空中水的循环周期

张学文,2015/9/11 

(说明:本稿是我在2012年写的,现在公布于此.如果使用请注明出处)

某水体通过水分循环使其累积的周转量恰好等于其存储量，完成这个过程所需要的时间总长度称为水体的更新周期或者循环周期。某水体的循环（更新）周期也就是它循环（更新）一次需要的时间。根据空中水的存储量与它的周转量可以计算出该水体的循环周期（更新周期）。这里所谓的周转量也就是输出量或者输入量。对于空中水，它的输出量就是降水量，输入量则是蒸发量。

设一个地方空气柱所含有水汽总量h (水层厚度，空中水存储量）的多年平均值是25毫米[1]，而当地多年平均的降水量R=1000毫米/年，那么1000/25，（R/h），就体现了每年当地空中水在一年内更新40次，（1000/25）=40。或者说仅需要40分之一年的时间，就可以更新一次。而（1/40）年就是9.125天。所以（R/h）代表了空中水在单位时间（经常指1年，也可以是季、月、天）的循环次数。而它的倒数，（h/R）则表示循环一次需要的时间，或者说它是空中水循环更新周期。如果以τ表示空中水的循环周期的时间，上面的分析可以归结为下面的公式^[[2]]：

τ= h/R   (6.2)

此处的h代表存储量，R代表周转量。而单位时间空中水的循环次数n的公式应当是：

n=R/h             (6.3)

年降水量是1000毫米，空中水的平均含水量是25毫米这两个数据也是全球的平均情况。所以上面分析获得的空中水1年循环40次，平均9.1天循环一次的数据也代表了全球空中水的循环周期(更新一次需要的时间)。

其实，对于每个气象站，当具有本地的空中水存储量和降水量（周转量）数据时，就可以计算当地的水分循环一次需要的时间。表6.2给出了我国一些地点在冬季、夏季代表月份的水分循环周期（循环一次的天数）。

表6.2我国一些地方冬、夏季的水分循环周期[3]

从表6.2 可以看到在1月(冬季)我国多数地区的水分循环周期长,循环慢;而7月(夏季)就循环快,周期短。

以上是从地球上的某一个点分析水分的存在量与循环量的关系。这种分析的基本道理正确，但是没有把水汽还进行水平方向的运动这个环节考虑进去。更妥当的做法是直接用全球平均降水量以及平均含水量计算空中水的循环周期。世界各地的平均降水量大约是1000毫米/年，而含水量是25毫米，于是（1000/25）=40，即全球统一考虑是空中水一年循环40次。而365天更新40次，自然对应空中水大约9.1天更新一次。这个计算结果与各个单点的水分循环周期对地球面积的平均值一致。但是在数学上，它们并不必然相等。

另外，也可以不用深度而直接用水分的立方米或者立方公里计算它。由于地球的表面积是5.1亿平方公里，把它与1米深的水层相乘，就得到地球每年水分循环所周转的水量是51万立方公里（液体水的体积，下同）。另外，目前公认的空中水的数量是1.29万立方公里[4]（指它所折合的液体水的体积），即每年空中水输出的水量（周转量）与空中水的存储量本身的比值（51/1.29）是39.5。或者说每年参加水分循环的水量与空中水数量的比值是39.5。这也表明每年空中水在水分循环过程中要更新接近40次。

图6.4 指出空中水的存储量仅有1.29万立方公里，可每年进入（蒸发过程）和流出（降水过程）的水量（周转量）却分别是51单位万立方公里。（此图要刻意表现出空中水总量小而每年交换量很大的特点）

[1]空中水数量的计算在第2章具体介绍。

[2]如果这里的降水量是指年降水量，那么获得的τ值就是以年为单位的值，它一般需要乘以365.25天，以变成多少天更新一次。如果降水量指某月、季，则需要乘以对应的天数，以变成以天为单位。

[3]这里的空中水数据取自刘国纬的《水文循环的大气过程》一书的75-76页；降水量数据取自张家诚、林之光的《中国气候》552页的表。但是乌鲁木齐的降水数据取自新疆气象手册537页（张学文等，气象出版社）

[4]在《空中水文学初探》一书中已经提出对这个数量的怀疑，认为应当是这个值的6倍。

20151003补充：欢迎参考 http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-677435.html