降水

降水是液体和固相水粒子，如雨、雪、雨夹雪和冰雹，从大气落到地球表面的过程。的发生陆地降水通常被引用为水文循环的驱动力，因为它触发了其他通量的开始(évapotranspiration，径流,入渗)，为系统提供新的水分来源。降水的强度和频率在空间和时间上都有很大差异，降水的影响既可以是受欢迎的(例如，在干旱期间)，也可以是不受欢迎的，如果降水过多并导致随后的洪水。在一些天气条件以干燥空气为主的地区，降水可能从云端落下，但在到达地面之前就蒸发掉了;这种现象被称为处女座。降水(体积和强度)的测量和估计对于任何涉及水文循环的研究或建模工作都是至关重要的。雨量计一直是观测的主要机制，但其稀疏分布和其他限制不能提供各种建模和研究工作所需的空间和时间分辨率。最近的进展是通过将卫星和雷达与测量信息结合起来迅速改善这种情况。在Smith(第24章)、Bales和Cline(第25章)、Sorooshian等人(2000)、Adler等人(1993)、Arkin和Xie(1994)以及Xie和Arkin(1995、1996、1997)中讨论了此类工作的例子。

土壤水分蒸发蒸腾损失总量

蒸发被定义为“液态水从开放水域、裸露的土壤或下面有土壤的植被转化为蒸汽的速率”(Shuttleworth, 1993)，蒸腾是水从土壤通过植被气孔进入大气时的速率。蒸散发(ET)因此是一个复合术语，描述的集体效应水的蒸发还有植物的蒸腾作用。它是将地球表面的水分转移到大气中的主要过程。水从地球转移到大气的唯一其他自然方式是升华过程，在没有融化的情况下，水的固体相(如雪和冰)直接转变为大气中的蒸汽。升华通常发生在温度较低的地区相对湿度低．蒸散量经常是一个难以量化的变量，因为它是变化的在白天与降水事件的变化有关。关于蒸发的更深入的讨论，包括各种蒸发测量技术的描述，可以在第26章中找到。

径流

径流通常被认为是过量降雨通过陆地表面进入河流、湖泊或海洋的运动。当降水的速度超过土壤表面的入渗速度，或当土壤饱和时，就会发生这种情况。在集水区范围内，径流是一个特别重要的过程，因为它可以补充水库和河流，然后补充地下水;径流也会引起土壤侵蚀，过量的径流会导致洪水。在第29章中，Beven对径流的定义进行了更广泛的历史描述，并描述了导致径流产生的各种水文成分。

地下水

自然地下水通量通常是缓慢的;水在含水层中可能只停留几个小时(就像在河岸储存的情况一样)，也可能停留数百年。因此，地下水本身通常被认为是地球上相对缓慢移动的储层全球水文循环．然而，在河流-含水层相互作用相对较快和较大的流域尺度上，平均地下水通量移动相对较快。它们包括:(1)流域之间的自然流动，(2)从含水层抽水，(3)山前补给(山脉底部融雪的季节性渗透)，(4)基于事件的渗透(降水的渗透和随后地表水位的上升，特别是河流)，以及(5)通过人为保护项目的人工补给。为了更好地理解如此复杂的水文流动情景，首先了解地下水流动的基本原理是至关重要的。在第28章中，Yeh不仅描述了多孔介质中流体的基本流动方程达西定律，而且还回顾了各种含水层条件(例如，受限、泄漏、无受限)的流动方程，并描述了用于水资源管理的地下水流动模型的使用。

水平衡:全球到流域尺度

水平衡仅仅是指流经水文循环的各个组成部分的水量。更具体地说，这是另一个有用的概念模型，其中水文循环的组成部分被评价为受各种输入和输出影响的存储单元。如果可以量化或至少估计循环的各个组成部分，就有可能了解一个组成部分的改变可能如何影响水文循环的平衡。水平衡最简单的公式是基本连续性方程，它传达了“水文系统的输入等于系统的输出，加上或减去存储的任何变化”的概念:

其中，对于给定域，I为总流入，包括地表径流(进入域)、地下水流入和降水;O为évapotranspiration流出、地表径流(出域)、地下水;AS是存储量的变化，其变量由域的规模决定。

水量平衡的概念在全球和区域范围内都是有用的。在盆地或流域尺度上，地下水-地表水相互作用可能是主要焦点，降水和地下水流入将是模型的输入坡面流，地下水流出，évapotranspiration

图3 (a)流域尺度的水平衡，(b)大气水平衡，(c)综合地表大气水平衡(Oki, 1995,1999之后)。

就是它的输出。图3«显示了流域尺度上水平衡的概念模型。请注意，该数字不代表由抽水、人工补给或地表水从其他盆地分流等人为活动引起的储水量变化。考虑到这一点人为影响在确定水平衡可能是至关重要的，这取决于空间和时间尺度在考虑。

对于气象学家来说，在水文循环中最相关的水的转移是大气和地球之间的蒸汽通量和水分交换。以地球表面为循环的焦点，我们可以评估降水作为系统的主要输入，而蒸发和蒸腾向大气输出水分。储存的变化可能包括，例如，没有重新蒸发到大气中的渗透水，或冻结的水极地冰盖．这种水在陆地表面-大气系统中是暂时的、相对静止的。也就是说，考虑到大气科学家倾向于在大约8到10天的时间框架内评估水文循环。的平均时间水的循环通过蒸发-冷凝-降水周期)，以冰形式存在的水或成为缓慢流动的地下水被视为陆地表面-大气系统储存的一个非常缓慢的变化。图3b和3c分别显示了大气水平衡和联合盆地大气水平衡的概念模型。

除了流域尺度的分析外，在越来越大的尺度上评价水文循环的水平衡也很重要，因为存在着各种问题

空间分辨率问题\

大陆尺度:气候建模者的关注点raybet雷竞技最新

不同的尺度不同的议题不同的利益相关者

流域尺度:水文发生的地方，利益相关者存在的地方

图4确定测量水文现象的空间尺度。不同的比例尺划定了不同的利益相关者，也确定了水管理问题的各个层次。

每个规模的利益相关者都是不同的。图4说明了在水文调查的不同尺度上利益相关者的不同从属关系。北美最上面的插图显示了大陆尺度盆地的轮廓，相邻的文字表明了相应的利益相关者climatc建模者。气候建模者的研究结果可能会影响raybet雷竞技最新国际、全球政策，并可能影响温室气体的工业排放标准。在北美的中间插图中，描绘出了次盆地，在底部插图中，描绘出了丰富的单个流域。从次流域到流域的尺度是水文发生的尺度，大多数人可以观察到对当地供水的更直接和明显的影响。因此，流域尺度上的水资源管理问题明显不同于次盆地和大陆盆地的水资源管理问题:然而，我们对水循环在所有尺度上——包括空间和时间——对满足不同利益相关者的需求至关重要。

图5显示了具体水资源问题在空间和时间上的变化。空间尺度从1CI到10f’km2，时间尺度从天到世纪。在图的顶部，可以确定对应时间尺度的预测类型:最短的预测是天气预报(从不到一天到几天不等)，而最长的预测是气候变化(以世纪为数量级)。raybet雷竞技最新图的中心确定了与空间和时间坐标的不同排列相对应的水资源管理问题的类型。

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Tanpvral规模

图5水资源问题在空间和时间尺度上的变化示意图(自国家研究委员会，1998年)。

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图5水资源问题在空间和时间尺度上的变化示意图(自国家研究委员会，1998年)。

5 .全球水文循环建模和遥感:全球建模，局部受益

建模工作可以帮助我们了解人类活动对水文循环和气候的潜在影响。raybet雷竞技最新不幸的是，由于缺乏关于水在各种状态下的分布和通量的定量数据，以及我们对水文气候系统内相互作用的不确定性，我们目前的努力受到了阻碍(Chahine, 1992)。为了解决这些不确定性，全球能源和水循环实验(GEWEX)由美国科学院发起世界气候研究raybet雷竞技最新计划(WCRP)于1988年进行了研究，以观测大气、陆地表面和上层海洋的水文循环和能量通量并建立模型。国际地圈-生物圈计划(IGBP)启动了一个互补的、平行的计划，称为水文循环的生物圈方面(BAHC)，通过强调水文循环的生物方面——特别是植物在陆地和大气之间的水和碳垂直转移中的作用，来补充GEWEX计划。GEWEX作为科学家的协调机构，发起并促进了调查水文气象过程各个方面的众多国际研究团队之间的交流。陆地表面和上层大气之间的水文循环随后得到了相当大的关注(第27章)。科学家们已经开始建议，我们还应该考虑盆地尺度上的陆地-大气相互作用如何影响或受气候的影响。raybet雷竞技最新

国家研究委员会(1998年)指出，大多数水资源管理问题是在次流域和流域尺度上解决的。五个GEWEX大陆尺度实验(CSEs)已经做出了有希望的贡献，以提高我们对小到足以用于水资源管理目的的水平衡的理解。例如，第一个建立的CSE是GCIP，即GEWEX大陆尺度国际项目，这是一个大规模的研究密西西比盆地．在早期阶段，GCIP开发了数据集、模型和研究框架，以更好地理解和预测气候时间尺度上(季节性和年度)的陆地-大气相互作用密西西比河流域．事实上，GCIP成功地实现了它的大部分目标，该项目已经转变为包括整个美国大陆，以及墨西哥北部的部分地区。这个后续研究项目被称为GEWEX美国预测项目(GAPP)。选择了更多的CSEs来代表不同于密西西比河流域的气候条件。将陆地表面模式与大气和海洋模式结合起来进行评估和单独评估是改进气候预测的主要步骤(Chahine, 1992)。raybet雷竞技最新这种操作水文和水资源管理工具的改进对于帮助将全球和GCIP/ gewex规模的气候预测降低到解决地方和区域水资源问题的重要规模至关重要(国家研究委员会，1998)。raybet雷竞技最新

随着地理信息系统的日益普及(GIS)和遥感(RS)，我们正在见证许多新的进展水文建模，特别是分布式模型，更准确地表示空间特征。Engman和Mittikalli(第35章)提供了GIS和RS问题的简要摘要。

6个随机模型水文过程

随机过程是由一组随机确定的观测数据描述的，每个观测数据都是概率分布中一个元素的样本。几乎所有的水文过程都可以被描述为随机的。因此，统计和随机方法在水文学中的发展和应用可以追溯到几十年前(例如，Fiering (1967, 1976);汗(1997);Chow等人(1998)，以及其他许多人)。的应用洪水频率水文设计与分析水的运行资源系统就是一个很好的例子，说明了这些方法已经变得多么有影响力和强大。Valdés等人(第34章)处理用于随机预测，而Salas等人(第33章)讨论了降水和水流背景下的随机模拟。预测通常应用于操作和管理场景，而模拟则用于设计和规划。近年来，应用随机模拟工具来更彻底地解决水文气候过程的不确定性已变得越来越流行。Salas和Pielke(第32章)对这一领域的文献现状进行了出色的回顾。

7结论

上述讨论简要概述了水文循环的各个要素(通量和过程)，并对正在进行的相关研究活动进行了总结。预期在水文和水资源方面的研究和发展活动将继续遵循两条一般道路:理论和应用。与本手册最相关的理论研究将由更准确地关闭水预算和量化不同空间和时间尺度上的能量循环的需要所驱动。正如在接下来的章节中所讨论的，我们期望看到观测工具和应用(例如，遥感，地理信息系统等)的未来进展。我们还可能期望在流域尺度和旨在提供与地球系统其他组成部分(即大气、海洋和生物地球化学过程)耦合的尺度上对水文过程进行更先进的建模。在更多的应用方面，未来对足够的水供应(数量和质量)的需求将要求进一步发展确定性和随机工具，利用更先进的观测形式、地理信息系统和计算技术。这些工具将提供预测和模拟能力，以评估水文气候情景的影响(例如干旱和洪水、区域地下水枯竭、地表水和地下水中污染物的存在和移动等)。

致谢

我们感谢SAHRA(可持续发展)提供的支持

半干旱水文与河岸地区)，国家科学基金科学与技术

亚利桑那大学中心，以及全球能源和水资源研究中心

循环实验(GEWEX)。我们也向特里表示衷心的感谢

Hogue, Thomas Pagano和Corrie Thies，感谢他们在本文档完成的各个阶段对其进行了深思熟虑的评论和编辑。

参考文献

阿德勒，R. F.， a . J. Negri, P. R. Keehn，和I. M. Hakkarinen，利用低轨道微波和地球同步红外数据组合估计日本及其周围水域的月降雨量，J.应用。流星。， 32, 335-356, 1993。

阿金，谢平，全球降水和气候学项目:第一个算法相互比较项目，Bull。点。流星。Soc。， 75, 401 419, 1994。

鲍尔，H.和T.马多克III，《理解地下水和水流之间的相互作用:水资源专家和裁判的经验教训》。河流，(5(1)，19-31,1997。

Chahine, m.t，水文循环及其对气候的影响，自然，359(10月1日)，373 - 380,1992。raybet雷竞技最新

周文涛，D. R.梅门特，L. W.梅斯，应用水文学，麦格劳-希尔高等教育，纽约，1988。

Driscoll, f.g.(编)，地下水和水井，约翰逊分部，圣保罗，明尼苏达州，1986。

El Geriani, A. M.， O. Essamin, P. J. A. Gijsbers和D. P. Loucks，利比亚供水系统的成本效益分析，J.水资源。计划。自然科学进展，29(6)，1998。

法林，m.b.，《流流综合》，哈佛大学出版社，剑桥，马萨诸塞州，1967年。

费林，沈洪伟(主编)，水资源管理的随机方法，Vol. 2, Ft. Collins, 1976，第17 -17页。

弗雷克斯，R. A.和J. A.切里，《地下水》，Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1979。

Gijsbers, P. J. A.和D. P. Loucks，利比亚的选择:海水淡化或伟大的人工河工程。理论物理。化学。地球科学，21(4)，385-389,1999。

格伦农，R. J.和T. Maddock III，捕获的概念:河流/含水层相互作用的水文学和法律，载于《第四十三届落基山矿物法学会年会论文集》，丹佛，CO .， 1997年，第22章。

Haan, C. T.，《水文统计方法》，爱荷华州立大学出版社，艾姆斯，爱荷华，1977年。

Horden, R. H.，水文循环，R. W. Herschy和R. W. Fairbridge(编)，《水文和水资源百科全书》，Kluwer学术出版社，Dordrecht, pp. 400-404, 803页，荷兰，1998年。

Maddock III, T.和L. B. Vionnet，自然补给和排放季节变化下的地下水捕获过程，水地质。学报，6,24-32,1998。

梅德门特，D. R.梅德门特，水文学，见D. R.梅德门特(编)，《水文学手册》，麦格劳-希尔，纽约，1993年，第1章。

国家研究委员会，GCIP全球能源和水循环实验(GEWEX)大陆尺度国际项目:进展和机遇回顾，国家科学院出版社，华盛顿特区，1998年。

Oki, T.， K. Musiake, H. Matsuyama，和K. Masuda，全球大气水平衡与大流域径流，Hydrol。工程学报，9,655 -678,1995。

好了，T全球水循环，见K. A. Browning和R. J. Gurney编著，《全球能源与水循环》，剑桥大学出版社，剑桥，1999年。

沙特尔沃斯，《蒸发作用》，载《水文手册》，纽约，1993年，第4章。

Sorooshian, S.， k - l。Hsu，高x, H. Gupta, B. Imam, D. Braithwai'c，基于PERSIANN系统卫星估算热带降雨的评价，牛。点。Meteorol。Soc。地球科学进展，81(9)，2035- 2046,2000。

谢平，阿金，月降水量的卫星观测和卫星观测的比较，j。流星。， 34, 1143-1160, 1995。

谢平，谢平，杨振华，利用卫星观测和数值模式预测全球月降水的研究，气候科学，28(4)，1996。raybet雷竞技最新

谢平，P. A. Arkin，全球降水:基于标准观测、卫星估计和数值模式输出的17年月度分析，Bull。达成。流星。， 34, 1143-1160, 1997。

继续阅读:美国西部冰雪水文与水资源“，

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