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1、 第二章 水环境气象学天文气象与水环境之间的关系极为密切。早在十五世纪达芬奇在开凿米兰运河的工作中就注意到了自然界中的水循环。1884年俄国的沃叶意柯夫在“世界气候与俄国气候”一书中就提出了“河川是气候的产物”这一科学论断。他指出，河道是水流冲出来的，水流是降水的结果，所以研究水环境科学，首先必须研究作为水文要素，且是气象要素之一的降水现象。降水与蒸发是水象与气象间相互联系的媒介。1911年俄国水文学家奥里杰柯普在研究了西欧地区50多处河川流域的年平均雨量与年平均蒸发量的资料之后指出，不使用径流的直接观测资料，只要根据降水量及其它气象要素资料，就可以计算出各种不同流域的蒸发量和径流量。法国人潘
2、劳（16081680年）通过测量河水流域面积和年径流量，计算出了区域年降雨雪的总量。水文气象学在十九世纪末和二十世纪初期逐渐形成一门独立的学科。我国周礼卷六冬官考工中也记载有：“水有时以凝，有时以泽，此天时也”，指出水的旱与涝是随同气候的变化而转变的。礼记月令里也记载有“季春之月，令司空日：时而将降，下水将腾，循行国邑，周视原野，修利堤防，道达沟读”。古代的气象学家们从气候的经验中推定出了降雨的季节，由此预计出河流水位上涨的时间，制定出防洪的措施，在农业灌溉和防御洪水方面起到了重要的作用。 第一节 地球上的水循环水循环是指地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，全球海陆空间水循环过程
3、可分解为水汽蒸发、水汽输送、凝结降水、水分入渗，以及地表、地下径流等5个基本环节。这5个环节相互联系、相互影响，又交错并存、相对独立，并在不同的环境条件下，呈现不同的组合，在不同规模的地区，不断地发生相态转换和周而复始运动的水循环过程。从全球整体角度来说，这个循环过程可以设想从海洋的蒸发开始；蒸发的水汽升入空中，并被气流输送至各地，大部分留在海洋上空，少部分深入内陆。在适当条件下，这些水汽凝结降水。其中海面上的降水直接回归海洋，降落到陆地表面的雨雪，除重新蒸发升入空中的水汽外，一部分成为地面径流补给江河、湖泊，另一部分渗入岩土层中，转化为土壤中流与地下径流。地面径流，土壤中流与地下径流，最后亦
4、流入海洋，构成全球性统一的，连续有序的动态大系统。水的循环是一个十分复杂的过程。水分循环系统是一个水文气象系统，它的蒸发、水汽输送、凝结、云雾和降水过程是气象学所研究的范围。而降水到达地面以后，入渗、产流、汇流、形成河川径流，则是河流水文学的研究对象。此外，还有湖泊和水库水文学，沼泽水文学，冰川水文学和海洋水文学（海洋学）等。水文学与气象学分别研究了水分循环系统的两个不同的组成部分，它们之间是互相依附，密不可分，可以说是地球科学中的一对孪生姐妹。一. 水循环体系1. 水的大循环和小循环 地球上的水分布在海洋、湖泊、沼泽、河流、冰川、雪山，以及大气、生物体、土壤和地层中，因此广义上说，水分循环应
5、包括地球上所有的水，无论是大气、海洋、地壳，还是生物圈中的水都应纳入这个综合的自然系统中。水圈内所有的水都参与水的循环。海洋有自己的洋流等水圈内部的水循环；大气圈里有随着大气环流进行的大气内部水循环；大气圈与陆地之间，大气圈与洋面之间，也有着蒸发的水汽又形成降水，降落的水分又形成蒸发的直接循环；岩石圈上也存在着水的转换与循环；生物体内也有着生物水的循环。水循环分为大循环和小循环。从海洋蒸发出来的水蒸气，被气流带到陆地上空，凝结为雨、雪、雹等落到地面，一部分被蒸发返回大气，其余部分成为地面径流或地下径流等，最终回归海洋。这种海洋和陆地之间水的往复运动过程，称为水的大循环。仅在局部地区(陆地或海洋
6、)进行的水循环称为水的小循环。环境中水的循环是大、小循环交织在一起的，并在全球范围内不停地进行着。人体中，从饮水到排出体外只要几小时。而大气中的水，从蒸发进入大气，到形成降水离开大气，完成一次循环平均说来需要八天左右的时间。如果要将海洋中的水全都蒸发进入大气，完成一次水分循环过程的话，则要耗上二、三千年的时间。土壤表面上热量和水汽的收支关系是很复杂的。土壤水分特别重要，因为它能贮藏好几个月。温度和环流对土壤湿度非常敏感。土壤初始状态时的湿度对环流和降水的影响可长达几周和几个月。地球上的水循环通过三条主要途径完成，即降水、蒸发和水蒸汽输送。以雨或雪的形式降落的水量（每年约385000立方千米）中
7、的大部分降落到海洋，然后又蒸发到大气中。还有一部分以径流或地下水的形式从陆地流向海洋。另一条途径是大气中的气流带着水蒸气从海洋到陆地。图中数字的单位是千立方千米/年。 图2.1.1 地球上的水循环当土壤表面覆盖上冰雪时，由于冰雪盖的反照，可以反射掉太阳大部分的辐射，从而影响地表热量平衡。模式试验表明，当撒哈拉沙漠和美洲高原的反照率增加到0.45时，那些地区的降水减少1一5毫米/日。反照率的增加会加剧土壤的沙漠化。2. 水循环的影响因素影响水循环的因素很多。自然因素主要有气象条件(大气环流、风向、风速、温度、湿度等)和地理条件(地形、地质、土壤、植被等)。人为因素对水循环也有直接或间接的影响。(
8、1) 自然因素 形成水循环的内因是水在通常环境条件下气态、液态、固态易于转化的特性，外因是太阳辐射和重力作用，为水循环提供了水的物理状态变化和运动的能量。地球上的水分布广泛，贮量巨大，是水循环的物质基础。由于地球上太阳辐射的强度不均匀，不同地区的水循环的情况也就不相同。如在赤道地区太阳辐射强度大，降水量一般比中纬地区多，尤其比高纬地区多。（2）人为因素 人类活动不断改变着自然环境，越来越强烈地影响水循环的过程。人类构筑水库，开凿运河、渠道、河网，以及大量开发利用地下水等，改变了水的原来径流路线，引起水的分布和水的运动状况的变化。农业的发展，森林的破坏，引起蒸发、径流、下渗等过程的变化。城市和工
9、矿区的大气污染和热岛效应也可改变本地区的水循环状况。此外，人类生产和消费活动排出的污染物通过不同的途径进入水循环。矿物燃料燃烧产生并排入大气的二氧化硫和氮氧化物，进入水循环能形成酸雨，从而把大气污染转变为地面水和土壤的污染。大气中的颗粒物也可通过降水等过程返回地面。土壤和固体废物受降水的冲洗、淋溶等作用，其中的有害物质通过径流、渗透等途径，参加水循环而迁移扩散。人类排放的工业废水和生活污水，使地表水或地下水受到污染，最终使海洋受到污染。3. 水循环的自净作用 环境中许多物质的交换和运动依靠水循环来实现。水在循环过程中，沿途挟带的各种有害物质，可由于水的稀释扩散，降低浓度而无害化，但也可能由于水
10、的流动交换而迁移，造成其他地区或更大范围的污染。陆地上每年有3.61013 m3的水带着约3.610 9 t的可溶解物质流入海洋。水分循环系统是一个水的自然净化系统。水不断地从潮湿的表面蒸发，或者从植物表面蒸腾，当水蒸气进入大气时，大部分杂质留了下来，雨水到了地面经过沙石的过滤和沉淀，成为洁净的水源。在这个净化过程中，太阳、海洋和大气象一个巨大的蒸馏装置，时刻不停地运转着。这样由于水分循环的存在使得水成为我们星球上最活跃的物质，它处于永恒的运动状态，不断地散失，又不断地恢复，以气、液、固三态出现在整个生物圈中。在开放的自然系统中，水分循环处于能量与物质的转换和输送的动态平衡，正因为系统平均活动
11、的均衡性，才保持了地球上生物生存的环境条件的长期稳定。1965年斯马戈林斯基等进行过简单水循环的大气环流的数值试验。这个水循环包括大尺度运动的水汽的平流，地表的蒸发，降水和为了模拟水分对流过程所作的人工校正，选择了无任何热容量的完全潮湿的地表作为下边界，初始条件为完全干燥和等温的大气。北半球平均降雨率的计算结果与布德科求得的年平均降雨的估算值相接近。海洋是水分循环过程中水的贮藏库，海洋和大气，通过热量、水汽和动量的交换和输送而耦合在一起，最初研究海气耦合模式的是真锅(1969年)。近十几年来，这方面的研究己经很多。随着卫星技术的提高，以后可以由卫星提供海温、海面应力资料，和由卫星测定海洋区域的
12、降水率和水汽浓度，将会更大地增强模式对于水圈的计算能力和计算精度。在研究宏观水分循环系统的同时，也有不少人在研究水分循环的微观过程。例如，把入渗、排水、植物吸水、蒸腾和蒸发这些事件作为发生在一小块单一地面以及其上和其下的局部小尺度过程，进行水分循环中的土壤-植物-大气连续统一的研究，可以为宏观模型的参数化提供物理依据。第二节 主要的水文气象一. 太阳辐射1. 地理位置与太阳辐射 水循环系统是一个开放的能量系统。进入到地球上的太阳能约有23%消耗于海洋表面和陆地表面的蒸发上，当水汽凝结时，这些能量又重新释放出来。对于整个地球大气系统来说，由于纬度不同和海陆分布不同，不同地区所接受到的太阳辐射能的
13、多少有着很大差异。就全年平均情况看，大约从北纬40o到南纬30o是一个广大的过剩辐射区域，而两个极地周围的高纬度地区是辐射亏损区。海陆之间，在不同的季节有着不同的亏损和盈余。热量从盈余的地区向亏空的地区输送，最后达到了全球的能量平衡。而这种能量输送，主要靠水分循环过程来完成。我国各地太阳辐射年总量大致在80-200千卡/厘米2之间。等值线为140千卡/厘米2，大约从大兴安岭西麓至云南西藏交界处。此外，我国地跨寒、温、热三带，南北纬度相差近50o。就东西而言，西部如新疆、西藏、甘肃等西北地区太阳辐射量高于东部；而就南北而言，太阳辐射呈自南向北递减的态势。2. 洋流对太阳辐射的影响 水在海洋中能够
14、形成洋流。在低纬度地区洋流的经向输送作用比较强，而在副热带高压靠极地一侧，大气向极地的热量输送最大。这种能量输送保持了全球的能量平衡，它使得辐射的亏空区不至于太冷，辐射的过剩区不至于太热，为生物提供了一种适宜的生活环境。3. 行星风系位置对太阳辐射的影响 水资源是一种气候资源，在很大程度上决定于气候的变化趋势。随着太阳对面地球辐射的季节性变化，行星风系位置和强度都将发生明显的变化，从而影响到低空的大气环流，如我国的江淮的梅雨就与副热带西风急流的减弱北移密切相关，华西秋雨是川黔上空的东风环流变为西风环流所致。4. 厄尔尼诺和拉尼娜现象 当太阳对地球的辐射增强，赤道中东太平洋区的表层海水温度与多年
15、平均值相比，连续6个月偏高，就称为厄尔尼诺现象。与此相反，当太阳对地球的辐射减弱，海水温度偏低，则称为拉尼娜现象。厄尔尼诺和拉尼娜均系西班牙语，前者意为“耶稣的小男孩”，后者意为“耶酥的小女孩”。由于这两种异常的自然现象在发生的时间上常常一前一后，所以也被称为“孪生兄妹”。从历史记录看，拉尼娜现象和厄尔尼诺现象的出现都给全球气候带来了严重的影响。拉尼娜现象使得美国西部地区，南美以及非洲东部地区面临干旱的威胁，非洲东南部和北部则洪涝成灾。厄尔尼诺现象对我国所造成的气候异常主要有以下几个方面：（1）台风减少，厄尔尼诺现象发生后，西北太平洋热带风暴（台风）的发生个数及在我国沿海登陆个数均较常年减少。
16、（2）我国北方夏季易发生高温、干旱，通常在厄尔尼诺现象发生的当年，我国的夏季风较弱，季风雨带偏南，位于我国中部或长江以南地区，我国北方地区夏季往往容易出现干旱、高温。1997年强厄尔尼诺发生后，我国北方的干旱和高温十分明显。(3) 我国南方易发生低温、洪涝，在厄尔尼诺现象发生后的次年，在我国南方，包括长江流域和江南地区，容易出现洪涝，近百年来发生在我国的严重洪水，如1931年、1945年和1998年，都发生在厄尔尼诺年的次年。一般来说，厄尔尼诺年，印度季风较弱；反之，拉尼娜年，印度季风较强。在1873-1994年这122年中有18个强季风年，其中有12年出现拉尼娜(冷海水事件 ), 而在21个
17、弱季风年中有16年出现厄尔尼诺(暖海水事件)。5. 太阳的活动 太阳的活动对地球至关重要。太阳风暴是太阳能量增加而向空间释放出的大量带电粒子所形成的高速粒子流。由于太阳风暴中的气团主要是带电等离子体，并以每小时150万到300万公里的速度闯入太空，对地球的空间环境产生巨大的冲击。太阳风暴爆发时，将影响通讯、威胁卫星、破坏臭氧层。 太阳风暴随太阳黑子活动周期每11年发生一次。从2003年起，进入太阳黑子的高峰年，太阳黑子进入活跃期，并将持续到2004年夏季。太阳黑子极小的年份往往出现大范围的多雨时期。因此太阳的活动引起了科学家们普遍的兴趣与关注。图2.2.1 北京同好会2002年观测到的太阳黑子
18、 article_view.php?article_id=2565 - 16k二. 降水大气降水是地球水资源的唯一来源。因此广义地说，降水量是地球上水量多少的决定性因素。我国多年平均年降水量为633毫米，小于全球陆面上平均年降水量834毫米。在降水总量中，约有56%为土壤蒸发和植物散发所消耗，剩下44%的雨水形成径流。若以径流，即单位面积的产水量计算，仅有278毫米，低于除非洲与南极洲外其余各大洲的平均径流量。我国东南沿海多雨，西部、北部少雨，降水量自东南向西北递减，降水最多的是台湾省中部山区，年平均可达4000毫米，最少的是新疆塔克拉玛干大沙漠，年平均不足10毫米。某一个地区的水资源不仅决定
19、于降水量多少，而且还决定于降水的时间分布。我国是季风气候，降水量在年内分布极不平衡，全国大部分地区冬春少雨，夏秋多雨，降水主要集中于汛期。尤其是华北地区最为明显。天津市6-9月份汛期雨量占年雨量的82%，北京占84%。而且，汛期内的降水又往往集中于一、二场暴雨。北京市平原地区丰水年有50亿立方米的降水，但往往有10亿立方米的水是在一日之内降下来的。像海河的“63.8”暴雨，在暴雨中心，降雨量达865毫米，比年平均降水量还多。这就使得汛期内水量得不到充分利用，在非汛期内水量缺乏。我国的降水量不仅在年内分布不均，而且年与年之间的年际变化也很大，如北京市，1959年降水量为1406毫米，1869年的
20、年降水量仅为242毫米，两者相差达5.8倍。河川径流量的年际变化更大，滦河滦县站最大年径流（1959年）与最小年径流之比为8，大清河紫荆关最大（1956年）最小（1972年）之比为25。由于水资源和需水量之间日益尖锐的矛盾，现在汛期内，人们不再是单单从防洪的角度去警惕特大暴雨的出现，而常常是从水库蓄水的角度希望来一场大的暴雨。因此，在确保防洪安全的情况下，应充分发挥水库的兴利效益，使现有的有限的水资源得到充分的利用，就可以缩小特大暴雨灾害性的一面，扩大其有益的一面。三. 季风太阳对高山陆地和海洋、江河湖泊的加热差异产生热力环流，低层环流，即冬季从陆地吹向海洋或夏季从海洋吹向陆地的风，就是我们今
21、天观察到的我国东部地区的冬、夏季风。空气中的水汽在相变过程能够储存和重新分配热带和副热带大部分地区接受到的太阳能，并且有选择地释放这些能量，从而决定季风降雨的强度和地域。 季风不仅控制着我国的降水分布总趋势，也影响到各地降水的分配与变化。我国每年6-8月间，在夏季风的控制下成为雨季；11月到次年2月在冬季风的绝对控制下，平均降水量偏少。东南沿海的夏季降雨量中，台风降雨占了很大的比重；而华北新疆的秋冬季降雨则大多与寒流的到来有关。气候异常导致降水不均，从而引发干旱、洪涝、泥石流等自然灾害。1. 全球季风区 二十世纪初以来，气象学家们对全球季风区进行了划分，将季风区分为横跨次撒哈拉非洲的纬向伸展的
22、带状区域；南、北印度洋及其邻近陆地；印度尼西亚至澳大利亚北部地区以及东亚地区。近年来将美洲季风区范围从夏季降水量丰富的陆地扩大到墨西哥和中美洲以南的海域，提出了北美洲季风系统这一新概念，如“墨西哥季风”。不过，全球最为明显的季风区仍是位于东亚的海洋、南亚、东非和西非。亚洲除了南亚这个显著的季风区外，东亚地区也是一个比较显著的季风区。平均来说，夏季风最先于5月初在中南半岛西部建立，然后于5月中旬在南海建立。在东亚季风北进的过程中，南亚(印度)季风于6月10日左右爆发。 南亚为热带季风区，季风特征主要表现为冬季盛行东北季风，夏季为西南季风。冬夏季风期间干湿分明，夏季风期间为雨季，冬季风期间则为旱季
23、。 东亚季风区较为复杂，南海西太平洋一带属热带季风区，冬季盛行东北季风，夏季盛行西南季风。东亚大陆日本韩国一带属于副热带季风区，冬季30N以北盛行西北季风，30N 以南盛行东北季风，夏季盛行东南或西南季风。夏季，这些地区雨量充沛，冬季雨雪较少。 2. 我国的季风我国除新疆、柴达木盆地中部和西部、藏北高原西部、贺兰山和阴山以北的内蒙地区属大陆性无季风气候区外，其它地区均属季风区。夏季，台风在太平洋形成后，可在我国北起辽南。南至广东一带的沿海登陆。台风中心压低，风力大，台风来临时往往带来暴雨。一般雨量在100-300毫米，多时可达500毫米，个别甚至可达900毫米。与南侵的寒流相同，北上的台风也多
24、在内陆山地受阻，削弱为低气压气团而消失。冬季，入侵我国的寒潮大多源自于北冰洋的冷空气。寒潮入侵后风向转西北风，在长江以北形成大风、降温为主的天气；向南促使较湿的变极性极地大陆气团抬升，形成去雨与降雪。寒潮在入侵的过程中不断地受到山地的阻挡削弱，南岭山地是寒潮的最后一道屏障。 图2.2.2 夏季季风的形成季风区具有充足的阳光和降水。印度弱季风年，即季风雨明显少于常年的年份，通常为农作物歉收年；反之，强季风年，即季风雨明显多于常年的年份为农作物丰收年。当然，如果季风雨太多会引发洪灾，对农业产生不利影响。3. 梅雨 夏季，我国东部地区的主要雨季是由南方副热带高压西侧的偏南气流和北方南下的冷空气交汇造
25、成的。随着夏季风的变化，雨带由南向北推进。雨带在江南和淮河流域经过和停留的时间是6月下旬到7月中旬。此时正值梅子黄熟，因此又称“梅雨”。梅雨天，空气湿度较大，东西极易发霉，因此也称之为“霉雨”。梅雨期间，在江淮流域通常维持着一个准静止的锋面, 称为梅雨锋，梅雨锋的东段可伸展到日本。国际上一般把中国整个东部地区夏季降水称为梅雨(Plum rains)。7月下旬开始，雨带北移，淮河以南地区进入高温伏旱季节，以北的华北和东北则进入全年雨量集中的雨季盛期。东亚夏季风气候是世界上一种十分特殊的气候。梅雨就只有西起我国湖北宜昌，经韩国最南部，东到日本中南部一条窄长地带中才有。在长江中、下游地区可出现两类梅
26、雨：典型梅雨和早梅雨。所谓典型梅雨，一般于6月中旬开始(入梅), 7月上旬结束(出梅)，出梅以后长江中、下游地区一般会出现盛夏酷暑天气。有些年份，如1958 年，主要雨带从华南跃至华北，未在长江流域停留，这种现象称为空梅。而所谓早梅雨是出现于5月份的梅雨，始于5月中旬，梅雨持续两周左右。如果出梅以后雨带不是北移而是南退，而后再次北移的话，就会出现典型梅雨，即一年内二次出现梅雨天，如1991年长江中、下游和淮河流域洪水泛滥就是由开始于5月19日的早梅雨和随后的典型梅雨引发的。淮河位于黄河和长江之间，特殊地理位置使得它成了我国南北方的分界线，淮河流域南北的气候存在明显差异。淮河流域正处江南多雨区和
27、华北少雨区的过渡地区，年雨量变化梯度很大。淮河南北的雨旱季节也正好相反。淮河以南，由于春雨连梅雨，雨季长，雨量多，因此适合种植需水多的水稻；淮河以北少雨春旱，宜种耐旱的冬小麦。因此历史上形成了“南稻北麦”的我国粮食生产分布大格局。从而形成了南方人爱吃大米北方人爱吃面食的习惯。此外，南方多雨，河湖港汊众多，水上运输发达；而北方多旱地平，古人多以马为交通工具。因此又有“南船北马”之说。4. 台风、飓风、热带风暴台风及其引发的特大暴雨常给它所经过的地区带来丰沛的水量。1984年8月8日和1982年7月底的两次台风暴雨是1980一1986年华北地区最大的两次大面积大暴雨天气过程，对华北地区水资源补充都
28、起过积极的作用。1984年6月下旬以后，华北地区降水明显偏少，7月份京津地区降水较常年同期偏少6一7成，华北大部分地区都出现了较严重的伏旱，旱情一直持续到8月上旬。8月8日凌晨二时，第七号台风于福建罗源登陆，受台风形成的低气压和冷空气的共同影响，华北平原和东北平原出现了一次较大范围内的暴雨天气过程。到11日5时京津唐地区降水量普遍超过200毫米，河北南部和东部、河南北部和东部降水量也达100毫米以上，天津独流减河工农兵挡潮闸一天降水量达477毫米。这次降水在华北和东北地区降下几百亿立方米的水，和海滦河与辽河年平均径流量的总和差不多，其范围之广为1963年以来所罕见。台风、飓风、热带风暴及其的孪
29、生兄弟风暴潮、海啸都是最具破坏力的自然灾害。飓风从海洋横扫至内陆地区。强劲的风力和暴风雨过后，往往给其所经过的地区带来极大的破坏。1998年10月，“米其”飓风肆虐尼加拉瓜、洪都拉斯和危地马拉等国家，造成11，000多人死亡，建筑倒塌，摧毁了农田以及随后引发了大面积的洪水泛滥。还有一种巨大的快速移动的海浪被称为海啸。图2.2.2 1998年10月26日飓风“米其” （美国国家海洋和大气局）引发海啸的主要成因有二个：因气象风暴引发的称风暴海啸，也叫风暴潮；因地震引发的称地震海啸。风暴潮形成时，强烈的海风和低气压产生了汹涌的海涛，其巨大的圆屋顶状的海水跨度可达60-80公里，高度在2-5米左右。当
30、风暴抵达海岸，强风卷起海水将其推向内陆地区，“水幕”登陆后，其巨大的力量将会吞没和摧毁沿途的一切事物，造成致命的灾害，引起巨大的伤亡和损失。最猛烈的一次风暴潮纪录发生在1970年，当时造成孟加拉30万人死亡，沿岸的湿地全部毁于一旦。地震海啸通常是由震源在海底下50公里以内，里氏6.5 级以上的海底地震、火山爆发和海底地层断裂所引发的。海啸发生时，将海底之物抛到高空，形成十几米到几十米不等的水墙。海啸引发的海浪在公海上的速度可以达到每小时100多公里，对太平洋沿岸地区构成一种特殊的威胁。2004年12月26日上午在印尼苏门达腊岛附近发生了一场百年罕见的里氏8.9级地震，相当于3000颗原子弹的威
31、力，地震将苏门达腊岛向西南方向轻微推移，并引发了惊天海啸，狂涮印尼、马来西亚、泰国、印度、斯里兰卡、马尔代夫等东南亚国家，造成12多万人死亡，受灾人口达100多万人。图2.2.3 2004年12月26日在印尼苏门达腊岛附近发生的惊天海啸5. 寒潮 当南下的冷空气使得气温在24小時内剧降10C以上时称为“寒潮”。入秋以后，冷空气频繁侵入我国，它是我们每个人在秋末至冬季最最关心的天气现象。寒潮大多約持续三至四天，有時可达八至九天。南下的强劲的极地冷气团，具有干冷的气团特性， 除了发生气温驟降与强风等天气現象外，並不常发生降水。但冷空气在南侵的过程中将给江南地区带来大面积的雨雪。(1) 冷空气的发源
32、地及活动 在北半球，冷空气的发源地在北极地区，太阳直射南回归线附近。由于处在北半球的高纬地区吸收到的太阳辐射较少，极区有4个月左右处于极夜状态，终日不见阳光，因此冰天雪地，终年寒冷。随着中高纬度大气环流形式的发展演变，北极地区（6633N以北）上空的寒冷气团被高空的偏西气流驱动着离开极地向较低纬度地区推进，从而形成一股股冷空气东移南下。冬半年在北极及西伯利亚高寒地区，这种冷空气向南爆发的过程每隔几天就会出现一次。(2) 冷空气的路径 由于中高纬度大气环流形式的发展变化，影响我国的冷空气路径主要有三条(图2.2.3)：第一条：偏西路径。冷空气从冰岛附近洋面经东欧南部或地中海、黑海、里海，从我国新
33、疆西部入侵，以后东移影响我国。这条路径的冷空气影响范围大，但强度一般不强。第二条：西北路径。冷空气源于新地岛附近洋面，经西西伯利亚、蒙古国西部，从新疆北部入境侵袭我国。这是冬季最常见的路径之一，其强度较强。 第三条：偏东路径。冷空气自泰米尔半岛一带经俄罗斯东部侵入我国。取这条路径的冷空气突发性强，强度大，但影响范围小，主要影响我国东部地区。 图2.2.4 寒潮、台风路线图：寒潮路线图； ：台风路线图(3) 冷空气的聚集和爆发 在冬季北半球中高纬度高空，一般均盛行偏西气流，西风或西北风将冷空气输送到西西伯利亚地区后，由于大地形的阻挡在这里集聚加强。伊朗高原、帕米尔高原、青藏高原和蒙古高原等大地形
34、的阻挡犹如一个半圆形拦洪大坝，将一股冷空气拦截在这里，使得地面冷高压中的冷空气不易辐散流失而在此地堆积、加强。当冷空气达到相当强的强度后，在稳定的环流形式遭到破坏时就爆发南下。冷空气的爆发往往犹如水库决口，一泻千里，给所经之地带来强风、降雪和剧烈的大幅度降温和霜冻天气。人们常说的西伯利亚寒流指的是来自极区经西伯利亚聚集加强后南下的冷空气。四. 干旱干旱实际上是一种正常的，气候周期性变化的现象，是自然降水减少的结果。当降雨相对稀少或者不稳定的时候，将会打破降雨和蒸发进程的平衡，干旱由此而生。因此干旱可以在世界的任何角落发生，与雪崩和洪水的瞬间爆发不同，干旱发生的时间相对较长。干旱可以具有非常大的
35、破坏力，特别是当伴随高温，强风和相对低湿度的时候，干旱会引起农作物和牲畜因饥渴和营养不良而死亡，同时人类和经济和环境成本也会随之增加。近年来随着气候变化愈演愈烈，全球内干旱的范围不变扩大，干旱及半干旱地区约占地球陆地总面积的三分之一，涵盖五十多个国家和地区。据估计，目前全世界己有3.4107平方公里的旱地变成了沙漠。近50年内，世界上许多地区，如非洲萨赫勒、印度西北部、巴西以及澳大利亚相继出现干旱气候和季风中断。在某些地区，干旱气候的持续时间长达10年。非洲地区，由于该地区范围广大，长期持续的干旱致使非洲几十个国家生态平衡破坏，森林火灾频繁，供水和粮食严重不足。亚洲和欧洲也频繁遭受干旱的侵袭。
36、干旱是人类面临的巨大挑战之一。1. 干旱的界定 气象部门利用降水距平来确定旱或是涝。例如，认为连续三个月降水距平百分率在-50-80%之间即为大旱。但各地具体条件不同，划分指标也不完全一致。一个比较完善的气象干旱模式应当包括三方面的内容：一是水分收人，主要是降水；二是水分支出，主要是蒸发、蒸腾和地表的径流；三是前期气象状况，主要影响土壤水分的状况。也有人用19511980年我国北方地区月降水量距平百分率作为干旱标准，计算310月我国北方受旱范围和干旱持续时间。结果表明在三十年中我国北方大部分地区出现干旱1525次，其中苏北、皖北、山东中部和西部、北京、河北中部和南部、山西南部、关中东部、河南中
37、部和北部出现干旱2530次。干旱次数最多的是河北南部的邢台和河南北部的安阳地区，三十年中河北南部和河南北部，重旱有1518次。竺可祯曾用年降水量400毫米的等值线，作为气候分界线。这条线的界线大致沿大兴安岭西侧至张家口，顺长城至靖边，经兰州、黄河沿到拉萨以西，把全国划分为湿润的东南半壁和干旱的西北半壁。有人进一步把年雨量250毫米和800毫米等雨量线定为干旱和半干旱地区、半湿润和湿润区的分界线。2. 我国的旱情 我国平均每年4.1亿亩遭受水旱灾害的面积中，水灾占27%，旱灾占73%。暴雨洪水是一个突发性的剧烈事件，几小时内就会翻江倒海，平地一片汪洋。而干旱却是一个缓慢的积累过程，干旱的特点是受
38、旱面积广，持续时间长，因此有“旱一片，涝一线”的说法。在暴雨洪水面前，人们往往还来不及喘息，生命就毁于旦夕，而干旱的灾害所造成的“数月未雨，颗粒无收”、“赤野千里”，却是一步一步把人推向濒于死亡的边缘。明朝崇帧年间大旱几乎席卷整个华北及长江流域地区，就造成饿馁遍野，民不聊生的局面。我国北方几乎每年都有范围大小和程度轻重不同的干旱，以春旱次数最多，夏旱次之，因此有“春雨贵如油”的农谚。春旱一般是从冬季小雨雪开始，此时仅有冬小麦处于越冬阶段，对干旱不敏感。一般比较明显的是从3月开始到5月或6月，多数年份在5月的下半月和6月的上半月有几次较大降水，使大部分地区旱情先后解除。干旱不仅会在北方出现，而且
39、也会在南方出现。广东省地处低纬，面向海洋，但是，1955、1963、1977等年的干旱不仅影响了作物的生长发育和农业产量，而且局部地区还出现了人畜饮水的困难。第三节 水循环的异常与洪水灾害 虽然从长期的平均状况看，存在着海陆之间的水分循环过程，但是这一过程并不是平均分配的。有时水分循环过程很强，有时又很弱，有时是海洋向陆地的水汽为正向输送，有时为反向的负输送。陆地上的河流有时汹涌奔腾，有时干涸断流。对于不同的地点说也有很大差异，即使是同一纬度上的不同地点，或者是同一国家的不同地区也会有很大的差异。我国年降水量最高纪录为8千多毫米(台湾火烧察)，而年降水量最少的纪录仅5.9毫米（新疆托克逊）。北
40、京地区年雨量最高的纪录为1406毫米（1959年），年雨量最少时的纪录仅为242毫米（1869年）。北京密云县枣树林地区1972年7月27日一天就降水478毫米，是少雨年份1869年全年降水量的两倍。人类对水分循环系统的自然规律的认识是在和水分循环系统异常所带来的水旱灾害的斗争中不断深化，不断发展的。一. 水循环的异常1. 暴雨 暴雨天气过程是一个剧烈的水分循环过程，1975年8月上旬，淮河上游的洪汝河和沙颖河流域特大暴雨过程中，林庄站一天降水量达1005.4毫米，而这一地区的年平均降水量为700800毫米，还不及当日的降水量多。这次暴雨的水汽主要来自我国东海及其以东的洋面上，是7503号台风
41、登陆引起的。台湾、浙江、福建、广东、湖南、湖北、江西、河南、河北等近十个省区相继出现暴雨天气。整个过程的总降水量达到一千多亿吨。淮河正阳关上游的流量达129亿吨。这么多的水突然一下子集中于这一小小的地区，致使河道漫决。两座大型水库垮坝失事，几个滞洪区先后溃溢，洪水到处窜流，造成极惨重的灾害。 1982年7月29日到8月2日黄河三门峡到花园口区间，出现了一次有实测记录以来的最大暴雨。由于环流配置和地形影响，使得南、北、西三个方面的水汽净收支很小，主要是东风气流的辐合输入，台风北侧与副高之间几百公里宽，几公里厚的东风水汽输送带把海洋上的水汽带进三门峡花园口之间，形成暴雨，降雨落下之后，汇集在黄河之
42、中又奔流入海。黄河是地上径流，东风带是天上径流，暴雨是两者的转化机制。与此相反，当一个地方长时间无降水或降水甚少，则由于地面的水分不断地通过蒸发和蒸散进入大气，当地的水分就会随着气流被带走，久而久之，形成当地水分的大量亏损，就会严重影响作物生长和人民生活，形成干旱。2. 季风异常 中国位于欧亚大陆的东南部，濒临太平洋。由于海陆之间热力差异而造成的季风气候特别显著，使中国成为世界上季风最为显著的国家之一。而经过广阔洋面的夏季风，给中国大陆带来了丰沛的雨水，所以中国绝大部分地区的雨水集中在59月。中国各地雨季的早晚和正常与否，大都直接与季风的进退有关，一旦季风规律反常，就会出现较大范围的旱涝灾害。
43、例如1959年夏季，因为东南季风暖湿空气势力较强，它的前沿大雨带反常地迅速北上，使通常在初夏季节梅雨较多的长江中下游流域发生了干旱，持续达2个月之久，1978年也是类似情况；而1954年夏季正好相反，东南季风被北方冷空气所阻，一直到7月下旬，大雨带还停滞在江淮流域，因而长江中下游流域出现了百年未遇的大水。降雨量大幅度波动是季风性气候的持征之一。据不完全统计，从公元前206年至公元1949年的2155年间，我国较大的水旱灾害共发生过2085次。几乎每年一次水灾或旱灾，如1876至1878年，山西、山东、河北、河南、安徽、江西、湖南、湖北、福建等十多个省连续3年遭受水旱和风雹灾害，估计受灾人数达6
44、600万人，死亡数百万人。又如1931年，全国发生大水灾，有16个省市受灾，特别重的有5个省，这一年再加上别的自然灾害，受灾人数达一亿人。二. 洪涝灾害与水利工程1. 洪涝灾害洪水是由于暴雨、融雪、融冰和水库溃坝等引起河川、湖泊及海洋的水流增大或水位急剧上涨的现象；洪水超过了一定的限度，给人类正常生活、生产活动带来的损失与祸患，简称洪水灾害。按成因和地理位置的不同，常分为暴雨洪水、融雪洪水、冰凌洪水、山洪以及溃坝洪水等。海啸、风暴潮等也可以引起洪水灾害。近期淮河流域的洪水就是暴雨洪水。 洪水一般出现在多雨季节。雨水降落到地面以后，有的渗透到地底下去了；有的蒸发到空中去了；还有一部分，就顺着地面
45、流，经过小沟、小溪，进入江河。进入江河水量的多少，首先要看雨量大小。雨下得越大，时间越集中，流入江河的水也就越多。如果在短时间内有大量的水流入江河，水量超过了江河的最大输送能力，就会发生洪水，造成水灾。另外，洪水的形成也受当地的气候、下垫面等自然因素及人类活动等因素的影响。 图2.3.1 2000年3月莫桑比克大洪水我国大部分地区都是夏天降雨最多，河水在这个时候上涨，洪水也大都发生在这个时候；欧洲地中海地区，夏季降雨并不多，而在冬季却成了一年之中降雨最多的季节。因此在那里发生洪水的季节，不是在夏季，而是在冬季；至于地球上的寒冷地区，从天上降下来的通常不是雨，而是雪，这些雪堆积在地面上，要等到春
46、暖季节，才能融化成水，大量流到河里去。在那里，春季是最容易发生洪水的。在20世纪末的20年间，全球大约有15亿人受到了洪水的危害。2002年的夏天，从大不列颠王国到保加利亚和罗马尼亚几乎在整个欧洲地区都遭到了大洪水的肆虐。洪水泛滥次数的不断增加部分原因是全球的变暖，直接导致了北半球部分地区降雨量的突升。2. 水利工程 人类离不开水，又时时受到水灾的威胁，因而，人类就得不断地进行兴利除害的治水斗争。历史上，历朝历代的统治者都把江河治理作为一项安国定邦的重大措施。治水就是要治理水分循环的异常现象，就是要局部地改变水分循环的系统的结构与功能使之向符合人类利益的方面转化。水利工作是水利自然科学的应用，
47、水分循环系统的研究是它的理论基础，无论是防患于未然，还是旱涝的治理，还是水资源的开发利用，都必须以水文气象系统的自然规律为其客观依据。为了达到这个目的，人们采用了种种工程措施和技术手段。水利科学包括水利自然科学和水利技术科学。水利自然科学就是以水分循环这个水文气象系统作为自己的研究对象，研究水分循环过程中，与人类关系最密切的陆地上的水分循环过程。中华民族在和水旱灾害的斗争中，创造了自己的历史和文化，发展了水利事业。(1) 兴建水库等传统的水利工程 自古以来，我国就已经认识到了水的重要性，除水害，兴水利。相传4000多年前，黄河流域发生了一次特大洪水，禹用疏通河道的办法，战胜了洪水。从此，大禹治
48、水的功绩被人们千古传诵。公元前256年四川省当时的蜀守李冰修的都江堰水利工程（图2.3.3）一直沿用至今，使经常发生水旱灾害的成都平原变成了“天府之国”。图2.3.2 都江堰水利工程春秋战国时期是我国历史上第一个水利建设的高潮。最早的水利工程是安徽寿县的芍破工程，涉及范围120平方里，灌溉万余农田。这个人工水库大约建于公元前613年至591年。公元前445396年河北省临漳县修建成漳水渠，以引水灌溉为主，有12条渠道清淤和灌溉同时进行。公元前246年时，陕西的关中平原，由韩国的水工郑国主持修建了一条郑国渠，渠全长3万多里，是我国古代最长的由渠道构成的灌渠。这就是我国古代的四大水利工程。 水利工程虽然在防洪发电方面造福于民，但水坝的建设