影响降雨的重要因子

在分析影响降雨的重要因子之前，我想回忆一下我这半辈子所经历的几次非常重要的降雨事件。1976年夏季唐山地震，从那以后连阴雨一直下了一个多月，我的家人一直住在麦草搭建的草棚里面；2001年六月8日我到秦岭上去，晴空艳阳刹那间从秦岭山区南方向北方飘来云团，下起了瓢泼大雨电闪雷鸣，从此我知道了其实雷阵雨不仅仅从北山而来，还会从南山过来。2007年四月初某一天我在榆林帮别人在地里面种玉米，突然从西北方飘过来一朵云，按照以往的经验我认为这不会产生降雨，但是这时候不仅下起了雨，而且雨很大，雨水很冷，从此后我改变了一朵云不会成雨的观念。2007年七月底在杨凌林学院的实验楼上，下午三点多突然电闪雷鸣，吓坏了我的小孩，也吓坏了我，闪电不间断，而且从实验楼到行政楼到宿舍楼等几个楼之间不断转换放电，巨大的闪电就在我的头顶，时间长达半个多小时，从此我改变了雷阵雨的雷电能量一般，不足畏惧的观念。2013年8月4日在榆林下午六点以前还是风和日丽，我们一伙人还去了红石峡游玩，但是六点一过从北方过来的云团漆黑一团，一会儿就电闪雷鸣，大于瓢泼，街道上核桃大的冷子冰雹铺天盖地而来，街道水深超过脚踝，雨水冰冷异常，当天降雨67毫米，无数汽车遭到了剥漆之厄。我还经历过多次雷阵雨连续下三天的事情，包括去年8月4日雷阵雨前后。2010 年 4 月 12 日突然大雪，持续低温一周左右，冻害严重； 2013 年 4 月 6 日的小雪加冻害，还有2002年4月10日也是突然天降凌霜雪，气温很低，这几次低温事件使我认识到春季气温上升太快绝对不是好事情，预示着霜冻的来临。还有2007年初冬我在杨凌，那一年每天晚上整个杨凌镇大雾弥漫，小雨蒙蒙，这种情况持续了十几天时间。2007年的天气绝对是历史上绝无仅有的，那一年冬季2008年开始的春节期间中国南方地区突然大面积降了冰凌雪，导致大面积交通瘫痪。当然，我没有经历过巴山夜雨和西藏夜雨。这一切经理使得我对降雨形成的原因有了更深的体验，我不得不对降雨的影响因子进行分析。

一般来说，根据降雨的形成原因可以把降雨分为四类：对流雨、地形雨、锋面（气旋）雨、台风雨。基本上把影响降雨的因子可以归结为：地形、气团、热交换和下垫面性质。

首先从气团说起。什么是气团？气团就是在大尺度范围内（至少一千公里吧），在均质的下垫面上形成的，具有基本相同的温度、湿度、厚度和气体元素结构的空气团。只有在下垫面的情形比较一致的时候才会形成气团，也就是说气团的特点也具有均质性。例如冬季在西伯利亚上空形成的冷气团，夏季在太平洋上形成的湿热气团。当气团在外部环境，尤其是不同气团之间具有压力梯度的时候开始相向运动，其接触面形成“锋面”。锋面是冷热气体、干湿气体交换区域，因此也是乱流盛行区域，所以也是形成降雨的区域。但是由于气团的性质不同，两个气团相遇不一定产生降雨，这主要决定于气团内水汽的多少。两个气团相遇一般有以下几种情形：

当一个干热气团和另一个干热气团相遇的时候不产生降雨，而是产生大风。例如每年春季西北地区的沙尘暴。

当一个干冷气团和另一个干冷气团相遇的时候不产生降雨，而是产生大风。例如冬季有时候产生的大风。

当一个干热气团和另一个干冷气团相遇的时候有可能产生很小的降雪或者不产生降雨，但是必然产生大风，这种情况下气团之间的压力梯度力很大，往往造成霜冻灾害。

当一个干热气团和另一个湿热气团相遇的时候可能不产生降雨也可能产生降雨。当干热气团的温度远远高于湿热气团的时候往往产生极大的乱流，有利于形成雷阵雨；但是由于干热气团对湿热气团有加热作用，使得湿热气团不能达到饱和或者超饱和状态，无法形成降雨条件，这时候就不降雨。

当一个湿热气团和另一个湿热气团相遇的时候会产生强降雨，这时候由于两个气团的温度差，温度低的气团向高温气团的底部伸进，从而抬高另外一个气团使得抬升气团很快形成饱和水汽压，云滴凝结增长，冰晶效应产生，形成降雨。

当一个湿热气团和另一个湿冷气团相遇的时候会产生持续的连阴雨。这种情况下气团往往在锋面形成对峙，气团停留时间长，锋面持久。这种情况往往出现在秋季。

当一个湿冷气团和另一个湿冷气团相遇的时候会产生持续的连阴雨或者雾霾天气。中国近几年的雾霾天气实际上就是这种情况。

另外，当单一的气团统治某个地区的时候往往形成干旱天气，尤其是没有水分的气团（来自大陆的气团）。而来自海洋的单一气团往往形成地形雨和雷阵雨。例如非洲西海岸和南美洲西海岸，这两个地区距离海洋很近，但是长期受到单一起团控制，很少形成降雨，在非洲西海岸和南美洲西海岸形成大面积的沙漠。

在我国的三北地区是西风带的沉降区，西风带带来的风中所含的水汽很少，加上西风带的沉降风把势能转化为了空气分子的动能，即转化为了温度，所以使得地面更加干燥，而西风带沉降的地区形成单一的干燥高温期团。这就是为什么每年夏季新疆蒙古地区的温度反而比许多低纬度地区高的一个重要原因。在西风带地区形成的气团是干热气团，受这个气团控制的地区形成副热带高压带外界气团很难侵入，长期干旱。所以，新疆甘肃陕北内蒙和辽河平原地区夏季往往出现旱情。

形成降雨或者不降雨的因素还包括“行星风系”和“大气环流”。所谓的行星风系，指不考虑海陆和地形的影响，地面盛行的风的全球性模式。尽管行星风系讲的是地面风。但是地面风是由大气环流组成的，所以“行星风系”和“大气环流”都会对降雨产生影响。影响我国的大气环流主要是Hadley环流（信风环流）和Ferrel环流（中纬度环流）。在赤道地区，由于太阳辐射热很强大，也由于赤道的自转线速度很大，达到了400米每秒。所以赤道地区的对流层很高，最高达到16公里，但是水汽的最高上升高度一般不会超过8000米。当由于热膨胀而获得的升力把空气和水汽提升到对流层顶端的时候，形成高压，相对于高纬度地区的相同高度形成水平压力梯度力，方向向南或者向北。这时候赤道上空的空气向高纬度流动，由于高纬度地区的地球自转线速度比赤道上空小，所以相对于原位置，空气向西北偏斜，受到地球自转偏向力的作用，最终这种风在南北纬度25~55之间形成西风，这种西风常年都有，一般高度在4000米上下。这个西风带对我国的气候和降雨有非常重要的影响。西风带从西向东运动的时候受到了西藏高原的强烈影响，向北产生了北支流，向南产生南支流。夏季西风带向北移动到达新疆蒙古地区，北支流强劲，气流下沉产生反气旋（中间气压大周围气压小），下沉气流向北影响了外蒙和西伯利亚，向南使得陕西和甘肃出现干旱，从而在我国西北地区形成稳定的干热气团，非常稳定。这个气团由于是反气旋，所以形成一个地面高压区，称之为副热带高压区，这个高压区阻止从沿海吹来的东南风的进入。使得东南太平洋近地层形成的高压和该高压相互平衡，其压力在997百帕到990帕之间，压力梯度很小，水汽不能到达西北。所以西风带对我国三倍地区的气候和降雨有决定性影响。

但是西风带本身又会受到太阳辐射，季节和其它环流的严重影响，所以全球的大气环流变化对我国也有很大影响。例如，西风带的风不仅是线性流动的，而且是具有波动性的，西风带的波动分为长波和短波，短波的一个波长一般在一千公里，长波的波长可以达到5000公里。而波长和波幅受到Hadley环流（信风环流）和Ferrel环流（中纬度环流）的影响。例如厄尔尼诺现象，太平洋的海水有一个热力环流叫沃克环流，在秘鲁厄瓜多尔海岸是冷水上翻区，每年的11月至次年的3月向东流动的赤道暖流得到加强。恰逢此时，全球的气压带和风带向南移动，东北信风越过赤道受到南半球自偏向力的作用，向左偏转成西北季风。西北季风不但消弱了秘鲁西海岸的离岸风——东南信风，使秘鲁寒流冷水上泛减弱甚至消失，而且吹拂着水温较高的赤道暖流南下，使秘鲁寒流的水温反常升高。这股悄然而至、不固定的洋流被称为“厄尔尼诺暖流”。厄尔尼诺现象是发生在热带太平洋海温异常增暖的一种气候现象。大范围热带太平洋增暖会导致热带上升气流的量、温度、强度、波幅和波长都发生变化，因此向北纬副热带沉降的气流的大小、范围、强弱等要素也发生变化，从而影响我国气候和降雨。今年是厄尔尼诺现象爆发年，我国北方夏季持续高温干旱。由于西风带范围很大而且有很强的波动性，所以其它高空风带的波动，对于西风带也有很强的影响。拉尼娜现象就是赤道太平洋东部、印度洋海面温度持续异常偏冷，导致高空气流波动，进而引起西风带波动对我国气候造成影响。

在西风带沉降区产生的高压在地面形成信风，向东南流向赤道。但是由于中国地形非常复杂，这种信风的风向、风力都发生很多变化，形成很多小气旋。这些气旋时而阻止，时而顺和了东南水汽正常进入中国内陆，造成中国内陆地区的降雨变率非常大。

我国西北内陆地区要彻底消除干旱的威胁，增加降雨最主要的一条就第一是如何减弱西风下沉带的空气温度，增加该地的空气湿度；第二是如何把反气旋的气压降下来，使得海洋上和内陆之间的水平压力梯度力增大。我们假定在这个带上有一个大的湖泊，当西风带下沉空气到了湖泊面上时，由于湖泊水分蒸发带走潜热，空气温度下降，同时下垫面的温度也下降。而蒸发的大量水分由于受到西风带下沉气体的气压影响，不会向太高的地区蒸散，而是随着近地层风吹动。当水汽集聚到一定程度的时候会形成降雨云层，从而影响当地气候。所以只要有湖泊，一方面水的蒸发会消耗潜热使得空气温度降低，增加水汽饱和概率，另一方面水汽没有大尺度耗散的机会，从而增加形成饱和云的可能性，形成降雨。所以很显然，在西风带下沉区人造一个或者几个大的湖泊对于改变西风带的气候和降雨有很大影响。由于西风带的风既持久，又强劲，范围广，所以小的湖泊所蒸发的水分只能用于耗散和飘逸，不会对气压造成影响，但是如果湖泊足够大，数量足够多，那么带走的潜热会较大，气温就会稳定在较小数值，其压力也会减小，相对于海洋而言压力梯度力会增加，从海洋输送来的水汽就能够向内陆移动。

地形对降雨的影响。对于云团来说，面对山地也存在一个上坡和下坡问题。上坡的时候动能减少，温度降低，势能增加，水汽的密度增加，因此水汽很快达到饱和和过饱和容易形成降雨。这种雨叫地形雨。地形雨也有产生的其它条件，这个条件就是有上坡的压力梯度。地形雨到底有多厉害？印度的乞拉朋奇，年平均降雨量达12700毫米，台湾东北部的火烧寥，著名的世界雨极，年降雨量达到8408毫米。

地形雨不是雷阵雨。我们来分析山区，山区是雷阵雨即“对流雨”容易产生的地方。在热的三种传播形式中，辐射的速度最慢，对流的速度最快是辐射传播的十多倍，而传导的方式仅仅比辐射快一些。在空气中，由于空气是热的不良导体，所以传导在空气中的作用微乎其微。而辐射的作用不可小觑，但是对流最直接猛烈高效。而对流对温度差的要求很高。要对流必须在不同方向上有温度差，特别是垂直方向。而在山区由于各个山头山坡山谷的坡向不同，山头的高低不同，面向太阳的方向多种多样，因此山体中温度的分布很不均匀，各个山体反射太阳辐射的方向各不相同，阳光转化为热辐射以后的散射方向也不相同，所以很容易形成对流。垂直方向的对流伴随着势能和分子动能（温度）的急剧变化，当温度达到饱和水汽压甚至成为过饱和状态的时候就很容易形成雷阵雨。对于山区和森林地区我们可以视之为一个黑体，可以认为它们符合基尔霍夫热辐射定律、普朗克黑体辐射定律、斯忒藩－波耳兹曼定律。实际上在现实中不存在百分之百的反射体，即绝对白体，也不存在百分之百吸收辐射而不释放的吸收体，即绝对黑体，总是介于两者之间。即吸收率、反射率和穿透率之和是总辐射能量。对于山体和森林来说，穿透率可以视为零。斯忒藩－波耳兹曼定律的定义为：黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比，系数称为称斯忒藩-波耳兹曼常数，其值为5.669×10-8 W/(m2·K4)。从普朗克黑体辐射定律可以得出结论，森林和山体土壤以可见光的形式吸收的热量会以长波辐射的形式释放出去，即以红外辐射释放。其夏季不同景观辐射的能力计算如下：

森林地区，昼夜温差达到十多摄氏度，晚上为20度，即293.15k，白天温度为35摄氏度，即308.15k。所以通过辐射把白天获得的辐射能的散失掉92.5W。

新疆沙漠地区日温差高达60摄氏度，白天温度可以达到50摄氏度（323K），晚上温度下降到零下十摄氏度(263K)。以此计算通过辐射把白天获得的辐射能的散失掉337.3W。

假定白天森林和沙漠获得的能量是一样的，但是晚上散失的能量却相差很大？那么我们要问？森林获得的多余能量哪里去了？一方面森林把一部分能量通过光合作用转化为了生物能，另一方面森林把一部分能量通过水分蒸发转化为了潜热能，还有森林把一部分能量通过土壤和树木传导给了地下。这样就能够说明实际上森林是一个高能量体，它能够起到平衡温度，减小温度日较差的作用，因此它是一个稳定体。森林不仅能够平抑日较差，还能够平抑温度的年较差，使得冬天森林内没有外界冷。但是沙漠几乎把白天吸收的能量在夜间全部丧失殆尽。那么我们要问，既然沙漠把白天吸收的热量散失尽了，那么它的近地层水汽浓度如何，地下温度又如何？很显然如果沙漠上空含有水汽，那么在夜间很可能变成露水，它很容易就能够达到露点，所以沙漠上空总是干燥的。沙漠的地下温度应该比同类地区的土壤温度低，原因就是辐射热散失了大部分白天吸收的热量，地下温度低还意味着地下水的温度很低，这一点我已经在毛乌素沙地里深刻地体验过，毛乌素沙地的地下水在盛夏时节也是冰冷的。由于地下温度低基本不蒸散，晚上又容易结露水，所以沙漠的地下水应该较丰富。沙漠中的能量从来就不储存，白天吸收，晚上辐射。而它的潜热能量很少，几乎没有转化为生物能，也没有在地层下面储存，沙漠上空的对流也没有山区和森林强大丰富，所以沙漠上空很不容易形成对流雨条件。而森林地区吸收的能量只有很少一部分转化为了辐射能散射，一部分转化为潜热存在于森林上下内外；另一部分能量转化为对流时候的机械能，形成风或者雨，还有一部分则储存在树干和土壤中。所以森林是一个温度稳定体，是一个能量储存体，当气团经过森林的时候不会损失能源和水汽；含有水汽的气团在经过森林的地区的时候它的性质不会有多大变化，因此在有森林的下垫面上该种气团可以移动很远，例如从浙江沿海移动到陕西，它依然可能是水汽丰富的高温高湿气团，在陕西留下丰富的降雨。但是如果暖湿气团经过类似于沙漠的地带，该气团的性质很快就会改变，水汽会因为极大的温差而变为暴雨降落；气温会因为高温差而增高，最后气团变性。当该气团从浙江经过沙漠地区的河南到陕西的时候，由于气团变性不会给陕西带来降雨。由于森林是一个能量储存体，那么意味着当盛夏过去，秋冬来临的时候，森林同比与裸地和农田，其内部温度的下降缓慢，在有大片森林的地区很可能形成一个中尺度的暖湿气团，给森林周围送去降雨。也意味着森林地区的温度年较差同比农地和裸地小，因此类似霜冻、暴雪等自然灾害少一些，其水分利用效率远远高于其它地类。

所以说下垫面的热力学性质也会影响降雨的发生。

另外我们认为地震波以及类似的强波也会影响降雨的发生。地震波有纵波、横波和面波之分，也就是说各个方向上都会有强烈的波幅震荡。所以当地震波冲击大气的时候可能会导致大气瞬间强烈压缩，从而使得水汽过饱和形成降雨。当然也可能会因为地震波影响整个天气系统的波动，从而影响大气环流和行星风系，导致滞后于地震的强降雨。例如1976年，2008年五月十二日地震，当年秋季该地发生了历史罕见的强降雨和泥石流，地震和秋季强降雨似乎有某种联系。

台风雨是怎样形成的？台风雨是在赤道地区的海洋上形成的，由于太阳辐射太强，导致大量的水分蒸发到了空气中，但是由于空间相对狭小，结果形成过饱和水汽团，这个气团原本要形成降雨，但是由于洋面上都是高温，缺乏凝结核等要素，所以洋面上空水汽持续集聚，导致的结果是在洋面上空某个地方集聚的水汽浓度太大，而围绕这个中心的空气水汽相对少一些，于是形成一个由水汽压主导的压力梯度，这个压力梯度使得空气团中心升力强大中心位置空气上升很快，形成相对低压区，周围其它形成高压，所以形成一个从周围向中心流动的气流，气流受到地球自转偏向力的影响，形成气旋，气旋一旦开始旋转就能够带动它的周围的湿热空气一起旋转，从而形成热带风暴。热带风暴的气旋中心的空气以极高的速度上升，带动周围空气高速旋转，中心位置的速度越是强大带动的周围的空气越多，形成的气旋越大。气旋不仅自身旋转，而且在外界四周空气压不平衡的情况下径向移动。外界四周空气压不平衡的原因往往是高纬度地区和大陆地区，因为相对于台风高压大陆空气压是很小的，高纬度由于受到的太阳辐射少，能量不足自然也是低压区。所以一般来说热带风暴总是向大陆和高纬度地区移动，给沿线大陆带来强大的雨量。据记载在24小时内，印度洋的留尼汪岛的塞劳司1952年3月15－16日雨量达1870毫米。1996年7月31日，受9608号台风影响，台湾嘉义县阿里山24小时降雨量1748.5毫米。1975年8月7日,受7503号台风影响,河南中南部出现特大暴雨,驻马店地区泌阳县林庄24小时降雨量达1060.3毫米,南阳地区方城县郭林24小时降雨量达1054.7毫米。1996年7月31日，受9608号台风影响，台湾嘉义县阿里山24小时降雨量1748.5毫米。1967年10月17日，受6721号台风影响，台湾宜兰县新寮24小时降雨量达1672.6毫米。

洋流对于降雨也有很大的影响。不用问，地球上赤道周围的洋流肯定是追着太阳和月亮跑的，所以洋流的流向肯定是从东向西流动的，但是还有一个原因就是赤道上升起的气体在高纬度地区形成西风带以后还想成了一个地面信风带，而海洋上的信风带一般都是从东向西流动的。这虽然是两个原因，但是两个原因之间有某种渊源——地球自转本身可能就是太阳引力引起的海潮引起的。以赤道洋流为轴心，形成了各个大洋的洋流系统。可以肯定的是洋流不仅给大洋东海岸的人民带来温暖的水流和海洋生物，而且给东海岸带来丰富的水汽和降雨。亚洲、非洲和南北美洲的东海岸都是降雨丰富区，发达的农业区。大西洋赤道洋流的一个分支湾流和北大西洋洋流给处在高纬度的欧洲带来湿润温暖的气候。

综上所述，我们详细地研究了形成降雨的各种重要因子，包括地形、地面辐射、近地层气团、大气环流、气旋、西风带、地震波、洋流等。目的是为我国渤海水向西调运提供理论依据。我们最终找到了。就是三北地区是西风带下沉区，水汽缺乏向上逃逸的动力；干旱地区太干燥的空气团缺乏垂直对流的动力，其辐射散热能力很强，但是储存能量的能力不足，只有开辟湖泊增加当地能量储存能力，增加潜热交换才能够增加降雨，降低温度日较差和年较差，从而在夏季增加海洋和内陆之间的水平压力梯度力，有望使远洋上空的湿空气吹佛到西北带来水汽和降雨。