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气候变化和人类活动综合影响加剧，改变着全球水循环过程和水安全形势，水旱灾害多发频发重发趋势加重，水文和气象交叉学科发展的重要性日益显现，受到国内外学者广泛关注。《水文气象学》系统地介绍了水文气象学的相关科学问题、概念、理论和技术等，每一章都总结了本章要点并提供了问题列表。《水文气象学》共14章，系统论述了水文循环、降水、蒸发和蒸腾、雪和冰、测量和仪器、卫星遥感、降水场和洪水频率分析、降水预报、洪水预报、沿海洪水预报、干旱、风和全球环流、气候变化与水文循环、城市水文气象学等内容。
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目录前言1 水文循环 11.1 概述 11.2 水文循环过程 21.3 全球对水文循环的影响 31.4 水量平衡 51.5 气溶胶对水文循环的影响 51.6 水文循环耦合模型 61.7 全球能量与水循环交换项目 61.8 洪水 7参考文献 82 降水 102.1 引言 102.2 理想气体状态方程 102.3 静水压力定律 112.4 热力学**定律 112.5 大气过程：干绝热递减率 122.6 大气中的水蒸气 132.7 大气过程：饱和绝热递减率 142.8 大气中的稳定性和对流 142.9 降水粒子的生长 152.10 降水系统 182.11 全球大气环流 28附录 雨滴的成长 28参考文献 303 蒸发和蒸腾 343.1 引言 343.2 基于观测的潜在蒸发模型 343.3 空气动力学方法 343.4 能量平衡 363.5 彭曼方程 363.6 感热和水蒸气通量 383.7 湿润植被表面的水分蒸发：截留过程 383.8 蒸发与蒸腾的测量 393.9 土壤-植物-大气连续体中的水分传输 403.10 水分循环和蒸腾作用 413.11 植物中的水通量 413.12 陆面温度与通量模拟 423.13 土壤-植被-大气传输方案 453.14 流域大尺度蒸散发量与总蓄水量的估算 46附录3.1 综合空气动力学方法和能量平衡方法计算湖泊蒸发量 47附录3.2 土壤湿度模拟 47参考文献 494 雪和冰 504.1 引言 504.2 基本过程 504.3 积雪特征 544.4 冰川 564.5 海冰 564.6 冻土 564.7 冰雪融化和水运动的物理过程 574.8 雪的水当量 594.9 融雪和径流建模 594.10 雪崩 634.11 全球积雪分布和极值 64附录 流域融雪入流率的估算 64参考文献 675 测量和仪器 705.1 测量、分辨率、精度和准确度 705.2 降水的点测量 705.3 使用雨量计网络进行降水的面积测量 745.4 雷达测量降雨量 755.5 土壤湿度 855.6 蒸发和蒸散发 885.7 流量测量：基本水文测量 895.8 测量径流量 905.9 现代遥测技术概述 92附录 通过*小二乘法合并不同的估计值 92参考文献 956 卫星遥感 996.1 卫星遥感概述 996.2 电磁辐射的表面散射 1026.3 电磁辐射与大气的相互作用 1056.4 可见光和红外数据 1056.5 多光谱数据 1086.6 被动微波技术 1106.7 主动(雷达)微波技术 1146.8 地表能量平衡系统(SEBS) 1176.9 卫星遥感测量小结 118附录 辐射平衡 120参考文献 1227 降水场和洪水频率分析 1287.1 介绍 1287.2 面平均降雨量 1287.3 暴雨时空分析 1297.4 设计暴雨 1357.5 洪水频率估计方法 1367.6 可能最大降雨 1377.7 可能最大洪水 1387.8 洪水研究报告 1397.9 洪水估算手册(FEH) 141附录7.1 降雨面的三维描述 143附录7.2 耿贝尔分布 143参考文献 1458 降水预报 1488.1 引言 1488.2 临近预报 1498.3 概率雷达临近预报 1528.4 数字模型：结构、数据需求、数据同化 1538.5 中尺度预报 1558.6 季节预报 157附录 Brier技巧评分 158参考文献 1609 洪水预报 1649.1 洪水预报技术 1649.2 模型校准和等效性 1649.3 洪水预报模型的发展 1659.4 将详细的水动力模型转换为适用于实时洪水预报的简化模型 1679.5 概率洪水预报与决策支持方法 1699.6 水位流速(水位流量) 关系*线的推导 1709.7 预报模型的性能测试和更新程序 1709.8 国内外预报平台的模型配置 1719.9 洪水预警和服务水平 1749.10 全球案例研究：河流与城市 175附录9.1 圣维南方程 176附录9.2 在非饱和区和饱和区的流量 177参考文献 17910 沿海洪水预报 18310.1 沿海洪水类型 18310.2 风暴潮洪水预报模型 18410.3 概率性风暴潮预警 18710.4 海啸 18910.5 英国沿海洪水实例 19010.6 几个世界沿海洪水实例 192附录 海岸上的海浪漫溢 194参考文献 19611 干旱 19811.1 定义 19811.2 干旱指标 19911.3 干旱的物理机制 20111.4 频率分析：可预测性 20111.5 模拟干旱的发生 20211.6 全球主要干旱 20411.7 干旱示例 20411.8 抗旱减灾和灾后恢复措施 205附录 干旱的定义 206参考文献 20812 风和全球环流 21112.1 运动方程 21112.2 大气埃克曼层 21212.3 锋面 21312.4 急流 21412.5 飓风 21512.6 背风波 21512.7 海陆风 21612.8 大气环流的风场 21612.9 哈得来环流 21612.10 极地环流 21712.11 费雷尔环流 21812.12 沃克环流 21812.13 厄尔尼诺/南方涛动 21912.14 季风 219附录12.1 大规模空气运动 220附录12.2 非地转运动 221参考文献 22313 气候变化与水文循环 22513.1 气候概论 22513.2 气候变化的证据 22613.3 气候变化的原因 23513.4 模拟气候变化 24013.5 气候变化对水文循环和水资源的可能影响 244附录 估算长期气候记录中事件的返回时间 246参考文献 24914 城市水文气象学 25414.1 引言 25414.2 城市边界层与水循环 25414.3 城市发展和降雨 25614.4 下水道洪水 25714.5 城市地表径流 25914.6 河漫滩开发 26114.7 酸雨 26114.8 城市空气和水污染 263附录 来自城市排水系统的径流事件数量 264参考文献 266
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1水文循环 1.1概述 水文循环是水在大气、地表和地下之间的连续运动过程。它是一种概念模型，描述的是水在生物圈（包括地球上所有的生态系统，有时被称为地球上的生命地带）、大气圈（指地球周围的空气，包含约80%的氮气、约20%的氧气和少量的其他气体的混合物）、冰冻圈（指冰雪覆盖区域）、岩石圈（指地球坚硬的外层，由地壳和一部分上地幔组成）、人类圈（指人类对地球系统的影响）和水圈（表1.1）中的存储和运动。 生物圈模型常被称为陆面参数化方案（LSPs）或土壤-植被-大气传输方案（SVATs）。Sellers等（1986年）描述了一个SVAT案例。地球表面的水，除了海洋还包括河流、湖泊、湿地和冰雪。存在地球表面以下的水称为地下水。 海面上大部分能量以水蒸气的潜热形式散失，这与陆地表面不同。因此海上的气团与陆地上的气团也不同。大气与海洋通过能量交换、水汽输送、界面动量传递以及降水过程紧密耦合。海洋是能量的巨大储藏库，并且比大气密度大，具有更大的机械惯性，因此洋流比大气流速慢得多。大气层的热量来源于下垫面所拦截的太阳能，而海洋的热量来源于上方。陆地上的湖泊、河流和地下水具有重要的水文气象和水文气候意义。水文循环示意图见图1.1。 1.2水文循环过程 水文循环涉及许多过程，主要过程如下： （1）蒸发。蒸发是液态水转换成气态水的过程。导致蒸发的能量可能来自太阳、大气层本身、地球或人类活动。 （2）蒸腾。蒸腾是水分通过叶片底部的小孔（称为气孔）蒸发的过程。大多数植物的蒸腾作用是一个被动过程，很大程度上受大气湿度和土壤含水量控制。植物蒸腾的水中只有1%用于植物生长，其余部分进入到大气中。蒸发和蒸腾速率与气候条件有关。 （3）凝结。凝结指大气中的水蒸气转换成如云、露水等液态水的过程。这取决于空气温度和露点温度。露点温度是空气在冷却到饱和并形成露水的温度，低于这个温度水蒸气就会凝结。当空气温度等于露点温度时，就会形成雾。由于水蒸气比液态水具有更高的能量，当凝结发生时，多余的能量以热的形式释放出来。小的凝结颗粒通过碰撞和聚结成大的颗粒，当上升空气不足以支撑这些小水滴时，就形成降水（第2章）。降水是淡水到达地球表面的主要方式’海陆上年均降水约为980mm。 （4）下渗。如果地面土壤未饱和，或存在龟裂缝隙时，就会发生水的下渗。下渗的水可能补充地下蓄水层，也可能通过不饱和层排入河流、湖泊或海洋。在暴风雨或融雪时，河川能够得到地下水系统的持续补给。如果暴风雨猛烈，大多数水很快就会流入河川。如果潜水面（饱和区和非饱和区之间的边界）上升到陆地表面，就会产生坡面流。 （5）存留时间。水循环过程中水的存留时间是指水分子在某一特定区域内存留的平均时间。水循环过程的水存留时间见表1.2。值得注意的是，地下水可以在地下存留超过10000年，而土壤水的存留时间很短。水蒸发后在大气中的停留时间大约为9天，然后凝结并且形成降雨降落到地球表面。水的存留时间可以通过两种方式来估算。**种也是比较常见的方法是应用质量守恒原理，假设给定存储区内的水量大致恒定，停留时间是通过把水的体积除以水的流速而得出的。第二种方法是对地下水采用等向性技术，在径流内放入示踪剂辅助建模，或测量诸如氧-222的天然示踪剂（Lamontagne and Cook，2007）。 （6）人类活动。人类活动将微小粒子（气溶胶）释放到大气中，这可能增强太阳辐射的散射和吸收。气溶胶还会使云层更明亮，使降水效率降低。这些气溶胶的影响会减弱水文循环，直接影响淡水的产生和质量（Ramanathan et al.，2001）。 1.3全球对水文循环的影响 地球表面接受太阳辐射不均匀是产生大气环流的主要原因。除了太阳和地球的相对位置外，还存在一些影响水文循环的区域差异。太阳能输入上的纬度差异则是由地球自转带来的。这些会导致环流模式的季节性变化，并在经度上产生规律的日循环。 陆地表面潜热和显热通量与海洋表面不同。陆地地形变化会对大气产生重大影响。陆地覆盖、大气组分和海面温度的变化或持续或暂时地改变水文循环。 云能够在大气中输送大量的水，因此主要影响了太阳辐射的吸收和表面能量平衡。一些高的云往往会遮蔽和抑制到达地面的太阳辐射，却减少了长波辐射的损失。 全球平均降水量[图1.2（a）]和海上平均降水量[图1.2（c）]，可见在10°N位置达到峰值。陆地上区域平均降水量[图1.2（b）]可近似认为以赤道为轴对称，在40°S～40°N之间区域冬季（DJF）平均降水量接近夏季（JJA）平均降水量的镜像。大气中的水蒸气含量对饱和水汽压时的温度和向上层大气递减的温度特别敏感。压力的SI国际单位是帕（Pa），平均海平面的气压约为105Pa或1000hPa。超过50%的水蒸气是集中在850hPa层面以下大气中，90%以上的水蒸气集中于500hPa层面以下大气中（Peixoto and Oort，1992）。 1.4水量平衡 地表水量平衡通常通过降水、湖泊蓄水量和地下水等地面观测数据进行估算，公式如下： （1.1） 式中，S为区域内的储水量，R0为地表径流，为地下径流，E为蒸散发，P为降水，□H为水平散度。S包括积雪、土壤水、地下水和地表水以及滞留水（Oki，1999）。 大气水量平衡可以表示为 （1.2） 式中，犯为可降水量，％为液态和固态水，Q为垂直整合的两维水汽通量，Q（.是垂直整合的液态和固态两水通量。 地表水量平衡和大气水量平衡示意图见图1.3。 1.5气溶胶对水文循环的影响 气溶胶颗粒（液体和固体颗粒，通常不是天然水滴）是水循环的重要组成部分，它们可作为凝结核形成云滴，并且散射和吸收太阳辐射。Ramanathan等（2001）描述了这种情况是如何发生的。大气气溶胶粒子的尺寸范围在0.01微米到几十微米之间。气溶胶的来源有许多，包括地表、海洋、火山和生物圈。许多气溶胶还来自人类活动。来自沙漠（比如撒哈拉沙漠等）的大量灰尘能够产生大量气溶胶。由气泡爆裂和风产生的海盐是大气中最大的天然气溶胶通量，尽管其中大部分是大颗粒，无法运输得非常远。火山可以向大气中注入大量的颗粒和气体，如果它们到达平流层，它们的清除速度要比只在对流层中慢得多。由海洋浮游植物、大陆生物和化石燃料的燃烧产生的含硫气体形成的硫酸盐，是大气气溶胶的重要来源。 大于0.01pm的气溶胶称为云凝结核（CCN），能够增加云中的云滴数浓度，从而增加云的范围，并导致全球降温。如果云中可供凝结的水的量没有改变，这就意味着会有更多不太可能变成足够大形成降雨的小水滴（详见第2章）。因此云层持续时间更长，再次造成降温。气溶胶的增加，会增加太阳能反射使表面冷却，并降低云层产雨的效率，从而减弱水文循环。 1.6水文循环耦合模型 水文循环研究通常涉及大气系统、生态系统水文系统以及人类社会之间的反馈机制。系统间的反馈机制往往会产生意料之外的响应。因此，地球系统不同组成部分的耦合对数值模拟领域构成了挑战。 在模拟的水文-地质-生物圈系统的各组成部分之间强行划定界限是不可行的。若要对两个或多个耦合状态变量进行同步观测，就必须将耦合这些变量的过程也纳入模型中。 在过去的20年里，水文模型在模拟不同地球系统组成部分之间的联系方面取得了进展（Bronstert et al.，2005）。显然，水文学不仅与大气科学相关，而且与土壤科学、地球化学、生物学甚至社会学有关。 尺度问题很重要。在小尺度上的关键过程在大尺度上可能无关紧要，尺度转换也可能带来新过程的出现。此外，通量（如降雨）、特性（水力传导度）和状态变量（如土壤湿度）的空间差异通常会导致意料之外的系统响应。地表和地下的状态特别是土壤水分，也会影响干燥或潮湿的大气条件的持久性，这对于大洪水或干旱的发生有重要影响。*后，人类活动和自然因素一样重要。 1.7全球能量与水循环交换项目 全球能量与水循环交换项目（Global Energy and WaterCycle Exchanges Project，GEWEX）是包含一系列研究、观测和科学活动的综合计划，研究对象包括影响全球和区域水文循环、辐射和能量转换以及气候变化的大气、陆地、辐射和水文过程以及他们之间的耦合过程和相互作用。GEWEX是世界气候研究计划（World Climate Research Programme，WCRP）的核心项目，旨在研究大气动力学和热力学及其与地球表面的相互作用，以及其对全球能量和水循环的影响。 GEWEX项目的目标是通过适当的数值模型来重现和预测全球水文循环的变化及其对大气和地表动力学的影响，以及区域水文过程和水资源的变化及其对环境变化（如温室气
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