地球上水分循環與水量平衡教師：王麗麗

第4章海洋和陸地水水汽輸送蒸發降水蒸發降水植物蒸騰湖地表徑流地下徑流海洋蒸發降水

一、地球上的水循環

（一）水循環的過程、原因及影響因素

1、水循環過程

地球上的水不斷通過運動和相變從一個地圈轉向另一個地圈，或從一種空間轉向另一種空間。地表水（海、河、湖水面，陸面和植物）地球表面的水在太陽輻射作用下，大量水分不斷地從海洋、河湖等水面、陸面和植物表面蒸發和蒸騰，升入空中，被氣流帶動輸送至各地，在適當條件下遇冷凝結而以降水形式降落到地表面或水體上。降落到陸地表面的水又在重力作用下，一部分滲入地下，一部分形成地表徑流注入江河匯流大海，還有一部分又重新蒸發返回空中。其中滲入到地下的水，一部分也逐漸蒸發，一部分也形成徑流最終也匯集于海洋。水循環概念自然界中的水在太陽輻射和地球重力作用下，在大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈四大地球圈層中通過蒸發、輸送、凝結降水、下滲和徑流等環節，不斷地發生相態轉換和空間位置的轉移過程，稱為水分循環，又叫水文循環，簡稱水循環。水循環包括的五個環節兩大部分：大氣部分（包括水汽階段、降水階段）與地面部分（徑流與下滲階段、蒸發階段）五個環節：1）蒸發蒸騰—將液態水、固態水轉化為氣態水；2）水汽輸送—蒸發的水汽被氣流輸送各地；3）凝結降水—水汽在上升和輸送過程中，遇冷凝結，適當條件下降落地表；4）下滲—指降落到地面上的水依靠分子力、毛管力和重力滲入地下的過程；5）地表地下徑流—降落到地表的水一部分下滲形成地下徑流和壤中流，一部分形成地表徑流。2、水循環的原因內因—水的物理屬性，即在目前大氣環境下，水的固、液、氣三態并存和三態在常溫條件下相互轉化。外因—太陽輻射和重力是水循環的基本動力。太陽輻射是地表熱能的主要源泉，它促使冰雪融化，水分蒸發，空氣流動等，是水分循環的動力。重力是促使空中水滴降落和地面、地下徑流流歸海洋的動力。3、影響水循環的因素自然地理因素：1）氣象因素：起主導作用的因素。蒸發、水汽輸送和凝結降水三個環節取決于氣象過程。下滲狀況和徑流情勢雖與下墊面有關，但其基本規律仍受氣象因素的控制。2）下墊面因素：主要通過影響蒸發、下滲和徑流來影響水循環。人類活動：1）水利措施；2）農林措施；3）跨流域調水等（二）水循環的類型按規模和路徑，水循環可分為大循環（外循環）和小循環（內循環）兩類。大循環：指發生在海洋與陸地之間的水分交換過程，又叫外循環、全球性的水循環或海陸間的水循環。其具體過程：從海面蒸發的水汽，部分被氣流輸送到大陸上空，在適當條件下遇冷凝結并降落到陸地地表，除一部分蒸發返回空中外，其余的降水則形成地表徑流或滲入地下形成地下徑流，經河槽匯集，最終又回歸海洋。這就完成了海陸間大循環。水分大循環通常經歷蒸發、輸送、凝結、降水、入滲和徑流等環節，一方面在天空、地面和地下之間通過蒸發、降水和入滲進行縱向水分交換（垂直方向）；另一面又在海洋與陸地之間以水汽輸送和徑流形式進行橫向交換（水平方向）。海洋從空中向大陸輸送大量水汽，大陸則通過地面和地下徑流把水分輸送到海洋里去。大陸上蒸發的水汽也可隨氣流帶到海洋上空。但總的說來，水汽輸送方向是從海洋輸向大陸的。海洋向陸地輸送的水汽減去陸地向海洋輸送的水汽，稱為有效水汽輸送量。水循環類型示意圖圖4.12、小循環（內循環）指發生在海洋與海洋上空之間或陸地與陸地上空之間的局部性水分循環，亦稱內循環，包括海洋小循環與陸地小循環。（1）海洋小循環（海洋內循環）指從海面蒸發的水汽，在空中凝結后又以降水形式直接降落到海面上，即發生在海洋與海洋上空之間的水分交換過程。（2）陸地小循環指陸地上蒸發的水汽隨同從海洋輸送來的水汽一起，被氣流輸向內陸，遇冷凝結降落，仍降落到陸地上。這種發生在陸地與陸地上空之間的水分交換過程，稱為陸地小循環或陸上內循環。陸地小循環對內陸地區的降水具有重要作用。內陸地區距海洋遙遠，從海洋直接輸送到內陸的水汽不多，需要通過內陸局部地區的水分循環運動，使水汽不斷向內陸輸送、推進，這就是內陸地區的主要水汽來源。由于水分向內陸輸送過程中，沿途會逐步損耗，故由沿海向內陸，降水逐漸減少；另一方面，水分向內陸推進或告退，也會造成降水在時間上的漸變規律，由沿海向內陸，雨季推遲和縮短。（三）水體的更替周期指水體在參與水循環過程中全部水量被更新一次所需的時間，通常用下式近似計算：式中T為更替周期（年、日或時）；W為水體總儲水量（m3）；為水體年平均參與水循環的活動量（m3/年）各種水體的更替周期表水體周期水體周期極地冰川10000a沼澤水5a永凍地帶地下冰9700a土壤水1a世界大洋2500a河水16d高山冰川1600a大氣水8d深層地下水1400a生物水12h湖泊水17a（四）水循環的作用與效應水循環是地球上的物質大循環，巨大的能量流，對自然界和人類具有重大的作用和意義。水循環是聯系大氣圈、水圈、巖石圈和生物圈的紐帶，并成為它們之間的能量調節器；通過水循環，地球上各種水體相互聯系轉換，使水資源得以再生，給人類提供取之不竭，用之不盡的水利資源；水循環是聯系海洋與陸地的主要紐帶；水循環是一切水文現象的根源。水分循環對于全球性水分和熱量的再分配起著重大的作用，這種作用與大氣循環相互聯系而發生，從而影響了一地氣候的主要方面——降水與氣溫。水分循環具有物質“傳輸帶”的作用，而且又是巖石圈表層機械搬運作用以及自然地理環境中無機成分和有機成分化學元素遷移的強大動力。在水分循環過程中伴隨產生了各種常態地貌和河流、地下水、湖泊等等。水分循環也是生物有機體維持生命活動和整個生物圈構成復雜的水膠體系統的基本條件，起著有機界和無機界聯系的紐帶作用。總之，水分循環有如自然地理環境的“血液循環”，它溝通了各基本圈層的物質交換，促使各種聯系的發生。水分循環過程同時起著水文過程、氣候過程、地形過程、土壤過程、生物過程以及地球化學過程等作用。二、水量平衡水量平衡原理水量平衡方程全球降水量和蒸發量沿緯度的分布研究水量平衡的意義（一）水量平衡原理對地球上的任何圈層或任何地段都是一個開放系統，既有水分的輸入，又有水分的輸出。根據物質不滅定律（質量守衡定律）：對于地球上的任何一個地區（或地段、流域、水體、圈層）在任意時段內，收入的水量與支出的水量之差額必然等于該地區在該時段內的蓄水變化量，這就是水量平衡原理(WaterBalance)。即：式中：I叫為區域在給定時段內收入（輸入）水量；O為區域在給定時段內支出（輸出）水量；S1/S2為區域在給定時段內的始末蓄水量;ΔS為區域在給定時段內的蓄水變量。在多水期ΔS為正值，表示蓄水量增加；在少水期ΔS為負值，表示蓄水量減少；在多年情況下ΔS為零，表示多年中蓄水量平均起來是保持不變的，此時的平均水量即為：I=O。水量平衡方程式是水分循環的數學表達式，根據不同的區域可建立不同的水量平衡方程。（二）水量平衡方程式

1、通用水量平衡方程現以陸地上任一地區為研究對象，取其三度空間的閉合柱體，其上界為地表面，下界為地下無水分交換的深度。這樣，對任一閉合柱體，任一時間內的水量收入I為：式中：P—區域在給定時段內的降水量；E1—水汽凝結量；R表、R地下—分別為在給定時段內地表、地下流入區域內的徑流量區域在給定時段內支出水量O為：E2——區域在給定時段內地表總蒸散發量；R表/、R地下/——分別為地表、地下徑流流出量；q——研究時段內工農業和生活凈用水量（即區域在給定時段內人類凈用水量）則通用水量平衡方程式為2、全球水量平衡方程

（1）全球海洋水量平衡方程全球海洋收入水量有大氣降水P和入海徑流量R；支出水量有蒸發量E，則全球海洋水量平衡方程為：?S＝S2－S1＝（P＋R）－E多年平均而論，?S＝0，則有E0＝P0＋R0，即全球海洋蒸發量大于降水量，海洋是大氣水分和陸地降水的來源。海洋提供了海洋降水量的85%和陸地降水量的89%（2）全球陸地水量平衡方程全球陸地在任一時段收入水量為大氣降水P；支出水量有蒸發量E和地表、地下徑流量R（入海徑流量），則全球陸地水量平衡方程：

?S＝S2－S1＝P－（E＋R）多年平均，?S＝0，則P0＝E0＋R0，即全球陸地降水量大于蒸發量，以徑流形式補充海洋，實現全球水量平衡。（3）全球水量平衡方程降水、蒸發和徑流在整個水循環中，是三個重要的環節，在全球水量平衡中，它們同樣是最主要的因素。參見教材P178表4－3可知全球海陸降水量之和等于全球海陸蒸發量之和，說明全球水量保持平衡，基本上長期不變。即多年平均有，P0＝E0。注：關于全球水量平衡數據不同學者研究結果不一樣，見P1783、流域水量平衡方程

（1）閉合流域水量平衡方程流域——指河流的集水區域（補給區域），即分水線所包含的區域，包括地表集水區和地下集水區。地表分水線與地下分水線完全重合一致的流域稱為閉合流域；反之，二者不重合的流域為非閉合流域。可見，閉合流域與相鄰流域之間沒有水量交換，因此其水量的收入I只有大氣降水P；水量支出項目O有：蒸發量E和地表地下徑流量R（R＝Rs＋Rss＋Rg）則閉合流域水量平衡方程式為：在內流河區域，由于內流河最終消失于沙漠區的蒸發和下滲，而無徑流注入海洋，則有徑流流出量R0＝0，則在內流域有：P0＝E0即多年平均降水量等于多年平均蒸發量。（2）非閉合流域水量平衡方程嚴格地講，地球上幾乎沒有閉合流域。對于非閉合流域，由于地表分水線與地下分水線不一致，有相鄰流域的地下徑流的流入，也可能有流到相鄰流域的地下徑流，則水量平衡方程中存在著本流域與相鄰流域之間的地下徑流交換量?W，即有P=R+E+?S+?W在喀斯特地區，地下水系發達，通常要考慮與相鄰流域的地下水交換量。但在其它地區，尤其大型流域，與相鄰流域間的地下水交換量所占比重很小，常常忽略不計。（三）全球降水量和蒸發量沿緯度的分布圖“全球降水與蒸發的緯度變化”，無論降水量或是蒸發量，也不管陸地還是海洋，都有從赤道（低緯）向兩極（高緯）減少的趨勢。南北緯10°之間的赤道帶，全年受赤道低壓帶控制，降水量和蒸發量都很豐沛，但降水量大于蒸發量，水分過剩；南北回歸線附近的熱帶和亞熱帶，受副熱帶高氣壓帶和信風帶控制，盛行下沉氣流，干燥少雨，但因緯度低、氣溫高，蒸發旺盛，蒸發量大于降水量，顯得水分不足；在40°以上的中高緯地區，受西風帶控制，降水量又超過蒸發量；兩極地區，降水和蒸發均很少