【3.23世界气象日】水循环中的气候密码

降水

对于很多人而言，谈起水循环的过程，降水无疑是最容易察觉的一环。水从天而降，落在大地上、海洋中，直观而又容易理解。事实上，降水也确实是水循环过程中最重要的环节之一，是大气层中的水分回到地球的主要方式。但这一过程绝不简单。

在空中飘浮的云，含有水蒸气和云滴。当然，很多时候这些水蒸气和云滴太小，不能以降水的形式降落，但是却可以形成看得见的云。随着水不断地蒸发到天空中，并且不断地冷凝，云中的水含量越来越多。云中大多数冷凝水不会随降水落下，因为上升气流会支撑住云。要使降水发生，微小的水滴必须冷凝结合成又大又重的水滴，才能以降水的形式从云层中降落。每一个这样落下的小雨滴中都含有数百万个云滴。

在大气的高层，降水落下之前，它们都是以固态形式存在，例如冰晶。但到了大气的低层，也就是降水真正变成与人类接触的“天气”的时候，根据具体条件不同，降水的具体形态——一般称之为相态——就有很多种各不相同的形式。

降水相态的变化为天气预报增加了很多难题，就拿最常见的雨和雪来说，是纯雨、纯雪，还是雨夹雪、雨转雪、雪转雨，都需要预报员根据复杂的天气条件进行判断。简单地说，如果低层温度高，冰晶下落过程中融化成水就形成降雨，部分融化则为雨夹雪，温度较低不融化就形成降雪。此外，冰雹、冻雨、霰等“二线”降水相态也不时造访。

世界各地、各个国家甚至每个城市的降水量存在着巨大差别。曾被称为“雨极”的印度乞拉朋齐，1974年降水量达24555毫米，而智利的阿塔卡马沙漠年平均降雨量小于0.1毫米。降水量的巨大差异，是塑造全球各地迥然相异气候的重要原因之一。在乞拉朋齐和许多热带地区，季节依据降水量的多寡分为干湿两季，而在阿塔卡马沙漠，由于常年无降雨，某些地区的土壤中完全不存在生命迹象。美国国家航空航天局曾在该地区模拟火星环境以测试火星探测器。

在更多地区，降水量没有那么极端，但也决定了当地水资源是否丰沛，适合何种物种生存。从粮食作物的选择，到人们的穿着饮食习惯，都受到降水量直接或间接的影响。我国北方面食更流行，而南方则普遍无米不欢，很大程度上是由于包含降水量在内的气候因素影响，历史上长期以来北方适合种植小麦，南方适合种植水稻。尽管今天的农业技术，如设施农业，已经可以某种程度上改变气候条件，但气候仍是在农业方面起决定性因素的“基本盘”。

降水深刻地影响着人们生活的各个方面。自然，我们也无法回避降水带来灾害这一话题。正常的降水必不可少，但极端降水却会引发洪水、造成内涝，诱发山洪或滑坡、泥石流等地质灾害。我们必须警惕的是，在气候变化的背景下，极端降水出现的频率正在增加。如果希望人们免于越来越频繁的灾害性天气袭击，应对气候变化的行动势在必行。（刘钊）

地表径流

唐代诗人李白曾说：“君不见，黄河之水天上来，奔流到海不复回。”从本质上说，黄河、长江乃至所有江河湖海中的水，以及地面上、土壤里的水都是从天上降下来的。从水循环的角度来看，地球上的“水”一直处在动态变化之中，其中，黄河等河流就属于水循环中的“地表径流”。

大气降水落到地面后，一部分蒸发变成水蒸气返回大气，一部分下渗到土壤成为地下水，其余的水沿着斜坡形成漫流，通过冲沟、溪涧，注入河流，汇入海洋。这种水流被称为地表径流（又名地面径流）。它是降落到地面的雨水，被地面物体截留，被土壤吸收和渗入地下后所剩下的部分。

河流的水源补给来源主要是大气降水，此外还有冰雪融水、地下水和湖泊水等，究其根源都是来自大气降水，也就是来自于“天上”。李白说“奔流到海不复回”是错误的，通过水循环，地球上的水体在不断循环运动，奔流到海的河水通过水汽蒸发、水汽输送、大气降水，有可能再回到地表径流之中。

地表径流一般流入江河、大海，而湖泊和大面积的沼泽地、大洼地则起着储存径流的作用。河流和湖泊可调节周围的局部小气候，如可影响周边地区的降水，使大气中水汽增加，湿度增大，云量、降水量增多。同时，影响周围地区的光照和气温，在白天，大气中水汽和云量的增加，使大气对太阳辐射的削弱作用增强，到达地面的太阳辐射减少，气温偏低；在夜晚，因大气的湿度大、云量多，大气逆辐射增强，气温偏高，从而导致气温日较差变小。

地表径流如同地球的血管，输送着维持地球生态系统所需的水和营养物质，滋养包括人类在内的众多生命。但地表径流也会引发洪水、内涝、山体滑坡等灾害，影响人类的生产生活。人类通过引水灌溉、修建水库、跨流域调水、填河改路、围湖造田等，极大改变了地表径流的自然分布状态。（张明禄）

洋流

2018年3月，澳大利亚的一户居民在西澳大利亚州一处沙滩散步时，发现一个具有130多年历史的漂流瓶。经鉴定，这是德国海军观察队在19世纪下半叶为研究世界洋流投入大海的。这个小瓶子怎么会从德国漂到澳大利亚呢？它经历了什么？

原来，这是“洋流”在做义务搬运工。大海中有一股水流，类似陆地上的江河，它有规律地顺着地球上恒定的风带按照一定的方向流动，人们称之为洋流。洋流又叫海流，是指大洋表层海水常年大规模沿一定方向进行的较为稳定的流动。它是地球表面热环境的主要调节者，可以分为暖流和寒流。若洋流的水温比到达海区的水温高，则称为暖流。若洋流的水温比到达海区的水温低，则称为寒流。

一般来说，暖流对沿岸气候有增温增湿的作用，寒流对沿岸气候有降温减湿的作用。暖流的增温增湿作用最显著的是墨西哥湾暖流，源于赤道附近的这股洋流，其流量相当于世界陆地径流总量的20多倍，而且会带动海面以下100多米深处的海水一起流动。它所携带的热量也是惊人的，横渡大西洋以后被叫做北大西洋暖流。

寒流在与周围环境进行热量交换时，得热增湿，同时使洋面和它上空的大气失热减湿。例如，北美洲的拉布拉多海岸，由于受拉布拉多寒流的影响，一年要封冻9个月之久。秘鲁西海岸、澳大利亚西部和撒哈拉沙漠的西部，由于有寒流经过，那里的气候更加干旱，以至于沙漠广布。

此外，当某一洋流减弱或者增强时，其经过的地区的气候也会随之改变。还是以北大西洋暖流为例，科学家研究发现，由于冰川融化、降雨量增加以及风向变化等原因，大量淡水流入北冰洋造成北大西洋暖流减弱，这种变化，将导致欧洲平均气温下降。

洋流除了分暖流和寒流，还可以按成因分，主要有风海流、密度流和补偿流。

风海流主要是在风力作用下形成的。盛行风吹拂海面，推动海水随风漂流，并且使上层海水带动下层海水流动，形成规模很大的洋流，叫做风海流。世界大洋表层的海洋系统，按其成因来说，大多属于风海流。不同海域海水温度和盐度的不同会使海水密度产生差异，从而引起海水水位的差异，在海水密度不同的两个海域之间便产生了海面的倾斜，造成海水的流动，这样形成的洋流称为密度流。而补偿流主要是因为海水挤压或分散引起。当某一海区的海水减少时，相邻海区的海水便来补充，这样形成的洋流称为补偿流。（李慧）

冰雪融水

冰雪，纯白、圣洁、美丽。而自冰雪融化而来的淡水，对包括人类在内的生物而言，是极为宝贵的资源。

作为水循环的重要一环，冰雪将淡水以固体形式“暂存”下来，再随着融化过程对河流进行补给。我国很多河流，都依赖冰雪融水作为重要水源。东北地区冬季漫长而严寒，降雪较多，积雪到次年融化形成明显的春汛，径流量要占年径流量的10%到20%。在阿尔泰山区，积雪融水约占河川径流量的40%到50%。西北地区许多发源于冰川的河流，冰雪融水对河川径流起着多年调节作用。在干旱少雨的年份，冰川强烈消融，补给河流，如同一个“固体水库”，以冰川融水补给为主的河流水量因而在干旱年份相当稳定。

近年来，全球气候变暖已经成为不争的事实，受此影响，冰冻圈发生变化使得水循环过程发生显著的变化，最直接的效应就是改变地表水资源状况，包括水资源的数量、质量和时空分布。

以冰川退缩为例，短期来看，退缩的冰川化成一股股清流滋养山川大地，冰川水直奔河流使得水量陡然增加，形成连年丰水的“狂欢”现象。

不过，这种突如其来的大量流水也会使得河流洪峰流量陡增，如果冰川消融剧烈还可能造成河流洪峰提前，加大以冰川融水补给为主的河流或河段的不稳定性。以三江源地区为例，其主要水文站观测的融雪径流时间相对于20世纪50年代，分别提前了4天至10天，塔里木河流域的和田河、叶尔羌河、阿克苏河都呈现径流增加的趋势。这些河流水量增加原因多为冰川消融，因此，这种增加并不可持续。随着冰川的持续退缩，冰川融水将锐减，以冰川融水补给为主的河流，特别是中小支流将面临逐渐干涸的威胁，进而影响下游的径流和水资源。

由于这些水源来源于冰川，那么，冰川的数量和消退的速度直接影响河流径流。研究表明，近60年来，在气候变暖背景下，冰川总体以退缩为主，以冰川融水为主要补给的湖泊出现了短暂的扩展，如果冰川消融殆尽，那么，河流湖泊的补给也就失去源头。

冰川变化对以冰雪融水为主要补给的高原湖泊变化有着重要的影响。在气候变暖的背景下，冰川退缩所产生的冰雪融水的确增加了对湖泊的补给，但同时气温升高也导致了蒸发量增加。全球多区域冰川持续退缩，近20年来，格陵兰冰盖和南极冰盖的冰储量一直在减少；1971年以来，全球山地冰川普遍退缩，平均每年减少的冰量接近2300亿吨；20世纪50年代以来，中国西部冰川总体呈萎缩态势，年均面积缩小243.7平方千米，特别是进入20世纪80年代以来，中国西部大多数冰川处于快速退缩趋势。

冰川融化在短期内补给了河流、地下水，但是，失去了持续补给能力后，带来的是水资源匮乏和无从补给等更为严重的问题。（简菊芳）

蒸散

水从天上来，又回到天上去，它们在“回去”的时候，乘着温暖的上升气流，通过蒸散回到空中。

蒸散是水循环中的一个重要环节，是蒸发和蒸腾的总称。它是指植被及地面整体向大气输送的水汽总通量，主要包括植被蒸腾、土壤水分蒸发及截留降水或露水的蒸发。

对于蒸发，人们都很熟悉，那么什么是蒸腾呢？

蒸腾是植物散失水汽的过程。植物吸收了大量的水，但仅有少量用于生长和新陈代谢，有97%至99.5%的水通过蒸腾回到了大气中。植物犹如土壤和大气之间的一根管道，从土壤中吸收水分，并蒸腾进入大气中。光照、温度、湿度、风速等气象要素，都能影响蒸腾作用的速率。

作为能量平衡及水循环的重要组成部分，蒸散不仅影响植物的生长发育与产量，还影响大气环流，可以起到调节气候的作用。

在水循环中，受太阳驱动，海洋里的水升温，一部分水变成水蒸气，蒸发到空气中。淡水湖和江河中同样也存在着蒸发现象。在陆地上，从植物和土地上蒸腾的水分同样也变成水蒸气，蒸发到空气中。空气中少量的水来自于升华，也就是由冰和雪直接变成水蒸气，完全省略了融化过程。上升的气流将水蒸气带到大气层中，在大气层中由于温度较低，水蒸气又凝结后变成云。

对于全球来说，多年平均降水量与多年平均蒸散量相等；对于开放的流域来说，流域多年平均降水量与其多年平均径流量和蒸散量之和基本相当。

蒸散量的大小主要取决于三个方面要素：大气干燥度、辐射条件、温度和风力的大气蒸发能力；土壤含水量、导水能力和土壤供水状况；植被覆盖率、植物导水能力、叶面气孔数量和开度。

气象干旱就与蒸散量和降水量的平衡有关。它通常主要以降水短缺作为指标，指某一时段内，由于蒸发量和降水量的收支不平衡，水分支出大于水分收入而造成的水分短缺现象。气象干旱是一种气象环境异常，可分为无旱、轻旱、中旱、重旱、特旱5个等级。其中，中旱会导致植物叶片在白天出现萎蔫现象；重旱时土壤出现较厚的干土层，导致植物萎蔫、叶片干枯、果实脱落，对农作物造成较严重影响；特旱则会导致植物干枯、死亡，对农作物造成严重影响。

潜在蒸散是指地表的最大水分损失量，而实际蒸散是在气候、土壤和植被综合作用下的实际水汽通量。在很多情况下，实际蒸散往往小于潜在蒸散，它表示实际从地表回到大气的水汽通量。

陆面蒸散过程往往受土壤水含量和植被状态的制约，这导致大陆水汽通量小于海洋。海洋以蒸发形式向大气输送水汽，而陆地区域则以实际蒸散形式。海洋的输送总量是大陆的6倍，其主要原因在于海洋面积大，其表面可以提供近乎无限的水分，并且热带地区拥有丰沛的有效能量用于蒸散。

（来源：《中国气象报》2020年3月20日三版  王玫珏）