现代水文学2-第二章水文循环理论与进展

1、第二章 水文循环理论与进展水循环理论是水文学的重要基础内容之一。水循环是联系气圈和生物圈相互作用的纽带，是水资源可持续利用的物理基础。在水循环的一系列过程中，通过大气降水、植被截留、地表径流、入渗、地下径流、蒸发和植物蒸腾等各个环节，使大气圈、水圈、岩石圈和生物圈相互联系起来，并在它们之间进行水量和能量交换。由于水循环运动，使大气降水、地表水、土壤水、地下水之间相互转化，使水资源形成不断更新的统一系统。也正是由于水文循环作用，使水资源成为可再生资源，才能谈论水资源的可持续利用问题。本章将介绍水文循环的概念、原理及研究进展。这是本书后面章节研究分布式水文模型、水文生态耦合系统模型以及水资源可再生

2、性理论、可持续水资源管理等内容的基础。2.1 水循环与水量平衡2.1.1 自然界的水循环水循环是指地球上的水在太阳辐射和重力的作用下，以蒸发、降水和径流等方式进行周而复始的运动过程。自然界的水循环是连接大气圈、水圈、岩石圈和生物圈的纽带，是自然环境中发展演变最活跃的因素，并使地球获得淡水资源。全球水循环时刻都在进行着，它发生的领域有：海洋与陆地之间，陆地与陆地上空之间，海洋与海洋上空之间。水循环示意如图。2.1.1.1 海陆间水循环海陆间水循环，是指海洋水与陆地水之间通过一系列的过程所进行的相互转化。具体过程是：广阔海洋表面的水经过蒸发变成水汽，水汽上升到空中随着气流运动，被输送到大陆上空，其

3、中一部分水汽在适当的条件下凝结，形成降水。降落到地面的水，一部分沿地面流动形成地表径流；一部分渗入地下，形成地下径流。二者经过江河汇集，最后又回到海洋。这种海陆间的水循环又称大循环。通过这种循环运动，陆地上的水就不断地得到补充，水资源得以再生。2.1.1.2 内陆水循环降落到大陆上的水，其中一部分或全部（指内流区域）通过陆面、水面蒸发和植物蒸腾形成水汽，被气流带到上空。冷却凝结形成降水，仍降落到大陆上，这就是内陆水循环。由内陆水循环运动而补给陆面上水体的水量为数很少。2.1.1.3 海上内循环海上内循环，就是海洋面上的水蒸发成水汽，进入大气后在海洋上空凝结，形成降水，又降到海面。图 水循环示意

4、图2.1.1.4 水循环周期据计算，大气中总含水量约1.29105亿立方米，而全球年降水总量约5.77106亿立方米，大气中的水汽平均每年转化成降水44次（5.77106 / 1.29105），也就是大气中的水汽，平均每8天多循环更新一次（365/44）。全球河流总储水量约2.12104亿立方米，而河流年径流量为4.7105105 / 2.12104 ），亦即河水平均每 16 天多更新一次（365/22）。水是一种世界性的不断更新的资源，具有取之不竭的特点。但是在一定的空间和时间范围内，水资源又是有限的。如果人类取用水量超过更新的数量，就要造成水资源的枯竭。2.1.2 全球的水量平衡2.1.2

5、.1 全球储水量1010亿立方米，其中海水约1010亿立方米，占全球总水量的96.5%。余下的水量中地表水占1.78%，地下水占1.69%。108亿立方米，主要通过海洋蒸发和水循环而产生，在全球总储水量中只占2.53%。淡水中只有少部分分布在湖泊、河流、土壤和浅层地下水中，大部分则以冰川、永久积雪和多年冻土的形式存储。108亿立方米，约占世界淡水总量的69%，大部分都存储在南极和格陵兰地区。2.1.2.2 水量变化规律地球上的水时时刻刻都在循环运动，在相当长的水循环中，地球表面的蒸发量同返回地球表面的降水量相等，处于相对平衡状态，总水量没有什么变化。但是，对某地区来说，水量的年际变化往往很明显

6、，河川的丰水、枯水年常常交替出现。降水量的时空差异性导致了区域水量分布极其不均。在水文循环和水资源演变中，水量平衡是一个至关重要的基本规律。根据水平衡原理，某个地区在某一段时期内，水量收入和支出差额，等于该地区的储水变化量。一般的流域水平衡方程式可表达为：P - E - R = S （2.1.1）式中，P为流域降水量，E为流域蒸发量，R为流域径流量，S为流域储水变量。从多年平均来说，流域储水变量S的值趋于零。流域多年水平衡方程式为：P0 = E0 + R0 （2.1.2）式中P0、E0、R0分别代表多年的平均降水量、蒸发量、径流量。海洋的蒸发量大于降水量，多年平均降水量平衡方程式可写为：P0

7、= E0 - R0 （2.1.3）全球多年平均水平衡公式为：P0 = E0据估算，全球平均每年海洋上约有5050000亿m3的水蒸发到空中，而总降水量约为4580000亿m3，总降水量比总蒸发量少470000亿m3，这同陆地注入海洋的总径流量相等。如表。表2.1.1 全球水平衡表（单位：亿m3）区域多年平均蒸发量多年平均降水量多年平均径流量海洋50500004580000-470000陆地外流区域6300001100000470000陆地内流区域9000090000全球5770000570000掌握水循环和水平衡的规律，便可以改变水的时间和空间分布，化“水害”为“水利”。目前，人类活动对水循环

8、的影响主要表现在调节径流和增加降水等方面上。通过修建水库等拦蓄洪水，可以增加枯水径流。通过跨流域调水等可以平衡地区水量的分布。通过植树造林等能增加入渗，调节径流，加大蒸发，在一定程度上可调节气候，增加降水。而人工降雨、人工消雹和人工消雾等活动则直接影响水汽的运移途径和降水过程，通过改变局部水循环来达到防灾抗灾的目的。当然，如果忽视了水循环规律，不恰当地改变水的时间和空间分布，如大面积地排干湖泊、过度引用河水和抽取地下水等，就会造成湖泊干枯、河道断流、地下水位下降等，导致水资源枯竭，给生产和生活带来不利的后果。因此，了解水循环的基本规律，对合理利用自然界的水资源，是十分重要的。2.2 产汇流原理

9、径流过程是水循环中最关键和最复杂的物理过程。我们知道，降落到陆地上的水，一部分蒸发，返回大气；一部分经植物截留、下渗、填洼及地面滞留后，通过不同途径形成地面径流、壤中流和地下径流，汇入江河，流入湖海。产汇流理论便是揭示径流形成和演变的机制与原理，为水循环过程的模拟与研究提供重要的理论依据。2.2.1 产流理论2.2.1.1 产流机制产流机制是指降雨产生径流的基本物理条件，它取决于下垫面结构及降雨特性。目前研究表明，“超渗”产流和“蓄满”产流是自然界中基本的两种产流模式，它们是现行流域产流量计算方法的基础。(1) 超渗产流早在1935年Horton在地表径流现象论文中明确指出，降雨强度（i）超过

10、地面下渗能力（fp）和包气带缺水量（D）得到满足，即下渗到包气带中的水量（I）与其蒸发量（E）之差超过其缺水量（D），是产流的基本物理条件。Horton断言：当i fp，IE D时，无径流产生，河流处于原先的退水状态；当i fp，IE D时，河流中将出现尖瘦且涨落洪段大致对称的洪水过程线，它是由单一地面径流所形成；当i fp，IE D时，河流中将出现矮胖且涨落洪段大致对称的洪水过程线，它是由单一地下水径流所形成；当i fp ，IE D时，河流中将出现涨洪快速、落洪缓慢、具有明显不对称的洪水过程线，它显然由地面和地下两种径流成分混合所形成。Horton产流理论正确地阐明了均质包气带情况下超渗地面

11、径流和地下水径流产生的物理条件。在某种程度上讲，他指出了径流产生的最基本规律。(2) 蓄满产流在自然界中，许多情况下包气带的岩土结构并非均质，而是具有一定的层次结构。人们从一些流域的退水曲线分析中发现有多于两种的径流成分存在；在一些表层土壤十分疏松、下渗能力很大的地区，既使降雨强度不够大，也可以观测到地面径流现象。这些现象为经典的Horton产流理论所不能解释。从20世纪60年代起Hewlett就开始注意到这个问题。直到70年代初，Kirkby等在大量水文实验研究基础上提出了一种新的产流理论，称为山坡水文学产流理论。山坡水文学产流理论揭示了蓄满产流的机制。在两种透水性有差别的土层，形成的相对不

12、透水界面上，可形成临时饱和带，其侧向流动即成为壤中径流；如果该界面上土层的透水性远远好于其下面土层的透水性，则随着降雨的继续，这种临时饱和带容易向上发展，直至上层土壤全部达到饱和含水量，这时如仍有降雨补给，则将出现地面径流现象。这样产生的地面径流有别于超渗地面径流，故称为饱和地面径流。山坡水文学产流理论使得人们对自然界复杂的产流现象有了更深入的认识，是对Horton产流理论的重要补充。（3）界面产流剖析超渗地面径流、地下水径流、壤中水径流和饱和地面径流等4种基本径流成分的产生机制，可以发现任何一种径流成分都是在两种不同透水性介质的界面上形成的。这就是所谓界面产流规律。此时，如果将界面作为下渗面

13、，则任何径流量都是这样界面的“超渗量”；但如果着眼于界面以上土层的水量平衡，则又可以得知任何径流量都是该水量平衡方程式中的“余额”。现有产流机制的主要不足是，忽略了地形坡度和土层各向异性对产流的影响，对非饱和侧向流在壤中流和地下水流形成中的作用也注意不够。关于地形坡度对产流的影响，1981年，Zaslausky曾引用过这样一个例子：若用下渗能力作为指标来决定茅草是否可作为盖屋顶的材料，则必定会作出由于其下渗能力太大而不宜作盖屋顶材料的结论。但事实上，人们并未发现雨水透过茅屋顶漏入室内。究其原因，是由于茅屋顶不仅具有陡峻的坡度，而且具有各向异性，即垂直于茅屋顶方向的渗透性远小于平行于茅屋顶方向的

14、渗透性。可以认为，对地形坡度、土层各向异性及非饱和侧向流的作用进行深入的实验和分析，将会有力地推动对产流机制的进一步研究。2.2.1.2 流域产流分析降落在流域上的雨水，经产流机制的作用，有一部分将通过流域出口断面流出，这便是流域产流量。在降雨过程中，流域上产生径流的区域称为产流区，其面积称为产流面积。流域产流面积的大小及位置在降雨过程中是变化的，这是流域产流的一个重要特点，对其变化规律的揭示和定量描述，是流域产流量定量计算的关键。据观察，流域产流面积的变化过程一般可描述如下（图2）：降雨开始前，河流中的水量主要来自流域中包气带相对较厚的中、下游地区的地下水补给，在流域上游地区，由于土层浅薄，

15、一般是没有地下水补给枯季径流的。降雨开始后，流域中易产流的地区先产流，这时河沟开始向上游延伸，河网密度开始增加。随着降雨的继续，河网密度不断增加，产流面积不断扩大，组成了流域出口断面涨洪段不同时刻的流量。降雨停止后，流域中河网密度逐步减小，河中流量处于消退阶段。图2.2.1 流域产流面积变化（）降雨开始前；（）降雨初期；（）、（）继续降雨流域产流面积的变化显然取决于降雨特性和下垫面特性空间分布的不均匀性及其配合关系。这里涉及的降雨特性主要是降雨量和降雨强度，涉及的下垫面特性主要是包气带厚度、土质、土壤结构和初始土壤含水量等。可见，产流面积的变化是十分复杂的。但如果降雨特性的空间分布均匀，则易知

16、产流面积的变化仅与下垫面特性空间分布的统计性质有关。此时，人们曾对蓄满产流和超渗产流两种基本产流模式的产流面积变化的基本特点和描述方法进行了讨论。为分析蓄满产流的产流面积变化问题，可引进流域蓄水容量分配曲线，该曲线是一条单增曲线，对一个流域它是唯一的。根据蓄满产流条件，就可以在流域蓄水容量分配曲线上求得其产流面积变化过程。降雨特性空间分布均匀情况下蓄满产流的产流面积变化与降雨强度无关，仅随着降雨量的增加而增加。为分析超渗产流的产流面积变化问题，可引进流域下渗容量分配曲线，该曲线对一个流域不是唯一的，而是以流域蓄水容量为参变量的一组曲线。根据超渗产流条件，就可以在流域下渗容量分配曲线上求得其产流

17、面积变化过程。降雨特性空间分布均匀情况下超渗产流的产流面积变化不仅与降雨强度有关，而且还与降雨过程中流域蓄水容量变化有关。有关流域产流的详细分析，可查阅有关文献。由于产流问题的复杂性以及许多过程还未被揭示或认识，使得产流机制研究仍要付出巨大努力。2.2.2 汇流理论2.2.2.1 汇流过程降落在流域上的雨水，从流域各处向流域出口断面汇集的过程称为流域汇流。流域汇流包含坡面流、壤中流、地下水流以及河道汇流等多种水流的汇集，可为坡面汇流和河网汇流两个阶段。在坡面汇流阶段，雨水经过产流阶段扣除损失后形成净雨，净雨在坡面汇流过程中，有的沿坡面注入河网成为地面径流；有的下渗形成表层流（壤中流）和地下径流

18、再流入河网。地面径流流速较大且流程短，因而汇流时间较短；地下径流要通过土层中各种孔隙再汇入河网，流速小，汇流时间较长；表层流介于二者之间。地面径流在坡面流动过程中，有一部分会渗入土层中成为表层流；而表层流在流动中，部分水流又会回归地面成为地面径流。各种水源的径流进入河网后，即开始河网汇流阶段。在该阶段，各种水源的水流汇集在一起，从低一级河流汇入高一级河流，从上游到下游，最后汇集到流域出口断面。因此，该阶段不同水源的径流在汇流时间上就存在着差异。河网中水流的汇流速度比坡面大得多，但因汇流路径长，汇流时间也较长。上述两个汇流阶段，在实际降雨过程中并无截然的分界，而是交错进行的。2.2.2.2 汇流

19、的概化由于流域汇流的复杂性，目前还不能用纯粹水力学的方法求解水流的运动过程，需要对汇流过程进行概化。实际上，人们也不需要掌握水流在流域空间上和时间上变化的全部发展过程，只需了解由降水所形成的流域出口断面的流量过程。一般对流域的概化主要有两种途径，一是单位线，二是等流时线。单位线途径是将流域设想成一种自然积分器，净雨进入其中，形成一条光滑的出流过程，单位净雨得到单位线。当假定积分器是线性时，则可以利用迭加原理，通过单位线将净雨过程转变为流量过程。等流时线则把流域设想成按照相同汇流时间勾绘出的若干等流时面积，每块面积上的净雨，按各自的汇流时间平移到流域出口；同时利用迭加原理，将各等流时块的净雨转变

20、成流量过程线。两种途径的共同点都是采用卷积，不同点在于单位线按净雨时序实现卷积，等流时线则按照汇流时间实现卷积。20世纪50年代，水文学家J.E.Nash等将系统概念引入流域汇流，将流域概化成一种水文动力系统，用线性水库（代表坦化）与线性渠道（代表平移）作为流域系统的概念性组成元件。然后设想净雨进入流域后经过不同组合的水库和渠道，最后在流域出口形成出流过程。60年代以后，非线性汇流逐渐为水文学者所关注。80年代中期又开始了地貌瞬时单位线的研究。不同的概化，得出不同的汇流计算模型。非线性单位线与变动等流时线仍然是概化的主流。自然界产汇流机制十分复杂，人类活动的影响又增加了其复杂性。在 2 1世纪

21、，进一步揭示不同气候和下垫面条件下的产汇流规律，尤其是探讨人类活动对产汇流的影响，仍然是十分重要的研究课题。发挥多学科交叉与相互渗透的作用，采用新的科学理论和技术，仍然是探求新的产汇流理论和计算方法的重要手段。在流域产流理论和计算方法方面，重点要研究下垫面结构各向异性、地形坡度等在产流中的作用，人类不同的土地利用方式对产流的影响， 以及能分别计算出各种径流成分的流域产流量计算方法。在流域汇流理论和计算方法方面，重点要研究水系发展与流域汇流的关系，流域地形地貌与流域汇流的关系，以及在流域汇流计算中尺度对这些关系的影响。2.3 水循环研究进展水循环深刻地影响着全球水资源系统和生态环境系统的结构和演

22、变，影响自然界中一系列的物理过程、化学过程和生物过程，影响人类社会的发展和生产活动。自然环境和社会环境的变化反过来又影响水循环。水循环研究旨在提出精确评估水循环、水资源、水环境对全球变化和人类活动的响应模式，为国家的水资源管理、环境战略和区域开发提供理论决策依据。2.3.1 水循环国际研究计划近些年来，涉及水循环的一系列全球性研究计划相继提出，如世界气候计划、环球大气计划、国际地球物理年、国际水文计划、国际生态计划、国际岩石圈计划、人与生物圈计划、全球环境变化的人文科学研究计划（HDP）、国际地圈与生物圈计划、国际减灾十年等。各种计划的交叉与联系，更加丰富了“人与水”关系的研究内容，将促进人们

23、对人地关系、人水关系的理解。下面仅介绍与水循环研究关系密切的两个大型国际计划。2.3.1.1 IGBP的“水文循环的生物圈方面”核心计划（BAHC）全球变化是当今地球科学研究的热点和难题，而水文循环在地圈生物圈大气圈的相互作用中占有显著地位。1994年后，国际地圈生物圈计划（IGBP）开始了它的核心项目水文循环的生物圈方面 ，即Biospheric Aspects of the Hydrological Cycle（BAHC）工作，这是一项专门侧重水文学与地圈生物圈和全球变化的交互作用研究。不仅有重大的科学意义，而且对社会可持续发展，资源可持续利用和环境保护方面有重要的应用价值。BAHC探索的

24、主要问题是：植被如何作用于水文循环的物理过程? 具体而言它研究水文循环的生物控制和它们在气候、水文和环境的重要性；改进人们对水、碳和能量在土壤植被大气界面交换的认识；评价那些由于气候和其他变化而导致的陆面性质的改变，这些变化又影响不同尺度生物圈、大气圈、水圈和地圈交互作用；估计植物群落与淡水生态系统在陆面和大气之间碳、水、能量和其它物质中的作用；改进模拟不同尺度（从微观到150km）各种尺度过程的能力；研制易理解和简化的生态水文模型；提供改进的参数估计技术，它能在世界范围应用和利用生态系统土壤和遥感的各种数据库信息；模拟气候变化及影响等。进入21世纪，水资源短缺已成为影响国家食物安全、社会稳定

25、的重要因素。全球碳循环、水循环、食物纤维成为国际IGBP即将启动的三个关键联合项目。水成为联系上（全球变化）下（生物圈）的核心纽带，而这恰是BAHC 的主要研究任务。根据21世纪IGBP发展方向，BAHC也相应地进行了调整，主要有以下10个具体任务：小尺度水、热、CO2通量研究；地下水过程作用的评价；地-气相互作用的参数化；区域尺度上的土地利用与气候的相互作用；全球尺度植被与气候的相互作用；气候变化和人类活动对流域系统稳定与传输的影响；山区水文与生态；开发全球数据集；设计、优选和实施综合的陆地系统实验；发展与风险/脆弱性的情景分析。2.3.1.2 WCRP的“全球能量与水循环实验”计划（GEW

26、EX）1990年以后，世界气候研究计划（WCRP）开展“全球能量与水循环实验”计划（GEWEX）。这是与BAHC计划相对应的国际研究计划，WCRP与IGBP都是在90年代兴起具有前沿性水文循环研究。 与BAHC不同，GEWEX是大尺度的，从全球气候的角度出发研究水文循环。BAHC更多地从生态学的角度研究水文循环。两个计划并不相悖，可以形成互补。目前的GEWEX研究经历了从19911993年的准备阶段，于1994年开始实施研究活动，其主要内容是GEWEX的大尺度水文研究，总的项目名称为：“GCIP”即GEWEX大陆尺度国际研究。GEWEX研究计划中的陆地水循环观测是核心问题。主要致力于以下活动：

27、改进物理过程的参数化方案，进行陆面过程、云、边界层的研究。水循环研究的基本内容是陆地水资源的收支问题，研究动向包括两个方面：一是研究和定量描述各种物理、化学和生物成分与过程在广泛的时间和空间尺度上的相互作用。二是研究人类对陆地水循环的影响作用。分为：对水循环系统的改变，包括水系的改变和干扰，如，大坝的建造、重大水利工程和土地利用。人类活动对土地覆盖的改变，并由此所引起的气候变化和下垫面因素的改变。土地利用及其管理通过增强或减弱渗透而对水循环产生显著的影响。洪流产生的强弱，又影响到沉积物和营养成分进入河道。2.3.2 水循环国际研究进展近年来，通过一系列国际研究计划的实施，如IGBP的“水文循环

28、的生物圈方面”核心计划（BAHC），WCRP的“全球能量与水循环实验”计划（GEWEX）等，使水循环研究取得了很大进展。2.3.2.1 中小尺度水循环研究研究范围一般小于200平方公里，主要研究水、热通量从大气进入不同植物、积雪场、土壤和水体后的迁移机理；研究不同植物、积雪场、土壤和水体的蒸发、蒸腾机理。在全球范围内了解各种土壤、植被和积雪冰川对水的传输机理。发展从植被的小块到大气环流模式网格单元时空尺度上的土壤植被大气系统中能量和水的通用模式（SVAT）。目前，具有代表性的研究成果是农业水循环模拟模型（ACRU, Agricultural Catchments Research Unit,

29、Schulze, R.E. 1995），它是一个多用途的具有物理概念的确定性模型。ACRU计算时间步长为天，空间上把土壤分为多层，进行水量平衡计算。模型模拟的单个内部状态变量（如土壤湿度）及最终结果输出（如径流量或沉积物产量）已经在非洲、欧洲和美洲的不同土地利用状态下的实验场所和流域条件中得到广泛证实（Schulze,R.E. 1995）。在南非具有混合土地利用性质的Lions河流域（面积为362km2），用ACRU模型模拟的19791993年的水流量与观测值相比，不仅看上去时间趋势明显吻合，而且在十年中最湿润的年份和最干旱的年份积累径流量和每月径流量也模拟得很好（Schulze,R.E. 1

30、997）。2.3.2.2 中尺度水循环研究研究范围为2002000平方公里，主要利用遥感技术研究植被水的可利用性蒸散发气候之间的关系，观测气象和气候的变化，比较研究区域气候差异。利用大气环流模式研究水循环对下垫面变化的响应，修正大气环流模式，预测区域环境变化、区域开发对水循环的影响。目前观测研究表明，在2002000公里尺度上地表的非均一性，能形成强烈的大气对流。Vidale等（1997）、Eastman等（1998）和Smith等（1992）通过观测数据证实了这一点。气候模型的模拟也表明，在2002000公里区域尺度上，地表扰动对温度、降水和其他气候要素有重要的作用。Bonan等（1992）

31、、Polcher & Laval（1994）、Lean & Rowntree（1997）、Henderson-Sellers等（1993）模拟研究了森林砍伐的影响，Xue（1997）、Nicholson（1998）模拟研究了沙漠化的影响，Chase等（1996,1999）、Zhao等（1999）模拟了土地利用变化的影响。东南亚是全球尺度的敏感地区，这里地表覆盖的变化对全球尺度的影响比南美地区要大。区域尺度上植被叶面的季节性变化对全球尺度的温度和降水特别是高纬度地区影响很大。Chase等（1996，1997）的研究认为其他地区大尺度的土地利用变化（例如砍伐森林）对全球变化没有明显的影响，高纬度地

32、区的温度与赤道的降水存在遥相关，这个结果令人惊讶。Zhao等（1999）使用不同的土地利用格局和不同的气候模型重复了这组实验，结果支持了上述结论。Beljaars等（1996）使用ECMWF预报模式研究了地表的敏感性。地面蒸发的改变，将引起降水的改变。Xue等（1999）的研究发现，陆地表面参数的变化对亚洲季风的形成、演化和强度有重要影响。Eastman等（1999）、Lu等（1999）研究了大气圈和陆面过程之间（年以上）长时间尺度的反馈。在这个尺度上，美国中心草原的暴雨明显受植被变化的影响，反过来，降水又影响了植被的生长。模拟表明，如果这一地区CO2加倍，气候将有显著改变。Pielke等（1

33、998）研究了美国南Florida七、八月份降水和温度的变化明显受土地利用变化的影响。19001973年南Florida土地利用发生了明显的变化。模拟研究表明，在这种变化格局下，温度和降水确实受到影响，极端最高温度上升。实际上，这一地区的土地利用变化不是温度和降水变化的唯一动力，但是它是最主要的动力，并且在这个尺度上足以驱动天气变化。因此，可以下结论说，区域尺度的扰动能导致大陆尺度气候的变化，敏感地区区域尺度的土地利用变化，能导致地缘上不相邻的大气圈遥相关地区的气候变化。2.3.2.3 大尺度水循环研究主要关注大气圈水圈生物圈冰雪圈岩石圈社会圈的水循环的综合影响问题。重点是陆面与气候相互作用、

34、水文学过程与生物圈过程的气候强迫、陆面反馈机理的研究以及水文尺度问题。大尺度水循环研究利用GCMs、遥感技术、世界气象观测网来研究水循环状况，预测水循环变化。模拟全球水文循环及其对大气、海洋和陆面的影响。利用可观测到的大气与陆面特征的全球观测值确定水循环和能量循环。为了扭转由于流域绝对大小而导致细节泛滥的趋势，应采取从宏观出发，根据需要向微观方向发展的方法。这种方法与传统的由微观向宏观的途径相反，使问题大大简化。把大流域分成亚流域，把复杂的亚流域再细分成次一级的亚流域。亚流域描述可以通过把以绝对统计为基础的物理过程简单概念化后建立起来，不必力求模仿大自然的详细公式准确地再现自然过程，只需要把亚

35、流域范围的自然过程进行统计描述。因此，如果统计描述合理，概念模型就可以比物理模型应用于更广阔的尺度范围。大尺度水循环研究进展：Otterman等（1984）、Harvey等（1988,1989）研究了在植被和大气反馈下地球轨道驱动力对气候的作用。Foley等（1994）研究表明，气候对土地覆盖变化的响应，与雪盖-森林植被的反照率的反馈有关。生物地理的反馈有助于全新世中期高温气候的形成，但相反的例子是115kaBP前Eemian暖期的结束。Harvey（1989）、Berger等（1992,1993）、deNoblet等（1996）的研究表明，植被-雪-反照率反馈机制对北半球变冷作用明显。Jol

36、ly等（1998）、Hoelzmann等（1998）研究表明，全新世中期北非比现在更绿。Texier等（1997）、Kutzbach等（1996）、Brostrom等（1998）发现了北非地区植被与降水之间存在弱的正反馈。Claussen & Gayler（1997）发现了一个强的正反馈使西Sahara和部分东Sahara地区几乎全部变绿。Claussen & Gayler（1997） 和 Claussen等（1998）解释说这个正反馈是由于Sahara沙漠的高反照率与大气环流的相互作用。他们在诸如水汽辐合、对流降水等大气水文学方面扩充了Charney理论。Clussen等（1999）使用大气海洋植被耦合模型（Canopolski等1998）研究了北非的沙漠化问题。模拟表明，地球轨道驱动力触发了Sahara气候的快速变化。Claussen等（1999）的研究表明，非洲湿期的结束不仅是由于这个地区的大