汽往冷处聚（9）-水汽往高纬移的分析.2

张学文，20170420

前面的博客http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-1049104.html  中分析了汽往冷处聚的道理用于分析高低纬度之间的水汽输送问题。指出在北纬40度的纬圈上平均(指从地面到高层大气)向北输送的水汽是23.5千克/米秒，即基于高纬度水分平衡的要求，低纬度必须有这么多的水汽流量进入40度以北地区。基于公式（1），并且比拟地认为向北的速度1米/秒，那么水汽就应当是密度就是23.5千克/平方米。这些估算的数量级是可以初步接受的。

但是这种估算中没有具体指出这个水汽输送过程是空气运动的附带结果还是水汽独自运动的结果。现在分析有关的问题。

l 我们从水分的平衡分析、计算中发现本地蒸发量小而降水量大，就必须有个向北的水汽输送量去平衡高纬度的水分数量（流入高纬度的水汽变成降水回归下垫面变成洋流而完成水分的平衡）。但是水汽的这种输送如果伴随着空气的运动。而这会引起高纬度地区的空气质量的增加（大气压力增加）问题。这是水汽随着空气一起进入高纬度引出的问题。我们不能在水分平衡与同时发生的空气质量平衡问题上产生矛盾。

l 所以即便水汽是被空气带入高纬度地区的，你必须给出一个高纬度地区大气压力却不会不断增加的物理模型。

l 这样的物理模型存在吗？想一想它是可能存在的，如果认定进入高纬度的空气携带的水汽多，而也有空气从高纬度回流到低纬度的空气，但是它携带的水汽少，就可以实现水汽进了高纬度而空气的净通量等于零。

l 考虑到进入高纬度的干空气必须（等质量地）流出来，我们不妨设想40度纬圈上有一半(180度经度)是湿空气流入，而另外一半的纬圈（180经度）上有比较干的空气流出来就可以了。

l 按照上面的模型现在共同分析干空气和水汽的流入和流出。设流入与流出的空气速度都是v,而流入、流出的水汽密度是a1、a2。流入和流出的干空气密度是d1和d2。那么有

干空气的通量

Q=d1×v-d2×v=（d1-d2）×v

考虑高纬度地区干空气，或者说大气压力的平衡进出高纬度地区的干空气的密度应当没有变化，于是d2=d2而有

Q=0        (2)

这样干空气的通量就是零。这样保证了高纬度圈内的大气压力不增加也不减少。

l 在本模型下，进出高纬度（北纬40度）圈的水汽量q应当也是是相同的速度v，而有

q=a1×v-a2×v=(a1-a2) ×v    (3)

l 公式（2）保证了进出高纬度圈的干空气的数量相等而不引起大气压力的变化。而公式（3）保证了进出高纬度圈的水汽在相同的流速下，由于进入的水汽密度大，出去的水汽密度小，而有水汽在高纬度地区积累。这个积累总量就是前面博客http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-1049104.html  给出的22万亿立方米/年。高纬度积累的水汽由哪里的降水去平衡消化。

l 这样我们就用一个干空气可进可出，并且出入量相等的模型同时满足水汽进入量大外流量小的物理模型维持了高纬度圈的水分平衡。本模型的公式（3）在外形上类似公式（1），但是考虑得比公式（1）周全。

好了已经写了不少，有关公式（3）对应的具体物理量分析留在下个博客讨论。（待续）