能量及水循环

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1、全球变化中的主要过程能量及水循环马柱国中国科学院大气物理研究所东亚区域气候－环境重点实验室科学意义¾WCRP属下的CLIVAR和GEWEX项目以及IGBP属下的BAHC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一¾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¾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

2、义¾涉及大气、海洋、地理、水文和生态多种学科主要内容•全球水循环及其基本过程•能量循环及其基本过程•当前的研究进展•总结一、全球水循环及其基本过程•全球水圈的组成•全球水循环•水分过程的数学计算•水分过程的作用（一）全球水圈的组成雨、雾、露大气圈中的水{雪、雹、霰、水}0.013×106km3水蒸汽体液（细胞外液）细胞液（细胞内液）0.0006×106km3全球水圈系统生物圈中的水{}生物聚合水化物（键合水）泉水、沼泽水池水、塘水、湖水、冰盖和雪盖25.2×106km3陆地水}{江水、河水、冰川河口区水地表圈中的水浅海水1350×106km3大洋水海洋

3、水{}占全球总水量的97%海洋沉积物孔隙水地下水岩浆水8.4×106km3岩石圈中的水{聚合水}土壤水（二）全球水循环P=99×1012m3/Year大气0.013×1015m311112m3/YearE=62×10/Year3/Year371mm冰川＝2512⎧38512425地下水（活跃）＝8.41010×⎨湖河＝0.2×生物圈＝0.0006陆地⎩P=36133.6×1015m3E=361海洋R=37×1012m3/Year01350×1015m340385雪111蒸发裸地土壤水分(w)陆地水循环海洋水循环全球水循环（三）水分过程的计算全球水循环的

4、陆地分支－陆地水循环•蒸发•地表径流•土壤湿度•地下水蒸发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。蒸散＝土壤蒸发＋植被蒸腾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）蒸发的计算（1）1.梯度（扩散）方法∂qq−q12E=−ρK=ρK1∂zlnz/z12其中ρ为空气密度，K为水汽交换系数，与湍流交换系数类似，可用1m高的水汽交换系数K，q为比湿，z为高度。1如果z,z高度分别取为0.5m和2m，将比湿q改为水汽压，上式可为较为使用的形式。1如我国热量平衡站

5、用作计算的蒸发公式为：E=2.1Kα∆e11013（标准气压）其中α＝P（地面实际气压）蒸发计算（2）热量平衡方法：R=P+LE+QAQ其中R为辐射平衡量，L为蒸发潜热系数，A为土壤热交换量∂T∂q因为：P=−KρC,E=ρKp∂z∂zR−Q(R−Q)AAE==∂T∂q∆e+0.64α∆TL+C/p∂Z∂z蒸发计算（3）Penman（1948）的潜在蒸发计算公式：∆(R−G)/L+γENaE=∆+γ其中G为下层土壤的热通量；γ湿度计算常数（约0.66）∆一定的气温下温度－水汽压曲线的斜率其中实际蒸发：E=f(u)(e−e)asaf(u)=a(b+cu)

6、,u为某标准高度的平均分速，a、b、c为常数。主要用于开阔水面蒸发计算（4）Penman—Monteith方法：(e−e)sa∆(R−G)+ρcnapraλE=rs∆+γ(1+)ra蒸发计算（5）世界粮农组织发展的Penman－Monteith方法（1990－1998）：9000.408∆(R−G)+γu(e−e)n2saT+273E=∆+γ(1+0.34u)2-1Ereferenceevapotranspiration(mmday)-2-1Rnetradiationatthecropsurface(MJmday)n-2-1Gsoilheatfluxd

7、ensity(MJmday)Tmeandailyairtemperatureat2mheight(°C)-1uwindspeedat2mheight(ms)2esaturationvapourpressure(kPa)seactualvapourpresurre(kPa)a-1∆slopevapourpressurecurve(kPa°C)-1γpsychrometricconstant(kPa°C)土壤水分的计算－土壤水分含量的理论计算基本方程式：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

8、：dθ毛−∇⋅q=重dt细力管上层力利用达西定律：q=−Ke∇h重力经过一系列简化，可变为非线