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降水认识的继承和发展:从定性认识上升到定量认识的探索

已有 2529 次阅读 2021-1-11 17:26 |个人分类:调水增雨观点|系统分类:科研笔记

降水认识的继承和发展:从定性认识上升到定量认识的探索

----影响降水的九大因素》的逐段转载和逐段点评、感想和联想

 

降水常识是高中地理的教学重点,为帮助学生理解这方面的知识要点,《影响降水的九大因素》对此进行了比较全面的总结。《影响降水的九大因素》认为,降水的影响因素比较多,比较重要的影响因素有以下9个:海陆位置;地形;气压带;风带;季风;气旋和锋面;下垫面状况;洋流;人类活动。气象界比较重视大气运动及其空中水汽对降水天气的影响研究(天气预报),不太重视空中水汽对多年平均降水量的影响研究,致使大量专家学者对降水气候的认识还停留在以上9个影响因素的简单罗列阶段。本系列研究打破惯例,开展了多年平均降水量与水汽参数之间的拟合研究,获得了以下3个一元拟合公式:

P44.385W2.66                                    

P85.124e2.27                                      

P3619.1U 4.2631                     

把拟合公式(1)的两边同时乘以研究区域的面积S,就得到以下等式:

P×S=44.385(W×S-2.66×S)              

把弥漫着水汽的大气看作是气态水库,那么,降水就是发生在气态水库的水汽凝结。同等条件下,气态水库容积越大,凝结降水越多,气态水库容积与面雨量成正比,这应该是非常合理的逻辑推理。 (4)式中P×S是研究区域每年的面雨量;W×S是气态水库折算的液态容积,(W-2.66)×S是气态水库折算的有效的液态容积,因此,P×S(W-2.66)×S成正比,所以,拟合公式P=44.385(W-2.66)符合逻辑推理,符合常理。

空中水汽含量W乘以研究区域面积S是空中水汽的存量(即空中水汽折算的液态容量),因此,空中水汽含量W是空中水汽存量的量化参数。虽然降水的影响因素很多,但水汽是降水的物质基础,没有水汽就没有降水,拟合公式忽略了降水的次要影响因素,可能找到了降水的主要影响因素,它可能就是空中水汽的存量。

在拟合公式的基础上,对明显偏离拟合直线或拟合曲线的气候数据进行研究,得到了以下3个经验公式(修正公式):

P44.385K1 K2 K3 K4 K5W2.66                        

P85.124 K1 K2 K3 K4 K5e2.27                         

P3619.1 K1 K2 K3 K4 K5 U 4.2631              

以上3公式中,K1为迎风坡增雨或背风坡减雨的修正比例;K2为台风、锋面雨带和副热带高压、青藏高原、西风带分支与汇合等干扰影响的修正比例(主要影响东南地区);K3为高海拔增雨作用的修正比例(主要影响青藏地区);K4为沙漠下垫面减雨作用的修正比例(主要影响西北地区);K5为与纬度有关的修正比例(主要影响东北北部)。以上5个修正比例中,虽然每一个修正比例很难估算,但总的修正方向(放大或缩小)和总的修正比例通过统计分析可以做一个大致的估算。总的来说,虽然不完善,但与原来的拟合公式相比,有一定的进步。

 

以下对《影响降水的九大因素》进行逐段转载和逐段点评,黑色文字为转载的内容,红色文字为本文作者点评的内容:

降水是指大气中水汽凝结、降落的过程,包括降雨、下雪、冰雹等形式。降水的多少要受很多因素的影响,但主要条件是三个:充足的水汽供应、气流上升达到过饱和状态、足够的凝结核。

通常情况下,我们不需要考虑凝结核的问题,只考虑有没有充足的水汽和促使气流上升的机制就可以,归纳起来,形成降水的因素有以下九大因素。

评论1:“通常情况下,我们不需要考虑凝结核的问题”,大自然中凝结核比较多,赞成这样的认识。因此,降水研究关注的重点应该是水汽供应和气流上升两个问题。

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1 海陆位置

一般来说,离海洋越近的地区,受海洋的影响越大;距海越远,海洋水汽难以到达,降水就较少。所以降水分布的普遍规律是沿海多,内陆少。

比如我国的降水分布规律是从东南沿海向西北内陆递减,以及西北干旱半干旱地区从东部向西降水逐渐减少等,都是受到海洋远近的影响。

评论2:我国的降水分布规律是从东南沿海向西北内陆递减,我国各地多年平均的空中水汽含量W、地面水汽压e、地面绝对湿度a、相对湿度U和地面比湿q等水汽参数也是从东南沿海向西北内陆递减。距离海洋越近,空中水汽的参数越大;距离海洋越远,空中水汽的参数越小。所以,海陆位置对降水的影响与海陆位置对空中水汽的影响比较类似,海陆位置对降水的影响本质上反应的还是空中水汽对降水的影响,空中水汽含量W可能就是降水的主要影响因子。

 


2 地形

2.1 山脉走向与降水

山脉走向对海洋水汽有阻挡作用和引导作用,如果山脉走向与海洋水汽来向垂直,就会阻挡水汽的进入,使大陆内侧降水明显减少。如北美大陆西部,由于科迪勒拉山系南北纵列,与来自太平洋湿润的西风气流垂直,阻挡了西风的进入,使降水集中在西部海岸,中东部地区就难以受到西风的影响。

欧洲西部地区,阿尔卑斯山脉呈东西走向,与西风气流来向一致,有利于海洋湿润气流的进入,降水的分布较广泛,海洋性特征明显。我国西北地区除了深居内陆外,也因为受到山岭的层层阻挡,海洋水汽难以进入,使其更加干旱。

评论3:山脉走向对降水的影响反应的是山脉走向对海洋水汽运动的影响,海洋水汽受阻那研究区域的空中水汽就少,降水量就少;反之则相反。山脉走向对降水的影响本质上反应的还是空中水汽对降水的影响。

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2.2 迎风坡、背风坡与降水

海洋湿润气流在运行过程中,如果遇到山脉的阻挡,就会沿着迎风坡上升,在一定的高度上冷却达到过饱和状态,出现凝结降雨,即地形雨。当该气流越过山顶后,在下沉过程中,温度不断升高,饱和水汽含量不断降低,出现干热的天气,即雨影区。山地降水一般比平地多 ,就是因为山地有促使气流上升的条件,而平地没有,因此降水较少。如南美南段,西部是西风的迎风坡,降水多形成海洋性气候;东部位于背风坡,降水少,形成独特的沙漠气候。我国福建西部的武夷山降水就要比东部沿海地区多,台湾东部比西部多,海南岛东部比西部多。

评论4:水汽在迎风坡凝结变成降水以后,大气中空中水汽的含量就变少了。迎风坡和背风坡对降水的影响一是反应空中水汽对降水的影响,也就是迎风坡的地方空中水汽多,降水量大;背风坡的地方空中水汽少,降水量小,这方面的情况在公式中由空中水汽含量W或地面水汽压e来描述;二是反应上升气流或下降气流对降水量的影响,也就是上升气流促使水汽凝结变成降水,下降气流促使大气增温导致水汽很难变成降水,这方面的情况在公式中由修正比例K1来描述。

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2.3 地形类型与降水

不同的地形对气流的运行有不同的作用,因此降水的分布也不同。

平原地形有利于海洋水汽的进入,带来丰富的水汽,降水的几率较大,如我国的东部平原地区、欧洲中部、美国中东部。

山地的迎风坡在一定的高度上降水较多,背风坡较少;河谷地带由于地势低,温度高而降水少,如横断山区。盆地由于地形封闭,周围高山环绕,海洋水汽难以进入,降水也较少,如塔里木盆地。

高原因为地势高,海洋水汽也难以爬上高原面形成降水,所以高原上的降水也不多,如东非高原、青藏高原、巴西高原等,降水都不多。

评论5:河谷地带降水少,在经验公式中,有高海拔增雨修正比例K3,与此对应的理应有低海拔的减雨修正比例;在后续的二元拟合公式中,其它条件相同时,温度越高降水量越小,温度越低降水量越大。盆地例如塔里木盆地和高原地区的水汽少(地面水汽压等水汽参数小),降水量小,这些本质上反应的都是空中水汽对降水的影响。


3 气压带

全球的气压带不管是热力原因形成的,还是动力原因形成的,高气压带盛行的是下沉气流,在下沉过程中气温不断升高,水汽的饱和含量(饱和程度)不断降低,空气越来越干燥,很难形成降水,多为晴朗天气。

如热带沙漠地区,全年在副热带高压控制之下,盛行下沉气流,炎热干燥;我国长江流域盛夏的伏旱天气的形成;而在低气压控制地区,盛行上升气流,上升冷却容易达到过饱和状态,往往会凝结降雨,形成多雨区,如赤道地区,全年处在低气压控制下,终年多雨。

评论6:除海南岛等南海岛屿以外,我国陆地位于北纬2054度之间。如下图所示30°N附近30°S附近全年在副热带高气压带的控制下,盛行下沉气流,大气在下沉过程中气温不断升高,水汽的饱和程度不断降低,空气越来越干燥,很难形成降水,当地就属于热带沙漠气候。由于青藏高原的热力作用和动力作用,我国北纬30°附近的长江流域中下游地区不是热带沙漠气候,这是因为青藏高原的热力作用和动力作用打断了北纬30°位于青藏高原及其附近地区的副热带高气压带,从而改变了我国的气候特征(长江中下游不是沙漠地区)。

在副热带高气压带有一些海边沙漠,当地的降水量很少,是空中水汽很少引起?是气温过大引起?是沙漠下垫面减雨修正比例K4很小引起?还是当地的下沉气流引起?有待研究。那里的海边沙漠与我国西北沙漠的纬度、年平均气温和气候带都不同,海边沙漠的客观事实不能随意外延扩展到我国西北沙漠地区。

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4 风带

全球的风带包括极地东风带、西风带、信风带,而对降水影响较大的是西风带和信风带,风带对降水的影响主要是通过把海洋水汽带到大陆形成降水。

根据风带与大陆的关系,又可以分为迎风岸和背风岸。迎风岸常常受到风带从海洋上带来的水汽的影响,降水较多;而背风岸的风从陆地吹向海洋,空气干燥,降水较少。

中纬度的大陆西岸是西风的迎风岸,降水多,如欧洲西部、南北美洲的西部海岸;低纬度的大陆东岸是信风的迎风岸,降水多,如马达加斯加东部,澳大利亚东北部。

巴西高原东南热带雨林气候的形成都与信风有关,而西部热带沙漠气候的形成、热带草原气候的形成则与信风从陆地吹向海洋有关。

评论7:风带对降水的影响例如迎风岸和背风岸对降水的影响,实际上反应的是风向对海洋水汽的影响,本质上反应的还是空中水汽对降水的影响。

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5 季风

在季风气候区,冬夏季风的性质不同,对降水的影响也不同。

夏季风从海洋吹向陆地,把大量的海洋水汽带到了陆地上,就有可能形成降水天气;冬季风从陆地吹向海洋,性质是干燥的,一般不会形成降水,天气晴朗。

如东亚季风区,夏季高温多雨,冬季寒冷干燥;南亚季风区,在西南季风影响的季节形成雨季,在东北季风影响的季节形成旱季。

评论8:夏季风和冬季风对降水的影响,实际上反应的是风向对海洋水汽的影响,本质上反应的还是空中水汽对降水的影响。

 

 

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6 气旋、锋面

特殊的大气运动也是形成降水的重要因素,在气旋控制下,盛行的是旋转上升气流,往往能达到过饱和状态,形成降水,如中纬度地区就多气旋雨,台风、飓风也带来大量的降水。

在冷暖性质不同的气流交汇地区,往往会形成锋面雨,在锋面附近暖空气上升也会达到过饱和状态,从而形成降水。在副极地也会因为东风和西风相汇而形成极锋,形成锋面雨。

我国东部地区的降水就是以锋面雨为主,45月份在南部沿海形成暖锋降水,67月份在长江流域形成准静止锋降水,78月份在华北、东北形成冷锋降水。

评论9大气中水汽含量变化很大,介于04%之间。一般认为,大气中的水汽含量很少,是低层大气的运动带动水汽运动,不是水汽运动带动低层大气运动。但在第5章的《小结说明和西北降水量显著增加原因解释的百家争鸣》的第4.6节,作者阐述了广义的水汽运动有带动低层大气运动的可能,水汽在大气中完全被动、只随大气一起运动?水汽与大气互相影响、也有带动大气运动的特殊情况?这是一个争议很大的观点认识,值得研究。气旋和锋面是大气运动的产物,有气旋和锋面运动的地方,降水量大,不管是哪里的降水?是什么形式的降水?都是水汽相变凝结而成,气旋和锋面降水本质上反应的还是空中水汽对降水的影响。


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7 下垫面

下垫面在局部地区也会对降水产生影响,主要是通过改变大气中水汽含量。如果地表植被覆盖率高,或者水面宽广,就会增大蒸发量,空气中湿度增大,从而增加降水量,反之,如果地面的植被破坏,水面减少,空气就会变得干燥,导致降水减少; 沿海地区如果海岸曲折有暖流经过,降水也会增多。

如沙漠地区地表干燥,蒸发量小,降水也很少;在排干沼泽和湖泊的地区,降水也减少;而在森林地区,湖泊和大型水库附近,降水明显增多。

评论10:学术界已有“下垫面对降水产生影响”的共识,只是一般情况下,以往人为改变的下垫面的面积比较小,可能只有几平方公里、几十平方公里、比较大的可能也只有100平方公里左右(即大约10 Km×10 Km的区域)。超深盆地调水增雨的核心思想就是特大规模调水使受水区的下垫面沙漠变绿洲(改变的面积比以上面积大很多,例如西北的沙漠全部变成绿洲的话,那沙漠戈壁变绿洲的面积就是100万平方公里、200万平方公里,比以上面积大1万倍、2万倍),从而明显增大受水区的空中水汽含量,致使水汽变雨的几率明显增加,年降水量明显增加。下垫面对降水产生影响本质上反应的还是空中水汽对降水的影响。

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8 洋流

洋流分为寒流和暖流,暖流有增温增湿的作用,寒流有降温减湿的作用。欧洲海洋性气候的形成,马达加斯加东部、澳大利亚东北部、巴西高原东南热带雨林气候的形成都与沿岸暖流有关,而热带沙漠气候的形成都与寒流关系密切。

南美西海岸的阿塔卡玛沙漠成为世界上最干燥、最狭长、分布纬度最低的沙漠就是秘鲁寒流的功劳。

评论11:暖流水温高蒸发产生的水汽多,寒流水温低蒸发产生的水汽少。洋流对降水的影响本质上反应的还是空中水汽对降水的影响。

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9 人类活动

人类活动主要是通过改变下垫面的状况来影响降水,如植树造林、恢复植被、修建水库和水利工程、退田还湖、扩大水面和湿地,都将会使空气的湿度增加,降水增多;反之,乱砍滥伐、过度放牧、破坏植被、围湖造田、开垦排干沼泽,会使空气湿度减小,降水减少,气候的大陆性增强。另外,人工降雨也是在干旱季节增加局部地区降水的有效形式。

评论12:下垫面能影响降水,下垫面对降水产生影响本质上反应的还是空中水汽对降水的影响。超深盆地调水增雨就是通过特大规模调水,大面积、特大面积的沙漠变绿洲(例如把西北的沙漠全部变成绿洲,下垫面改变的面积就能达到百万平方公里的数量级),从而明显增加受水区上空的空中水汽含量,致使受水区上空水汽变雨的几率明显增加,年降水量明显增加。因此,特大规模调水彻底改变西北干旱少雨恶劣气候的研究结论与学术界以往的共识不矛盾,只是表面上好象有矛盾,本质上不矛盾,只是以往人为改变的下垫面的面积比较小,而超深盆地调水增雨要改变的下垫面的面积是以往人为改变面积的成千上万倍。

当然,影响某个地区的降水因素往往是多方面的,各个因素之间相互发生作用使当地的降水更加复杂,我们在分析的时候要找到其主导因素,还要从综合的角度全面分析,才能搞清某个地区的降水类型和特征。

如欧洲西部的海洋性气候降水特征的形成,就是受到海陆位置、西风、北大西洋暖流、平原与山脉东西走向、地势低平、海岸曲折等因素综合作用的结果。

评论13:降水的多少受很多因素影响,但主要条件是三个:充足的水汽供应、气流上升达到过饱和状态、足够的凝结核。通常情况下,不需要考虑凝结核的问题,因此,降水研究关注的重点应该是水汽供应和气流上升两个问题。在这两个问题中,由本文的分析可知,对多年平均降水量的研究来说,水汽供应又比气流上升更为关键,所以,影响降水的九大因素反应的最核心的影响是空中水汽对降水的影响。学术界已有下垫面对降水产生影响的共识,只是一般情况下,以往人为改变的下垫面的面积比较小,而超深盆地调水增雨要改变的下垫面的面积比以往人为改变的下垫面面积要大成千上万倍,由此产生的增雨效果肯定不一样,由量变引起质变也是可能的。所以,特大规模调水彻底改变西北干旱少雨恶劣气候的研究结论,是下垫面和人类活动对降水产生影响的继承和发展,是以往降水认识的继承和发展,与学术界以往的共识不矛盾,它与以往的共识只是表面上好象有矛盾,本质上并不矛盾。


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