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天空的脱水过程

已有 2491 次阅读 2017-1-24 01:26 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记| 过程, 蒸发, 降雨, 天空, 水汽压

天空的脱水过程

我们发现这样一些规律性的事件,例如电流在介质中的流动其实非常复杂,但是欧姆定律却把电流和电阻的关系简单地表达了出来,实际上真正复杂的东西隐藏在电阻的系数中;再比如万有引力定律,其实万有引力本身应该非常复杂,但是万有引力却以质量和距离的关系阐明了复杂的关系,但是同样的它的复杂性表现在万有引力的常数中(Universal Gravitational Constant)。另外我们还学习过一个流体力学中的常见公式谢才公式,它的复杂的一面同样体现在谢才系数中,谢才系数往往只有经验值。当然,类似的实例还很多,这些公式表明了这样一个问题:在微观上,动态上非常复杂的东西,需要通过微积分或者更多更有效的数学手段去研究和解决的问题,在宏观层次上往往具有简单的线性或者简单曲线性规律。

更进一步,当我们学习了系统论的时候,我们就更加明确在一个层次上表现出来的规律在更高层次上表现出不同的规律,或者说是简单的规律。所以当我们把这个规律——即在不同层次和尺度上表现出不同规律性拿到气象学上的时候,我们发现它具有完美的范例。例如热带风暴,它的形成机理很难演算,但是当它形成以后成为一个整体,这时候它的强度,行走的路径,降雨的强度和危害程度基本就能够确定了,当然它的完整的路径还不能预测,它的消失还不能确定。再例如,雷阵雨也有不可预测性和可预测性同时存在。

从以上的分析我们发现,如果纯粹地从蒸发和降水角度去理解和解释我们一年四季的阴晴是完全可以的,甚至我们可以把一年四季简单地划分为蒸发季节和脱水季节以及天空缺水季节,三个阶段。而完全不必要去追究水从哪里来,水量是多少,以及何时降落等随机性问题。

通过对天空中水汽的季节性研究,发现不仅中国的北方可以划分为蒸发季节,脱水季节以及天空缺水季节三个阶段,而且中国的南方也可以划分为蒸发季节,脱水季节以及天空缺水季节三个阶段,只不过有一定的时间差异。中国的南方从农历二月就开始了蒸发季节,但是蒸发季节并不一定都表现为明显的降水,在蒸发季节,蒸发在持续地进行,但是降水却是时断时续的,当然当天空中水汽达到一定的浓度的时候,就表现为持续的梅雨季节。持续时间大约一月有余。有些年份梅雨季节来得推迟,有些年份梅雨季节来得提早,有些年份梅雨季节持续时间长,有些年份梅雨季节持续时间短。但是往往有这种规律,当梅雨季节持续时间短的年份,盛夏季节会形成大范围和大强度的降雨。这表明天空中的水分因为某些原因而没有在梅雨季节液化彻底(至少我是这样推理的);而这些水汽滞留在天空,去向有两个,一个是向北方吹送,另外一个是在当地滞留和逸散,最后在夏季和海洋上过来的水汽一起形成高浓度的水汽,从而在恰当的气温和气压条件下形成大范围的强降雨。所以,在蒸发季节,蒸发在持续进行,而降雨在气温和气压条件合适的时候,随机地进行。南方地区进入十月以后,气温和海洋的温度趋于一致,水汽蒸发量大幅度减少,这时候可以认为不再蒸发,但是降雨依然进行,进入了天空的“脱水季节”,这个季节一般持续一个月,到了十一月底,在中国的南方,脱水季节结束,进入了既没有蒸发,也没有大范围较大强度降雨的天空缺水季节。但是,是不是说天空缺水季节中国的南方就不降雨了呢?很显然不是的,但是缺水季节中国的南方水汽是从哪里来的?这个问题非常复杂,也非常重要。但是有一点可以肯定,这些水汽不是来自蒸发季节的源发地,而是另有源地。

中国的北方从农历二月就开始了蒸发季节,但是北方普遍是大陆,没有蒸发的源地,所以尽管到了蒸发季节,但是却依然是天空缺水季节,这个季节一直要持续到南方梅雨季节的末期,即五月底。在一月到五月底这五个月之内都可以认为是北方的天空缺水季节。这表明天空中的水分是从海洋经过南方次序地进入中国北方的。而不是一蹴而就地突然飞跃到中国北方的,典型地表现在北方的雷阵雨频繁发生时是出现在梅雨季节的后期。在蒸发季节,蒸发在持续进行,而降雨在气温和气压条件合适的时候,随机地进行。在北方表现最为典型的是雷阵雨,雷阵雨具有典型的随机性和随时性,强度不同。当然也有一些规律可以寻找,例如“雷阵雨三后晌”。而且在北方有些地区在夏季会形成“连阴雨”。这种连阴雨并不多见,在秦岭一线比较多见,但是也往往是十年遇见一两次。连阴雨在中秋的北方比较多见,可以覆盖西北华北的多数地区,实际上到了秋季北方的蒸发季节已经结束。这时候北纬40度以北地区的气温已经下降到了十摄氏度以下,北纬三十三度到北纬四十度之间也已经有很大的降温,蒸发量大幅度减少。所以可以认为到了秋季,北方到了水汽的“脱水季节”。但是北方的脱水季节非常有特点,持续的时间长,降水的强度小,阴雨天气多。总是处在“阴雨绵绵”的状态。这种阴雨绵绵的秋雨常常能够持续一个月到两个月,覆盖范围能够达到北方地区的三分之一,十年之中往往会有四次或者更多次这种“阴雨绵绵的秋雨”。尤其是秦岭以北的广大地区。由于秋季的阴雨绵绵的秋雨期间没有强阳光和高温,所以很显然这些雨水不是源自于这段时间,但是却不能说不是源自于本地,一般推理,我认为就是本地在高温的夏季从本地蒸发并且从外地运动过来的高温的气体,它们在本地大范围地形成了稳定气团,停滞在本地形成了降雨。也有这样一个情况,当本地气团停滞不动的时候,南方的水汽继续向北方输送,从而在秦岭形成锋面,出现持续地大范围的降雨。总而言之,北方的秋季和十月往往是天空中的水汽的脱水季节。过了这个季节,北方的天空中非常缺乏水汽,往往从十二月到次年五月很少降雪。形成典型的干旱季节。所以,和中国的南方比较,北方的干旱季节很长。一年中几乎占一半。当然,并不是说中国的北方在冬季和春季不降雨,但是冬季和春季的降雨往往来自于西伯利亚地区(即北冰洋),尤其是新疆。而中国东北的冬季降水的水汽来自于北太平洋。其它地区的水汽来源比较复杂,有可能是大地大环流带来的,但是大环流,比如哈德孙环流,抬升高度达,带来的水汽肯定是有限的。

所以,通过以上分析,我们认为,凡是大陆蒸发的水分很少逃逸,一般必然地在蒸发地周围一千公里的范围内形成降雨。也就是说,凡是在大陆蒸发的水分必然地在大陆形成降雨,而不会逃逸。之所以我们认为没有逃逸,第一,从尺度上说,我们是在以千为单位的地域来考察的。第二,中国国的地形决定了水汽难以逃逸,除过东面开阔以外,西面,西北和北方都是高山环绕。第三,中国北方秋季的连阴雨已经表明水分完全的脱离了空气,这种脱水过程是随着气温的持续下降而持续进行的,这种随着气温的持续下降而持续降雨,使得空气中的绝对水汽压一直在减少,尽管相对水汽压一直处在饱和状态。第四,北方的秋雨之后的持续干旱表明天空中的确已经没有了水分,这种情况不仅仅表现在平原地区,也表现在地形复杂的山区。因此脱水过程的判断是恰当的。

由以上的分析,我们来回答两个问题。第一个问题,我们如果按照檀成龙同志建议的那样,向中国北方内陆大范围大规模调水,会不会导致中国北方的降水量增加?这个问题通过天空脱水的分析我们已经得出结论——这些水汽不会走远,而且这些水汽会在秋季参与到北方天空的脱水过程中来。因此,调水是有积极的意义的。中国到了十月份到次年三月份,这段时间是冰天雪地的,由于气温的影响,蒸发量是很少的。只有以升华的方式蒸发少量。相反,只要天空有水汽,它却会以雾凇的形式形成与天气无关的水平降雨。所以,我的初步结论是,东水西掉产生的蒸发水汽实际上上无处可逃,依然会降落到中国大地上。当然这种降水的非均匀性依然是很明显的。

第二个问题是我国冬季大范围的雾霾天气和水汽是什么关系?对于冬季降雪的影响有没有关系?我们发现几点:第一点,雾霾的形成并不是天空中的尘埃造成的,而是天空中的化学物质造成的。每当天空中有一定的水汽,并且相对水汽压达到一定程度的时候,这些空气中的化学物质就吸附水汽,形成以它为核心的雾气,从而形成大面积的雾霾,可见度大幅度降低。第二,雾霾天气往往破坏了即将形成的降雪环境,从而使得冬季降水变少或者不再降雨,这就是最近三十年来北方冬季降水减少的根本原因之一。雾霾是如何使得冬季降水变少的呢?当雾霾形成的时候,水汽还没有完全达到饱和,也就是说当雾霾条件形成的时候,降雪的条件还没有形成。但是这时候形成的雾霾,由于可见度低,小粒子非常多,它不断地从大地、汽车、工厂、居民区等地方吸收热量,吸收的结果是水汽的饱和度减少,距离降雪条件越来越远,最后这些水汽只有一少部分以水平降雨的形式(雾、霜、露水)降落以外,其它大部分再次逸散到空中。所以,通过以上推测认为,工业汽车污染是造成最近三十年冬季北方减少的最主要原因。

以上推理,尽管合情合理,但是依然在假设阶段。




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1 檀成龙

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