鹫峰地区大气水分.doc

鹫峰地区大气水分
姓名：曾翔宇
班级：地信10
学号：100134106
指导教师：尹忠东
摘要
大气从海洋.湖泊.河流以及潮湿土壤的蒸发或者植物的蒸腾作用中获得水分。水分进入大气后，通过分子扩散和气流的传递而散布于大气中，使之具有不同的潮湿程度。大气的湿度状况是决定云、雾、降水等天气现象的重要因素。而森林中,植被对空气湿度的影响尤为大。鹫峰国家森林公园位于北京市西北约30公里的群山怀抱之中，是北京市最近的国家森林公园之一。通过比较,鹫峰地区一天中中午以后空气湿度小于清晨;晴天空气湿度小于阴天.一个地区的空气湿度和降水等状况,于该地区的地理环境息息相关,植被是重要的决定因素之一.

关键词
水汽压/饱和水汽压
绝对湿度/相对湿度
蒸发/凝结

引文
本学期第八周时,学校组织班级去鹫峰实习,学习土壤,植被,自然环境数据收集等方面问题.在几天的实习中,我发现学校和鹫峰的湿度有较大差别,并因此引发思考:是哪方面的环境问题影响了不同地区的湿度状况. 由于山体、植被对降水的影响很大,同样鹫峰的山体也改变了大气降水的分布.如果没有来自于鹫峰的水源灌溉，这里可能是一片干旱地区,大气降水量只适应稀疏的低矮灌木生长。所以说没有鹫峰就没有北京郊区的繁荣。鹫峰的森林区对北京西北部分是重要的水源涵养林。研究证明，鹫峰林地对减少地表径流、延长径流历时、推迟洪峰、消洪补枯作用显著。本文简单描述了鹫峰林区不同海拔高度的降水分布及其针叶林对降水的截流和林内温度、湿度与降水的相互作用。为基本理解小西山区的山地大气降水特征及森林水文作用机理提供科学依据。

正文
区域概况
鹫峰森林公园座落于海淀区小西山风景区，距颐和园18公里，是北京著名的森林公园，北京林业大学的试验林场。南边是大觉寺，北边是阳台山风景区。远望鹫峰，山峦上的两座山峰相对而立，宛如一只振翅欲飞的鹫鸟，栩栩如生，鹫峰因此而得名。
隶属北京林业大学的鹫峰国家森林公园是国家AA级旅游景区，全国青少年科普活动基地。林地面积832.04公顷，年均气温12.2℃。鹫峰主峰海拔465米，公园最高峰1153米，是海淀区第二高峰。
鹫峰公园中的古树年代之久、树木之多让人惊叹。千年古树有300余棵，国家一级保护树木20多种，总保护树木株数上千株。京城最早的玉兰树历尽沧桑而不败，六人合抱的银杏树是鹫峰历史源远流长的见证。这个800多公顷的公园堪称是绿色植物的宝库，森林覆盖率高达96.2%，共有陆地植物110科313属684种，是绿色植物的天然储藏地。
地貌上属华北石质低山地区,气候上属于暖温带大陆性季风气候,年平均降雨量约630 mm,年蒸发量达1 800mm,年平均气温11. 6 ℃。大于0 ℃的积温为4 500℃,无霜期180～203 d。该区域的土壤类型为含石砾较多的山地褐土,土壤质地类型为中壤土,土层较薄且含石砾量较高,达40%以上,平均坡度一般在15°～35°。

一.空气水分
去到鹫峰的第一天,就明显感到鹫峰周围的空气十分湿润。在山底时，湿润的空气让南方同学觉得很舒服。在登山的途中，可以明显发现从山底到山腰的途中的石阶的变化：山底石板干燥，颜色发白，与周围路面状况相似；随着登山高度的上升，石板面逐渐潮湿，可明显发现上面有很薄的水层。
查阅相关资料得知，这与空气中水汽压有关。
1.水汽压
空气中由水汽所产生的分压强称为水汽压，单位：帕斯卡（Pa）或百帕（hPa）。空气中水分含量多，e大，反之，e则小。
大气压力是大气中各气体压力的总和。大气中水汽所产生的那部分压力，叫水汽压。在纬度上，水汽压由赤道向两极减小。同时，在水平面上，水汽压也随高度变化而变化。水汽压可根据公式可算出，例如高度5000米时，水汽压为地面的10分之1.
在一定温度下，一定体积空气中能容纳的水汽分子数量有一定限度的。如果水汽含量恰好达到该温度条件下的最大限度，这时的空气称为饱和空气，此时的水汽压为饱和水汽压。如果空气中的水汽含量低于这个限度值，这时的空气称为未饱和空气。如果空气中水汽含量超过这个限度值，超出限度的那部分水汽会发生凝结，使之重新回到饱和状态。显然，未饱和空气的水汽压小于该温度下的饱和水汽压。

这就很好地解释了鹫峰的情况，随着高度的升高，同时温度有所降低，而山体由于植被覆盖状况情况基本一致，水汽含量也基本一致，导致从山底到山中的过程中，饱和水汽压逐渐减小，大气无法容纳更多的水汽，导致水汽凝结，出现了山上的石板上是湿的这一现象。
2 . 影响饱和水汽压大小的因子
饱和水汽压是不断变化的，它的大小主要由温度和蒸发的性质状况决定。
（1）饱和水汽压和温度的关系
饱和水汽压是随着温度的升高而呈现指数律增大的，其定量关系，可由马格奴斯（Magnus）半经验公式进行描述。
E = Eo × 10 (5—1)
式中：Eo为0℃时的饱和水汽压，其值为6.11hpa；t为蒸发面温度；a、b为两个经验参数，平水面：a = 7.45，b = 237.3；平冰面：a = 9.5，b = 265.0。
（2）饱和水汽压与蒸发面的关系
E大小除与温度有关外，还与蒸发面的性质与形状有关。自然界中蒸发面很多，它们具有不同的性质（如水面、冰面和溶液面）和形状（如凸面、平面和凹面）。
同温下，E过冷却水面>E冰面（表5—1，P66），E纯净水面>E溶液面；E凸面>E平面>E凹面（图5—1，P67）。

3.绝对湿度和相对湿度
鹫峰整体空气湿度大，与其植被覆盖度有关。湿度与上文提到的水汽压有关，水汽压与常数的乘积和绝对温度的比值为绝对湿度。水汽压与饱和水汽压的比值为相对湿度，相对湿度可以直观地反应出当地空气距饱和的程度和大气中水汽的相对含量。
我们在鹫峰实习的时间为早9点到下午4点。这段时间里，可以感受到在山中的空气湿润度的变化，早上登山时潮湿，下午下山时较干燥。查阅资料发现，湿度除了与水汽压有关外，还与温度密切相关。

(1).相对湿度
传统上，把空气中的实际水汽压与同温下饱和水汽压的比值，用百分数来表示，称为相对湿度，其表达式为：
f = (5—2)
式中：e为空气中的实际水汽压，E为同温度下的饱和水汽压。
当e = E时，f = 100%，表示空气中水汽达饱和；
e<E时，f<100%，表示空气不饱和；
e>E时，f>100%，表示空气过饱和。
f说明了在同一气温条件下，水汽含量距离饱和的程度。f越小，表示空气越干燥；f越大，表示空气越潮湿。由于气温升高时，e的增长率常常小于E的增长率，因此，随着气温的升高，e的增值小于E的增值，故f变小；反之，气温降低，f增大。在一般情况下，f随T升高而降低，随T降低而升高。

相对湿度日变化通常与气温日变化相反。在水汽压日变化不打的情况下，相对湿度的最高值出现在日出前；最低值出现在午后。这是由于温度升高时，蒸发作用加强，水汽压虽有所增大，但饱和水汽压增大更多，相对湿度反而降低。所以，中午在同一地点挖剖面和拉样方的同学发现了周围石板表层逐渐干燥，周围雾气也有所消退。
相对湿度分部随距海远近与纬度高低而有不同。例如，东南沿海的相对湿度年平均值为80%，内蒙古西部只有40%。赤道相对湿度可达到80%一上，副热带一般只有50%多，而高纬度地妨碍全年低温，相对湿度也可以达到80%。

二.降水与森林对降水的截留
降水：水云中降落到地面的水汽凝结物（固态的或液态的）统称降水，常见的有雨、雪、冰雹等。
降水是在一定的宏观条件和微观过程共同作用下完成的。充沛的水汽和空气的上升运动是形成降水的必要的宏观条件，而云滴增长成为降水质粒的过程则为降水的微观过程，二者缺一不可。其中充沛的水汽是形成降水的物质基础，而一定的上升气流，一方面可导致空气的绝热冷却，使其达到饱和或过饱和，另一方面，又可输送地面或近地气层的水汽及水汽凝结所需的凝结核。
研究方法
1.林内温度、湿度、降水量测定
在鹫峰国家森林公园海拔400 m处选择有代表性的两块不同林分作为试验地，两块地均为阳坡，坡度20。，一块油松栓皮栎混交林，另一块栓皮栎纯林．试验地的面积均为20 m×20 m，林分年龄为31 a．栓皮栎林平均胸径为13．4 cm，平均树高10．5 m，郁闭度为0．82；混交林中油松平均胸径为11．4 cm，平均树高为8．9 m，栓皮栎平均胸径为20．6 cm，平均树高为12．8 m，郁闭度为0．84．于2003年5—7月收集两块试验地的树干茎流水样，同时在林外空旷地同步收集大气降水的水样，共收集降水12次计54个样品．树干茎流水样是在每块试验地中间部位选择4棵标准木(平均木)，把剖开的聚乙烯胶管沿树干螺旋缠绕用小钉固定在树干上，下部用22 L塑料桶承接树干茎流，取样时分试验地、树种把桶中的水样混合均匀后收集；大气降水是在林外布设2个雨量桶，把2个雨量桶水样混合均匀后收集．
林外降水量测定：利用高铁塔或在样地附近的空旷地布设承雨器以及自记雨量计测定林外降水量和降雨强度。
林内雨量的测定：由降雨结束后及时进行雨量测定。
林冠截留量=林外降水量-林内雨量
树干截留量测定：选择不同径阶的油松30株，用1.5橡胶U型管缠绕于树干上，与树干粘贴密封，以防止水从树干上直接向地面降落，在U型管下端用雨量筒盛放截持的降水，降水后及时测定树干截持雨量。
5.枯落物截流测定：在不同类型的油松内选择12 块20m*20m样地，在每块样地对角线的1/4,1/2,3/4处选择1m*1m小样方5块，收集所有的枯枝落叶及球果，分别称重后，用于估算枯落物总量，并利用四分法选取枯枝、针叶、球果样品带回试验室，放入105℃的烘箱里烘至恒重，测定其含水量。把烘至恒重的样品放入水里浸泡24h滤干水分称重，以此推算枯落物的最大持水量和持水率。并取原状枯落物，置于雨量筒上，每次降雨后，测定透过降雨量。把对照雨量筒测得的大气降水与透过降水量比较，计算枯落物的截留量和截留率。栓皮栎、灌木林枯落物最大持水量和持水率测定方法与油松相同，只是灌木林样地面积为10m*10m
2.结果与分析
降水量的垂直梯度变化
实验区内降水量随海拔高度升高呈上升趋势，总的变化特征是年平均降水随海拔升高而升高。当海拔高度超过一定限度时，降水量则出现下降趋势。

附件1 仪器使用方法
1 天然坡面径流场
天然坡面径流场主要是研究各种自然和人为因素对水土流失的综合影响应布设在地形土壤等有代表性的天然坡地上，其主要特点是面积大从几百平方米到几千平方米包括从坡顶到坡脚一个坡面上的自然集流区，但场区内不能有陷穴和裂缝形状不规则视地形条件而定，坡度不均一、径流泥沙观测方法一致通常用量水堰或径流池进行径流过程或总量的观测场地周围亦应设置围埂保证集水、面积固定

2 量水堰
(1)量水堰应设在排水沟直线段的堰槽段。该段应采用矩形断面，两侧墙应平行和铅直。槽底和侧墙应加砌护，不漏水，不受其它干扰。
    (2)堰板应与堰槽两侧墙和来水流向垂直。堰板应平正和水平，高度应大于５倍的堰上水头。
    (3)堰口水流形态必须为自由式。
    (4)测读堰上水头的水尺或测针，应设在堰口上游3-5倍堰上水头处。尺身应铅直，其零点高程与堰口高程之差不得大于1MM。水尺刻度分辨率应为1MM；测针刻度分辨率应为0.1MM。
要时可在水尺或测针上游设栏栅稳流。
    (5)量水堰安装完毕，应详细填写考证表，存档备用
3 雨量计
可连续测量和记录降水量的仪器。常见的有虹吸式和翻斗式两种。①虹吸式雨量计。雨水由筒口收集后流入一测量筒内，筒内的浮筒随之上升，当筒内贮满10～20毫米降雨时，发生一次短时的虹吸作用，将其内的水排净，使浮子重新开始从零位记录。浮子上的笔尖则在钟筒上记下降雨量随时间的累积过程。②翻斗式雨量计。其测量器为两个三角形翻斗，每次只有其中的一个翻斗正对受雨器的漏水口，当翻斗盛满0.1或0.2毫米降雨时，由重心外移而倾倒，将斗中的降水倒出，同时使另一个翻斗对准漏水口，翻斗交替的次数和间隔时间可在自记钟筒上记录下来。
4 双环入渗仪
该入渗仪是由内环、外环、加水器、量水筒、通气管、供水管、水位管、通气孔、出水孔、环刀内斜刀口、加水口组成；在双环上部固定加水器，由于加水器内水位变化大，通气管下部管口很容易开闭，使每次供水量减少，内外环内设计水位变化很小，提高了观测精度，并配上自动供水装置，可测出固定水深的土壤入渗速度。

在鹫峰国家森林公园海拔400 m处选择有代表性的两块不同林分作为试验地，两块地均为阳坡，坡度20。，一块油松栓皮栎混交林，另一块栓皮栎纯林．试验地的面积均为20 m×20 m，林分年龄为31 a．栓皮栎林平均胸径为13．4 cm，平均树高10．5 m，郁闭度为0．82；混交林中油松平均胸径为11．4 cm，平均树高为8．9 m，栓皮栎平均胸径为20．6 cm，平均树高为12．8 m，郁闭度为0．84．于2003年5—7月收集两块试验地的树干茎流水样，同时在林外空旷地同步收集大气降水的水样，共收集降水12次计54个样品．树干茎流水样是在每块试验地中间部位选择4棵标准木(平均木)，把剖开的聚乙烯胶管沿树干螺旋缠绕用小钉固定在树干上，下部用22 L塑料桶承接树干茎流，取样时分试验地、树种把桶中的水样混合均匀后收集；大气降水是在林外布设2个雨量桶，把2个雨量桶水样混合均匀后收集．

2结果与分析
3．1不同林分降水pH值变化
降雨，特别是持续大量的降雨对空气中的干沉
降物质有较强的净化作用。5 o，干沉降物质直接影响
降雨的pH值．在试验地的空旷处，降雨pH值最低
为6．13，最高为6．97，平均值为6．56．表明鹫峰国家
森林公园地区干沉降物质的成分变化不大，降水pH
值一般为中性．7月20日降水的pH值是5．77，呈酸
性，这主要与当天的风向有关，林外雨量桶中混入了
林冠水，导致pH值异常．降水通过林冠到达树干后
其pH值发生了变化(图1)：混交林内油松树干茎流
的pH值变化幅度较大，在4．76～6．92范围；混交林
和纯林内栓皮栎树干茎流的pH值变化幅度差别不
大，分别为5．70～6．89和5．6。7．21．由此说明树干
茎流均被不同程度地酸化．这与我国其他学者M’71的
研究结果一致．经统计分析：F<n。，=2．87(n=
40)，说明林外降水、油松树干茎流及栓皮栎树干茎
流之间关于pH值指标的变化差异不显著．
日期／月一日
图1不同林分树干茎流降水pH值
nGURE 1 pH value of stemnow in dif玷rem forests
注：RF为林外降水，油sF为油松树干茎流，混栓sF为混交林栓
皮栎树干茎流，栓sF为纯林栓皮栎树干茎流，下同．
树干茎流的pH值发生变化的原因主要是森林
生态系统中，树冠能够滞留大气中悬浮物质¨-，同时
粗糙的树皮也为大气污染物提供了良好的滞留场
所，树干茎流的酸度被认为是污染的合适的生物指
示(bioindicator)旧。，当然树干茎流的酸度也与植物的
树干分泌的有机酸等物质有关．大气污染物和树干
。
。
留影
，
。
万方数据
北京林业大学学报第27卷
分泌的有机酸对树干茎流酸度的影响哪种占优势，
还需进一步研究．
从图1可看出，大气降水pH值与树干茎流pH
值之间没有表现出相似的变化趋势．通过回归分析，
它们的相关系数分别是，RF与油sF：R=0．208 8；
RF与混栓sF：尺=0．552 2；RF与纯栓sF：尺=
0．357 4．最大值为0．522 2，表明大气降水与树干茎
流的pH值指标不相关．