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1、2023/10/8,湖泊效应与绿洲效应 张 余 庆 2011年12月,2023/10/8,主要内容,1.大气圈、水圈和生物圈的相互作用 2.湖泊效应 3.绿洲效应,2023/10/8,1.大气圈、水圈和生物圈的互相作用,包围着地球的外部地圈包括大气圈、水圈和生物圈，它们的总质量仅占整个地球的0.024，但是它们对于控制地球表面的环境及物质和能量的交换起着巨大的作用。大气圈、水圈、生物圈通过彼此间相互作用及同岩石圈的物质和能量交换，不断地改变着各自的成分和状态。在各圈之间和其内部建立起物质和能量交换的动态平衡。人类依赖于这种环境而生存和发展。,2023/10/8,2.湖泊效应,由于比热与热容量的
2、差异，水体覆盖的地面温度变化迟缓，而没有水体覆盖的地面温度变化迅速，从而导致不同部位地面温度的差异。在湖泊及其周围，由于湖泊与周围地区地面热容量的差异，导致了局地性大气环流和小气候的产生。在太阳照射时，湖泊周围的地面升温比较快，导致大气的加热上升；而湖区由于水体热容量大，温度升高缓慢，温度相对于周围地面比较低，空气在这里下沉，从而产生了湖泊及其周围地区的局部的大气环流。,2.1 湖泊效应的定义,2023/10/8,由于水陆的热力差异,在湖泊和陆地之间容易形成局部“湖陆风”,2.2 湖泊效应所产生的“湖陆风”,2023/10/8,2023/10/8,2.3 湖泊效应与水、气、生相互作用,在这种环
3、流作用下，从湖泊蒸发的水源源不断地被输送到湖区周围，在那里形成降水。由于上述作用，一般来说，湖泊周围地区降水比较多，气候比较湿润，植被也就比较繁茂。植被繁茂又反过来，增加了地面下渗，增强了蒸腾作用，从而增大了大气湿度、土壤湿度与大气降水。因此，水库建造后，常常会使水库周围地区降水增多、空气湿度增大。,2023/10/8,2.4 湖泊效应对气候的影响,例如，新安江水库于50年代末建成以后，该区从一个狭窄的河流变为一个面积394 km2的水库，对湖泊及其湖泊周围气候产生了一些影响。（1）水分平衡的变化。根据分析，建库前（1951-1958）湖区的蒸发量为720 mm，建库后（1965-1972）为
4、775毫米，建库后湖区蒸发量增加55毫米。而湖泊周围地势高处降水增加。影响范围一般为89 km，最大不超过6080 km。（2）对温度的调节。建库后库区年均温度升高0.40.8度,温度年较差减少。（3）湖面风速增大30%，白天由湖面吹向陆地，夜晚由陆地吹向湖面。（4）由于湖区温度升高，故常年多晨雾，无霜期比建库前延长25天。（5）广阔的湖面对气团交换有一定的影响或制约作用，云团经过湖面时变得温顺稳定。根据记载，新安江水库建成以后，湖区雷电阵雨的形成相对减少，甚至消失。（6）由于温度降水的变化，水库周围植被也发生了相应的变化。,2023/10/8,然而，由于一个时期过度围湖造田，使得湖泊调蓄面积
5、锐减，渍涝、干旱加重，局地气象灾害诱发或加剧，导致生态气候变劣。湖泊水面的减少，使沼泽化进程加快，还可能使甲烷等有害温室气体大量逸出，支持大气温室效应，昔日有益于人类的“湖泊效应”，将会因人为的过度围垦而产生负面影响。为此，我们应采取积极有效措施，对湿地资源加以保护，并有计划地实施生态修复，将发挥一些湖泊的调蓄、养殖，净化环境，调节气候，观光旅游等功能，促进人与自然的和谐发展。,2023/10/8,3 绿洲效应,绿洲效应：沙漠里空气干燥，温度日较差比较大，并且降水稀少。而沙漠里的绿洲，由于土壤湿度大、蒸发和蒸腾到空气中的水比较多，空气湿度比较大，降水也比较多；由于含水量比较大的土壤的热容量比较
6、大，并且由于蒸发和蒸腾对热量的调节，土壤温度和近地面气温的日较差比较小，这就是绿洲效应。,3.1 定义,绿洲：指在大尺度荒漠背景基质上，以小尺度范围，但具有相当规模的生物群落为基础，构成能够相对稳定维持的、具有明显小气候效应的异质生态景观。,2023/10/8,2023/10/8,2023/10/8,在沙漠地区只要有水源，水分与空气混合，降低空气温度，提高相对湿度。在气象学此种空气与水混合，空气的热量使得水分自液体转变为气体(蒸发作用)，空气的热量被水分吸收因此减少。空气温度因此降低(冷却作用)。水分变成水蒸气又进入空气之内，因此空气内相对湿度增加。此种水与空气混合产生降温加湿的结果与沙漠中绿
7、洲的形成十分相似，因此也可以称为绿洲效应。此种过程也称为蒸发冷却作业。,2023/10/8,3.2 绿洲效应的作用条件,绿洲效应来自水与空气的混合。因此绿洲效应的作用条件在于：1.有足够的风量与风压，2.有足够的水量，3.有足够的时间使水与空气得以混合。但是绿洲效应并不是没有极限。荷兰人将空气比喻成海棉。一块海棉吸水的水量有其极限。海棉如果愈潮湿，原来已有的含水量愈多，在吸水饱和之前，可吸水分则愈少。相反地如果海棉愈干燥，原来已有的含水量愈少，在吸水到饱和之前能够吸收的水量则愈多。和吸水同时发生的降温效果。空气吸收的水分愈多降温效果愈好。而空气吸满了水分不能再吸水，降温能力即到了极限，不能再降
8、温。,2023/10/8,3.3 灌溉对绿洲效应的影响,在干旱或半干旱地区，进行大面积的人工灌溉可以引起气气候变化，产生绿洲效应。经过灌溉的土地，土壤湿润，热容量增大，水份蒸发量也随之增加，土壤和近地面气温的昼夜变化趋向和缓，相对湿度加大。大面积的灌溉可使局部范围内的气候相应改变。自20世纪30年代以来，美国在62000平方公里的土地上进行灌溉，结果使当地初夏增雨10%。有些科学家还曾设想建立半径达50米的巨型输水管道，横跨大西洋，将南美亚马逊河口的淡水输送至非洲撒哈拉沙漠灌溉，形成广阔的绿洲，以改良其极端干旱的气候状况。,2023/10/8,2023/10/8,3.4 绿洲效应的特征,3.3
9、.1 绿洲“冷岛效应”,绿洲效应最显著的方面是“冷岛效应”。绿洲在干旱环境的强迫下必然会有热平流水平输入,这造成白天绿洲近地面层仅存在靠近地表的很薄层层结不稳定大气和向上感热通量输送,而上层大气却为逆温和感热通量向下输送。所以白天近地层大气往往临空会出现一个“映象热中心”,大气也处于相对比较稳定的层结状态,这不仅使得绿洲地表蒸发受到一定抑制,而且使绿洲地表蒸发的水汽由于受上面逆温层的限制,大量水汽聚集在贴地约200 m 以内,从而使水平空间靠近地表的绿洲大气会出现一个湿中心。进一步抑制绿洲地表的水汽蒸发。,2023/10/8,2023/10/8,3.3.2 绿洲的热力和动力效应,绿洲的“冷岛”
10、结构造成了绿洲与周围荒漠非常大的热力差异,这会在绿洲和临近荒漠之间形成局地热力环流。在小风速时对绿洲和荒漠之间的能量和物质交换有重要贡献,特别是其对水汽的输送对绿洲自我维持有生态学上的意义。同时,由于气流进入绿洲后风速的突然减弱,会在绿洲与上游荒漠的交界处形成一个气流辐合区,在绿洲上游出现上升气流,这种上升气流有可能对形成中尺度对流的产生有一定贡献。,2023/10/8,绿洲增雨效应,由于绿洲的热力和动力效应容易在干旱区诱发中尺度对流,这有利于该地区降水的产生,从而起到增雨的效果。一般比较大的绿洲才能有这种增雨效应。根据统计,新疆库车地区总云量和低云量均明显少于北京地区,但其积雨云出现次数却几
11、乎高出北京一倍,这也许就是绿洲诱发的对流运动的贡献。还发现,由于水平风速吹斜了对流体,增雨效应主要出现在绿洲的下风区。在阿克苏绿洲,处于绿洲上风方向的阿瓦提地区降水很少,而其下游则明显多雨。,2023/10/8,3.3.4 临近绿洲荒漠大气逆湿,由于来自绿洲的较强的水平水汽输送和荒漠本身地表蒸发提供的水汽极少,临近绿洲的荒漠近地面层大气时常会出现一个逆湿层和水汽通量向下输送层,并且一般白天为临空逆湿,夜间为贴地逆湿。,2023/10/8,3.3.5 绿洲地表低反射率,绿洲地表平均反射率为0.15,远低于其周围临近荒漠的0.25。这导致绿洲地表为高辐射能量接收区。绿洲地表吸收的短波辐射大约比其周
12、围临近荒漠大16%,而地表发射的向上长波辐射却比其周围临近荒漠约低28%(夜间)40%(白天)这最终造成绿洲净辐射通量明显高于周围荒漠。,2023/10/8,对绿洲系统而言,水是维持其存在和支持其发展的最关键因素.但除此而外,绿洲效应所表现出的一系列小气候特征作为最主要的局地自然要素,也无疑对支持绿洲系统维持和发展起着极为重要的作用。,3.4 绿洲效应的利用,2023/10/8,绿洲植被状况越好、土壤湿度越大越有利于绿洲小气候特征的表现,而当外部背景为强风和强的太阳辐射时,则不利于绿洲小气候特征的表现,水平尺度则以适中为最佳。由此可见,绿洲的空间尺度、绿洲的植被分布结构和土壤性质、绿洲形状和走
13、向以及大尺度的动力和热力背景等因素,都能影响绿洲和其临近荒漠小气候特征的表现力,从而对绿洲自我维持机制发挥产生作用。这些因素在一定程度上是可以被改变的。使通过改变绿洲条件来改进绿洲自我维持机制在理论上存在着可能性。,2023/10/8,3.5 对绿洲效应的人工影响,建设和改造绿洲：(1)减少绿洲上游山区的用水,尽量满足山前平原区绿洲的用水,防止绿洲由平原向山区退缩,使气候要素能达到最优化组合。(2)在荒漠区利用大型滴灌工程发展相对集中的人工绿洲或改造现存绿洲的面积,并使其达到能够自我维持的生态规模。(3)由于大尺度水平风速对绿洲系统的维持有较大影响,因此建设新绿洲或改造旧绿洲时应尽量选在背景风
14、速较小的环境中,或顺着流性风向建造绿洲.,2023/10/8,(4)在光热资源与水资源结合时显得过剩的情况下,应该选择太阳辐射相对较弱的大尺度背景建设新绿洲。(5)在水资源相对短缺的绿洲,应大量兴建条件性气候封闭工程。所谓条件性封闭就是对自然条件的去劣从优。(6)作为硬技术的灌溉技术的提高和更新,仍然是最有效、最应大力推广的方法,它能使绿洲生态系统更高效地运转。,2023/10/8,3.6 问题与建议,目前对绿洲的研究仍然主要停留在定性描述和表象认识上,而绿洲内部各要素之间及其与外部环境因子之间的定量物理关系实际上并没有建立起来。揭示绿洲的本质物理规律仍然是今后对绿洲研究的主要方面。绿洲的物理本质是绿洲所赖以维持的物质和能量基础。,2023/10/8,谢 谢,
