水文学第二章第四节

❖ 典型实验：布朗实验
扩散方程
（二）紊动扩散
❖ 紊动混合，是大气扩散运动的主要形式。
受到外力作用影响，水分子呈现“杂乱无章的运动 ”。
运动速度没有规律，而且引起大小不等的涡旋。
湍流运动： 这些涡旋也象分子运动一样，呈现不规则的交错 运动。通常大气运动大多属于湍流运动。由湍流引 起的扩散现象称为湍流扩散。
湍流对扩散的影响
✓ 紊动扩散作用远较分子扩散作用为大，也 具有质量、动量和热量转移、均匀化趋势；
✓ 分子扩散与紊动扩散现象经常是相伴而生 ，同时存在。
❖ 例如，水面蒸发时的水分子运动，就既有分子扩散 ，又可能受紊动扩散的影响。
二、水汽输送
1、涵义 水汽输送：指大气中水分因扩散而由一地向另一 地运移，或由低空输送到高空的过程。
第二章 地球上的水循环
第四节 水汽扩散与输送
1.水汽扩散 2.水汽输送
一、水汽扩散
1、涵义 指由于物质、粒子群等的随机运动而扩展与给定 空间的一种不可逆现象。
➢ 将海水、陆地水与空中水联系在一起的纽带; ➢ 其方向与强度直接影响到地区（内陆地区）水循
环系统。
一、水汽扩散
❖ 扩散现象不仅存在于大气之中，也存在于液体分子 运动进程之中。
河以南盛行西南水汽流，两股水汽流在北纬30-35度一带汇 合后东流入海； ✓ 在500百帕高度上，一年四季水汽输送呈现纬向分布（由 西向东）；
❖ 因而自低层到高层存在经向到纬向的顺时针方向 切变（注：淮河以南）。
P65表2—6
我国上空水汽的收支有如下特点：
1）全国年输入水汽总量为15023.2×109米3，总输出量为 12362.7× 109米3 ，净输入量为2660.5× 109米3 ，与全国入 海径流量很接近。这些水量折合全国平均水深为279.4毫 米。
❖ 在扩散过程中伴随着质量转移，还存在动量转移和 热量转移。
❖ 质量、动量与能量不均的气团或水团趋向一致，扩 散的结果带来混合。
❖ 扩散理论是水文学的重要基础理论。
➢ 分子扩散 ➢ 紊动扩散
（一）分子扩散
❖ 分子扩散又称分子混合，是水 汽、水分子运动的普遍形式。
❖ 蒸发过程中液面上的水分子由 于热运动结果，脱离水面进入 空中并向四周散逸的现象，就 是典型的分子扩散。
（二）影响水汽输送的主要因素
主要因素如下： 1、大气环流的影响（流场和风速场） 2、地理纬度的影响（纬度越高，水汽含量越少）
3、海陆分布的影响 海洋是水汽的主要源地；
4、海拔高度与地形屏障作用的影响 ➢ 随着海拔的增高，近地层湿空气层逐步变薄水，
水汽含量减少； ➢ 成为阻隔暖湿气流的屏障。
（三）我国水汽输送基本特点
➢ 而秦岭-淮河一线成为我国南北气流的经常汇合 的地区，是水汽流辐合带；
➢ 海陆的分布制约了我国上空湿度场的配置，并 呈现由东南向西北递减的趋势，进而影响我国 降水的地区分布。

四、水汽输送场垂直分布存在明显差异
✓ 低层大气中经向输送比较明显（由南向北）； ✓ 在850百帕气层上，一年四季水汽输送场形势比较复杂； ✓ 在700百帕气层上，在淮河流域以北盛行西北水汽流，淮
➢ 对沿途的降水产生重大影响。 ➢ 影响当地天气过程和气候的重要原因。
水汽输送 大气环流输送 涡动输送
水汽平衡分析： A. 边界
下界为地面，上界为对流层顶， 四周为研究区域
B. 依据
水量平衡原理
(W1+Ei) －(W2+Pi) =ΔW
对于长时段ΔW→0，Pi=W1－W2+Ei
❖ 由于区域蒸发量远小于水汽输送量，因此区域P的 大小，取决于出入该区域的水汽量。
（一）水汽输送通量与水汽通量散度
1、水汽输送通量 ❖ 在单位时间内流经某一单位面积的水汽量； ❖ 水汽通量有水平输送通量和垂直输送通量之分； ❖ 通常说的水汽输送主要是指水平方向的水汽输送
水汽输送通量与水汽通量散度
❖ 水汽输送通量
❖ 水平水汽输送通量是一个向量，输送方向与风 速相同，并可分解为经向输送和纬向输送两个 分量。
✓ 纬向输送的水汽通量规定向东输送为正，向西 为负；
✓ 经向输送的水汽通量，规定向北输送为正，向 南为负。
2、水汽通量散度
水汽通量散度:指单位时间汇入单位体积或从该体积 辐散出的水汽量，单位为克每百帕平方厘米秒。
❖ 任一地点的水汽通量散度，均可由风和温度资料计 算出来，并可绘成等值线图，用以表示广大范围内 的水汽通量散度场。
➢ 孟加拉湾水汽流（印度洋）通常自北部湾入境，流向广西、 云南，继而折向东北方向，并在贵阳-长沙一线与南海水汽 流汇合，而后亦进入长江中下游地区，然后出海，全年中春 季强盛，冬季限于华南沿海。
二、水汽输送既有大气平均环流引起的平均输送， 又有移动性涡动输送
❖ 平均输送方向基本上与风场相一致。 ❖ 而涡动输送方向大体上与湿度梯度方向相一致，
即从湿度大的地区指向湿度小的地区。 ❖ 涡动输送的这一特点对于把东南沿海地区上空丰
沛的水汽向内陆腹地输送，具有重要作用。
三、地理位置、海陆分布与地貌上总体格局，制 约了全国水汽输送的基本态势。
➢ 青藏高原雄踞西南，决定了我国水汽输送场形 成南北两支水汽流，北纬30°以北地区盛行纬向 水汽输送；30°以南具有明显的经向输送。
一、存在三个基本的水汽来源，三条输出入路径， 并有明显的季节变化。
❖ 三个来源： ❖ 极地气团的西北水汽流 ❖ 南海水汽流 ❖ 孟加拉湾水汽流
➢ 西北水汽流（北冰洋）自西北方向入境，于东 南方向出境，大致呈纬向分布，冬季直达长江， 夏季退居黄河以北。
➢ 南海气流（太平洋）自广东、福建沿海登陆北上，至长江中 下游地区偏转，并由长江口附近出境，夏季可深入华北平原 ，冬季退缩到北纬25°以南地区，水汽流呈明显的经向分布 ，由于水汽含量丰沛，所以输送通量值大；
✓ 散度为正的地区表示水汽自该地区的四周辐散，称该地区为 水汽源，在这种情况下降水比较少；
✓ 反之散度为负的地区，表示四周有水汽向该地区汇集，称该 地区为水汽汇，降水比较多。
水汽通量散度
❖ 水汽通量散度
我国大陆东半部水汽总输送场中，其主 要水汽耦合区（水汽汇）与主要降水区的分 布就存在良好的对应关系。黄土高原与华北 平原常年为水汽源，东南沿海地区为主要水 汽耦合区，所以前者降水远少于后者。