积分可表示为：水汽汇、水汽通量的垂直积分可表示为：其中其中ps为地面气压，由于为地面气压，由于NCEP高空水汽资料只到高空水汽资料只到300hPa，故，故pT =300hPa，P和和E分别为降水率和地分别为降水率和地面蒸发率。面蒸发率。 pq
7、qtqLQv2)(122EPLdpQgQSTpp1994年年6月北江洪水过程月北江洪水过程1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005-3-2-10123(b)年夏季: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 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005-2-10123(b)年夏季：石角站水流量与北江流域上空水汽汇标准化时间序列。 第第2 2节节 水分平衡方程水分平衡方程 单位空气柱的水分
8、总含量可用积分表示：单位空气柱的水分总含量可用积分表示：其中其中q q为比湿，为比湿，PsPs为地表气压，为地表气压，P PT T为大气上层为大气上层q q0 0处的等压面，一处的等压面，一般取般取300hPa300hPa。由水汽方程及连续方程可知，大气中的水汽收支由水汽方程及连续方程可知，大气中的水汽收支其中其中e e、c c和和D D分别表示大气中的蒸发率、凝结率和通过边界的分子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。垂直积分上式得到和湍流涡动扩散。垂直积分上式得到 其中其中E E为地表蒸发率，为地表蒸发率，P P为落到地表的降水率。为落到地表的降水率。 STPPqd
9、pgW1DcepqqVtqPEQtWdpVqgtWsTPP22)1(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：取时间和纬圈平均，得： 方程说明纬带内得总含量的方程说明纬带内得总含量的局地变化局地变化，是由于该纬带内的，是由于该纬带内的平均蒸发平均蒸发率与平均降水率的差值率与平均降水率的差值，以及，以及水汽的经向净输入或输出水汽的经向净输入或输出引起的。引起的。 jQiQqvdpgjqudpgiQSTTPPPsP)1()1(coscos1PEQatW对于某一等压面上水汽的水平通量辐合项可以分解成：对
10、于某一等压面上水汽的水平通量辐合项可以分解成： 于是：于是： 其中：其中：MH平均经圈环流对水汽的水平平流输送；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；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；常定涡旋的水汽通量辐散； TE瞬变涡旋的水汽通量辐散。瞬变涡旋的水汽通量辐散。 coscos1coscos1coscoscoscos1*vqavqavaqqavqvaTESEMMQqVHcoscos1STPPPsPTVdppqgdpvaqgM1coscos1注：注：第第3 3节节 蒸发和降水蒸发和降水 低纬度（低纬度（11N-8S11N-8S），降
11、水大于蒸发，大气水汽亏损，是水汽汇区；副热带），降水大于蒸发，大气水汽亏损，是水汽汇区；副热带（南北纬度（南北纬度10104040），），EPEP，水汽剩余，是源区；中高纬度：，水汽剩余，是源区；中高纬度：PEPE，是水汽汇区，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。水汽亏损明显，是与极锋锋面气旋的活动相对应的。 年平均年平均E-P气候分布图（单位：气候分布图（单位：mm/day）第第4 4节节 平均经圈环流对水汽的输送平均经圈环流对水汽的输送 一、平均经圈环流的水汽通量一、平均经圈环流的水汽通量 特征：特征： 1 1 ） 冬 半 球） 冬 半 球HadleyHadley环流
12、低层环流低层分支是最重要的分支是最重要的水汽输送者；水汽输送者；2 2）对流层中上层）对流层中上层通量很小；通量很小；3 3）冬夏两季的共）冬夏两季的共同点：在赤道附同点：在赤道附近的低层有跨赤近的低层有跨赤道通量，从冬半道通量，从冬半球向夏半球输送。球向夏半球输送。二、平均经圈环流对水汽的水平平流二、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），所在纬度位置与其极大值出现在冬半球（辐散），所在纬度位置与HadleyHadley环流环流的低层分支相对应。的低层分支相对应。 三、平均经圈环流对水汽三、平均经圈环流对水汽的垂直平流的垂直平流 由于由于qq主要集中在主要集中在低层，图中
13、负值表示这些低层，图中负值表示这些区域盛行上升运动。热带区域盛行上升运动。热带有有MvMv的极值中心，绝对的极值中心，绝对数值明显大于水平平流的数值明显大于水平平流的极值，说明极值，说明MvMv在在HadleyHadley环流中对水汽输送的贡献环流中对水汽输送的贡献比比MhMh更加重要。更加重要。MvMv在在HadleyHadley环流上升支纬度是环流上升支纬度是负值（水平辐合），在下负值（水平辐合），在下沉支纬度上是正值（水平沉支纬度上是正值（水平辐散）辐散） 四、平均经圈环流水汽总通量的经向散度四、平均经圈环流水汽总通量的经向散度 特点：特点： 1 1）热带地区是强）热带地区是强的水汽辐合
14、带；副热的水汽辐合带；副热带地区有强的辐散；带地区有强的辐散；中纬度是弱的辐合带；中纬度是弱的辐合带； 2 2）热带的强辐合）热带的强辐合主要是垂直平流的贡主要是垂直平流的贡献，冬季在副热带纬献，冬季在副热带纬度上的水汽辐散带度上的水汽辐散带（相对极大值），以（相对极大值），以及中纬度弱的水汽辐及中纬度弱的水汽辐合，则是水平平流与合，则是水平平流与垂直平流两项共同作垂直平流两项共同作用的结果。用的结果。 第第5 5节节 涡旋对水汽的输送涡旋对水汽的输送一、常定涡旋通量一、常定涡旋通量 二、常定涡旋通量散度（二、常定涡旋通量散度（SE）特征：特征：1 1）冬季：）冬季：505070N70N有辐合
15、有辐合极值极值阿留申低压、阿留申低压、冰岛低压强冰岛低压强盛发展的贡盛发展的贡献；献；2 2）夏季：）夏季：252540N40N有辐合有辐合极值极值季季风环流和副风环流和副高活动的作高活动的作用。用。三、瞬变涡旋通量三、瞬变涡旋通量 特征：特征：1 1）冬夏两季整个北）冬夏两季整个北半球的经向水汽半球的经向水汽通量都是向北输通量都是向北输送。极大值中心送。极大值中心在在900900700 hPa700 hPa间 ， 冬 间 ， 冬 3 0 N , 3 0 N , 夏夏50N50N；2 2）南半球，极值）南半球，极值40S, 850hPa;40S, 850hPa;3) 3) 瞬变涡旋对水汽瞬变涡
16、旋对水汽的向两极输送，的向两极输送，大部分发生在海大部分发生在海洋上，与海洋上洋上，与海洋上气旋的活动相联气旋的活动相联系。系。 四、瞬变涡旋通量散度四、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。特征：中高纬度辐合、副热带低纬辐散；冬强夏弱。 第第6 6节节 小结小结 1 1、在半球范围内，副热带是大气水分的、在半球范围内，副热带是大气水分的“源源”区（冬区（冬强、夏弱）。热带辐合带（强、夏弱）。热带辐合带（ITCZITCZ）和温带（中高纬）和温带（中高纬度）分别是大气水分的度）分别是大气水分的“汇汇”区，前者冬弱夏强，区，前者冬弱夏强，后者相反。后者相反。2 2、在副热带
17、、在副热带“源源”区，水汽的来源依靠下垫面的水蒸区，水汽的来源依靠下垫面的水蒸发过程；在热带辐合带发过程；在热带辐合带“汇汇”区，水汽的流失是通区，水汽的流失是通过热对流大降水过程；而在中高纬度过热对流大降水过程；而在中高纬度“汇汇”区，水区，水汽的亏损主要是通过锋面气旋活动的降水过程来完汽的亏损主要是通过锋面气旋活动的降水过程来完成。成。3 3、水汽由副热带向赤道辐合带的输送，主要依靠、水汽由副热带向赤道辐合带的输送，主要依靠HadleyHadley环流的垂直和水平平流过程（冬强、夏弱）环流的垂直和水平平流过程（冬强、夏弱）来实现，并补充供给来实现，并补充供给ITCZITCZ和季风区的大降水
18、对水汽和季风区的大降水对水汽的需求。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、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。带的水汽含量少。5、夏季常定涡旋的水汽通量比冬季强，可能与季风环流夏季常定涡旋的水汽通量比冬季强，可能与季风环流有关。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，气旋的后部却把干冷空气从中高纬度输送到低纬度。纬度。
