对流层的厚度随纬度增加而减小，赤道地区可达17—18km，中纬度带10一12km，极地地区为8—9km。对流层受地面的热影响，其温度随高度增加而递减。因此，对流层经常发生上升和下降气流和大规模的水平对流。其物理状态随时间和空间的变化，决定着气象要素的复杂变化。

1．3．1．2 大气的热源

太阳的热辐射是地表和大气的最主要热源。据近年来宇航观测资料，大气层的上界面每cm2面积上每分钟接受的太阳辐射能量约8.16J。由于大气的主要成分氮和氧几乎不吸收太阳辐射能，水汽和二氧化碳则主要吸收波长较长的红外光线，而太阳辐射主要是短波辐射，故大气所直接吸收的太阳辐射能仅占15％，其余部分约有42％通过反射和散射返回宇宙空间，43％达到地球表面。地表接受辐射增热后，自身再向大气和宇宙空间辐射能量。此类辐射主要是长波辐射，故大部为大气吸收而增温。此外，空气与地面直接接触，由于热传导、对流而升温，更是大气增温的主要原因。因此，地表是大气的二次热源。地表热力状况在空间和时间上的变化，直接引起大气物理状态的变化。

1．3．1．3 主要气象要素

1．3．1．3．1 气温

由于地球是大气的第二热源，因此地表的热力状况随时间和空间的变化必然导致气温的相应变化。

气温随时间的变化是指一个地区气温的昼夜变化、季节变化和多年变化。

气温随空间的变化包括水平方向和垂直方向的变化。高度相同的地区，气温变化主要受纬度的控制，一般自赤道向两极由高到低。以同一时期各地区气温平均值绘制等温线图来表示气温水平变化。垂直方向的变化，是指同一地点不同高度上气温的变化。在对流层内，气温随高度增加而递减，一般每升高100m，气温约降低0.5℃。

1．3．1．3．2 气压

大气的质量施加在地表或地表物体上的压力称为大气压力，常用毫米水银柱高度表示。在标准状态下（气温为0℃时，纬度45°的海平面上）的气压为760毫米水银柱高度，即约相当105Pa。

由于大气的质量随高度增加而降低，因此压力也随高度增加而降低。而地表热力状况的差异，则造成气压在水平方向的变化。赤道地带气温高，热气流上升猛烈，对流层厚度较大，故在赤道上空，气压较两侧地带大，大气向两侧运动。两侧地带由于发生下降气流使近地面处空气密度加大。因此在邻近地面的下部，赤道地带形成低压带，两侧则形成亚热带高压带，地表遂产生由两侧向赤道运动的气流。两极气温低，空气密度大，也形成高压带。在两极和亚热带的高压带之间形成相对低压带。

地表覆盖状况不同，热力状态有很大差异。例如，由于水和岩石的热容量差别较大，因此冬季大陆气温较海洋低，气压则高于海洋地区，夏季则正好相反。这就造成了海陆之间的气压差，而形成了周期性的季风。气压差别引起气流，气流运动使大气中的水分与热量重新分配，从而引起各种复杂的天气现象。

1．3．1．3．3 湿度

大气中水汽含量构成了空气湿度。水汽具有重量，所以也有压力。空气中水汽含量的多少，可以用重量或压力表示。湿度分为绝对湿度和相对湿度两种。绝对湿度表示某一地区某一时刻空气中水汽的含量。采用重量单位时，用lm3空气中所含水汽的g数表示，重量单位绝对湿度代表符号为m。采用压力单位时，为空气中所含水汽分压相当于水银柱高度的mm数，或以毫巴表示（1毫巴＝102Pa），代表符号为e。绝对湿度只能说明某一时刻空气中水 中国地质大学（武汉）环境学院 《水文地质学基础》课程组 10

汽含量的多少，而不能表明此时空气中水汽含量的饱和程度。因此又有相对湿度的概念。 空气中所能容纳的最大水汽数量随着气温升高而增大（表1—2）。某一温度下，空气中

，可容纳的最大水汽数量，称为该温度下的饱和水汽含量，同样也可用重量单位（代号为M）

或压力单位（代号为E）表示。

表 1－2 不同温度下的饱和水汽含量 t℃ -30° -20° -10° 0 10° 20° 30° E（mm）

M（g/m3） 31.9 30.4

绝对湿度和饱和水汽含量之比即为相对湿度（r），即

r=(e/E)×100%，或r=(m/M)×100%。相对湿度以百分比表示之。

相对湿度可通过计算求得。若气温为20℃，绝对湿度e＝4.6mm，则查表1—2得E＝17.5mm，相对湿度r(20℃)＝(e/E)×100%=(4.6/17.5)×100%=26.3%，气温下降到0℃，E＝4.6mm，则r (0℃)＝100％。

由此可见，由于饱和水汽含量随温度降低而减小，因此当绝对湿度不变时，随气温下降，相对湿度随之增高。当绝对湿度与饱和水汽含量相等，相对湿度等于100％。空气中水汽达到饱和时的气温称为露点。当气温降到露点以下，空气中过剩的水汽即凝结而形成不同形式的液态或固态降水。

1．3．1．3．4 蒸发

在常温下水由液态变为气态进入大气的过程称为蒸发。空气中的水汽主要来自地表水、地下水、土壤和植物的蒸发。有了蒸发作用，水循环才得以不断进行。

水面蒸发的速度和数量取决于许多因素（气温、气压、湿度、风速等），其中主要决定于气温和绝对湿度的对比关系。气温决定了空气的饱和水汽含量，而绝对湿度则是该温度下空气中实有的水汽含量，该两水汽含量之差称为饱和差（d），即d=E?e。蒸发速度或强度与饱和差成正比，即饱和差愈大，蒸发速度也愈大。同理，相对湿度愈小，则饱和差愈大，蒸发速度也愈大。

风速是影响水面蒸发的另一重要因素。蒸发的水汽容易积聚在水面上而妨碍进一步蒸发，风将水面蒸发出来的水汽不断吹走，蒸发加快，因此，风速愈大，蒸发就愈强烈。 蒸发包括水面蒸发、土面蒸发、叶面蒸发等。通常用水面蒸发量的大小表征一个地区蒸发的强度。气象部门常用蒸发皿（直径数十分米的圆皿）测定某一时期内蒸发水量，以蒸发的水柱高度mm数表示蒸发量，如北京的多年平均年蒸发量为1 102mm。

必须注意，气象部门提供的蒸发量，只能说明蒸发的相对强度，而不代表实际的蒸发水量。因为通常一个地区不全是水面，并且，用小直径的蒸发皿测得的蒸发量比实际的水面蒸发量要偏大许多。

1．3．1．3．5 降水

当空气中水汽含量达饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，以液态或固态形式降落到地面，这就是降水。空气冷却是导致水汽凝结的主要条件。暖湿气团由于各种原因变冷就可以产生降水。其中最常见的是锋面降水。当暖湿气团与冷气团相遇时，在两者接触的锋面上，水汽大量凝结形成降水。气象部门用雨量计测定降水量，以某一地区某一时期的降水总量平铺于地面得到的水层高度mm数表示。

降水是水循环的主要环节之一，一个地区降水量的大小，决定了该地区水资源的丰富程度，对地下水资源的形成具有重要影响。

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以上介绍了主要气象要素的基本概念，这些气象要素的变化决定了大气的物理状态。在一定地区一定时间内，各种气象因素综合影响所决定的大气物理状态称为天气。而某—区域天气的平均状态（用气象要素多年平均值表征），称为该地区的气候。无论是变化迅速的气象要素，还是变化缓慢的气候因素，对于自然界水文循环过程，以至地下水的时空分布都具有重要影响。

1．3．2 径流

径流是水文循环的重要环节和水均衡的基本要素，系指降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。因此，径流可分为地表径流和地下径流，两者具有密切联系，并经常相互转化。据统计，全球大陆地区年平均有47 000km3的水量通过径流返回海洋，约占陆地降水量的40％。这部分水量大体上是可资人类利用的淡水资源。

地表径流和地下径流均有按系统分布的特点。汇注于某一干流的全部河流的总体构成一个地表径流系统，称为水系。一个水系的全部集水区域，称为该水系的流域。流域范围内的 降水均通过各级支流汇注于干流。相邻两个流域之间地形最高点的连线即为分水线，又称分水岭。这些概念同样可用于地下水，但地下水的系统不像地表水系那样明显和易于识别，具有自己的一些特点。

在水文学中常用流量、径流总量、径流深度、径流模数和径流系数等特征值说明地表径流。水文地质学中有时也采用相应的特征值来表征地下径流。

流量（Q） 系指单位时间内通过河流某一断面的水量，单位为m3/s。Q流量等于过水断面面积F与通过该断面的平均流速V的乘积，即：

Q=VgF

径流总量（W）：系指某一时段T内，通过河流某一断面的总水量，单位为m3。可由下式求得： W=QgT

：系指单位流域面积 F（km2）上平均产生的流量，以L/s·km2为 径流模数（M）

单位，计算式为： M=Q3g10 （1L = 10?3m3 ） F

：系指计算时段内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面积上所得 径流深度（Y）

到的平均水层厚度，单位为mm，计算式为：

Y=

Y， 以小数或百分数表示。 XW?3 10F 径流系数（α）：为同一时段内流域面积上的径流深度Y(mm)与降水量X(mm)的比值： Α=

以上各特征值的换算关系见表1—3。

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表l一3 径流特征值换算关系

1．4 我国水文循环概况

我国绝大部分地区均为季风气候，一年中雨季与旱季分明，降水的时空分布很有规律，这与我国特殊的地理格局有关。

我国位于世界最大陆地——欧亚太陆东缘，南北地跨亚热带、温带及亚寒带；西部是世界上最高大的青藏高原，东濒世界最大水体太平洋。

就全球而言，亚热带及接近两极地带是高气压带。由于海陆分布的影响，对我国气候起控制作用的则是两个高气压中心：形成于海洋的夏威夷亚热带高压中心，带来暖湿气流；形成于大陆腹地的蒙古寒带高压中心，带来干寒气流，

由于水的比热远大于岩石，所以在太阳辐射影响下，陆地增温及散热迅速，海洋则缓慢。冬季，大陆因太阳辐射减少急剧降温，空气冷却，密度增大，蒙古高压中心增强；海洋降温慢，空气密度相对较小，夏威夷高压减弱；此时，我国大部分地区盛行西北季风，寒流所及，天气干冷晴朗。夏季，太阳辐射增强，陆地增温强烈，蒙古高压迅速衰退；海洋温度相对较低，夏威夷高压相对强盛。我国大部盛行东南风。