大气水文学概论(草稿)

张学文2002.10公布于

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第二章基本概念(2002.06-)

§5. 降水过程

水分从大气中离析出来回到地球表面的过程就是降水过程。下雨、下雪、降雹这些生活用语就是降水过程的特例。任何一个时刻地球上总会有的地方进行着降水过程,它们大约占地球总面积的10% 。降水过程是大气水分的一个非常重要的活动。

降水过程主要指大气中的某些水粒子从大气中离析出来降落到下垫面的过程,雨滴、雪花、冰雹的降落是其主要活动形式。水汽分子、雨滴、雾滴、冰晶遇到下垫面的物体并且凝结为露、霜、雾凇、雨凇是降水过程的次要形式。

水粒子降落到下垫面的过程并不包括水分的相态(气体、液体、固体的转化)变化。

降水过程在下垫面形成的液体水层的厚度称为降水量。它通常以毫米(mm)为单位,例如某地一天的降水量是10毫米(mm),那么这一天形成的雨水的深度就是1厘米(10mm)。

降水量的测量原理非常简单,把一个直径20厘米的圆筒(称为雨量器)放在户外,把下雨或者下雪时收集到的雨水倒入特制的量杯中,从量杯的刻度直接读出降水量(如果是雪要先融化后测量)。为了克服风对雨量器的影响,早期的雨量器周围还加了个防风圈。笔直曾经对比过,在有风的情况,有防风圈的雨量器测量的雨量(具体指雪)比没有防风圈的大20%。但是这些年我国的气象站都取消了防风圈。

以上方法仅能计量一个时段的总降水量。它们一般是每3或者6小时测量一次。为了测量单位时间的降雨量(降水强度)还使用了不同类型的雨量计(不是雨量器!),它的构造比较复杂。用光学方法测量降水量的仪器现在也有。

地面和海洋气象站都监测大气中的降水过程,记录它发生的起止时间和降水量。很多水文站也观测含水量。这些气象站分布在世界各大洲和海洋上(包括某些商船)。世界气象站的总数量大约有7000个。我国各地的监测降水过程的站点总量估计超过3000个,其中参加国际资料交换的气象站有600多。

世界各地的年降水量的平均值大约是1000毫米,即其水量有一米多深。折合为每年有50多万立方公里的水分从大气中析出。

§6. 蒸发过程

水分(气体、液体、固体)从下垫面(海洋、雪原、地面、湖面、沼泽、生物等)进入大气的过程称为蒸发(过程)。目前的观点认为这些水分都是以单个的气体水分子形态进入大气的,而且气体水分子在进入大气以前是以液体、固体状态存在。所以蒸发过程都是伴随着水分的相态的转化(对应大量的能量消耗)。

物理学中把固体状态的物质变成气体状态的物质称为升华。但是我们还是按照气象学的习惯把自然界的冰、雪(固体)变成水汽分子(气体)的过程统称为蒸发。另外生物体由于生理需要而排入大气的气体状态的水分也简单地称为蒸发,而在植物学中经过叶面的水分蒸发(到空气中)称为蒸腾。

我们也经常看到地面的土粒、沙粒被卷入大气中形成沙尘、浮尘。学者们承认自然界每年有一定数量的颗粒从地面进入大气中(一般称为气溶胶)这些物理过程的存在也提示我们:下垫面上的液体水(海水)、雪花被卷入大气的过程肯定是存在的。这种过程并不拌有水分的相态变化是其重要特点。

另外下垫面中含有的气体水分也会进入大气。这个过程也没有相态变化。这些过程在气象学中一直被忽视,目前还不便指出它的数量极。

根据分子运动论的观点,空中的水汽分子无时无刻地钻入下垫面,下垫面的水分子无时无刻地钻入大气中。蒸发过程实践是上面的两个过程交换的水分子的数量的差值(进入大气的水分多,蒸发为正值)。如果空气的相对湿度为100%,从大气进入下垫面(应为纯水组成的平面)的水分子与下垫面进入大气的水分子的数量是相等的。这时的蒸发量为零。

测量下垫面的实际蒸发量是很困难的。

气象站一般用蒸发器测量蒸发量。小型蒸发器也是一个直径20厘米的圆筒,内盛20或者30毫米深的清水,于傍晚(中国在北京时间20时)放在户外。气象员第二天傍晚再测量筒内的水量,计算出水分的减少量。它就是这一天的蒸发量。

用蒸发器测量出来的蒸发量是水分充足条件下在金属筒内的蒸发量。金属筒的吸热情况、水的温度、有没有太阳、风的大小都影响水分的蒸发量。所以气象站当地的(湖面、沼泽、农田、土地、草原)实际蒸发量与气象站测量的蒸发量(在科学界应当把它称为蒸发力)就有偏差。比较干旱的地方实际蒸发量原小于气象站测量的蒸发量(蒸发力)。

为了尽量使测量的蒸发量接近实际,一些气象站和水文站还使用水面为3000平方厘米的E-601型蒸发器以至面积为20平方米的蒸发器。蒸发器的蒸发面积大了,结果是测量出来的蒸发量就比较接近湿润条件的蒸发量。在干旱地区3000平方厘米的蒸发器仅是前面介绍的小蒸发器的蒸发量的60%

进行降水量观测的气象站都进行蒸发量观测。所以有蒸发量资料的点也是布满了地球。

绝对没有水分的下垫面几乎是不存在的,而相对湿度为100%的情况非常少见。所以蒸发过程几乎是无时无刻地在地球的任何下垫面上进行着。从全球角度看降水过程仅在部分时段部分地区进行着,这是蒸发过程与降水过程的重要区别。

下雨(降水过程)是可以用眼睛直接看到的自然现象,但是蒸发进入大气的水分是气体状态的水汽,它是眼睛直接看不见的自然过程。

§7. 水分循环