输送主要是指水汽的扩散与水汽输送,是地球上水循环过程的重要环节,是将海水、陆地水与空中水联系在一起的纽带。正是通过扩散运动,使得海水和陆地水源源不断地蒸发升入空中,并随气流输送到全球各地,再凝结并以降水的形式回归到海洋和陆地。所以水汽扩散和输送的方向与强度,直接影响到地区水循环系统。对于地表缺水,地面横向水交换过程比较弱的内陆地区来说,水汽扩散和输送对地区水循环过程具有特别重要的意义。
1.水汽扩散
水汽扩散是指由于物质、粒子群等的随机运动而扩展于给定空间的一种不可逆现象。扩散现象不仅存在于大气之中,亦存在于液体分子运动进程之中。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。这种转移的结果,使得质量、动量与能量不均的气团或水团趋向一致,所以说扩散的结果带来混合。而且扩散作用总是与平衡作用相联系在一起,共同反映出水汽(或水体)的运动特性,以及各运动要素之间的内在联系和数量变化,所以说,扩散理论是水文学的重要基础理论。
分子扩散 分子扩散又称分子混合,是大气中的水汽、各种水体中的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。由于这种现象难以用肉眼观察到,可以通过在静止的水面上瞬时加入有色溶液,观察有色溶液在水中扩散得到感性的认识。在有色溶液加入之初,有色溶液集中在注入点,浓度分布不均,而后随着时间的延长,有色溶液逐渐向四周展开,一定时间后便可获得有色溶液浓度呈现正态分布的曲线,最终成为一均匀分布的浓度曲线。这种现象就是由水分子热运动而产生的分子扩散现象,扩散过程中,单位时间内通过单位面积上的扩散物质(E),与该断面上的浓度梯度成正比。
紊动扩散 紊动扩散又称紊动混合,是大气扩散运动的主要形式。特点是:由于受到外力作用的影响,水分子原有的运动规律受到破坏,呈现“杂乱无章的运动”,运动中无论是速度的空间分布还是时间变化过程都没有规律,而且引起大小不等的涡旋,这些涡旋也像分子运动一样,呈现不规则的交错运动,这种涡旋运动又称为湍流运动。通常大气运动大多属于湍流运动,由湍流引起扩散现象称为湍流扩散。
与分子扩散一样,大气紊流扩散过程中,也具有质量转移、动量转移和热量转移,其转移的结果,促使质量、动量、热量趋向均匀,因而亦称紊动混合。但与分子扩散相比较,紊动扩散系数往往是前者的数千百倍,所以紊动扩散作用远较分子扩散作用为大。
空中水汽含量的变化,除了与大气中比湿的大小有关外,还要受到水分子热运动过程、大气中湍流运动以及水平方向上的气流运移的影响。所以说上述两种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。不过,当讨论紊动扩散时,由于分子扩散作用很小,可以忽略不计,反之,讨论层流运动中的扩散时,则只考虑分子扩散。
2.水汽输送
水汽输送是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。水汽在运移过程中,水汽的含量、运动方向、路线、以及输送强度等随时会发生改变,从而对沿途的降水有着重大影响。
同时,由于水汽输送过程中,还伴随有动量和热量的转移,因而要影响沿途的气温、气压等其他气象因子发生改变,所以水汽输送是水循环过程的重要环节,也是影响当地天气过程和气候的重要原因。
水汽输送主要有大气环流输送和涡动输送两种形式,并具有强烈的地区性特点和季节变化。时而环流输送为主,时而以涡动输送为主。水汽输送主要集中于对流层的下半部,其中最大输送量出现在近地面层的850~900nPa左右的高度。由此向上或向下,水汽输送量均迅速减小,到500~400nPa以上的高度处,水汽的输送量已很小,以至可以忽略不计。(www.daowen.com)
影响水汽含量与水汽输送的因素很多,主要因素如下:
(1)大气环流的影响。如前所述水汽输送形式有两种,其中环流输送处于主导地位。这是和大气环流决定着全球流场和风速场有关。而流场和风速场直接影响全球水汽的分布变化,以及水汽输送的路径和强度。因此大气环流的任何改变,必然通过流场和风速场的改变而影响到水汽输送的方向、路径和强度。
(2)地理纬度的影响。地理纬度的影响主要表现为影响辐射平衡值,影响气温、水温的纬向分布,进而影响蒸发以及空中水汽含量的纬向分布,基本规律是水汽含量随纬度的增高而减少。
(3)海陆分布的影响。海洋是水汽的主要源地,因而距海远近直接影响空中水汽含量的多少,这也正是我国东南沿海暖湿多雨,愈向西北内陆腹地伸展,水循环愈弱,降水愈少的原因。
(4)海拔高度与地形屏障作用的影响。这方面的影响包括两方面:其一是随着地表海拔高度的增加,近地层湿空气层逐步变薄,水汽含量相应减少,这是我国青藏高原上雨量较少的重要原因;其次是那些垂直于气流运行方向的山脉,常常成为阻隔暖湿气流运移的屏障,迫使迎风坡成为多雨区,背风坡绝热升温,湿度降低,水汽含量减少,成为雨影区。
关于我国水汽输送,以2003年为典型年进行了比较系统的分析、计算与研究,得出了如下的基本结论:
(1)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。三个来源是极地气团的西北水汽流、南海水汽流及孟加拉湾水汽流。西北水汽流自西北方向入境,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;而孟加拉湾水汽流通常自北部湾入境,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。
(2)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。其中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。
(3)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。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。
(4)水汽输送场垂直分布存在着明显差异,在850nPa大气层上,一年四季水汽输送场形势比较复杂,在700nPa大气层上,在淮河流域以北盛行西北水汽流,淮河以南盛行西南水汽流,两股水汽流在北纬30°~35°一带汇合后由东流入海,在500nPa高度上,一年四季水汽输送呈现纬向分布,而低层大气中则经向输送比较明显,因而自低层到高层存在经向到纬向的顺时针切变。
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