檀成龙的个人博客分享 http://blog.sciencenet.cn/u/zhgatcl 博客主题:超深盆地调水增雨,改变气候改善生态,造福中华造福全人类。

博文

准噶尔盆地冬季的相对湿度、绝对湿度和湿盆地的延续

已有 513 次阅读 2020-6-16 11:09 |个人分类:反驳质疑|系统分类:科研笔记| 准噶尔盆地, 相对湿度, 绝对湿度, 湿盆地

准噶尔盆地冬季的相对湿度、绝对湿度和湿盆地的延续

——我国北方6个二级区域气候参数的差异和成因分析

 

地球气候分为热带气候、温带气候和寒带气候,地球上还有信风带和西风带,这些都与纬度有关,这说明各地气候与所处纬度的关系非常密切,例如,各地的多年平均气温与纬度的关系非常密切,各地的多年平均降水量与纬度的关系也比较密切,各地的地面水汽压和绝对湿度等水汽量化参数可能也与纬度有关,只是相关的密切程度可能不同。

由《能仅仅根据低层大气的相对湿度来划分干湿盆地吗》可知,准噶尔盆地冬季有大范围积雪,积雪的水分蒸发加上逆温层阻挡水汽向上传输,再加上纬度较高冬季气温很低,对应的饱和水汽压很小,导致冬季低层大气潮湿,相对湿度很大。准噶尔盆地冬季相对湿度很大,是不是意味着绝对湿度也很大呢?与纬度相当和纬度差别不是很大的其它地区相比,准噶尔盆地冬季的气温、降水量和水汽量化参数等有没有明显的差别呢?如果有明显差别的话,那成因是什么?

“准噶尔盆地冬季积雪面积很多,乌鲁木齐也是经常飘雪花。这里大气的底层是比华北要更潮湿的地方。我们可以说冬季的准噶尔盆地就是湿盆地。但是随着春季的融雪和丰富日光,到了暖季准噶尔盆地依然变成为一个干盆地(空气的相对湿度比冬季小)。而冬季低层的潮湿空气不知去向。基于这个气候过程每年都出现。我估量引水入新疆引起的效果难以跨过当年。”以上专家认识可以商榷吗?把冬季准噶尔盆地定义为湿盆地,那湿盆地为什么没有延续下去?让湿盆地延续下去需要什么样的条件?本文对以上问题进行一些讨论分析。

 

1站点的筛选、资料的来源和年限、绝对湿度的计算方法

中国有194个国际交换站,其中位于天山以北的共8个,这8个站的具体站名详见表1。8个站中,1个不在准噶尔盆地,它就是伊宁,纬度为43°57′N其余7个都位于准噶尔盆地,纬度介于43°47′N~47°44′N。

在中国194个国际交换站中,位于天山以南的共9个,纬度介于37°08′N~42°56′N,这9个站的具体站名详见表2。

东北三省位于东北平原,部分站的纬度大于准噶尔盆地的纬度,部分站的纬度与准噶尔盆地的纬度相当,还有部分站的纬度小于准噶尔盆地的纬度。按照纬度把东北地区划分为东北高纬区(共7个站,其中3个位于内蒙古北部,详见表3)、东北中纬区(共12个站,详见表4)和东北低纬区(共11个站,详见表5)。以上三个二级区域共有30个站。

京津冀地区位于华北平原,纬度与天山以南地区相当,共有7个站,详见表6。对以上54个站的气候参数进行对比研究或许能发现一些规律性的东西。

以上54个国际交换站的气候资料来源于中国气象数据网,资料的统计年限为1971~2000年。

绝对湿度a的计算公式为a=217e/T, a的单位为g/m^3,地面水汽压e的单位为hPa,绝对温度T=t+273.15,式中t为摄氏温度。每个月的绝对湿度根据月平均地面水汽压e和平均绝对温标T按以上公式计算得出。

 

2 北方六个二级区域气候参数的差异与成因分析

2.1地面气温T的差异与成因分析

根据各地气温可做出相关表格,详见配套的Excel,进一步可做出图1~3。

由图1可知,所有月份都是T京津冀T东北低纬T东北中纬T东北高纬,即各地的月平均气温与纬度负相关。这是因为纬度越低,得到的太阳能越多,致使地面气温越高;反之,纬度越高,得到的太阳能越少,致使地面气温越低。

⑵由图1可知,所有月份都是T准噶尔T东北中纬准噶尔盆地纬度与东北中纬地区纬度差不多,气温为什么这样呢?这是因为夏季(夏半年)东北中纬地区下垫面水分的实际蒸发量远远大于准噶尔盆地下垫面水分的实际蒸发量,因为水分蒸发的原因东北中纬地区从环境中吸收的热量比准噶尔盆地从环境中吸收的热量大得多;还有准噶尔盆地包含大量沙漠、土壤含水很少,表层土壤的热容量很小,致使沙漠地区气温的年较差比较大,所以,夏季T准噶尔T东北中纬冬季东北是西伯利亚冷空气从北方南下的通道,冬季从北方南下的冷空气在新疆受到了阿尔泰山的阻挡,冷空气南下的力量减弱,致使冬季东北的气温低于新疆的气温,所以,冬季也有T准噶尔T东北中纬

⑶由图1可知,夏季T天山以南T京津冀,而冬季T天山以南T京津冀天山以南的纬度与京津冀的纬度差不多,气温为什么这样呢?夏季京津冀地区下垫面水分的实际蒸发量远大于天山以南地区下垫面水分的实际蒸发量,水分蒸发从京津冀地区环境中吸收的热量比从天山以南环境中吸收的热量大得多;另外,天山以南地区包含大量沙漠、土壤含水很少,表层土壤的热容量很小,沙漠地区气温的年较差比较大,所以,夏季T天山以南T京津冀,而冬季T天山以南T京津冀

⑷由图2和相关的表格可知,所有月份都是T天山以南T准噶尔,其中冬季相差约8.7,夏季相差约3.5主要原因同⑴,冬季温差比较大的原因还有大范围积雪反射太阳光和逆温层下面的低层云雾遮挡太阳光等导致准噶尔盆地冬季的气温很低,致使冬季天山南北气温的差值大于夏季气温的差值。

⑸由图2和相关的表格可知,伊宁夏季气温与准噶尔盆地的平均值差不多,即夏季T伊宁T准噶尔冬季气温是伊宁比准噶尔盆地的平均值明显大一些,即冬季T伊宁T准噶尔两者之差高达6.8℃左右。一方面是伊宁偏南,接受的太阳辐射比较多;另一方面是伊宁为瀚海湿岛、塞外江南,夏季下垫面水分的实际蒸发量大一些,水分蒸发从环境吸收的热量多一些,以上两个方面的作用方向相反,有一定的抵消作用,致使夏季气温伊宁与准噶尔盆地的平均值差不多。据《能仅仅根据低层大气的相对湿度来划分干湿盆地吗》第3节的研究,准噶尔盆地冬季大范围积雪反射太阳光和逆温层下面的低层云雾遮挡太阳光,致使准噶尔盆地冬季气温很低,再加上伊宁偏南,接受的太阳辐射比较多,以上两个方面的原因致使伊宁冬季气温比准噶尔盆地冬季气温明显大一些,两地气温之差高达6.8℃左右。

1.png

 

2.png

⑹由以上分析和图3可知,十二月至来年二月冬季的月平均气温是T京津冀T天山以南T东北低纬T准噶尔T东北中纬T东北高纬。主要原因一是纬度不同致使接收的太阳能不同,二是下垫面土壤含水量的差别致使气温的年较差不同,三是西北利亚冬季的冷空气在南下过程中受到了阿尔泰山的阻挡。

 

3.png


2.2 地面水汽压e的差异与成因分析

图4中,所有月份都是e京津冀e东北低纬e东北中纬e东北高纬,即与气温类似,各地的地面水汽压与纬度也是负相关。这是因为下垫面有水可供蒸发时,纬度越低得到的太阳能越多,下垫面蒸发产生的本地水汽越多;反之,纬度越高得到的太阳能越少,下垫面蒸发产生的本地水汽越少。

⑵东北和华北位于我国东部,天山以南地区和准噶尔盆地位于我国西部。图4中夏季地面水汽压是东部地区明显大于西部地区,即夏季e东部e西部; 冬季地面水汽压是东部地区与西部地区相差不大,即冬季e东部e西部。夏季蒸发能力很强,东部地区下垫面有水可供蒸发,而西部地区下垫面没有水或者缺少水可供蒸发,这就是东部地区夏季地面水汽压明显大于西部地区地面水汽压的原因。冬季气温低,蒸发能力小,本地蒸发对地面水汽压的影响比较小,所以,冬季东部地区的地面水汽压与西部地区的地面水汽压相差不大。特大规模调水沙漠变绿洲以后,下垫面有水可供蒸发,西部地区夏季的地面水汽压有望大幅增加。

由图4和相关的表格可知,夏半年特别是6~9e东北中纬e准噶尔,而冬季e东北中纬e准噶尔,差值约0.5hPa。准噶尔盆地纬度与东北中纬地区的纬度差不多,地面水汽压为什么这样呢?夏季蒸发能力很强,东北中纬地区下垫面有水可供蒸发,而准噶尔盆地下垫面没有水或者缺少水可供蒸发,所以,夏季e东北中纬e准噶尔。冬季东北中纬地区和准噶尔盆地都有大范围的积雪可供蒸发,因为冬季的气温是T准噶尔T东北中纬,所以,准噶尔盆地的实际蒸发能力大一些;还有准噶尔盆地冬季逆温层的时间比较长,大范围积雪蒸发产生的水汽长时间在逆温层下面停留,以上两个原因致使冬季e东北中纬e准噶尔,差值达到0.5hPa左右

4.png

 

⑷由图5和相关表格可知,e天山以南e准噶尔,其中三月和四月的地面水汽压是e天山以南e准噶尔,其余10个月份都是e天山以南e准噶尔。一般情况都是纬度越大,地面水汽压越低,反之则相反,成因与⑴相同。

⑸由图5和相关表格可知,所有月份都是e伊宁e准噶尔,夏季差值约3.2hPa,冬季差值约1.3hPa,这是为什么?夏季的蒸发能力很强,伊宁是瀚海湿岛、塞外江南,下垫面有水可供蒸发,而准噶尔盆地相对来说没有水可供蒸发,这就是夏季两地地面水汽压的差值比较大的原因。冬季气温是T伊宁T准噶尔两者之差高达6.8℃左右,但与夏季相比,冬季的蒸发能力比较小,所以,冬季两地地面水汽压的差值比夏季两地地面水汽压的差值小一些,只有1.3hPa

⑹由以上分析和图6可知,十二月至来年二月冬季的月平均地面水汽压是e京津冀e天山以南e东北低纬e准噶尔e东北中纬e东北高纬。主要原因有二个,一是下垫面有水可供蒸发时,气温越高蒸发产生的本地水汽越多,致使地面水汽压越大,反之,气温越低蒸发产生的本地水汽越少,致使地面水汽压越小;二是冬季气温低,蒸发能力比较小,本地蒸发对地面水汽压的影响比较小,致使冬季京津冀的地面水汽压与天山以南地区的地面水汽压相差不大(两地的纬度相当)。

5.png

由图6可知,虽然准噶尔盆地冬季的相对湿度很大,地面水汽压大于纬度相当的东北中纬地区的地面水汽压,但地面水汽压依然很低,仍然小于天山以南、东北低纬和京津冀等地区的地面水汽压。原因是冬季的气温很低,下垫面的蒸发能力很小,致使低层大气的含水量很少,地面水汽压很低。

6.png


2.3 绝对湿度a的差异与成因分析

根据平均地面水汽压和气温可计算得出各地的绝对湿度,详见表1~6

天山以北各地的逐月绝对湿度 (g/m^3)

1.png


天山以南地区各地的逐月绝对湿度 (g/m^3)

2.png


东北高纬地区各地的逐月绝对湿度 (g/m^3)

3.png


东北中纬地区各地的逐月绝对湿度 (g/m^3)

4.png


东北低纬地区各地的逐月绝对湿度 (g/m^3)

5.png


京津冀地区各地的逐月绝对湿度 (g/m^3)

6.png


根据表1~6的相关数据,可做出图7~9。

⑴图7中,所有月份都是a京津冀a东北低纬a东北中纬a东北高纬,即与气温和地面水汽压类似,各地的绝对湿度与纬度也是负相关。

7.png

⑵夏季绝对湿度是东部地区明显大于西部地区,即夏季a东部a西部;冬季地面绝对湿度是东部地区与西部地区相差不大,即冬季a东部a西部

⑶由图7和相关表格可知,夏半年特别是6~9a东北中纬a准噶尔,而冬季a东北中纬a准噶尔,差值约0.4 g/m^3

⑷图8中三、四月是a天山以南a准噶尔,其余都是a天山以南a准噶尔

8.png

由图8和有关表格可知,所有月份都是a伊宁a准噶尔,夏季的差值约2.4  g/m^3,冬季的差值约1.0 g/m^3。以上5点的成因与地面水汽压的5点成因完全相同。

⑹由以上分析和图9可知,十二月至来年二月冬季的月平均地面绝对湿度是a京津冀a天山以南a东北低纬a准噶尔a东北中纬a东北高纬。主要原因有二个,一是下垫面有水可供蒸发时,气温越高蒸发产生的本地水汽越多,致使地面绝对湿度越大,反之,气温越低蒸发产生的本地水汽越少,致使地面绝对湿度越小;二是冬季气温低,蒸发能力比较小,本地蒸发对地面绝对湿度的影响较小,致使冬季京津冀地区地面的绝对湿度与天山以南地区地面的绝对湿度相差不大(两地的纬度相当)。

绝对湿度比较直观,应引起广泛重视。由图9和相关的表格可知,冬季的月平均绝对湿度京津冀地区最大,介于1.8~2.3g/m^3,平均2.1 g/m^3;天山以南地区次之,介于1.8~2.2 g/m^3,平均2.0 g/m^3;东北低纬地区位居第三,介于1.4~1.9g/m^3,平均1.7 g/m^3;  准噶尔盆地位居第四,介于1.3~1.8g/m^3,平均为1.6 g/m^3;东北中纬地区位居倒数第二,介于1.0~1.3 g/m^3,平均1.1g/m^3;东北高纬地区居倒数第一,介于0.6~0.9g/m^3,平均0.8g/m^3虽然冬季准噶尔盆地的相对湿度很大,但绝对湿度依然很低,冬季3个月平均的绝对湿度仅1.6 g/m^3(北京全年平均的绝对湿度为7.9 gm^3),仍然小于天山以南、东北低纬和京津冀等地区的绝对湿度。原因是冬季的气温很低,下垫面的蒸发能力很小,致使低层大气的含水量很少,地面的绝对湿度很低。

9.png

 

2.4 相对湿度的差异与成因分析

由图10可见,我国北方东部4个区域(东北高纬区、东北中纬区、东北低纬区、京津冀地区)的相对湿度基本上都大于50%(京津冀二至四月的相对湿度稍稍小于50%);准噶尔盆地冷季十月至来年三月的相对湿度大于50%,暖季四至九月的相对湿度小于50%;天山以南除11月、12月和1月以外,其余9个月的相对湿度都小于50%

一方面,水分蒸发能增加地面水汽压e,另一方面,水的比热容很大,水分蒸发从周围环境中吸收大量热量,致使气温下降,饱和水汽压E下降,所以,在相对湿度的计算公式U=e/E中,因下垫面的水分蒸发致使分子的地面水汽压e增加,致使分母的饱和水汽压E下降,所以,下垫面的水分蒸发致使相对湿度U显著增加。我国北方东部4个区域下垫面有水可供蒸发,准噶尔盆地冬季有大范围的积雪可供蒸发,所以,我国北方东部4个区域和准噶尔盆地冬季相对湿度大于50%;准噶尔盆地夏季没有水可供蒸发,天山以南的下垫面基本上都没有水可供蒸发,所以,准噶尔盆地夏季和天山以南大多数月份的相对湿度都小于50%

由图10可知,东北高纬地区的相对湿度呈W分布,全年有两个高点和两个低点(低点分别是五月和十月);我国北方东部4个二级区域暖季五至十月的相对湿度同步变化(增加或减少),而准噶尔盆地在此期间相对湿度比较小。

由《本地蒸发对南疆东疆相对湿度贡献的估算和推论,二论……》可知,水分蒸发能明显增加本地的相对湿度,准噶尔盆地五至十月的相对湿度比较小的原因是下垫面没有水或者缺少水可供蒸发,致使在此期间相对湿度比较小。特大规模调水沙漠变绿洲以后,准噶尔盆地五至十月的相对湿度有望向东部4个二级区域的相对湿度看齐,天山以南的相对湿度也有望向纬度相当的京津冀地区的相对湿度看齐。

 

10.png

 

由图11和相关表格可知,伊宁所有月份的相对湿度都大于准噶尔盆地的相对湿度;而准噶尔盆地几乎所有月份的相对湿度都大于天山以南的平均相对湿度,其中十一月至来年四月天山南北相对湿度的差值比较大(分别为15.8%13.9%15.6%25.6%30.1%15.6%)。

伊宁是瀚海湿岛、塞外江南,下垫面有水可供蒸发,所以,伊宁的相对湿度大于准噶尔盆地的相对湿度;准噶尔盆地的年降水量比天山以南的年降水量大一些,相对来说,下垫面有水可供蒸发,还有准噶尔盆地的气温低一些,对应的饱和水汽压小一些,所以,准噶尔盆地的相对湿度大于天山以南的相对湿度。

由第2节《地面气温T的差异与成因分析》可知,逐月气温都是T天山以南T准噶尔,其中冬季相差约8.7,夏季相差约3.5天山南北冬季的气温相差很大,也就是说,准噶尔盆地冬季的气温比天山以南的气温低得多,准噶尔盆地冬季的饱和水汽压比天山以南地区的饱和水汽压小得多,从而导致冬季(或者说冬半年十一月至来年四月)准噶尔盆地的相对湿度比天山以南地区的相对湿度大得多,所以,冬半年十一月至来年四月天山南北的相对湿度的差值很大。

11.png

⑷由图12可知,十一月至来年三月,我国北方东部4个二级区域的相对湿度与纬度正相关,纬度越大相对湿度越大,纬度越小相对湿度越小。用不等式表述就是:十一月至来年三月U东北高纬>U东北中纬>U东北低纬>U京津冀

在图3、图6和图9中,我国北方东部4个二级区域冬季十二月至来年二月的逐月平均气温、逐月平均地面水汽压和逐月平均绝对湿度从大到小的排列顺序都是京津冀地区、东北低纬地区、东北中纬地区和东北高纬地区,即与纬度负相关,而相对湿度与纬度正相关这是为什么?

十一月至来年三月我国北方由大陆季风控制,低空盛行由西北至东南的大陆季风。大气环流自北向南推进过程中,地面水汽压e逐步增加,气温和对应的饱和水汽压E也逐步增加,地面水汽压e增加的速率相对较慢(冬季气温低,下垫面水分蒸发的速率比较小,地面绝对湿度增加的速率也比较小),而饱和水汽压E增加的速率相对较快(随着气温的增加饱和水汽压E较快增加),也就是说,在相对湿度的计算公式U=e/E中,作为分子的地面水汽压e增速较慢,作为分母的饱和水汽压E增速较快,因此,大气环流自北向南推进过程中,相对湿度逐步减少,这就是中国北方东部4个区域冬季相对湿度与纬度正相关的原因。

⑸由图12可知,十一月至来年三月,准噶尔盆地的相对湿度大于等于东北高纬地区的相对湿度,比东部4个二级区域的相对湿度都要大,位居第一,冬季的相对湿度在75%左右,即U准噶尔≥U东北高纬>U东北中纬>U东北低纬>U京津冀

由图6和相关表格可知,准噶尔盆地冬季的地面水汽压大约是东北高纬地区冬季地面水汽压的2倍左右,也就是说,准噶尔盆地冬季的地面水汽压在东北高纬地区冬季地面水汽压的基础上大幅增加、成倍增加;由图3和相关表格可知,准噶尔盆地冬季的月平均气温比东北高纬地区的月平均气温大得多,差值大约在8℃左右,再根据气温与饱和水汽压一一对应的函数关系可能知道,准噶尔盆地冬季的饱和水汽压比东北高纬地区的饱和水汽压大得多。因此,在相对湿度的计算公式U=e/E中,作为分子的地面水汽压e准噶尔盆地在东北高纬地区的基础上大幅增加成倍增加,作为分母的饱和水汽压E准噶尔盆地也在东北高纬地区的基础上大幅增加成倍增加,在分子地面水汽压e和分母饱和水汽压E的共同作用下,准噶尔盆地冬季(冬半年十一月至来年三月)的相对湿度不低于东北高纬地区的相对湿度,即U准噶尔≥U东北高纬,再加上以上第⑷点的分析,所以有以下不等式U准噶尔≥U东北高纬>U东北中纬>U东北低纬>U京津冀

12.png

 

 

2.5 降水量的差异与成因分析

由图13可知,中国北方东部4个二级区域与天山南北的夏季降水量相差很大,冬季降水量相差不大。原因是与北方东部4个二级区域相比,天山南北夏季下垫面没有水或者缺少水可供蒸发,而北方东部4个二级区域下垫面有水可供蒸发,致使东部夏季的各项水汽参数明显大于西部夏季的各项水汽参数,例如,图4中东部夏季的地面水汽压比西部夏季的地面水汽压大得多,图7中东部夏季的绝对湿度比西部夏季的绝对湿度大得多,图10中东部夏季的相对湿度比西部夏季的相对湿度大得多。又因为降水量与水汽的绝对数量和相对数量都是高度正相关,所以,东部夏季的降水量明显大于西部夏季的降水量。

由图4可知,东部冬季的地面水汽压与西部冬季的地面水汽压相差不大;由图7可知,东部冬季的绝对湿度与西部冬季的绝对湿度相差不大;由图10可知,东部冬季的相对湿度与西部冬季的相对湿度相差不大。又因为降水量与水汽的绝对数量和相对数量都是高度正相关,所以,东部冬季的降水量与西部冬季的降水量相差不大。

13.png

由图14可见,北方东部4个二级区域与天山以南地区相比,准噶尔盆地冬季十二月至来年二月的降水量最大。原因是在此期间,准噶尔盆地的下垫面有大量积雪可供蒸发,相对湿度最大(参见图12),绝对湿度比较大(大于东北高纬地区和中纬地区的绝对湿度,但小于京津冀和天山以南的绝对湿度,参见图9)。降水量与水汽的绝对数量和相对数量都是高度正相关,它们综合作用的结果导致准噶尔盆地冬季的降水量最大。

14.png


3 准噶尔盆地冬季潮湿的两面性和成因分析

准噶尔盆地冬季潮湿的两面性可分为正面表现和反面表现,正面表现为相对湿度和降水量都比较大,相对湿度和降水量都位居北方六个二级区域冬季的首位。由图12可知,冬季U准噶尔≥U东北高纬>U东北中纬>U东北低纬>U京津冀,冬季准噶尔盆地的相对湿度高达75%左右。由图14可知,准噶尔盆地冬季的降水量最大,明显大于其它地区的降水量,大约是京津冀和东北高纬地区冬季降水量的2倍,更是天山以南地区冬季降水量的6倍。

准噶尔盆地冬季潮湿的反面表现一是地面水汽压和绝对湿度比较低,虽然比东北高纬和中纬地区大一些,但比京津冀、天山以南和东北低纬地区小一些,地面水汽压仅1.8hPa左右,绝对湿度仅1.6 g/m^3左右(请参阅图6和图9);二是下垫面存在大量沙漠,沙漠土壤含水量很低,水层厚度比耕作土壤要小一个数量级;三是虽然准噶尔盆地冬季降水量是北方六个二级区域冬季降水量中最大的,但冬季降水量是四个季节降水量中最小的,冬季降水量占全年总降水量的比例比较小,冬季准噶尔盆地的降水量位列第一是“矮子队里选将军”的结果。

成因:第一,准噶尔盆地冬季积雪广泛分布,积雪大量蒸发产生本地水汽;第二,盆地上空的逆温层类似于锅盖,阻断了水汽的向上传输,阻断了下垫面蒸发产生的本地水汽向盆地以外水平传输,导致蒸发产生的本地水汽长期滞留在逆温层以下的低层大气中,从而导致准噶尔盆地冬季低层的水汽相对来说比较多(比纬度相当的东北中纬地区大一些);第三,准噶尔盆地的纬度比较高,冬季的气温很低,对应的饱和水汽压很小。在以上3个原因的共同作用下,导致准噶尔盆地冬季的相对湿度比较大,比较潮湿(指相对湿度和降水量都比较大)。

 

4 湿盆地延续方面的讨论

4.1短时间与长时间水分蒸发对空中水汽的影响能够相互印证

由《本地蒸发对南疆东疆地面水汽压贡献的估算和推论,一论……》和《本地蒸发对南疆东疆相对湿度贡献的估算和推论,二论……》可知,南疆东疆干旱少雨,下垫面没有水缺少水可供蒸发,难得遇上降水,下垫面有水可供蒸发,降水当日和第二日地面水汽压和相对湿度明显增加。因为一次降水的数量有限,几天甚至一至二日就被蒸发完毕,所以,雨后蒸发的时间比较短,与此对应的是空中水汽参数明显增大的时间也比较短。这说明短时间的水分蒸发能明显增加空中水汽的数量,能明显增加空中水汽的相对湿度和绝对湿度,因为蒸发的时间比较短,空中水汽参数维持高值的时间也比较短。

图4中,夏季东部地区下垫面有水可供蒸发,夏季西部地区下垫面没有水或者缺少水可供蒸发,致使夏季东部地区的地面水汽压明显大于夏季西部地区的地面水汽压,即夏季e东部e西部,这说明夏季下垫面长时间的水分蒸发能明显增加当地的地面水汽压;同理,由图7可知,夏季下垫面长时间的水分蒸发能明显增加当地的绝对湿度;由图10可知,夏季下垫面长时间的水分蒸发能明显增加当地的相对湿度。在图4、710中,东部地区整个夏季(夏半年)下垫面都有水分蒸发,与此对应的是空中水汽绝对数量和相对数量维持高值的时间很长。

西部干旱地区雨后短时间的水分蒸发致使西部空中水汽参数维持高值的时间比较短,东部夏季下垫面长时间的水分蒸发致使东部空中水汽参数维持高值的时间很长,因此,短时间与长时间水分蒸发对空中水汽的影响能够相互印证。


4.2准噶尔冬季湿盆地未能延续的转折时间点和原因分析

由图10或者图11可知,准噶尔盆地的相对湿度由三月份的67.3%大幅下降到四月份的46.7%,再小幅下降到五月份的41.6%,因此,准噶尔盆地由湿盆地转化为干盆地的转折时间点为四月(四月的相对湿度46.7%接近50%,与京津冀四月的相对湿度47.2%很接近,勉强还可算作湿盆地),五月正式成为干盆地。

由图5可知,从2月到3月再到45月,准噶尔盆地的地面水汽压逐步增加,但增幅不是很大;由图2可知,从2月到3月再到45月,准噶尔盆地的地面气温逐步增加,并且增幅较大,特别是从2月到3月再到4月的气温增幅很大,又因为气温与饱和水汽压是一一对应的函数关系,所以,从2月到3月再到4月的饱和水汽压增幅很大。在相对湿度的计算公式U=e/E中,从2月到3月再到4月作为分子的地面水汽压e的增幅比较小,作为分母的饱和水汽压E的增幅很大,所以,从2月到3月再到4月相对湿度下降的速率比较快,4月成了准噶尔盆地由湿变干的转折时间点,5月准噶尔盆地正式变成干盆地(当相对湿度成为干湿盆地划分的唯一标准时),与上一自然段相对湿度的分析相互印证。

由第3节的分析可知,第一,冬季准噶尔盆地被大面积的积雪覆盖,部分积雪蒸发变成水汽;第二,逆温层阻挡水汽向上和向外传输;第三,准噶尔盆地纬度较大冬季气温很低,对应的饱和水汽压很小,以上3个原因致使冬季准噶尔盆地的相对湿度达到了75%左右,变成了湿盆地。准噶尔盆地的积雪3月中旬开始融化,3月前期还有大范围的积雪蒸发变成水汽,3月后期有残存的积雪蒸发变成水汽,还有积雪融水蒸发变成水汽,因此,整个3月的相对湿度还比较大,达到了67.3%左右,还属典型的湿盆地。到了四月,积雪融水已蒸发完毕,下垫面缺少水可供蒸发(这是四月份准噶尔盆地由湿盆地变成干盆地最关键的影响因子),加上四月气温比较高,四月与三月的气温差高达12.5℃,饱和水汽压成倍增加,致使四月相对湿度下降到了46.7%左右,所以,四月成了准噶尔盆地由湿变干的转折时间点。到了五月下垫面缺少水可供蒸发,气温进一步增加,饱和水汽压增加,致使5月相对湿度下降到41.6%左右,准噶尔盆地正式变成干盆地。

 

4.3准噶尔盆地由春夏秋干盆地转化变成冬季湿盆地的转折时间点和原因分析

由图10或者图11可知,准噶尔盆地的相对湿度由九月份的46.0%上升到十月份的56.1%,再上升到十一月份的70.1%,因此,准噶尔盆地由干盆地转化为湿盆地的转折时间点为十月,十一月正式成为湿盆地。

由图5可知,从9月到10月再到11月,准噶尔盆地的地面水汽压逐步减少,但减少的幅度不是很大;由图2可知,从9月到10月再到11月,准噶尔盆地的地面气温逐步减少,并且减少的幅度比较大,又因为气温与饱和水汽压是一一对应的函数关系,所以,从9月到10月再到11月饱和水汽压变小的幅度很大。在相对湿度的计算公式U=e/E中,从9月到10月再到11作为分子的地面水汽压e的减少幅度比较小,作为分母的饱和水汽压E的减少幅度很大,所以,从9月到10月再到11月相对湿度上升的速率比较快,10月成了准噶尔盆地由干变湿的转折时间点,11月准噶尔盆地正式变成湿盆地(当相对湿度成为干湿盆地划分的唯一标准时),与上一自然段相对湿度的分析相互印证。

准噶尔盆地11月平均气温-3.6℃,大地开始覆盖积雪,逆温层逐步形成。准噶尔盆地的积雪大量蒸发,加上逆温层阻止水汽向上和向外传输,再加上气温很低,对应的饱和水汽压很小,也就是逐步满足了第3节的3个原因,致使相对湿度比较大,低层大气潮湿,准噶尔盆地由此进入冬季湿盆地的气候模式。

由以上分析可知,四月是准噶尔盆地由湿盆地转化为干盆地的转折时间点,五至九月是典型的干盆地;十月是准噶尔盆地由干盆地转化为湿盆地的转折时间点,十一月至来年三月是典型的湿盆地。干盆地时下垫面没有水或者缺少水可供蒸发,湿盆地时下垫面有积雪也就是有水可供蒸发。

 

4.4准噶尔盆地维持长期湿盆地需要的条件

下垫面的水分蒸发有两个方面的作用,一是增加空中水汽的绝对数量,导致地面水汽压、绝对湿度和地面比湿等水汽量化参数增加;二是水的热容量很大,下垫面的水分蒸发要从环境中吸收大量热量,从而降低环境气温,又因为气温与饱和水汽压是一一对应的函数关系,所以,下垫面的水分蒸发导致饱和水汽压下降。在以上两个方面的共同作用下,下垫面的水分蒸发导致相对湿度明显增加。

深度大约1米的表层土壤的含水量对植被和下垫面水分蒸发的影响很大。对西北干旱地区来说,土壤的含水量越大,植被越好;土壤的含水量越小,植被越差。土壤的含水量越多,植被越好,那下垫面蒸发产生的本地水汽就越多;反之,土壤的含水量越少,植被越差,那下垫面蒸发产生的本地水汽就越少。

近几十年来新疆面雨量和土壤总的水分同步大幅增加》的研究可知,向新疆跨流域调水、沙漠变绿洲以后,沙漠土壤减少,耕作土壤增加,又因为耕作土壤的含水量比沙漠土壤的含水量大得多,耕作土壤的水层厚度比沙漠土壤的水层厚度要大一个数量级,因此,新疆表层土壤总的水分将大幅增加成倍增加。

10中,下垫面缺少水可供蒸发致使四月相对湿度大幅下降,五至九月相对湿度很低,特大规模调水沙漠变绿洲以后,沙漠土壤变成耕作土壤,土壤的水层厚度大幅增加成倍增加,下垫面就有水可供蒸发,相对湿度就能明显增加,所以,特大规模调水就能使准噶尔盆地的冬季湿盆地得到延续并变成长期湿盆地。

 

4.5 跨流域调水对冬季湿盆地延续成效的专家认识可以质疑吗

准噶尔盆地冬季积雪面积很多,乌鲁木齐也是经常飘雪花。这里大气的底层是比华北要更潮湿的地方。我们可以说冬季的准噶尔盆地就是湿盆地。”专家的这个认识里,仅仅关注了相对湿度,没有关注绝对湿度,有一定的片面性。由第2节和第3节的分析可知,准噶尔盆地冬季的相对湿度和降水量确实比较大,但准噶尔盆地冬季的地面水汽压和绝对湿度小于纬度低一些的京津冀地区的地面水汽压和绝对湿度,看问题必须全面,既要看到冬季潮湿的正面表现,也要看到冬季潮湿的反面表现(反面表现详见第3节)。

但是随着春季的融雪和丰富日光,到了暖季准噶尔盆地依然变成为一个干盆地(空气的相对湿度比冬季小)。而冬季低层的潮湿空气不知去向。基于这个气候过程每年都出现。我估量引水入新疆引起的效果难以跨过当年。”对以上专家认识,作者有以下看法,第一,到了暖季准噶尔盆地确实变成了干盆地;第二,“冬季低层的潮湿空气不知去向”,这个说法不严谨,理由是暖季的地面水汽压和绝对湿度都比冬季的地面水汽压和绝对湿度大得多(详见图4和图7),只是因为暖季的气温增加导致饱和水汽压增加得更快一些,从而导致暖季的相对湿度下降;第三,跨流域调水沙漠变绿洲以后,沙漠土壤变成耕作土壤,而耕作土壤的含水量比沙漠土壤的含水量大得多,从而导致土壤表层的水分大幅增加成倍增加,这样下垫面就有水可供蒸发,准噶尔盆地的冬季湿盆地就能得到延续,就能由冬季湿盆地变成长期湿盆地。这里要强调的是跨流域调水要长期运作,以弥补准噶尔盆地年蒸发总量与年降水总量之间的差值。


5 小结

中国北方六个二级区域的气温、地面水汽压和绝对湿度与纬度的关系比较密切,都与纬度负相关,纬度越大以上3个气候参数越小,纬度越小以上3个气候参数越大。

在相对湿度的计算公式U=e/E中,分子e和分母E都与纬度负相关,相对湿度的变化趋势取决于分子e和分母E哪一个的变化速率更大。气温、地面水汽压和绝对湿度都与纬度负相关,而相对湿度与纬度不是正相关,也不是负相关,关系比较复杂。

夏季的地面水汽压、绝对湿度、相对湿度和降水量是东部地区明显大于西部地区;冬季的地面水汽压、绝对湿度、相对湿度和降水量是东部地区与西部地区差别不大。原因是夏季东部地区下垫面有水可供蒸发,而西部地区下垫面没有水或者缺少水可供蒸发。西部干旱区短时间水分蒸发致使地面水汽压和相对湿度明显增加,所以,短时间与长时间水分蒸发对空中水汽的影响能够相互印证。

准噶尔盆地冬季潮湿的正面表现是相对湿度和降水量都比较大,都位居北方六个二级区域的首位;反面表现一是地面水汽压和绝对湿度比较低,地面水汽压仅1.8hPa左右,绝对湿度仅1.6 g/m^3左右;二是下垫面存在大量沙漠,沙漠土壤含水量很低,水层厚度比耕作土壤要小一个数量级;三是冬季降水量是四个季节降水量中最小的,冬季降水量占全年总降水量的比例比较小,冬季准噶尔盆地的降水量位列第一是“矮子队里选将军”的结果。

准噶尔盆地冬季潮湿的成因:第一,准噶尔盆地冬季积雪广泛分布,积雪大量蒸发产生本地水汽;第二,盆地上空的逆温层类似于锅盖,阻断了水汽的向上传输,阻断了下垫面蒸发产生的本地水汽向盆地以外水平传输,导致蒸发产生的本地水汽长期滞留在逆温层以下的低层大气中,从而导致准噶尔盆地冬季低层的水汽相对来说比较多(比纬度相当的东北中纬地区大一些);第三,准噶尔盆地的纬度比较高,冬季的气温很低,对应的饱和水汽压很小。

下垫面水分蒸发的作用很大,一是增加空中水汽的绝对数量,导致地面水汽压、绝对湿度和地面比湿等水汽量化参数增加;二是水分蒸发吸收大量热量,从而降低环境气温。在以上两个方面的共同作用下,下垫面的水分蒸发致使相对湿度明显增加。准噶尔盆地暖季变干的主要原因就是下垫面缺少水分可供蒸发。

特大规模调水沙漠变绿洲以后,沙漠土壤变成耕作土壤,土壤的水层厚度大幅增加成倍增加,下垫面就有水可供蒸发,相对湿度就能明显增加,所以,特大规模调水就能使准噶尔盆地的冬季湿盆地得到延续并变成长期湿盆地。

跨流域调水对冬季湿盆地延续成效的专家认识,一是没有关注绝对湿度,仅仅关注了相对湿度,有一定的片面性;二是只关注了空中水汽,完全忽略了土壤含水量的变化,而耕作土壤的水层厚度比冬季大气的可降水量要大一个数量级,必须高度重视,否则就是检了芝麻丢了西瓜。跨流域调水沙漠变绿洲以后,沙漠土壤变成耕作土壤,而耕作土壤的含水量比沙漠土壤的含水量大得多,从而导致土壤表层的水分大幅增加成倍增加,这样下垫面就有水可供蒸发,准噶尔盆地的冬季湿盆地就能得到延续,就能由冬季湿盆地变成长期湿盆地。

 

 

附件:配套的Excel: 逐月气候参数的比较

预印本https://preprint.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFile&id=8a8b8a9872923b3b0172b833e02d008c

预印本https://preprint.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFile&id=8a8b8a9872923b3b0172acf81e690068


准噶尔盆地冬季相对湿度、绝对湿度和湿盆地的延续.doc




http://blog.sciencenet.cn/blog-1458267-1238094.html

上一篇:[转载]是时候喊一声:谁能干就让谁干!
下一篇:关于典型实验区和实验性调水工程的建议

7 樊晓英 宁利中 张学文 杨正瓴 王亚非 苏保霞 葛维亚

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (5 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2020-8-9 13:59

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部