第二章 地球上的水循环　　第四节 水汽扩散与输送

　　水汽扩散与水汽输送，是地球上水循环过程的重要环节，是将海水、陆地水与空中水联系在一起的纽带。正是通过扩散运动，使得海水和陆地水源源不断地蒸发升入空中，并随气流输送到全球各地，再凝结并以降水的形式回归到海洋和陆地。所以水汽扩散和输送的方向与强度，直接影响到地区水循环系统。对于地表缺水，地面横向水交换过程比较弱的内陆地区来说，水汽扩散和输送对地区水循环过程具有特别重要的意义。

　　一、水汽扩散

　　所谓水汽扩散是指，由于物质、粒子群等的随机运动而扩展于给定空间的一种不可逆现象。扩散现象不仅存在于大气之中，亦存在于液体分子运动进程之中。在扩散过程中伴随着质量转移，还存在动量转移和热量转移。这种转移的结果，是使得质量、动量与能量不均的气团或水团趋向一致，所以说扩散的结果带来混合。而且扩散作用总是与平衡作用相联系在一起，共同反映出水汽（或水体）的运动特性，以及各运动要素之间的内在联系和数量变化，所以说，扩散理论是水文学的重要基础理论。

　　（一）分子扩散

　　分子扩散又称分子混合，是大气中的水汽，各种水体中的水分子运动的普遍形式。蒸发过程中液面上的水分子由于热运动结果，脱离水面进入空中并向四周散逸的现象，就是典型的分子扩散。由于这种现象难以用肉眼观察到，可以通过在静止的水面上瞬时加入有色溶液，观察有色溶液在水中扩散得到感性的认识。在有色溶液加入之初，有色溶液集中在注入点，浓度分布不均，而后随着时间t的延长，有色溶液逐渐向四周展开，一定时间后便可获得有色溶液浓度呈现正态分布的曲线，最终成为一均匀分布的浓度曲线。这种现象就是由水分子热运动而产生的分子扩散现象。

　　扩散过程中，单位时间内通过单位面积上的扩散物质（E），与该断面上的浓度梯度成比例，可用下式表示：

　　于一定的扩散物质，在一定的温度下k为常数。

　　式中负号表示质量自大向小的方向转移或传递。

　　如取图2-9（图略）所示的长度为Δx，高为Δz，宽为Δy的微小空间，沿x

　　根据质量守恒原理：

　　将式（2-37）代入（2-38）则得：

　　这是沿x方向一维扩散方程。由于空间的扩散都是三维的，与x方向扩散的同时，在y、z方向亦存在扩散，并可按上述方向分别求出。于是可得出三维空间的分子扩散方程：

　　此外，与质量扩散的同时，亦存在动量转移和热量转移，因此同样可列出相应的动量转移和热量转移方程，而且方程形式完全一致，只是系数不同，参数的含义不同。

　　为温度梯度；其中λ为：

　　λ=Cpρkt （2-43）

　　式中，Cp水汽比热；ρ为水汽密度；kt为导温系数（m2/s）。

　　（二）紊动扩散

　　紊动扩散又称紊动混合，是大气扩散运动的主要形式。其特点是，由于受到外力作用影响，水分子原有的运动规律受到破坏，呈现“杂乱无章的运动”。运动中无论是速度的空间分布还是时间变化过程都没有规律，而且引起大小不等的涡旋。这些涡旋也象分子运动一样，呈现不规则的交错运动。这种涡旋运动又称为湍流运动。通常大气运动大多属于湍流运动。由湍流引起的扩散现象称为湍流扩散。

　　与分子扩散一样，大气紊流扩散过程中，也具有质量转移、动量转移和热量转移，其转移的结果，促使质量、动量、热量趋向均匀，因而亦称紊动混合。但与分子扩散相比较，紊动扩散系数往往是前者的数千百倍，所以紊动扩散作用远较分子扩散作用为大。
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