空气年循环（吞吐）量的推测、分析

张学文，2021 09 22

气象学谈及空气，总是强调它是在空中流动的气体。与此对应，谈及空中的水汽，则强调水分循环。即水分是往返于大气与下垫面之间的循环过程。这无形中提示我们，气象学没有考虑它进出下垫面的问题，空气不存在与下垫面之间的气体交换问题。

而我则考虑，其实空中的空气也是存在与下垫面（陆地，水面）有气体的交换过程的。即一些空气会进入下垫面，一些空气也从下垫面进入空中。即空气存在着对下垫面的呼吸过程。就此我提出了大气呼吸过程的概念。而在我的博客中专门有个文件夹，保存了40多个有关大气呼吸的博客：http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2024&do=blog&classid=164711&view=me&from=space

既然要分析空中的空气与下垫面中的气体交换问题，显然要分析此交换量的规模有多大。本博客则对每年空中的空气与下垫面中的空气交换的数量做初步的估算与推测。

视角1：年降水量本身就是空气与下垫面的气体物质交换量。

这是说空气水汽本来就空气是一部分。而水汽每年都无时无刻的从下垫面蒸发进入大气，它又经过降水过程而返回地球下垫面（陆地，海洋）。所以全球的年降水量（水分循环）就是空气与下垫面的气体物质的交换量。知道了全球平均的年降水量也就知道了空中水与下垫面蒸发水汽的交换量。照此说来，我们可以从年降水量换算出它对应的水汽（也是空气）对下垫面的交换量。

每年全球的降水量是多少？一种粗略的估算是每年为1米深（全球平均年降水量1000毫米就是这个意思）。

空气的总质量是多少？对此的一个简单，通俗表达是地面的大气压力对应10米深的水的压力。换句话说，大气的质量形成的压力与10深的水的压力相当。

好，降水每年使得1米厚的降水进入下垫面，而大气的总质量对应10米深的水的质量。所以“降水导致的空中与下垫面的水汽吞吐量就是大气总质量的十分之一”。而我们承认水汽是空气的一部分，于是水汽已经代表空气进出下垫面形成了每年与下垫面要交换空气总量的10%的气体物质！

由此我们已经获得了每年空气与下垫面的交换量是大气总量的10% 的认识。

         显然这是我们估测大气对下垫面吞吐中的水汽部分的规模：每年占全部大气质量的十分之一。应当承认水分循环导致的物质交换量不算小！

视角2：气压日变化的提示

这是最近想及的一个分析角度。即我们知道地球的任何地点，其大气压力都存在日变化。我们可以认为这是日光嗮热了近地面空气，而空气来不及水平膨胀而体现的大气压力的变化现象。大气压力的日变化幅度自然是随着观测地点离开地表面（到空中）而逐步减小。考虑到下垫面（土壤或者海水水面）中的大气压力与空气中的大气压力的变化不可能同步。于是气压日变化必然进出下垫面，形成下垫面对空气的吞吐。而其变化的的数量应当小于气压的日变化幅度。我估量每天进入下垫面的空气的数量应当小于气压日变化的幅度（根据中国气候一书，我国的气压日变化幅度大约是4百帕）的六分之一（一个立方体有6面，下面占1/6）。我取4百帕的10分之一，即每天进入下垫面的空气总量是0.4百帕。则全年365天进出下垫面的空气总量是0.4×365=146百帕/年。或者说每年大约有14.6%的空气与下垫面进行了交换。

这个空气与下垫面中的空气的年交换量仅比水汽的年交换量（100/1000）略大4.6% 。

小结：基于视角1的分析（年降水量），全球水汽（空气的成分之一）进出下垫面的数量是大气总质量的10%。而基于视角2的分析（每天的空气与下垫面交换量是气压的日变化幅度的10分之一），全年进出下垫面的空气的数量是空气总量的14.5%。不妨把以上两种分析的数值加起来就成为：每年大气中有24.6%的空气进出下垫面。

或者说每年大约有4分之一的空气（含水汽）进出下垫面。--这就是我对年平均大气呼吸数量级的一种估算。欢迎质疑，思辨，提高…更期待有办法（如仪器）具体测量它。

2021 09 23补充

1.以上推测的空气与下垫面的交换量应当仅是全球全年的平均值。

在海洋中，应当比这个平均值大。在城市的水泥地应当比这个值小。

在不同季节，在一天的不同的时间，在不同的天气形势下，其交换量可能是这个值的10倍（如沙尘暴发生时）。也可能交换量=0.

2.期待有对应的测量仪器，计算公式被某人，单位所发明、发现...。