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水汽能否带动大气运动?

已有 736 次阅读 2019-7-11 20:04 |个人分类:气候生态|系统分类:科研笔记| 水汽, 大气, 运动, 气象

水汽能否带动大气运动?

有这样一个问题困扰着我:蒸发的水汽能否带动大气运动(这个问题其实是檀成龙提出的,是一个很尖锐的问题)?仔细想想其实的确有大量水汽带动大气整体运动的现象,例如台风、热带风暴就非常典型,另外雷阵雨也是水汽带动大气运动产生的现象。但是,通常情况下是大气带动水汽运动,例如中国的梅雨,例如季风带来的锋面雨,例如冬季的雪,等都是大气带来的水汽降落而成。那么,哪种情况下水汽会带动大气运动呢?

水汽会带动大气运动的情况比较少见,情况比较极端,因此这类现象比较少,但是有几种情况是水汽带动了大气:

第一种:海陆风和湖岸风。在炎热的夏季,每天中午都会有海风吹向陆地,非常准时,时间大约从中午一点到下午七点多,这应该是水汽带动大气运动的一个现象。还有夏季的湖风,每天下午两点到五点前后,总会有从湖面上吹向岸边的风。我家在陕西省冯家山水库的西北三公里处,每年夏季几乎每天在我家傍边都能感受到从冯家山水库吹来的风,比较准时,但是持续时间短。有一次和几个朋友去水库风景区玩,就在水库岸边吹来了强劲的湖风,这种风不冷不热,正好舒服,吹得人的衣衫飘飘。但是距离湖以外几百米远,风力马上减弱。根据这些观察,我的经验结论是湖风的有效距离在几公里之内,持续时间较短,强度较小。而海风的强度大,持续时间长,距离远。这也是我的亲身体会,20055月去福州几天,几乎每天下午两点前后会有海风吹向福州的闽江沟谷,这个地方似乎容易产生海风。

第二种是雷阵雨。如果说海风和湖风是蒸发水汽带动大气的水平方向的移动,那么雷阵雨就是水汽带动大气产生的垂直方向上的移动。在《雷阵雨的尺度问题》中,已经研究发现雷阵雨(包括冰雹)是小尺度的自然大气现象,它常常在反气旋的大气环境下产生,它产生的时候天空是超级洁净的,雷阵雨的产生具有突然性。它不象海风那样每天都出现,而是在间隔好长时间以后再次出现,间歇时间较长,而且我们发现雷阵雨的水汽就是当地蒸发水汽形成的再次水汽循环。和湖风比较起来,它的出现没有时间规律,具有随机性;没有地点规律;其尺度要比湖风范围小一些。这些不同之处实际上也是水汽水平移动和垂直移动的规律不同引起,说明水汽垂直移动远远比水平移动困难(这是一条很重要的结论)。

第三,台风和热带风暴。实际上,热带风暴也是在大范围的反气旋控制之下产生的,热带风暴产生以前的大洋上,大范围的持续晴朗天气,在这种情况下大洋每天都会蒸发大量水汽,但是这些水汽不会液化,也不会远离,而是不断积累,形成大范围的湿度很高、空中水汽很多的情况。这时候形成了热带风暴的条件,但是海面上依然是均质情况。直到有一天某一个凝结核因子产生才会打破这种平衡和均质,进而产生热带风暴。凝结核因子包括以下情况:高空中突然有一天形成低温,和海面温差很大,携带水汽的大气会突然抬升,从而形成台风风眼;或者突然有一天,某地形成了一片乌云,使得太阳反射不再均匀,也会打破均衡;或者有地震波、飞机噪声波、或者某个巨大的物体打破水汽形成的均衡。一旦打破了均衡,气压会立即发生变化。在打破地点首先会出现大量携带水汽的大气自旋上升,大气冲向高空,同时形成脱水降雨。脱水降雨使得上升区的大气压和水汽压迅速下降,从而形成台风风眼周围的低气压,而这时候外围是高气压(海面附近),所以产生从外围到风眼的压力梯度力,台风开始形成,当外围水汽和大气向中间移动的过程中受到地球自转偏向力的作用,开始旋转,只有通过旋转才能进入中央的风眼,由于在旋转的时候风眼周围的气压并不均衡,而是四周有差别,风眼自身也开始移动,这时候台风正式生成。台风的压力是外围底层是高气压,风眼周围的低层气压较低,风眼周围的高空气压更低,台风外围的高空气压最低。高空中风眼和高空外围的压力差较小,近地层风眼和近地层外围的压力差非常大。这样就形成了一个大气的垂直方向的环流。正是这个环流驱动着台风的完整和前进。而台风的移动方向受制于台风外边更大范围的气压,台风总是向着压力小的方向移动,一般来说赤道周围压力大,高纬度地区压力小,所以台风基本上都是从赤道向着纬度高的地区移动。

台风和雷阵雨不同,也和海风不同。台风和雷阵雨的尺度相差很大,雷阵雨的尺度只有几公里,但是台风的尺度达到了几百公里到一千多公里。尽管台风尺度很大,但是它和雷阵雨一样都是在反气旋的环境中产生,周围都是静止大气。台风的尺度大,是因为它在洋面上生成,洋面上环境差异小,而雷阵雨在大陆形成,大陆的下垫面多种多样,热力学特点也是千差万别。所以,雷阵雨容易形成,而台风形成范围大,不容易形成,出现频次远远小于雷阵雨。当然,雷阵雨的影响范围和形成的作用也远远小于台风,给大陆带去的水分也远远小于台风。台风往往对上千公里的地方形成强降雨,大风天气,破坏能力很强。雷阵雨和台风的相同之处是:爆发的突然性,酝酿的长期性。为什么会有爆发的突然性?原因就是水汽的垂直运动具有突然性,而水汽的垂直运动的突然性来源于水的热学性质。

所以要追究水汽是如何带动大气作垂直运动和水平运动的,就必须考察水的热学性质。水的汽化热在常温常压下为2258千焦/kg,水的比热容为4.18千焦/kg.k,空气在20摄氏度的时候比热容为0.24千焦/kg.k,水蒸气在常压常温下的比热容大约为1.85千焦/kg.k。在自然界中,大气的温度一般都在40摄氏度以下,水的温度在40摄氏度以下。实际上,不同温度下不同介质的比热容不同,但是温度变化差异较小的时候,比热容变化也较小,所以我们假设各种介质在40摄氏度到零度之间的比热容一样,那么空气温度昼夜差在40度的时候,其热量变化为:1公斤水从零度到40度吸收热量167.2千焦,占水的汽化热的7.4%1公斤空气从零度到40度吸收的热能为9.6千焦,占水的汽化热的0.43%1公斤水蒸气从零度到40度吸收的热能为74千焦,占水的汽化热的3.3%1公斤水蒸气和1公斤空气从零度到40度加起来的热能仅仅是1公斤水的汽化热的3.73%。也就是说,只需要37克水气化就能够吸收全部热能,使得空气和水汽的温度下降40摄氏度。所以说,液态水的汽化热是制约空气温度的最关键因子。正是因为水的汽化热的制约才使得湿空气的温度不能随意地升高和降低,湿空气不能象沙漠中的干空气一样温度日较差很大。由于温度差不大,所以海风和湖风都是比较柔和,风速较小的。在真实的空气中总是空气和水汽混合在一起,这时候的绝对湿度a和水汽压e和温度T的关系公式a=217*e/T,可以计算出在40摄氏度下,水的饱和蒸汽压是 73.811hPa,占空气气压1013hpa的7.3%,当空气水汽达到饱和的时候的绝对湿度是51.2g/m^3.,它吸收的潜热为115.6千焦,而1立方这种混合湿空气中空气为1.29公斤,从零度上升到40摄氏度的时候吸收的热量为11.5千焦,总热能为127.1千焦,仅仅是1公斤的汽化热的5.6%。所以在实际情况下,湿空气的温度变化只占水的汽化热的一少部分。这种情况说明什么呢?

说明无论在海洋上,还是湖泊上,太阳辐射的大部分热量都会被水吸收,而且转化为少量的水蒸气,热能就储存在水蒸气中,储存在水蒸气中以后水蒸气的温度变化是很有限的。当大气温度下降的时候,水蒸气液化很少一部分以补充温度下降,进而大气温度下降很少;当温度升高的时候它再蒸发一少部分水分阻止温度升高,使得大气温度升高缓慢。因此在海洋和湖泊上,水分是热量的储存器,也是温度差(气温日较差)缩小的抑制因子。由于温度差很小,所以大陆和海洋之间的水平温度差也很小,因此湖风和海风都是柔和的,风速小,风力小。这是通常的情况,这种情况也说明在水平上,水汽不可能带动大气大范围的运动。这是我们的一个重要结论,我们把这个结论称之为“水的气化鸿沟”,水汽很难越过这个鸿沟,很难降温和升温。

既然在水平方向上,水汽不可能带动大气大范围运动,那么雷阵雨和热带风暴,这种极端天气又是如何产生的呢?我们认为依然是因为水的汽化热过于巨大的结果,也就是有“水的气化鸿沟”存在的结果。当地面液态水充足的时候,太阳辐射产生的热量基本上都被水用于蒸发,而温度变化不大,这个导致垂直方向上水汽运动和大气运动并不激烈,水蒸气大量集结在地面附近,既不能上升,又不能再次液化,当蒸发的量越来越多的时候,近地层的水汽量就非常多,近地层聚集的热能就非常多,这时候只要出现扰动就会发生巨大变化。一般来说,扰动的主要因子是低层和高空的气温差。雷阵雨的出现是这样:经过很多天的蒸发,地面聚集了大量水蒸气,这些水蒸气只有少部分逸散,少部分变成露水,水汽每天都增加,水汽是越来越多,同时水汽把天空中大量灰尘吸附并且降落,天空形成了超洁净天空,终于有一天,从早晨到中午,高空和近地面一起加热,但是地面加热相对快,而高空由于缺乏尘埃加热很慢,到了下午两三点,高空出现净辐射,温度快速下降,而近地面则由于有大量水汽无法降温,而且辐射使得近地层气温很高,这时候地面和高空之间出现了很大的温度差。所以当超过一定值的时候,地面和高空之间形成了巨大的气压差,突然之间垂直方向会形成快速移动,这时候地面大气急剧上升,大量水汽也随着大气迅速上升,上升过程中由于高空气温很低,水汽迅速液化形成积雨云,从而形成雷阵雨。所以雷阵雨具有突然性,由于陆地上水汽量很有限,所以这种上升运动很快结束,范围小,强度大,雨量少。但是在大洋中,会形成面积很大的近地层水汽,这些水汽在垂直运动形成后不会停止,而且由于上升区域的气压减小,从外围向中心会形成几百公里的压力差,在压力差作用下,近地层水汽向中心移动,移动过程中受到地球自转偏向力开始旋转,源源不断地向中心供应水汽,最后形成极大的气旋,这个气旋太大,克服了气温的昼夜差,所以形成昼夜存在而且移动的热带风暴,而由于有持续不断的水汽供应和巨大的水平梯度力,所以气旋中心的上升压力非常大,上升高度也很大,中心水汽的急剧的上升造成巨大的风速和降雨。所以,热带风暴的形成原理和雷阵雨一样,是大量水汽垂直运动带动大气运动产生,不同之处是热带风暴的水汽量远远比陆地的雷阵雨多,面积大,距离远,因而其风速更大,垂直运动更猛烈,上升高度极大,降雨量更大,持续时间更长,破坏力更大。和热带风暴形成原因相似的是龙卷风。龙卷风的形成其实与水汽多少关系不大,相对于雷阵雨,龙卷风的水汽较少,但是龙卷风也是由于近地层的温度过高,高空的温度过低,气压过小,高层和低层的气压差很大,所以形成了急剧的垂直运动,当大气垂直上升的时候带动周围空气向龙卷风的中心运动,垂直方向上过大的气压差导致水平方向上巨大的气压差,水平方向也迅速运动,在地球自转偏向力的作用下迅速旋转,而旋转又带动地面的强大的风,所以形成龙卷风。所以龙卷风的预防,必须首先防止出现地面和高空之间的巨大气压差。而一般情况下,超洁净的天空很容易出现巨大气压差(因为高空没有加热机制)。为什么美国经常出现龙卷风,而中国较少?因为美国的平原地区面积大,经常处在反气旋条件下,经常会出现大范围的地面高温和高空低温,一旦有引诱因子就会形成龙卷风。而高空低温会经常性出现在中纬度地区,低纬度地区的高空低温出现较少,这个应该与太阳的高度角有关系,与高空中受热状况有关系,也许还与对流层的厚度有关系,中纬度的对流层厚度薄,对流层顶端空气稀薄,气压小,这些都是龙卷风形成的客观条件。

可以说,雷阵雨、热带风暴是水汽带动大气垂直运动的典型范例,龙卷风也是水汽带动大气垂直运动,但是一般龙卷风中水汽很少,而且龙卷风主要是地面和高空巨大的气压差造成。我国发生的几次龙卷风具有水汽带动大气的特点,既有巨大的气压差条件,又有水汽条件,不过龙卷风更多地出现在中纬度的平原地区,雷阵雨更多地出现在山区。

以上分析表明,水汽是可以带动大气垂直运动的,但是这种运动是有条件的,条件1是地面水汽的积累,条件2是地面和高空的巨大气压差,或者说地面和高空之间巨大的温度差,高空常常在零度以下(形成冰雹)。冰雹和雷阵雨的形成机理一样,只是冰雹的形成是因为高空的温度极低,低于零下15摄氏度。所以水汽带动大气在水平方向上一般形成温和的湖风和海风,在垂直方向上会形成突然而且暴烈的雷阵雨,特殊情况下会水平运动和垂直运动并存的热带风暴和龙卷风。

从以上分析我们还会得出一个结论,就是地面的蒸发水汽不会轻易地上升到高空,它基本会集聚在近地层,除非有突然的气压条件,这个就是“水的气化鸿沟”的具体作用。因此,盆地效应中当地蒸发的水汽逃逸的可能性很小,很可能会形成多次地形雨,从而达到反复润泽盆地的效果。当然,高空中外来的水汽也不容易在盆地内部凝结成雨,要凝结必须具有温度降低的条件和水汽量相对充足的条件,两个都需要具备。高空水汽要降雨必须有一个降温过程。而本地蒸发的水汽要逃逸必须有一个再增温过程。因此,本地蒸发水汽和外来水汽是不同的。

当然,水汽带动大气运动,或者是大气带动水汽运动是一个很复杂的问题,里面应该有更多更深的学问,如果用模型来分析也许更好,我这里只能是简单的分析。

                            201979




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2 檀成龙 赵建民

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