Chap2 能量及水循環(huán)

1、能量及水循環(huán)Energy and Water Circulation從21世紀(jì)開(kāi)始，能量及水循環(huán)的內(nèi)容已合并成為一個(gè)整體，是世紀(jì)性的科學(xué)研究主題之一水份循環(huán)是海-陸-氣相互作用中的一種最活躍，最重要的紐帶是進(jìn)行準(zhǔn)確的季節(jié)和年際氣候預(yù)測(cè)的保障，是國(guó)家防洪抗旱決策的需要涉及大氣、海洋、地理、水文和生態(tài)多種學(xué)科科學(xué)意義科學(xué)意義1 水循環(huán)及其基本過(guò)程水循環(huán)及其基本過(guò)程2 能量循環(huán)及其基本過(guò)程能量循環(huán)及其基本過(guò)程3 能量及水循環(huán)的變異能量及水循環(huán)的變異主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、水循環(huán)及其基本過(guò)程u 全球水圈的組成全球水圈的組成u 全球水循環(huán)全球水循環(huán)u 水分過(guò)程的作用水分過(guò)程的作用u 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響人

2、類(lèi)活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響2520104km3全球水圈系統(tǒng)大氣圈中的水雨、霧、露雪、雹、霰、水蒸汽生物圈中的水體液（細(xì)胞外液）細(xì)胞液（細(xì)胞內(nèi)液）生物聚合水化物（鍵合水）地表圈中的水陸地水海洋水泉水、沼澤水池水、塘水、湖水、冰蓋和雪蓋江水、河水、冰川河口區(qū)水淺海水大洋水海洋沉積物孔隙水巖石圈中的水地下水巖漿水聚合水土壤水13.5108km3占全球總水量的97%600km31.3104km3840104km3（一）全球水圈的組成（一）全球水圈的組成a 大氣中水分-雨云2旗云（地形云）在天氣晴朗時(shí)，珠峰頂常飄浮著形似旗幟的乳白色煙云，這就是珠峰旗云。旗云是由對(duì)在天氣晴朗時(shí)，珠峰頂常飄浮著形似旗幟的乳白色煙

3、云，這就是珠峰旗云。旗云是由對(duì)流性積云形成，可根據(jù)其飄動(dòng)的位置和高度，來(lái)推斷峰頂風(fēng)力的大小。如果旗云飄動(dòng)的流性積云形成，可根據(jù)其飄動(dòng)的位置和高度，來(lái)推斷峰頂風(fēng)力的大小。如果旗云飄動(dòng)的位置越向上掀，說(shuō)明高空風(fēng)越小，越向下傾，風(fēng)力越大；若和峰頂平齊，風(fēng)力約有九級(jí)。位置越向上掀，說(shuō)明高空風(fēng)越小，越向下傾，風(fēng)力越大；若和峰頂平齊，風(fēng)力約有九級(jí)。因此，珠峰旗云又有因此，珠峰旗云又有“世界上最高的風(fēng)向標(biāo)世界上最高的風(fēng)向標(biāo)”之稱(chēng)。之稱(chēng)。云洞云洞霧凇霧凇,德國(guó)德國(guó)霧凇2 2雨凇3騰沖騰沖黃石公園黃石公園霧2b 生物圈中的水生物圈中的水 植物體都含有植物體都含有6080的水分，有的可達(dá)的水分，有的可達(dá)90以上。

4、動(dòng)物體以上。動(dòng)物體含水量一般也在含水量一般也在75以上。水母含水量約為體重的以上。水母含水量約為體重的95，軟體，軟體動(dòng)物為動(dòng)物為8092，魚(yú)類(lèi)為，魚(yú)類(lèi)為8085，蛙為，蛙為80，鳥(niǎo)類(lèi)為，鳥(niǎo)類(lèi)為70，哺乳類(lèi)為哺乳類(lèi)為75。 水在人體各主要部分中所占的比例是：腦水在人體各主要部分中所占的比例是：腦74.5%74.5%，骨骼，骨骼22%22%，腎腎82.7%82.7%，膽汁，膽汁97%97%，肌肉，肌肉75.6%75.6%，血管，血管83%83%。水在人體總體。水在人體總體重中占了重中占了70%70%，人體失失水量只要達(dá)到體重的，人體失失水量只要達(dá)到體重的1/41/4就會(huì)喪命。就會(huì)喪命。帛帛(b)

5、硫水母硫水母-95泉水、沼澤水池水、塘水、湖水、冰蓋和雪蓋江水、河水、冰川c 地表圈中的水地表圈中的水泉水泉水沼澤水湖水-天池冰川冰川江水江水-長(zhǎng)江長(zhǎng)江長(zhǎng)江長(zhǎng)江河水河水海洋海洋1350135010101515m m3 3陸地陸地33.633.610101515m m3 3大氣大氣0.0130.01310101515m m3 3冰川冰川25地下水（活躍）地下水（活躍）8.4湖河湖河0.2生物圈生物圈0.0006E=3611012m3/YearR0=371012m3/YearP=3271012m3/YearE=621012m3/YearP=991012m3/Year1117140385425（二）

6、全球水循環(huán)（二）全球水循環(huán)海洋水循環(huán)海洋水循環(huán)土壤水分(w)陸地水循環(huán)陸地水循環(huán)全球水循環(huán)裸地裸地蒸發(fā)蒸發(fā)雪雪385111（三）水循環(huán)各過(guò)程分量的作用、海洋的作用1、對(duì)地球大氣的系統(tǒng)熱力平衡的影響； a）巨大的熱能載體 b）熱能輸送2、在水循環(huán)的角色：提供大氣的主要水汽來(lái)源，并通過(guò)蒸發(fā)和凝結(jié) 潛熱影響氣候變化；3、對(duì)大氣運(yùn)動(dòng)具有調(diào)諧作用：巨大的熱慣性調(diào)制大氣的高頻變化為 低頻變化4、對(duì)溫室效應(yīng)的緩解作用。5、潛熱提供了大氣源源不斷的水分和能源（1）維持全球水體之間的動(dòng)態(tài)平衡，使陸地水資源不斷得以更新。（2）促使自然界物質(zhì)循環(huán)和能量的轉(zhuǎn)化 。（3）影響全球的氣候，塑造著地表的形態(tài)。 河川徑流的作

7、用河川徑流的作用(四) 人類(lèi)活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響 地表徑流-抽水、灌溉、排污修建水庫(kù)-影響了水循環(huán)人工降雨-從時(shí)空角度改變了水循環(huán)植樹(shù)造林-水文效應(yīng)還沒(méi)有定論跨流域調(diào)水-改變水資源的空間分布修建水庫(kù)修建水庫(kù)2人工降水 根據(jù)自然界降水的原理，利用催化劑，促使云滴迅速凝結(jié)或碰并增大形成雨滴，達(dá)到降水的方法。冷云催化：人工增加冰晶，產(chǎn)生冰晶效應(yīng)。方法： 干冰（降溫自生冰晶）； 人工冰核（碘化銀、氯化汞等）。暖云催化：提供大水滴，促進(jìn)凝結(jié)、沖并增長(zhǎng)；方法：氯化鈉、氯化鉀等吸濕性物質(zhì)。 2009年2月2日，受西南暖濕氣流和冷空氣的共同影響，山西省臨汾市出現(xiàn)降雨天氣。當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)抓住有利時(shí)機(jī)，適時(shí)發(fā)射人工增

8、雨火箭炮進(jìn)行人工增雨作業(yè)，以緩解旱情。 隨著西南旱情日趨嚴(yán)重，成都軍區(qū)空軍原有的三架增雨運(yùn)輸機(jī)已不能滿(mǎn)足災(zāi)區(qū)人工增雨的需要， 2010年3月23日，成都軍區(qū)空軍緊急命令裝備部門(mén)迅速制作人工增雨器轉(zhuǎn)接器，加裝14架運(yùn)輸機(jī)。 2010年3月24日，貴州安順現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)施人工增雨作業(yè)的飛機(jī)正在起飛。據(jù)空軍有關(guān)部門(mén)介紹，截至3月24日，空軍派出的3架人工增雨飛機(jī)，已在貴州等地完成人工增雨飛行13架次，作業(yè)面積達(dá)20余萬(wàn)平方公里。植樹(shù)/毀林2跨流域調(diào)水七大江河流域長(zhǎng)江黃河淮河海河珠江遼河松花江二、能量循環(huán) 全球能量的主要來(lái)源 全球能量循環(huán) 人類(lèi)對(duì)能量循環(huán)的擾動(dòng)萬(wàn)物生長(zhǎng)靠太陽(yáng)，全球能量的主要來(lái)源a 太陽(yáng)輻射與

9、天文氣候 太陽(yáng)輻射在大氣上界的時(shí)空分布稱(chēng)為天文輻射，是由太陽(yáng)與地球間的天文位置決定的。 天文輻射所決定的地球氣候稱(chēng)為天文氣候，反映了世界氣候的基本輪廓。 影響天文輻射的因素 天文輻射能量的大小決定于日地距離、太陽(yáng)高度和白晝長(zhǎng)度。（一）（一） 全球能量的主要來(lái)源全球能量的主要來(lái)源-太陽(yáng)輻射太陽(yáng)輻射近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)大氣上界太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化1 1 日地距離日地距離 太陽(yáng)高度角越小，太陽(yáng)輻射穿過(guò)的大氣層越厚，被減弱的也越多，到達(dá)地面的直接輻射就越少。反之，太陽(yáng)高度角越大，到達(dá)地面的直接輻射就越多。2 太陽(yáng)高度 由于地球自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)軌道平面斜交成約6633的傾角。因此，在地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的一

10、年中，有時(shí)地球北半球傾向太陽(yáng)，有時(shí)南半球傾向太陽(yáng)?？傊?yáng)的直射點(diǎn)總是在南北回歸線(xiàn)之間移動(dòng)，于是產(chǎn)生了晝夜長(zhǎng)短的變化和四季的交替。 3 晝夜長(zhǎng)度地球氣候帶的理想模式b 輻射收支與能量系統(tǒng) 低緯度地區(qū)太陽(yáng)輻射能的收入大于長(zhǎng)波輻射支低緯度地區(qū)太陽(yáng)輻射能的收入大于長(zhǎng)波輻射支出，有熱量盈余；高緯度地區(qū)輻射能支出大于收出，有熱量盈余；高緯度地區(qū)輻射能支出大于收入，熱量虧損。入，熱量虧損。 輻射收支的地理分布是形成氣候地帶性分布，輻射收支的地理分布是形成氣候地帶性分布，并驅(qū)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)力。并驅(qū)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)力。 對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收值，低緯度明顯多于高緯度。所以由熱帶到極地間太陽(yáng)輻射的吸收值隨緯度的

11、增高而遞減的梯度甚大。 在赤道附近稍偏北處因云量多，減少其對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率。 在低緯度地區(qū)太陽(yáng)輻射能的收入大于其長(zhǎng)波輻射的支出，有熱量的盈余。而在高緯度地區(qū)則相反，輻射能的支出大于收入，熱量是虧損的。 這種輻射能收支的差異是形成氣候地帶性分布，并驅(qū)動(dòng)大氣運(yùn)動(dòng)，力圖使其達(dá)到平衡的基本動(dòng)力。輻射差異成因（二） 全球能量循環(huán) 太陽(yáng)輻射在全年投射到整個(gè)地球大氣圈上界的總能量，在日地平均距離處，總能量為17.51016W。能量循環(huán)能量循環(huán) 入射太陽(yáng)輻射中的約30被云和地面反射。在剩余的70中，其中的20被大氣吸收，50為海洋和陸地所吸收。有一部分通過(guò)蒸發(fā)來(lái)維持水循環(huán)（24），并借助水汽的凝結(jié)來(lái)間接加熱

12、大氣，另一部分通過(guò)感熱通量來(lái)直接加熱大氣（6）；剩余的20用來(lái)加熱下墊面，隨后將以紅外輻射的形式再給予大氣（14）以及在大氣譜窗區(qū)回到外層空間（6） 大氣吸收的熱量用來(lái)增加內(nèi)能和位能，其中一部分（不到1）被轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，以克服摩擦，維持大氣海洋環(huán)流。最后大約64被大氣以紅外輻射形式輻射到空間，完成能量循環(huán)。（三）人類(lèi)對(duì)能量循環(huán)的擾動(dòng)人為余熱排放改變大氣成分城市熱島效應(yīng)三、能量及水循環(huán)的變異水循環(huán)發(fā)生變化的事實(shí)能量循環(huán)變化的事實(shí)大氣環(huán)流的變異示例直立灌木在苔原的增加： 航空和地面重復(fù)攝影的判讀：1948-2004 環(huán)北極海冰的厚度四季變化環(huán)北極冰蓋的變化來(lái)自NASA，20051989年年2004年

13、年 西支冰舌末端告別東支冰川的水平距離達(dá)到了45m（楊惠安等，2005）；2004年一號(hào)冰川的東支發(fā)現(xiàn)一30m2的冰面湖，與夏季的冰雪融化有關(guān)（李忠勤，2005）。 烏魯木齊河源一號(hào)冰川:區(qū)域水環(huán)境對(duì)全球增暖響應(yīng)的一個(gè)典型例子 亞洲高壓非常活躍，不斷形成冷氣團(tuán)南下影響我國(guó)，造成大范圍大風(fēng)降溫天氣，對(duì)于季節(jié)、年際變率都很大的我國(guó)季風(fēng)氣候區(qū)來(lái)說(shuō)，這樣的天氣本來(lái)也很正常； 南支槽導(dǎo)致南方2008年的暖氣團(tuán)也很活躍，大量來(lái)自太平洋、印度洋的暖濕氣流頻頻光顧南方地區(qū)； 當(dāng)來(lái)自蒙古西伯利亞的強(qiáng)大冷氣團(tuán)迅速南下至南方地區(qū)，并與暖濕氣團(tuán)相遇后，就形成了大范圍雨雪天氣。 20082008年雪災(zāi)年雪災(zāi)2008年的

14、雪災(zāi)4廣州火車(chē)站廣州火車(chē)站200萬(wàn)人滯留萬(wàn)人滯留 厄爾尼諾厄爾尼諾 厄爾尼諾（El Nino）原指每年圣誕節(jié)前后，沿厄瓜多爾和秘魯沿岸出現(xiàn)一股弱暖洋流，取代了沿岸原有冷海水的現(xiàn)象?，F(xiàn)在，厄爾尼諾一詞是指大范圍的海洋異?，F(xiàn)象，即赤道太平洋中部和東部海洋表層水溫持續(xù)異常增溫的現(xiàn)象。（暖水事件）夏季海洋氣溫分布夏季海洋氣溫分布冬季海洋氣溫分布冬季海洋氣溫分布厄爾尼諾引發(fā)氣候異常厄爾尼諾引發(fā)氣候異常 當(dāng)厄爾尼諾發(fā)生時(shí)，熱帶中、東太平洋海溫迅速升高，直接導(dǎo)致該海域和南美太平洋沿岸哥倫比亞、厄瓜多爾和秘魯?shù)鹊禺惓６嘤?。另一方面，厄爾尼諾事件又使熱帶西太平洋降雨減少，造成南亞、印度尼西亞、馬來(lái)西亞、東南亞和

15、澳大利亞等地大范圍的嚴(yán)重干旱。還會(huì)導(dǎo)致加拿大西部、美國(guó)北部出現(xiàn)暖冬，使美國(guó)南部冬季潮濕多雨。Normal conditionsWarm phase (El Nio)Cool phase (La Nia)厄爾尼諾對(duì)我國(guó)氣候的影響使來(lái)自東南部海洋上的夏季風(fēng)強(qiáng)度減弱，造成夏季降雨帶的位置偏南，出現(xiàn)南方暴雨成災(zāi)、北方干旱少雨的異?，F(xiàn)象；長(zhǎng)江中下游地區(qū)進(jìn)入梅雨期偏晚；東部地區(qū)秋季容易出現(xiàn)北少南多的降雨分布；容易出現(xiàn)暖冬；在西北太平洋和南海地區(qū)生成的熱帶氣旋或臺(tái)風(fēng)數(shù)量偏少。1998年8月11日凌晨0：30，洪水沖毀了平齊鐵路大興站區(qū)間的一段60多米長(zhǎng)的路基 1998年洪水4 42009-2010年西南地區(qū)

16、 遭受秋、冬、春、初夏四季連旱蝗蟲(chóng)災(zāi)害蝗蟲(chóng)災(zāi)害躲避漫天飛躲避漫天飛舞的蝗蟲(chóng)舞的蝗蟲(chóng) 西非塞內(nèi)加爾 u拉尼娜 “La Nina” 拉尼娜的發(fā)生與赤道偏東信風(fēng)加強(qiáng)有關(guān)。偏東信風(fēng)加強(qiáng)，赤道洋流受信風(fēng)推動(dòng)，從東太平洋流向西太平洋，使高溫暖水在熱帶西太平洋地區(qū)堆積，成為全球水溫最高的海域。相反，在赤道東太平洋表層比較暖的海水向西輸送后，深層比較冷的海水就來(lái)補(bǔ)充，因此造成東太平洋海表水溫偏低，從而引發(fā)拉尼娜現(xiàn)象。 拉尼娜現(xiàn)象是一種厄爾尼諾年之后的矯正過(guò)渡現(xiàn)象使太平洋東部水溫下降，出現(xiàn)干旱，與此相反的是西部水溫上升，降水量比正常年份明顯偏多。 上帝創(chuàng)造了兩個(gè)孩子，亞當(dāng)和夏娃。人類(lèi)也創(chuàng)造了兩個(gè)孩子，厄爾尼諾和拉尼娜。厄爾尼諾不是圣嬰，拉尼娜也不是小女孩，人們剖開(kāi)了大自然母親的腹部，并給她加熱，就誕生了，這兩個(gè)魔鬼。他們來(lái)到了人間，翻手為云，覆手為雨，擾亂