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从青藏高原的降雨量看水汽的垂直分布特点 精选

已有 6595 次阅读 2014-8-22 20:42 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记|关键词:青藏高原,降雨量,水汽含量,垂直分布,调水| 调水, 青藏高原, 降雨量, 水汽含量, 垂直分布

从青藏高原的降雨量看水汽的垂直分布特点

水的蒸发量在我看来每年都是一样的,因为地球的截面积是一定的,预示着它接受的太阳光的总能量是一定的,如果说有影响这个总能量的因子,那么这些因子有:一是太阳和地球之间的距离,地球绕着太阳转是一个椭圆形轨道,当地球在椭圆轨道的一个顶点上时接受的最少,在另一个顶点上时接受最多,呈现周期性变化;二是太阳黑子的影响,当太阳黑子很多的时候太阳本身爆发的能量变化,这时候地球接受的总能量变化,海洋湖泊的蒸发量也会有变化。第三个影响蒸发总量的因子是地幔活动,如果大陆板块的边缘,中央海岭周围火山活动频繁,那么蒸发量会有变化,但是这个影响较小。第四个因子是地球大气温度的变化对蒸发量有影响,这个也很微弱。

既然地球上江河湖海的总蒸发量基本一样,那么为什么地球上有些地方有些年份湿润,有些年份干旱呢?为什么地球上的降雨分布不均呢?这是另外一个问题。地球上的降雨分布随着距离海洋的距离增减而减小;随着地形不同海拔不同而变化。也就是说地球上的降雨分布与两个因子有密切关系:一个是地球的地势地形;第二个是水汽在垂直方向上的分布特点。地球上每年蒸发的这些水汽总会有一种途径让它重新变为液态水,重新汇集到海洋中间,那么它的这种循环的机制是怎样的?

有许多人研究认为只要大陆内部的某个低洼地带有足够的湖泊水分,那么这些水分不管是液态还是气态,都会被阻拦在低洼本地反复形成降雨和径流,从而实现人类对水分的反复需求。那么这个观点到底正确与否呢?这就要求我们对水蒸气的特点,水汽在垂直方向上的分布做出一个确切的结论。

既然地球上水汽的蒸发量基本恒定不变,那么大陆地区的干旱问题就不能企图增加海洋的蒸发,而是要在水分的空间分布上做文章。依照中国的实际情况,中国是典型的季风气候,每年的冬季含有水分的季风不再吹向大陆,大陆进入干旱季节。但是由于冬季季风来自北冰洋,所以依然在北方有一定的降雪。但是中国的春季全国进入干旱季节,以34月最为严重。到了四月底来自太平洋的季风逐渐加强,季风带来的水汽逐步到了江南,江南进入所谓的“梅雨季节”。梅雨雨带逐渐向北推进,到了六月中旬才到达秦岭以北地区,然后全国进入雨季。而象西北地区的西部一般到了七月以后才正式进入降雨高峰期。有时候大量水汽集聚在西北地区的上空久久不降雨,到了秋季季风减弱,北风逐渐增强,东南季风逐渐退出的时候,水汽受到秦岭等大山的阻隔,反而会形成较强的降雨,甚至气团滞留在秦岭以北地区久久不去,形成连阴雨,有时候这种连阴雨持续长达一个多月时间。当然,这种情况并不是每年都出现,但是但凡夏季降雨少的时期,秋季往往降雨多。基本是相辅相成的,当然也是我二十年观察的结论。

从理论上讲,水的分子量是18,空气的相对分子量是29,所以水不可能在空气中沉降到底层,相反它的分子量小于空气的相对分子量,它应该飘逸到空气层的上层才对。但是事实不是这样,水汽飘逸到空气上层后很容易被液化形成小水滴,进而形成可见的云层。而云层的高度往往在几千米以内,而几千米以内往往受到近地层大气、地形、温度和地表特征的强烈影响。但是到底水汽在垂直方向上如何分布情况还是不清楚。

为此我们建立一个理想模型。假设大地的海拔在100米以下,气温是30摄氏度,这时候地面的水汽已经达到了饱和状态,随时可能液化形成降雨,按照我们的假设,在不同高度上的水分都是饱和的,那么不同高度上的水汽压成分是多少呢?见下表:

 

海拔

温度

水气压

100

30

31.82

254.8

29

30.04

409.6

28

28.35

564.4

27

26.74

719.2

26

25.21

874

25

23.76

1028.8

24

22.38

1183.6

23

21.07

1338.4

22

19.83

1493.2

21

18.65

1648

20

17.54

1802.8

19

16.48

1957.6

18

15.48

2112.4

17

14.53

2267.2

16

13.63

2422

15

12.79

2576.8

14

11.99

2731.6

13

11.23

2886.4

12

10.52

3041.2

11

9.84

3196

10

9.21

3350.8

9

8.61

3505.6

8

8.06

3660.4

7

7.51

3815.2

6

7.01

3970

5

6.54

4124.8

4

6.1

4279.6

3

5.69

4434.4

2

5.29

4589.2

1

4.93

4744

0

4.58

那么根据海拔和水汽压的值做一个图表如下:



我们假定海拔在100米的时候水汽含量是百分百,那么随着海拔升高的水汽含量为:



就是说按照这个假设,到了海拔五千米的高度,水汽含量只有地面的14%。由于水分在大气中的变化很复杂,至今没有一个绝对准确的公式能够计算出不同高度不同地区的大气水汽含量,包括马格奴斯公式,Goff-Gratch公式,Muglus公式,Wexler公式等都不能全方位准确计算。因此大多数计算都是近似的。包括这里的计算。因为大气压随着海拔的升高而降低,相应的水汽压也会降低更快,所以本次计算是近似的。但是基本能够说明问题。图表显示在海拔2000米的时候水汽含量已经不到地面的一半,形成降雨云的可能性已经很小。如果根据此图表做出一个水分累积含量图表表明某海拔以下的全部水汽含量,以5000米以下的全部水汽含量为标准1,则不同海拔以下的水汽含量如下:

海拔

相对含量

100

0.07

254.8

0.14

409.6

0.20

564.4

0.26

719.2

0.31

874

0.36

1028.8

0.41

1183.6

0.46

1338.4

0.50

1493.2

0.54

1648

0.58

1802.8

0.62

1957.6

0.65

2112.4

0.68

2267.2

0.71

2422

0.74

2576.8

0.77

2731.6

0.79

2886.4

0.82

3041.2

0.84

3196

0.86

3350.8

0.88

3505.6

0.90

3660.4

0.91

3815.2

0.93

3970

0.94

4124.8

0.96

4279.6

0.97

4434.4

0.98

4589.2

0.99

4744

1.00

从表上可以看出,20000米以下的天空的水汽含量占去了全部水汽的65%3000米以下的天空的水汽含量占去了全部水汽的85%。三千米以上的空间水汽含量不足总量的15%。所以可以得出结论,影响降雨的主要空间在海拔三千米以下。这个空间正好是高山大川高原和近地层气流活动区域。因此可以肯定近地层和下垫面的冷热变化、光辐射、热辐射、尘埃、温室气体等变化对于降雨有决定性影响。同样能够证明,在一个类似于柴达木盆地或者四川盆地那样的地形,大约有70%的水汽不会蒸散到高空,可以形成反复的降雨,而反复的次数不会超过四次。还有一个推论:既然3000米以上的高空中水分含量不足总量的15%,那么3000米以上的地区的降雨量是不是低海拔地区尤其是中原地区的15%呢?

以上的结论都是基于一定的理论演算的结果。实际情况是不是这样呢?我们搜索出了青藏高原的降雨数据。

拉萨年降水量500毫米左右,阿里地区的普兰县年降水量172.8毫米,改则县年均降水量189.60毫米,改则县年极端降水量最大295.8毫米(1977年),年极端降水量最小84.5毫米(1982年)。聂荣县平均海拔在4700米,冬长无夏,全年雨雪天100天左右,年降水量为400毫米。据统计,青藏高原5月至9月的累计降水量占全年降水量80%以上,从10月到次年4月则很少有降水,一年中干、湿季节交替特别明显。青藏高原降水的一个显著特点就是多夜雨。在雨季里,每到傍晚人们常可看到天空云量渐渐多起来,云层变厚,接着乌云密布,电闪雷鸣,大雨随至,特别是黎明时刻,雨声淅沥,逐渐停止,不久云消日出,中午前后,晴空万里,骄阳似火。再到傍晚,上述降水过程又照样重演。(《19672008年青藏高原汛期不同强度降水日数变化》王传辉,周顺武,时刚)。 19672008年青藏高原汛期总降水日数及各强度降水日数均呈现出由东南向西北递减的空间分布特征,(《西藏高原降水变化趋势的气候分析》杜军,马玉才),西藏大部分地区年降水量变化为正趋势,降水倾向率为1.4~66.6 mm/10a,近30年来西藏高原平均年、四季降水量均呈增加趋势,年降水量以19.9 mm/10a的速率增加,尤其是20世纪90年代增幅较大,1992年以来春、夏季降水明显增加。西藏的降雨在增加,而青海的降雨在减少:青海省气候资料中心副主任李林说,他们对近40年来青藏高原的气候变化进行了研究,发现青藏高原年平均气温呈现出明显的上升趋势,年平均气温每10年上升0.336摄氏度,增幅高于全国的5-10倍。40多年来,青藏高原年降水量总体变化上有所减少。总体来说从东南向西北降雨量在减少,一年主要降水在4-9月,夜雨多。

由以上数据可以说明,西藏大多数地区的降雨量在100200毫米之间,和中原地区800毫米相比较,介于1225%之间,包括了15%的范围,多数地区大于15%,而在4500米以上地区降雨量反而增加。说明什么问题呢?说明在高寒地区,尽管水汽含量较少,但是形成降雨的温度条件和辐射条件在很多时候都能满足,而且蒸发量很小,往往形成湿润气候条件。所以阿里地区和聂荣县等西藏内陆存在大量的内陆湖泊。事实证明,既然西北东部地区的降雨量减少了,而全球范围的蒸发量是一定的,那么多余的水汽降落到了哪里呢?事实证明,青藏高原的降雨量增加了,江南地区的降雨量增加了。所以全球变暖对于降雨量的分布产生了深刻影响。(《近48年青藏高原强降水量的时空分布特征》王传辉,周顺武,唐晓萍,吴萍)(《近百年中国东部夏季降水的时空变率(英文)》李晓东,朱亚芬,钱维宏)。  

现在再次回到我们的基本问题:西部低洼地区如果存在大量湖泊,那么能不能对当地周围的气候产生决定性影响。很显然,依据我们的初步研究,在干旱的情况下一次蒸发的水分有85%可能会在3000以内的空间存在,当遇见坡地的时候会形成地形雨;但是依然会有15%以上的水分逃逸到高空不再返回盆地内部。所以即使存在一个大的湖泊,那么也应该有不断的外界水源补充。当然象盆地地形补充的水量并不大。所以从理论上讲,无论是从雅鲁藏布江调水,还是从渤海调水都是比较可行的。对当地的中尺度气候影响应该较大。

 




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