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水汽变雨方面的颠覆性认识和证据的加固

已有 509 次阅读 2020-8-5 19:06 |个人分类:本地蒸发对水汽和降水的贡献|系统分类:科研笔记| 水汽变雨, 颠覆性认识, 证据的加固


水汽变雨方面的颠覆性认识和证据的加固

 


1 新疆的年面雨量和水汽年输入总量显现出相反的变化趋势

1和图2都摘自《“新疆空中水资源及面雨量变化特征分析”项目》(沙漠与绿洲气象,2012,6(4))。由图1可知,新疆年面雨量最小值约2000亿吨,最大值4100多亿吨,年面雨量波动增加,年面雨量的一元拟合公式为y=17.292x+2316.4R2=0.2383。据报道,2016年新疆面雨量创历史新高,面雨量比2010年还要多,年面雨量可能在4200亿吨左右。按以上拟合公式近似计算,与1961年相比,2017年面雨量的趋势增量为17.292×56=968.352亿吨/年,大约相当于两条黄河的年径流量,增量很大;与常数项2316.4相比,增幅高达968.352÷2316.4=41.8%

按以上拟合公式,1961年,x=1,y≈23342010年,x=50,y≈3181


1.png 

2    19612010年新疆区域降水转化率的年际变化


虽然中国气象局气候变化专项“新疆空中水资源及面雨量变化特征分析”有每年新疆水汽输入总量的研究成果,但作者不掌握这方面的数据,只能根据公开资料进行一些反推估算。按图2的拟合公式,1961年,x=1,降水转化率为9.0268%2010年,x=50,降水转化率为13.6132%,比1961年大13.6132÷9.0268-1=50.8%

这里的降水转化率等于年面雨量与外来水汽年输入总量之比,所以,外来水汽年输入总量等于年面雨量与降水转化率之比。据此可反推估算得出:1961年新疆外来水汽的年输入总量约2334÷9.0268%=25856亿吨2010年新疆外来水汽的年输入总量约3181÷13.6132%=23367亿吨,与1961年相比,外来水汽年输入总量减少了2489亿吨,减幅约2489÷25856=9.63%,减少的幅度比较大。

 

《十论》:本地水汽和外来水汽分别是新疆年面雨量的主要和次要影响因子

以区域下垫面为研究对象,按水量平衡有以下公式:

Q bd =Pm(△Q1 +△Q2)-( Q j +Q s)                       


上式中,Q bd 为下垫面蒸发的本地水汽年产量(亿吨/年),Pm为当年的面雨量△Q1△Q2分别是当年冰川积雪等固体存水量的增量和地表、地下、土壤等所有液态存水量的增量Q jQ s分别是当年河川径流和地下水渗流的净输出。

据研究新疆最枯面雨量Pm2000亿吨/年,最丰面雨量Pm4100亿吨/年,近几十年来新疆面雨量Pm大幅增加,多年平均面雨量Pm2800亿吨/年。近几十年来随着全球变暖新疆高山冰川超支融化,冰川积雪等固体存水量减小,每年冰川积雪等固体存水量的增量△Q1为负数,有的年份多一些,有的年份少一些,多年平均暂按-50亿吨/年估算;地表水、地下水和土壤水等所有液态存量水的总量有的年份增加,有的年份减少,多年平均基本为0,增量△Q2的绝对值小于面雨量Pm 5%;新疆只有额尔齐斯河和伊犁河是跨国河流,河川径流净输出Q j有的年份大一些,有的年份小一些,近几十年来输往境外的水量基本恒定、变化不大,变幅的绝对值小于面雨量Pm 2%;地下水渗流净输出Q s的变化更小,其变幅的绝对值较面雨量Pm可能要小2~3个数量级。由跨国河流的出境水量可知,( Q j +Q s)多年平均约230亿吨/年。由式和以上分析可知,新疆面雨量Pm有以下公式:

Pm =Q bd +(△Q1 +△Q2)+( Q j +Q s)Q bd -50+△Q2+230Q bd +180    


对新疆历年面雨量Pm与本地水汽年产量Q bd进行一元线性拟合分析,设线性拟合公式为

Pm=β1 Q bd +C1,设相关判定系数为R12                   


对比 式可知,β11.0左右,C1180左右,预估R12 0.9左右。


对新疆历年面雨量Pm与外来水汽年输入总量Q in进行一元线性拟合分析,设线性拟合公式为

Pm=α1 Q in +C2,设相关判定系数为R22                 


由第1节的研究可知,新疆区域近几十年来外来水汽的年输入总量Q in不增反降(多个其它文献也有类似的研究结论),至少没有明显增加,也没有明显增加的理由。与此同时,新疆近几十年来面雨量Pm大幅增加,因此,新疆不同年份面雨量Pm与外来水汽年输入总量Q in拟合要么不是正相关,要么是正相关但相关判定系数很小,不存在两者之间正相关并且相关判定系数很大的可能性,否则,早就有这方面的研究成果发表了。据此推断,式的相关判定系数R22很小。如果C20,因为Pm2800亿吨/年左右,Q in26000亿吨/年左右,所以,α10.2

据以上的讨论分析,新疆本地水汽的年产量主要由年面雨量蒸发而成,新疆历年面雨量与本地水汽年产量高度正相关;而新疆历年面雨量与外来水汽的年输入总量要么不是正相关,要么是正相关但相关程度很小,据此推断,本地水汽是新疆面雨量的主要影响因子,而外来水汽只是新疆面雨量的次要影响因子。


《十五论》:在西北超深盆地,本地水汽和外来水汽分别扮演降水的主角和配角

《十五论》根据理想气体方程、含水气团翻山越岭时气温、气压和体积的变化以及空气饱和时含水量的最大值,研究揭示,①本地水汽在超深盆地四周山地变成降水的比例高达75%左右;②本地水汽还能诱导俘获沉底外来水汽使其变成俘获降水;③本地水汽增加致使降水量增加,降水量增加通过正反馈良性循环反过来促使本地水汽增加,超深盆地的本地水汽和降水量能够互相促进良性循环。翻山越岭的大气环流在背盆山地迎风坡被迫抬升、大部分水汽冷凝析出变成降水,致使来到超深盆地的环流大气非常干燥,含水量很少,没有本地水汽补充的话,这样的干燥大气很难在超深盆地的范围内成云致雨,因此,本地水汽实际扮演西北超深盆地降水的主角,外来水汽实际扮演西北超深盆地降水的配角。

 

《十六论》:本地水汽和外来水汽在新疆变成降水的比率相差很大,应区别对待

据《十六论》的研究揭示,本地水汽来自研究区域下垫面的蒸发,起始海拔与下垫面相同、海拔很低;外来水汽来自其它地方下垫面的蒸发,经过较长时间的水平输送和垂直输送来到研究区域上空,平均海拔较高。低海拔的本地水汽上升到达外来水汽平均海拔的过程中,大约一半的本地水汽将冷凝析出变成降水,因此,本地水汽比外来水汽容易在本地变成降水,并且变成降水的比率两者之间的差别很大,在新疆本地水汽变成降水的比率是外来水汽变成降水比率的15倍。传统认识没有意识到本地水汽与外来水汽所处环境的较大差别,不区分本地水汽和外来水汽,眉毛胡子一把抓。水汽看不见摸不着,很难用实验证实以上认识。推翻传统认识要有强壮的证据,《十六论》找到了一些证据,但这些证据的力度有限,寻找新证据的难度比较大,还需要下大力气寻找新的证据材料。

 

5 《十论》、《十五论》、《十六论》认识的比较和加固证据的研究思路

《十论》研究证明,本地水汽是新疆面雨量的主要影响因子,而外来水汽只是新疆面雨量的次要影响因子。《十五论》研究证明,本地水汽实际扮演西北超深盆地降水的主角,外来水汽实际扮演西北超深盆地降水的配角。《十论》与《十五论》的表述不同,意思相近,从不同的角度研究问题,得到了相近的研究结论,两者殊途同归,相互印证。《十论》、《十五论》和《十六论》都证明本地水汽对新疆的降水量意义重大,它们之间互相补充,互相印证。

一般来说,外来水汽的数量比本地水汽的数量大得多,以新疆为例,外来水汽输入总量的多年平均值为26114.8亿吨/年,而本地水汽年产量的多年平均不到2600亿吨/年,后者大约只有甚至不到前者的十分之一。在新疆,比外来水汽少得多的本地水汽是降水的主要影响因子,充当降水的主角,而比本地水汽多得多的外来水汽是降水的次要影响因子,充当降水的配角,这些都是“本地水汽比外来水汽容易在本地变成降水”引起的。所以说,《十六论》关于“本地水汽比外来水汽容易在本地变成降水”的论点是《十论》与《十五论》成立的前提,只有《十六论》的论点成立,《十论》与《十五论》的论点才有成立的可能;如果《十六论》的论点不成立,那《十论》和《十五论》的论点不可能成立。因此,找到其它证据、加固《十六论》的证据体系就显得极其重要。

对新疆面雨量Pm与本地水汽年产量Q bd 外来水汽年输入总量Q in 进行二元拟合,二元拟合公式为Pm=αQ in +βQ bd +C,设相关判定系数为R2       


式中,α是外来水汽的回归系数,也是外来水汽的变雨比率;β是本地水汽的回归系数,既是本地水汽的变雨比率,又是本地水汽的返回率;C为常数项。因为新疆面雨量Pm要么来自本地水汽Q bd 的相变,要么来自外来水汽Q in 的相变,所以,常数项C可能为零,也可能不为零(理解为死库容);又因为新疆年面雨量Pm与本地水汽年产量Q bd高度正相关,所以,该二元拟合公式的拟合效果预估比较好,相关判定系数R2等拟合参数理应满足多元拟合的理论要求相关判定系数R2理应大于一元拟合公式的相关判定系数R12

一元拟合公式的相关判定系数R12很大,预估在0.9左右;而一元拟合公式的相关判定系数R22很小,二元拟合公式的相关判定系数R2肯定大于R12,据此推断,二元拟合公式要大量吸收一元拟合公式的拟合成果,而很少吸收一元拟合公式的拟合成果,本地水汽的回归系数β应该只比β1小一点,估计在0.8左右(β11.0左右),也就是说,大约只有20%的面雨量是由外来水汽相变而成,那么,外来水汽的回归系数(也是外来水汽的变雨比率)α就只有α120%左右,所以,α0.2α1≤0.2×0.2=0.04,据此推断β÷α0.8÷0.04=20,即一吨本地水汽在新疆变成的降水量相当于20多吨外来水汽在新疆变成的降水量,这就充分证明在新疆变成降水的比率,本地水汽比外来水汽大得多。

以上计算有一定的参考价值,但应该以实际拟合成果为准。如果本地水汽的回归系数β确实比外来水汽的回归系数α大得多,例如,β÷α≥10,那本地水汽比外来水汽容易在新疆变成降水的论点就得到了彻底确认,那就为《十六论》找到了新的非常关键的证据材料,那就彻底颠覆了新疆降水量主要来自外来水汽相变的传统认识;反之,如果本地水汽的回归系数β与外来水汽的回归系数α相差不大,那本地水汽比外来水汽容易在新疆变成降水的论点就不成立,因此,开展新疆面雨量Pm与本地水汽年产量Q bd和外来水汽年输入总量Q in 的二元拟合研究意义重大,该项研究有望彻底推翻在水汽变雨方面不区分本地水汽与外来水汽的传统认识。

 

证据加固方面的其它研究思路

《十五论》还认为,外来水汽基本上都是新疆上空“来去匆忙的过客”。对新疆历年水汽输出总量  Q out 和历年外来水汽输入总量Q in 进行一元线性拟合,如果两者高度正相关,那说明两者同步增加或者同步减少,两者正相关并且相关判定系数R2越大,越说明外来水汽是新疆上空“来去匆忙的过客”;反之则相反。如果R2≥0.97,那就彻底证明外来水汽确实是新疆上空“来去匆忙的过客”。建议对此进行研究。如果研究证明外来水汽确实是新疆上空“来去匆忙的过客”,那也间接证明外来水汽是新疆降水的次要影响因子,对新疆降水的影响很小。再加上人类影响不了外来水汽的多少,因此,不必过分关注外来水汽的输入。

 

7 本文小结

本地水汽是新疆面雨量的主要影响因子,而外来水汽只是新疆面雨量的次要影响因子;本地水汽实际扮演西北超深盆地降水的主角,外来水汽实际扮演西北超深盆地降水的配角;本地水汽比外来水汽容易在本地变成降水,并且变成降水的比率两者之间的差别很大,在新疆本地水汽变成降水的比率是外来水汽变成降水比率的15倍。以上论点都是颠覆性的认识,其核心是“本地水汽比外来水汽容易在本地变成降水”,如果这些确实成立,那就提升了人类对水循环的认识水平。开展新疆面雨量Pm与本地水汽年产量Q bd 外来水汽年输入总量     Q in 的二元拟合研究、开展新疆历年水汽输出总量Q out 和历年外来水汽输入总量Q in 的一元线性拟合研究,这样的研究有望找到一些新的非常关键的证据,有望彻底证实以上颠覆性认识。这样的研究对证实还是证伪以上颠覆性认识有很大作用,建议有条件的专家学者开展这方面的深入研究。


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