地球上水分循环

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第719页（3605字）

水是万物之源，也是自然界的经纬。

循环是天地间的命脉。水分循环是自然界的物质交替、能量转换或再生，并使地球生机盎然、朝气蓬勃的生命线。水分循环的过程对自然环境的形成有重要的影响，并与人类生产活动及生活都有密切关系。其规模之大，遍及全球。

因此，对水分循环的研究，既是水文科学的基本理论问题，又是解决全球水资源分布的实践问题。

人类对水分循环的认识有个过程，古希腊柏拉图臆测地下有一个大水库，是一切水的来源，大水库的水来回摆动，形成河流，汇入大海，通过地下通道海水又返回水库。

古罗马建筑师M．V．P．维特鲁维吸收了前人关于水文循环的概念，提出了一个包括雨水入渗形成地下水等比较完整的水分循环概念。

中国早在公元前400余年的《黄帝内经·素问》中就提出：“地气上为云，天气下为雨，雨出地气。”比较科学地描述成云致雨的水文现象。在战国时期《吕氏春秋·环道》篇中指出：“云气西行云云然，冬夏不辍，水泉东流，日夜不休，上不竭，下不满，小为大，重为轻，环道也。”比较完整地记述了水分循环现象。唐朝柳宗元在注释屈原的《天问》时，撰写了《天对》，其中有一段关于水循环的问答。

屈原在《天问》中指出：“九州安错?川谷何夸?东流不溢，敦知何故?”，柳宗元在《天对》指出：“东穷归墟，又环西盈。脉区土区，而浊浊清清，坟垆燥疏，渗漏而升。充融有余，泄漏复行。”这样精辟的水分循环的理论，属世界上较早提出的。

法国P．佩罗在1674年的《泉水之源》一书中，把观测的年降水量与塞纳河的估计流量作了比较，得出塞纳河年径流量是降水量的1／6的结论，这个科学的定量概念的提出，被公认为现代科学水文学的开始。

20世纪以来，世界上许多科学家，都注意水分循环的理论和实践中各个循环因子数量计算方面的研究。

例如李沃维奇(M．I．Lvovich)、布得科(M．I．Budyko)、加里宁(G．P．Kallnin)等，对水分循环的研究作出重要的贡献。他们发现大洋和大陆水汽在陆地降水形成中所起的作用。

同时，利用世界各地水文、气象站网和边缘台、站的观测资料，用科学的的方法进行水量的运算，以及参与水分循环的蒸发、降水和径流量的运算，成果是巨大的。

地球上的水在太阳辐射和重力作用下，以蒸发、降水和径流等方式，进行周而复始的运动过程，称为水分循环，又叫水循环或叫水文循环。太阳辐射和重力作用是这一过程的动力。在常温条件下，水的3态转化特性是产生水分循环的内因。

水分循环的空间范围，上至地面以上平均约17km的对流层顶部，下达地面以下平均约1km深处。水以各种形态往返于大气、陆地和海洋之间，形成巨大的不停地、连续地运动，不断改变其地理位置和物理状态的动态系统。水分循环发生区域不同，分3种形式：(1)海陆间的水分循环又叫大循环，或外循环。这一过程是由海洋表面蒸发的水汽，有一部分通过气流被输送到陆地上空；由陆地表面各种水体通过蒸发、植物蒸腾进入大气；在适当的条件下，大陆上空大气中的水汽产生凝结，以降水的方式降落陆地表面，这些水量部分被蒸发；部分渗入土壤、岩层裂缝中形成地下水；部分暂时停蓄在低洼处；较大部分形成地表径流，汇集河水与地下水后，又回到海洋。

(2)海上(或陆地)内循环 是从海洋(或陆地)表面蒸发的水分，进入大气后凝结，以降水的方式返回海洋(或陆地)，其过程只在海洋与海洋上空(或陆地与陆地上空)范围内进行，称为海上(或陆地)内循环。(3)内陆水分循环这一过程是降落到大陆的水，一部分返回海洋外，另一部分降水被蒸发，这蒸发的水汽被输送到距海较远的陆地上空，以降水的方式降落，部分形成径流流回海洋，部分从陆面再蒸发，继续向内陆进行循环，降落、蒸发、再降落、再蒸发，辗转深入内陆，愈向内陆，水汽含量愈少。在大陆内部，地表所含的水分均可被蒸发，少量的大气降水消耗于荒漠中。很少能形成地表径流，也就是地表水分不再回海洋，而由海洋输向大陆内部上空的水汽，却参与内陆水分循环。

水分循环过程中使水分得以交换，各种水体的水也不断得到更新。其更新的速度用更新周期表示，也就是水体的静态储量与年动态水量之比。各种水体更新周期不同，如下表：

(据M．I．Lvovich 1970年)

关于全球的水分循环研究，从20世纪50年代就绘制出“全球水分循环和物理图像”。中国郭敬辉等计算了中国的地表径流及其要素的数值。

60年代，一些国家计算了本国局部地区某一时段的水分循环各要素数值。中国科学院地理所等单位，对中国的水汽输送及大陆上空的水汽含量进行了分析和计算。

进入70年代，随着天气监测网的建立，建有大约6万个测站，还有大量的水文站等，新的观测手段的运用，资料精度明显提高，电子计算机的利用，对7大洲、4大洋的水储量及水汽含量的分布数值，以及南、北半球沿纬度、垂直高度0～7km范围内水汽输送量等数值，各种水体覆盖面积、水的储量等数值进行大量的计算、研究和分析、并进行水分循环更新周期的研究。

因此，全球水资源总量才得出准确的数据。

70年代末期中国进行全国各流域水资源调查与评价，并对水分循环各要素如降水、蒸发和径流等进行研究和计算。80年代初，国际水文、气象组织都确定水分循环为重要的研究课题，开展了科学研究方面的国际协作。中国科学家计算了中国大陆上空的水汽含量，平均年水汽输入量、输出量以及水汽输送相关的降雨量。1984年还编制了《中国气候图集》。

近10多年来，水分循环的研究经历了2个阶段：第1个阶段的研究与水资源的评价工作紧密相连。随着现代工、农业生产的发展与人口激增，不少地区出现了水资源紧缺的局面，这促使人们要对世界以及本国水资源的储量，水的再生能力有个量的认识。如前苏联的《世界水平衡和地球水资源》一书使人们了解了世界水资源的储量，海陆间水分交换量，以及不同形式水分循环更替的时间，对研究世界气候变化也有很大意义。第2阶段将水分循环的研究与气候变迁相连。

人们对大气化学成分的变化，尤其是二氧化碳增加产生“温室效应”日益关注。如加拿大和美国先后用水文随机模型、概念性模型研究了水资源系统对气候变化的敏感性。这项工作有较大的实践意义，世界气象组织已列为特殊课题进行研究。

现阶段，对水分循环的研究，已超出了对它的平均状态研究，而与旱涝等极端情况下水分循环的变化相连接。

但目前限于对某些物理过程理解得不够，对这种模拟的水平较低。当前国内、外对水分循环研究的热点为：(1)对水分循环要素及其计算的研究。

对一个所研究的大陆单元来说，从海上和邻近大陆上蒸发的水汽输入后，进行再分配的方式，可以求出水分循环的各要素，从而得到一系列反映水分循环特性的系数。还可利用已有资料进行大陆单元水汽输入量和输出量及其大陆降水量的计算。

(2)对水分循环与气候变化的研究。大气中的二氧化碳含量的增长，对全球气候和水分循环变化有影响。科学家们开始考虑是否能定量地估算未来气候变化对水资源系统的影响。水资源系统对气候的敏感性是指水资源量的变化对气候变化反映的大小。

1983年J．Schaake及J．Nemece用确定性模型研究气候变化对径流的影响。

。【参考文献】：

1 UNESCO，World water batance and water resources of the earth，1977，50～77

2 Schaake J，Nemece J．Hydrological sciences Journal，1982，9∶27～30

3 全国水文情报网．水文水资源译文集(第3册)．武汉：长江水利委员会水文局，1985．26～44

4 中国大百全书(大气科学、海洋科学水文科学卷)．1987，724～725

5 孙德佩．地球．北京：地质出版社，1988．1～32

6 刘春蓁．水文．北京：水力电力出版社，1989．250～531

(河北师范大学李慧珍副教授撰；李增广审)