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《空中水文学初探》第1章

已有 3085 次阅读 2010-5-16 16:53 |个人分类:空中水科学|系统分类:论文交流|关键词:空中水、水文学、气象| 空中水、水文学、气象

1章引论

(全书的word版,请到http://zxw.idm.cn/myweb/2010/空中水.htm空中水.htm 下载)

1章引论... 1

§1.大气水分问题的特殊性和重要性... 1

§2.空中水文学的定义... 3

§3.空中水文学与其他科学的关系... 3

§4.空中水文学的观测与资料基础... 5

§5.空中水文学的理论基础... 5

§6.空中水文学的应用... 5

空中的水分数量虽然远比干空气少,可它的活动却使地球生机勃勃刘国纬语。空中水的知识重要又分散于气象学的各个部分。建议把分散的空中水知识汇集到一个统一的、不重叠、自洽又比较完备的知识体系内。 “空中水文学”就是我们对它的称呼。

§1.大气水分问题的特殊性和重要性

地球的岩石圈(固体)的质量约为6.6×1021t,水圈(液体,以海水为主)的质量不足它的千分之一,而地球的气圈(气体,空气)的质量又仅占水圈的千分之几。空气主要由氮、氧、氩组成,大气中含有的水分(水汽)仅占空气总质量的千分之二。各种云(颗粒体)也是水分,但是它的质量仅是大气中水汽的千分之七(表1.1)。粗略地说,地球的这5种物质存在状态(固体、液体、气体、空中水汽、云滴颗粒)的比例关系几乎都是10001的水平。图1.1 把它们的名称为横坐标,以它们的质量的对数值为纵坐标,就可以看到对应的点子几乎在一条直线上。利用它也容易记住大气中的水汽和云所占的比例[1]

 

1.1 地球上几种物质的数量和比例关系

(大约保持10001的比例关系)

物质的形态

地球上的物质

它们的总质量

质量的

对数值

表的相邻项的质量的比例

t,吨)

LOG

(千分之)

固体

岩石圈

6.6×1021

21.8

 

液体

水圈(海水,极冰等)

1.4×1018

18.1

水圈/岩石= 0.2

气体

气圈(空气)

6.5×1015

15.8

空气/水圈=5

水汽

空中的水汽

1.3×1013

13.1

水汽/空气= 2

水颗粒

以云体为主

9×1010

9.9

/水汽= 7

 


1.1 地球几种成分的数量(质量)的比例几乎相同

 

大气中的水分所占的比例非常小,但是它的活动严重影响着地球表层的生态环境和人类的生存。大气水分有其特殊性和重要性。

大气中的水分有三个明显的特殊性:

l         可以进行三态转化:在地球的温度和压力条件下,水汽是大气中唯一的可以进行物质三态(气态、液态、固态)互相转化的物质。而氮、氧、氩等,则仅以气体状态存在于大气中。

l         频繁地进出下垫面:干空气可以进、出海水和陆地(地球下垫面)的数量非常小,气象学里几乎忽略这个物理过程。但是,大气水分的情况就不同了。每年进出下垫面(海洋和土壤)的水分的数量几乎是空中水分的数量的40倍。发生在大气下界的这个激烈过程就是大气水分以“降雨、下雪”的形式进入下垫面和以“蒸发”形式从下垫面升空。确实,如果空气每年有40次进出下垫面,现在的气象学就得改写了。反之,研究大气水分而忽略这个过程就非常片面了。存在强烈的水分循环是大气水分活动的重要特点。

l         固态和液态的水分以小颗粒的集合状态(即云)存在于空中:大气密度大约是以固体的冰或者液体的水的千分之一,从物理学知识来看,大气中的冰或者水就应当以自由落体的高速度掉下来(析出大气)。但是,大气中的固体、液体水分不是一般意义下的冰和水,它们都是以非常小的颗粒状态存在于大气中。这些小颗粒的集体就是我们熟悉的各种“云”。这些云在大气中广泛存在,自由飘动。我们担心石头从高处掉下来砸着,但是我们从来不担心云掉下来扎着谁。而一旦以微小颗粒状态存在于地球中的水分(云)迅速变成了大颗粒(雨滴、雪花、冰雹等),它们就加快了下降速度。几分钟的时间它们就从高空落到地面(降雨和下雪)。空中水的颗粒态有别与物理学一般介绍的物质固态、液态、气态三态,我们需要独立分析其特有规律。

大气水分的这些特殊性对地球生态系统和人类社会带来了严重的影响。这体现了空中水分问题的重要性和复杂性。      

没有大气降水,在陆地上就没有水分、没有河流,陆地生物几乎没有办法生存。短时间的雨水过多(如暴雨)或者长时间的雨水过少,就可能造成水灾或者旱灾。20世纪末中国每年因此造成的经济损失大约在数百亿到数千亿元之间。这从一个侧面说明大气水分状况对社会生活的严重影响。实际上世界各地的农业、牧业以至生态环境都与大气的水分活动(降水量等)关系密切。把大气水分问题单独提出来研究不是小题大做而是理所当然,是早该如此。空中水文学显然是一门社会意义非常大的理论科学和实用科学(技术)。

§2.空中水文学的定义

简单地说,关于大气中水分的系统性知识和相应的应用技术,称为空中水文学(大气水文学)[[1]]。空中水不仅是指空中的水蒸气(水汽),五彩缤纷的云, 雨、雪、冰雹等在落到地面之前也属于空中水。如何观测、认识、预告和影响各地的降水量、蒸发量都是空中水文学的内容。

更具体地说,大气中的水分的存在、运动、变化、作用的知识和相应的应用技术都属于空中水文学研究的范围。

存在:大气中的水分是如何存在的。如气体状态的水汽、各种云(颗粒形态的云滴和冰晶的集合)、各种降水物(雨、雪、雹等)以及它们的数量、时间和空间分布等。

运动:大气水分(气体、液体、固体)随大气的运动,也存在相对于大气的运动。这些运动的数量、方向、特点和规律等。

变化:大气水分的状态变化(气体、云滴、冰晶、雨滴、雪花、冰雹)、它从大气中的析出(降水)与从外界的补入(蒸发)、水分循环、水分参与的化学过程等。

作用:上述水分的存在、运动、变化对大气(含天气系统)、地面(含冰川、河流等)和生物(含人类)的影响。

另外,利用大气水分的知识和相关的技术手段去预告、影响、改造各地的大气水分和地面水旱状态的技术也是空中水文学的内容。

空中水文学是以分散在气象学中水分知识为原料的,它不排斥气象学中关于水分的具体认识(如降水物理学、雷达气象、降水统计),但是它强调这些知识的自主性和系统化,这不仅要有自洽性,而且力图比较完备。

§3.空中水文学与其他科学的关系

空中水文学既然是研究大气中的水分知识和应用技术,它必然与大气科学(气象学)有密切关系。过去认为极少量的大气水分仅是伴随着干空气(没有饱和之前)一起运动,这使得气象学中的水分问题不能占有很高的理论地位。

过去,鉴于大气水分的特殊性和重要性,气象学对大气水分给予了很多关注,在气象学的各个分支中几乎都积累了很多关于大气水分的知识,还提出了“水文气象学”这个名称,但是到20世纪,关于大气中的水分知识多是寄生在气象学各分支中,而它自己并没有比较完备的知识体系。创立以空中水为主体的知识体系是新世纪的任务。

空中水文学

对各分科中水分知识的再组织

天气学

动力气象学

 

降水物理学

雷达气象学

卫星气象学

统计气象学

云物理学

气候学

关于气体、水分的一般物理学化学和地理知识

框图说明气象学的各个分支都有很多大气水分知识的实际情况。但是,它们需要再组织而形成一门独立的科学学科。它们需要有自己的理论框架把分散的空中水知识恰当地放到合适的位置上。再进而理出应该特别需要开发的空白区。

 

       水分是地球表层最活跃的物质成分,也是生态系统不可缺少的生存基础。水分在地球上以海水、地下水、冰雪、河水和大气水分等多种形态存在。大气水分与这些不同形态水分的互相转化组成了地球表层的水分循环。研究地球表层的这些不同形态的水分活动的规律性的知识称为(地球)水科学或者广义的(地球)水文学

 

地表面水文学:

陆地水文学

海洋的水文学:

海洋学

地下的水文学:

水文地质学

空中的水文学:

空中水文学

地球的

水文学

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

地球的水文学中的地面部分、海洋部分、地下部分分别称为陆地水文学、海洋学和水文地质学,地球水文学的大气部分就是空中水文学。空中水文学既是大气科学的一个分支,也是水文学的组成部分。

§4.空中水文学的观测与资料基础

任何科学学科都要收集自己研究对象的大量实际资料。空中水文学要研究大气中的气体状态的水汽、液体和固体状态的水分--云、雾、雨、雪的资料。这包括它们在各个地方、各个高度上的存在情况和随时间的变化情况。

       目前各国政府几乎都在自己的国土内组建了各种类型的气象站。分布在世界各地的仅仅进行地面气象观测的气象站有上万个(不包括近年迅速增加的自动气象站)。它们每天都按照比较统一的规定进行着关于大气云、雨、蒸发、大气含水量(湿度)的观测。这种全球规模的立体的观测在二次世界大战以后已经形成。世界各国水文、农业等部门也建立了相当密集的降水量、蒸发、土壤蒸发观测业务。这些都为空中水文学积累了丰富的原始资料。另外,全世界大约有上千的高空气象站分布在各地(海洋上很少),它们主要是施放带有观测仪器的气球在规定的时间(一般是每天1~2次)升空,对30公里以下的气象情况进行观测,这又提供了关于大气水分在高空的分布和运动的资料。

       20世纪60年代以来出现了人造气象卫星,它们从高空反观地球大气,从而收集了大范围的云的资料。而测雨雷达提供了降水量的分布情况。在研究工作中人们还利用火箭、飞机、气球深入大气,也收集了关于大气水分和云的有关资料。

地面气象观测、高空气象观测、气象卫星观测、测雨雷达观测、火箭、飞机、气球(还有GPS—地球定位系统)从不同尺度、不同地区、不同高度为我们提供了不同类型的大气水分资料。充分利用这些资料和物理、化学、地理知识我们应当对大气水分的存在、运动、变化等情况形成了比较系统的认识。

§5.空中水文学的理论基础

现代科学知识体系是个大家庭。空中水文学要成为其一员,它要与这个知识体系没有矛盾,应当充分吸收有关基础知识作为自己的理论的一部分,而且还应当有自己独到的概念、理论、方法和成果。

数学、物理、化学知识是基础知识,地球科学和气象学的一般知识也应当是空中水文学需要承认和充分利用的知识。但是,我们也要看到空中水文学的特殊性,要提出有自己特点的理论知识体系。物理学认为物质有固体、液体、气体三个基本存在形态,但是颗粒状态的云滴、雨滴在空中水里必需特别考虑。物理学认为水往低处流,但是大气里的云滴竟然飘在大气中。化学认为水是没有颜色的,可大气中的云滴在阳光下五光十色。物理学应当是研究空中水的有利武器,但是空中水文学显然要对“颗粒态的水”(以及它们的集合)做特殊分析。

针对大气中的水分的特殊性,就要提出特有的概念,寻找、揭露、利用与之对应的规律性就是空中水文学自己的任务。

关于空气和水分的基本知识、关于非均匀的混合气体[[2]]、多相流体力学[[3]]的知识以及物质守恒[[4]]、能量守恒和熵最大原理[[5]]等都应当是理解空中水的特征的武器。

§6.空中水文学的应用

空中水文学提供的知识不仅使水文工作者对大气水分有一个集中而系统的了解,也使气象工作者看到关于空中水的知识是存在一个系统的框架的。经过梳理的空中水知识不仅可以应用于降水的预报、降水的气候学和天气学研究、人工影响天气、跨流域引水对气候的影响以至气候改造工程,而且会使相关知识的发展得到系统而快速的提高。

参考文献



[1]把不同类型的地球物质这样并列起来比较,可能读者感到诧异,问这是否犯了混淆概念的错误。作者认为这样做并无不可,何况它帮助我们记住跨度达到10多个数量级的不同的量的内在比例关系。



[[1]] 张学文等.大气水文学初探[J].水科学进展,2004155):679-682

[[2]]  S.查普曼等.非均匀气体的数学理论[M],北京:科学出版社,1985

[[3]] 郭烈锦.两相与多相流体力学 [M].西安:西安交通大学出版社,2002

[[4]] 刘国纬.水文循环的大气过程[M].北京:科学出版社,1997

[[5]] 张学文.组成论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2003



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2 刘苏峡 金小伟

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