2.動力學與熱力學因素
影響蒸發的動力學因素主要有如下3方麵:
(1)水汽分子的垂向擴散:通常,蒸發麵上空的水汽分子,在垂向分布上極不均勻。愈近水麵層,水汽含量就愈大,因而存在著水汽含量垂向梯度和水汽壓梯度。於是水汽分子有沿著梯度方向運行擴散的趨勢。垂向梯度愈顯著,蒸發麵上水汽的擴散作用亦愈強烈。
(2)大氣垂向對流運動:垂向對流是指由蒸發麵和空中的溫差所引起,運動的結果是把近蒸發麵的水汽不斷地送入空中,使近蒸發麵的水汽含量變小,飽和差擴大,從而加速了蒸發麵的蒸發。
(3)大氣中的水平運動和湍流擴散:在近地層中的氣流,既有規則的水平運動,亦有不規則的湍流運動(渦流),運動的結果,不僅影響水汽的水平和垂向交換過程,影響蒸發麵上的水汽分布,而且也影響溫度和飽和差,進而影響蒸發麵的蒸發速度。
從熱力學觀點看,蒸發是蒸發麵與大氣之間發生的熱量交換過程。蒸發過程中如果沒有熱量供給,蒸發麵的溫度以及飽和水汽壓就要逐步降低,蒸發亦隨之減緩甚至停止。由此可知,蒸發速度在很大程度上取決於蒸發麵的熱量變化。影響蒸發麵熱量變化的主要因素如下:
(1)太陽輻射:太陽輻射是水麵、土壤、植物體熱量的主要來源。太陽輻射強烈,蒸發麵的溫度就升高,飽和水汽壓增大,飽和差也擴大,蒸發速度就大;反之,蒸發速度就降低。由於太陽輻射隨緯度而變,並有強烈的季節變化和晝夜變化,因而各種蒸發麵的蒸發,亦呈現強烈的時空變化特性。
對於植物散發來說,太陽輻射和溫度的高低,還可通過影響植物體的生理過程而間接影響其散發。當溫度低於1.5℃,植物幾乎停止生長,散發量極少。在1.5℃以上,散發隨溫度升高而遞增:但當溫度大於40℃時,葉麵的氣孔失去調節能力,氣孔全部敞開,散發量大增,一旦耗水量過多,植物將枯萎。
(2)平流時的熱量交換:主要指大氣中冷暖氣團運行過程中發生的與下墊麵之間的熱量交換。這種交換過程具有強度大、持續時間較短、對蒸發的影響亦比較大的特點。
此外,熱力學因素的影響,往往還和蒸發體自身的特性有關。以水體為例,水體的含鹽度、渾濁度以及水深的不同,就會導致水體的比熱、熱容量的差異,因而在同樣的太陽輻射強度下,其熱量變化和蒸發速度也不同。
3.土壤特性和土壤含水量的影響
土壤特性和土壤含水量主要影響土壤蒸發與植物散發。
對土壤蒸發的影響,不同質地的土壤含水量與土壤蒸發比之間的關係顯示出每種土壤的關係線都存在一個轉折點。與此轉折點相應的土壤含水量,稱為臨界含水量。當實際的土壤含水量大於此臨界值時,則蒸發量與蒸發能力之比值接近於1,即土壤蒸發接近於蒸發能力,並與土壤含水量無關,當土壤含水量小於臨界值,則蒸發比與含水量呈直線關係。在這種情況下,土壤蒸發不僅與含水量成正比,而且還與土壤的質地有關。因為土壤的質地不同,土壤的孔隙率及連通性也就不同,進而影響土壤中水的運動特性,影響土壤水的蒸發。
對植物散發的影響,植物散發的水來自根係吸收土壤中的水,所以土壤的特性和土壤含水量自然會影響植物散發,不過對影響的程度還有不同的認識。有的學者認為,植物的散發量與留存在土壤內可供植物使用的水大致成正比,另一些人則認為,土壤中有效水在減少到植物凋萎含水量以前,散發與有效水無關。所謂有效水是指土壤的田間持水量與凋萎含水量之間的差值。
輸送
輸送主要是指水汽的擴散與水汽輸送,是地球上水循環過程的重要環節,是將海水、陸地水與空中水聯係在一起的紐帶。正是通過擴散運動,使得海水和陸地水源源不斷地蒸發升入空中,並隨氣流輸送到全球各地,再凝結並以降水的形式回歸到海洋和陸地。所以水汽擴散和輸送的方向與強度,直接影響到地區水循環係統。對於地表缺水,地麵橫向水交換過程比較弱的內陸地區來說,水汽擴散和輸送對地區水循環過程具有特別重要的意義。
1.水汽擴散
水汽擴散是指由於物質、粒子群等的隨機運動而擴展於給定空間的一種不可逆現象。擴散現象不僅存在於大氣之中,亦存在於液體分子運動進程之中。在擴散過程中伴隨著質量轉移,還存在動量轉移和熱量轉移。這種轉移的結果,使得質量、動量與能量不均的氣團或水團趨向一致,所以說擴散的結果帶來混合。而且擴散作用總是與平衡作用相聯係在一起,共同反映出水汽(或水體)的運動特性,以及各運動要素之間的內在聯係和數量變化,所以說,擴散理論是水文學的重要基礎理論。