水分再循环计算模型的研究进展及其展望

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2020.085

地球科学进展 ›› 2020, Vol. 35 ›› Issue (10): 1029 -1040. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2020.085

水分再循环计算模型的研究进展及其展望

李修仓 ^1, ²(

),姜彤 ²,吴萍 ¹(

)

^1.中国气象局国家气候中心/气候研究开放实验室，北京 100081
^2.南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心/灾害风险管理学院/地理科学学院，江苏南京 210044

收稿日期:2020-07-30 修回日期:2020-09-22 出版日期:2020-10-10
通讯作者: 吴萍 E-mail:lixiucang@cma.gov.cn;wup@cma.gov.cn
基金资助:
国家重点研发计划项目“全球气候系统能量与水循环时空演变及其成因辨识”(2017YFA0603701);第二次青藏高原综合科学考察研究专题“亚洲水塔变化及其广域效应”(2019QZKK0208)

Progress and Prospect of the Moisture Recycling Models

Xiucang Li ^1, ²( ),Tong Jiang ²,Ping Wu ¹( )

^1.National Climate Center/Laboratory for Climate Studies，China Meteorological Administration，Beijing 100081，China
^2.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters/Institute for Disaster Risk Management/School of Geographical Sciences，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China

Received:2020-07-30 Revised:2020-09-22 Online:2020-10-10 Published:2020-11-30
Contact: Ping Wu E-mail:lixiucang@cma.gov.cn;wup@cma.gov.cn
About author:Li Xiucang (1982-), male, Yuncheng County, Shandong Province, Senior Engineer. Research areas include climate change and water cycle. E-mail: lixiucang@cma.gov.cn
Supported by:
the National Key Research and Development Program of China “Spatiotemporal evolution of energy and water cycle in global climate system”(2017YFA0603701);The Second Tibetan Plateau Scientific Expedition and Research Program “The change of Asian water tower and its wide effect”(2019QZKK0208)

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水分再循环是蒸发的水汽以降水的形式再次返回本地的过程，是水文大循环的重要组成部分。回顾了水分再循环基础理论的发展过程，系统地梳理了国内外3类水分再循环研究方法，分析了不同箱式分析模型边界条件和假设条件的异同，对比了水汽追踪和物理示踪等方法的优点及局限性。当前国内外水分再循环的研究存在尺度依赖性高、全球尺度研究较少等突出问题，箱式分析再循环模型有待深入比较或优化改进，应发展相对共识的等尺度计算方案；此外，水分再循环的研究应与全球水文大循环的研究相结合，包括计算或补全全球水量平衡分量，同时还应考虑水循环的动态变化问题。

关键词: 水分再循环, 蒸散发, 降水, 水汽输送, 水循环

As an important part of the hydrological cycle， moisture recycling is a process in which evaporated water vapor returns to the local area again in the form of precipitation. In this paper， the development process of the basic theory of moisture recycling was reviewed. Three types of moisture recycling research methods from the domestic and foreign research were investigated systematically. The similarities and differences of the boundary conditions and assumptions of different box analysis models were analyzed. The advantages and limitations of water vapor tracer method and isotopic tracer method were compared. In the current domestic and international moisture recycling research， scale-dependence of the results and fewer studies on global scale are still outstanding problems. The box analysis recycling model needs to be optimized and improved. Relatively consensus equal-scale calculation schemes should be developed. In addition， moisture recycling studies should be combined with the studies of the global water cycle， in order to supplement relevant components of global water balance. Dynamic changes of the water cycle should also be considered the changes of moisture recycling.

Key words: Moisture recycling, Evapotranspiration, Precipitation, Water vapor transport, Water cycle

中图分类号:

P339

图1 水分再循环示意图

Fig.1 Schematic diagram of moisture recycling

表1 水分再循环箱式分析模型

Table 1 Bulk models of moisture recycling

名称（年份）	模型	参数解释
Budyko一维模型（1974）^{[ 9 ]}	$ρ = 1 - 1 β = 1 + 2 w u E l - 1$	ρ为降水再循环率，β为总降水与外部水汽输送形成的降水的比例，E为蒸发量，l为一维流场距离尺度，wu为外部水汽输入（以下模型中相同字母表述含义相同）
Brubaker等二维模型（1993）^{[ 13 ]}	$ρ = 1 - 1 β = 1 + 2 F + E A - 1$	F⁺为外部水汽输入，即Budyko模型中的wu；A为计算区域面积
Eltahir等二维模型（1994）^{[ 15 ]}	$ρ = I m + E I m + E + I a$	I为格区水汽输入，下标m表示输入格区的水汽来自于研究区内，下标a表示输入格区的水汽来自于研究区外。模型采用迭代方法计算
Burde等二维模型（1996）^{[ 14 ]}	$ρ = 1 - 1 β = 1 + 2 F + E A R - 1$	R为流场矫正系数，其他参数同Brubaker等二维模型
伊兰等模型（1997）^{[ 32 ]}	$ρ = 2 I m + E 2 I a + 2 I m + E = 2 I m + E 2 I + E ρ T = E 2 I a + E$	基于Brubaker模型及Eltahir and Bras模型的综合。ρ_T为区域整体降水再循环率。模型采用迭代方法计算
Trenberth一维模型（1998）^{[ 10 ]}	$ρ = P m P = E l E l + 2 F i n = E l P l + 2 F$	F_in为外部水汽输入，即Budyko模型中的wu；F为输入水汽和输出水汽的平均值。该模型本质上是Budyko模型的另一种形式
Burde等解析模型（2001）^{[ 33 ]}	$R = 1 - e x p - ∫ 0 x E (x, ξ) U (x, ξ) W (x, ξ) d x$	R、E、U和W分别为拉格朗日坐标系下的水分再循环率、蒸发量、纬向风速和大气可降水量；x为水汽输送距离；ξ为常微分方程dy/dx的积分
Dominguez等动态再循环模型（Dynamic Recycling Model, DRM）（2006）^{[ 22 ]}	$R (χ, ξ, τ) = 1 - e x p - ∫ 0 τ ε (χ, ξ, τ) ω (χ, ξ, τ) d τ'$	χ、ξ、τ、ε和ω分别为拉格朗日坐标系下的x、y、t、蒸发量和大气可降水量
van der Ent等数值求解方法（2010）^{[ 23 ]}	$S a_Ω S a = ??? ? (S a_Ω u) ? x ??? ? (S a u) ? x = ??? ? (S a_Ω v) ? y ??? ? (S a v) ? y = P Ω P$	S_a为大气可降水量，Ω为水汽源区。该公式为大气水汽充分混合假设条件表达式，也是数值求解水分守恒方程的基础

表1 水分再循环箱式分析模型

Table 1 Bulk models of moisture recycling

名称（年份）	模型	参数解释
Budyko一维模型（1974）^{[ 9 ]}	$ρ = 1 - 1 β = 1 + 2 w u E l - 1$	ρ为降水再循环率，β为总降水与外部水汽输送形成的降水的比例，E为蒸发量，l为一维流场距离尺度，wu为外部水汽输入（以下模型中相同字母表述含义相同）
Brubaker等二维模型（1993）^{[ 13 ]}	$ρ = 1 - 1 β = 1 + 2 F + E A - 1$	F⁺为外部水汽输入，即Budyko模型中的wu；A为计算区域面积
Eltahir等二维模型（1994）^{[ 15 ]}	$ρ = I m + E I m + E + I a$	I为格区水汽输入，下标m表示输入格区的水汽来自于研究区内，下标a表示输入格区的水汽来自于研究区外。模型采用迭代方法计算
Burde等二维模型（1996）^{[ 14 ]}	$ρ = 1 - 1 β = 1 + 2 F + E A R - 1$	R为流场矫正系数，其他参数同Brubaker等二维模型
伊兰等模型（1997）^{[ 32 ]}	$ρ = 2 I m + E 2 I a + 2 I m + E = 2 I m + E 2 I + E ρ T = E 2 I a + E$	基于Brubaker模型及Eltahir and Bras模型的综合。ρ_T为区域整体降水再循环率。模型采用迭代方法计算
Trenberth一维模型（1998）^{[ 10 ]}	$ρ = P m P = E l E l + 2 F i n = E l P l + 2 F$	F_in为外部水汽输入，即Budyko模型中的wu；F为输入水汽和输出水汽的平均值。该模型本质上是Budyko模型的另一种形式
Burde等解析模型（2001）^{[ 33 ]}	$R = 1 - e x p - ∫ 0 x E (x, ξ) U (x, ξ) W (x, ξ) d x$	R、E、U和W分别为拉格朗日坐标系下的水分再循环率、蒸发量、纬向风速和大气可降水量；x为水汽输送距离；ξ为常微分方程dy/dx的积分
Dominguez等动态再循环模型（Dynamic Recycling Model, DRM）（2006）^{[ 22 ]}	$R (χ, ξ, τ) = 1 - e x p - ∫ 0 τ ε (χ, ξ, τ) ω (χ, ξ, τ) d τ'$	χ、ξ、τ、ε和ω分别为拉格朗日坐标系下的x、y、t、蒸发量和大气可降水量
van der Ent等数值求解方法（2010）^{[ 23 ]}	$S a_Ω S a = ??? ? (S a_Ω u) ? x ??? ? (S a u) ? x = ??? ? (S a_Ω v) ? y ??? ? (S a v) ? y = P Ω P$	S_a为大气可降水量，Ω为水汽源区。该公式为大气水汽充分混合假设条件表达式，也是数值求解水分守恒方程的基础

图2 不同相态水体同位素组成差异（ε）随气团冷却过程的演变（据参考文献[ 37 ]修改）

Fig.2 Evolution of the isotopic composition of cloud water vapor and precipitation as the air mass cools（modified after reference [ 37 ]）

表2 典型区域水分再循环率研究结果比较

Table 2 Comparison of moisture recycling ratios in typical regions

研究区	水分再循环率/%	计算尺度/km	参考文献
亚马孙河流域	14~32	2 500	[ 13 ]
亚马孙河流域	25~35	2 500	[ 15 ]
密西西比河流域	15~34	1 400	[ 13 ]
欧洲地区	13	1 300	[ 44 ]
苏联欧洲区域	11	2 200	[ 9 ]
非洲中部	38	1 758	[ 45 ]
长江流域	3~19	2 000	[ 32 ]
黄河流域	19	2 500	[ 46 ]
西北地区	4~10	2 500	[ 47 ]

表2 典型区域水分再循环率研究结果比较

Table 2 Comparison of moisture recycling ratios in typical regions

研究区	水分再循环率/%	计算尺度/km	参考文献
亚马孙河流域	14~32	2 500	[ 13 ]
亚马孙河流域	25~35	2 500	[ 15 ]
密西西比河流域	15~34	1 400	[ 13 ]
欧洲地区	13	1 300	[ 44 ]
苏联欧洲区域	11	2 200	[ 9 ]
非洲中部	38	1 758	[ 45 ]
长江流域	3~19	2 000	[ 32 ]
黄河流域	19	2 500	[ 46 ]
西北地区	4~10	2 500	[ 47 ]

图3 全球陆地降水再循环率计算结果的比较
(a)、(b)和(c)分别据参考文献[ 23 ]、[ 49 ]和[50]修改

Fig.3 Comparison of continental precipitation recycling ratios
(a) Modified after reference [ 23 ]; (b) Modified after reference [ 49 ]; (c) Modified after reference [ 50 ]

图4 全球水循环评估结果比较（据参考文献[ 53 ]修改）

Fig.4 Comparison of global water cycle assessment results（modified after reference [ 53 ]）

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