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能仅仅根据低层大气的相对湿度来划分干湿盆地吗?!

已有 464 次阅读 2020-5-1 10:42 |个人分类:反驳质疑|系统分类:科研笔记| 相对湿度, 干盆地, 湿盆地, 准噶尔盆地, 华北平原


能仅仅根据低层大气的相对湿度来划分干湿盆地吗?!

——准噶尔盆地与华北平原冬季可降水量的比较

 

1为准噶尔盆地冬季阴雾天气时大气层的温度分布,摘自《新疆气象手册》第2篇第1章第5。由图1可知,海拔10001600米为逆温层,准噶尔盆地冬季海拔1100米以下的大气层,大气温度与露点温度非常接近,相对湿度接近100%,大气非常潮湿,但逆温层以上的大气层(海拔1600米以上),温度露点差T-Td(大气温度与露点温度之差)比较大,空气比较干燥,相对湿度很低。有专家认为:“准噶尔盆地冬季积雪面积很多,乌鲁木齐也是经常飘雪花。这里大气的底层是比华北要更潮湿的地方” 冬季准噶尔盆地大气的低层比华北潮湿,那大气的中层和高层比华北潮湿还是干燥?冬季准噶尔盆地整个大气层比华北平原整个大气层潮湿还是干燥?还有,准噶尔盆地冬季低层大气潮湿的主要原因是什么?本文利用《我国上空的水汽含量及其气候学估算》(应用气象学报,2012,23(6):763-768)研究得出的可降水量对以上问题进行讨论分析。

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1 数理统计图表揭示的一些观点认识

对中国125个探空站的逐月可降水量进行筛选,可做出表1~4,再根据表1~4的有关数据可做出图2~5,由数理统计图表可得到以下观点认识:

1、某地某月的平均可降水量受季节、纬度、海拔和下垫面的本地蒸发等影响,当其它条件基本相同时,可降水量(柱空气水汽含量)与纬度负相关,纬度越大可降水量越小,纬度越小可降水量越大,表1~4也有可降水量与纬度负相关的一些表现。例如,⑴在表1中,除海拔较高的北塔山站以外,阿勒泰的纬度最大,逐月可降水量最小。   ⑵在表3中,前5个站的纬度大一些,逐月可降水量小一些;后4个站的纬度小一些,逐月可降水量大一些;北京的纬度最大,逐月可降水量最小;阜阳的纬度最小,逐月可降水量最大。   ⑶在表4中,前4个站的纬度大一些或者海拔高一些,逐月可降水量小一些;后4个站的纬度小一些或者海拔低一些,逐月可降水量大一些;嫩江的纬度最大,逐月可降水量最小。

2、图2中,天山南北的逐月可降水量相差不大,北疆的可降水量还要大一点,不符合可降水量与纬度负相关的一般变化趋势,原因是北疆的年降水量大一些,可供蒸发的水分多一些,本地的年实际蒸发量大一些;与此相反,南疆本地的年实际蒸发小一些。这说明本地蒸发确实能增大本地的空中水汽含量,与《一论》至《三论》的论点相符。

3、在图345中,准噶尔盆地冬季的可降水量与华北平原和东北平原相差不大,夏季的可降水量与华北平原和东北平原相差很大,原因是华北平原和东北平原夏季下垫面有水可供蒸发,蒸发产生的本地水汽比准噶尔盆地大得多(这至少是原因之一)。这再次证明本地蒸发确实能增大本地的空中水汽含量。向超深盆地特大规模调水、沙漠全部变成绿洲以后,本地蒸发大幅增加,春夏秋三季特别是夏季空中水汽含量和降水量有望大幅增加。

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4、图3中,冬季12月、1月、2月是天山以北5个站可降水量的平均值大于北京的可降水量,小于华北平原9个站可降水量的平均值。因为天山以北的纬度大于北京的纬度,所以,天山以北5个站可降水量的平均值大于北京的可降水量不符合可降水量与纬度负相关的一般变化趋势。因为天山以北的纬度大于华北平原的纬度,所以,天山以北5个站可降水量的平均值小于华北平原9个站可降水量的平均值符合可降水量与纬度负相关的一般变化趋势。这说明准噶尔盆地冬季阴雾天气时低层大气确实潮湿,致使准噶尔盆地12月、1月和2月的可降水量反常并且偏大(大于纬度更小的北京),但对整个大气层来说,不能说冬季准噶尔盆地比华北平原潮湿(因为冬季1月、2月和12月华北平原可降水量比天山以北可降水量分别大1.4mm2.0mm1.2mm,用百分比表示就是分别大30%41%21%)。

5、图4中,1月、2月、3月、11月、12月天山以北5个站可降水量的平均值大于东北平原8个站可降水量的平均值,这符合可降水量与纬度负相关的一般变化趋势。

6、图5中,冬季12月、1月、2月北京的可降水量小于克拉玛依和乌鲁木齐的可降水量,与阿勒泰的可降水量几乎相等。因为北京的纬度比克拉玛依和乌鲁木齐的纬度小一些,比阿勒泰的纬度小得多,所以,图5中冬季12月、1月、2月的表现不符合可降水量与纬度负相关的一般变化趋势。这说明准噶尔盆地冬季阴雾天气时,低层大气确实潮湿,致使准噶尔盆地12月、1月和2月的可降水量反常并且偏大(可降水量大于纬度更小的北京)。

 

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根据以上6点认识特别是第4点认识和图1,可得出以下结论:一般情况下,即使是冬季,准噶尔盆地整个大气层的可降水量也比华北平原的可降水量小一些(北京位于华北平原北部,纬度较大,可降水量较小,属例外情况);冬季准噶尔盆地大气的低层比华北平原潮湿,潮湿空气层的厚度大约只有600米,自地面至海拔1100米左右;大气的中层和高层比华北平原干燥(海拔1600米以上)。

 

2 准噶尔盆地冬季水汽成云致雨的动力条件

逆温层非常稳定,逆温层阻断了逆温层上面和下面的空气交换,即空气的对流运动受阻。受地面和逆温层的双重影响(地面和逆温层类似于两块平板),准噶尔盆地冬季厚度大约600米的潮湿空气层凝结变成降水的动力条件很差;逆温层以上的空气层干燥,水汽压很小,水汽压的垂向梯度也很小(由《5章的小结说明和西北降水量显著增加原因解释的百家争鸣》第4.4节可知,水汽压越小,水汽压的垂向梯度越小),再加上逆温层减少了对流运动的活动范围,致使逆温层以上水汽凝结变成降水的动力条件也很差。因此,准噶尔盆地冬季水汽成云致雨的动力条件很差。虽然冬季准噶尔盆地的低层大气潮湿,但中层和高层大气干燥,整个大气层的可降水量很小,仅5mm左右,再加上水汽变成降水的动力条件很差,所以,冬季准噶尔盆地的降水量很少。

 

3 大范围的积雪和逆温层下面的低层云雾致使低层大气降温

一是积雪反射太阳光,反射率高达0.9, 致使地面获得的太阳能锐减,地面和低层大气快速降温,有利于超深盆地逆温层的形成(高层气温与大范围空气流动相联系,它没有同步减少),详见图6的第①步演变;二是积雪表面的水分蒸发变成水蒸汽,并且吸收环境热量,致使地面和低层大气降温,这也有利于超深盆地逆温层的形成,详见图6的第②步演变;三是积雪蒸发产生的水汽冷凝变成了低层云雾,低层云雾再遮挡太阳光,致使地面和低层大气降温,这也有利于超深盆地逆温层的形成,详见图6的第③步演变;逆温层初步形成以后,逆温层阻止水汽向上扩散,水汽就只能在逆温层下面聚集,地面和低层大气降温致使聚集在逆温层下面的水汽变成低层云雾、遮挡太阳光,详见图6的第④步演变。第③步和第④步演变循环往复,相互促进,从而大幅降低地面和低层大气的气温。

在逆温层形成的初期,第①步和第②步演变起主导作用,在逆温层存活的后期,第③步和第④步演变起主导作用(原因是有了低层云雾遮挡太阳光,已经没有很多太阳光供积雪反射;地面的相对湿度很高,水汽接近饱和,蒸发量已经很少了,因水分蒸发吸收的环境热量已经很少了)。

图6中,没有大范围的积雪,就没有逆温层的形成,大范围积雪是驱动因子,对逆温层的形成至关重要。低层云雾扮演着非常重要的角色,没有低层云雾例如冷空气入侵破坏逆温层、打散低层云雾,第③步和第④步演变将不复存在。

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图6  大范围积雪导致超深盆地逆温层与低层云雾相互促进的逻辑框图


图6中主要涉及大范围的积雪、逆温层下面的低层云雾、地面和低层大气降温三个方面,有了大范围的积雪和逆温层下面的低层云雾,地面和低层大气就会降温。以下3点证据证明在大范围积雪与冬季逆温层存活期, 地面和低层大气的温度确实下降了,图6所示框图确实成立:

1、在图1中,海拔1600处的气温在0℃左右,如果没有逆温层和大范围积雪,按气温直减率推算,地面气温在7℃左右,但地面实际气温为-8℃,也就是说,逆温层下面的低层云雾和大范围的积雪等原因致使地面气温下降了15℃。

2、准噶尔盆地每年冬季都有逆温层和大范围积雪,与准噶尔盆地不同,吐哈盆地和塔里木盆地大多数年份都没有逆温层和大范围积雪,只有少数年份有逆温层和大范围积雪,一旦遇上大范围积雪和冬季逆温层时,当地的低层气温就会大幅下降,图7摘自《新疆气象手册》第2篇第1章第5,图7非常直观、极其“清楚地表明在12月下旬到2月上旬的温度比常年低了大约10℃”。没有图6中第③步和第④步演变的循环往复,相互促进,图7中的最低气温不可能比常年气温低大约10℃,最低气温不可能达到-20℃左右。按此推算,大范围的积雪和逆温层下面的低层云雾致使吐鲁番盆地的冬季气温降低了大约10℃

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3、据《新疆气象手册》第2篇第1章第6.3介绍,冬季准噶尔盆地“当有天气系统进来时,哪怕是弱冷空气入侵,天气系统的动力破坏了逆温层的结构。结果是低空的温度下降而地面附近的温度反而上升。于是出现了冷空气进入,地面变暖的现象”。 破坏了准噶尔盆地逆温层的结构,打散了低层云雾,地面气温变暖了,在此过程中,第①步和第②步演变仍然存在,但第③步和第④步演变不复存在,这就证明逆温层下面的低层云雾确实降低了地面和低层大气的温度,并进一步证明,在逆温层存活的后期,主要是第③步和第④步演变起主导作用。

张学文老师在《积雪锁冬寒》中阐述了“准噶尔盆地冬季特别冷”。准噶尔盆地每年冬季都有逆温层和大范围积雪,逆温层下面的云雾和大范围积雪等导致低层大气大幅降温,《积雪锁冬寒》是对以上自然现象和机理解释的高度概括。

 

4 准噶尔盆地冬季低层大气潮湿的主要原因

一般情况下,水汽压的垂直分布公式是y=e0/10(x5000),式中e0为地面水汽压,x为距离地面高度,单位为米。按以上公式,地面水汽压比较大、比较潮湿,高空水汽压也应该比较大、比较潮湿,但准噶尔盆地冬季阴雾天气时,大气的低层比华北平原潮湿,大气的中层和高层比华北平原干燥,不符合水汽一般的垂直分布特征,属异常的垂直分布特征,这是为什么?以下谈一下作者的初步认识:


一是准噶尔盆地冬季积雪面积很广,虽然冬季气温很低,积雪的实际蒸发量很小,但下垫面大面积蒸发,肯定能增加低层大气的水汽含量;二是逆温层阻断了水汽的向上扩散,致使蒸发产生的本地水汽只能在逆温层下面非常有限的空间内集聚;三是由第3节可知,逆温层下面的云雾和大范围积雪等原因导致低层大气大幅降温,致使饱和水汽压很小,水汽压相同时,相对湿度就会显著增加(本博文后面贴出了《十五论》的表1。由《十五论》的表1可知,当气温低于0℃时,气温下降10℃饱和水汽压减少一大半。例如,图7中最低气温由大约-10℃下降到-20℃时,饱和水汽压就由2.6hPa下降到 1.0hPa,因此,相对湿度计算公式中的分母就由2.6hPa变成了1.0hPa,仅饱和水汽压减少就能使相对湿度增加到气温下降前的2.6倍)。以上三大原因特别是第三点原因导致低层大气的相对湿度很大,空气潮湿接近饱和,这就是准噶尔盆地冬季阴雾天气时,大气的低层比华北平原潮湿的原因。

因为逆温层阻断了低层水汽的向上扩散,逆温层以上的中层和高层大气得不到一点点低层水汽的扩散补充,致使准噶尔盆地冬季中层和高层大气干燥,这就是准噶尔盆地冬季阴雾天气时,大气的中层和高层比华北平原干燥的原因。

 

5 干湿盆地划分依据的讨论

冬季准噶尔盆地大气的低层比华北平原潮湿,大气的中层和高层比华北平原干燥,我们不但要看到冬季准噶尔盆地低层大气的潮湿,还要看到中层和高层大气的干燥,要全面客观地看待整个大气层的干湿状况。即使准噶尔盆地冬季处于阴雾天气的有利情况下,准噶尔盆地整个大气层的可降水量仍然小于华北平原整个大气层的可降水量(位于华北平原北部致使可降水量较小的北京除外)。


不考虑中高层大气的干燥,把低层大气持续时间比较短的(据《新疆气象手册》第2篇第1章第5介绍:“准噶尔盆地的低云雾几乎是每年都出现的天气现象,但是不同年份维持时间不同。有的年份仅数日,多者达10天以上。”)厚度大约只有600米的潮湿空气层作为唯一的划分依据,据此把冬季准噶尔盆地划入湿盆地的范畴,这样的划分依据既不全面也不客观,片面性很大(持续时间短、厚度太小、没有考虑其它水分)。可降水量能反应整个大气层水汽的绝对数量,耕作土壤的水层厚度比冬季可降水量又要大一个数量级,在干湿盆地的划分依据中,整个大气层的可降水量和土壤水层厚度都应该成为其中的参考指标。


准噶尔盆地冬季的阴雾天气是大范围积雪和逆温层等综合作用的结果,随着春季丰富日光的到来,逆温层就会消失,低层水汽就会向上扩散,阴雾天气就会消失,在土壤水分很小的现状情况下,准噶尔盆地就会变成完全彻底的干盆地。向超深盆地特大规模调水沙漠变绿洲以后,土壤的水层厚度会逐步增加。如果准噶尔盆地冬季阴雾天气时,土壤富含水分,土壤的水层厚度很大,那么,准噶尔盆地就会由冬季临时性偏湿(在这里临时性偏湿是指仅低层大气潮湿,中高层大气干燥,低层大气下面的土壤的含水量很少)慢慢延续过渡到全年都偏湿,准噶尔盆地就会由冬季临时性偏湿的干盆地变成一年四季都比较湿的常久性湿盆地

 

 

 

配套的Excel:准噶尔盆地与华北平原冬季可降水量的比较

能仅仅根据低层大气的相对湿度来划分干湿盆地吗.doc


2020年5月2日补充以下内容:

1、这篇博文的第4节使用了《十五论》表1的数据,为减少各位专家学者查找相关数据的麻烦,以下贴出《十五论》的表1:

《十五论》表1:不同温度下饱和水汽压、饱和水汽绝对湿度的计算成果表

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2、下图摘自《利用不同资料研究我国大陆上空柱水汽含量》(应用气象学报.第23卷第1期,2012.2.)。由图可见,在经度相差不大的情况下,中国各地可降水量(柱水汽含量)的一般变化趋势是与纬度负相关,纬度越大可降水量越小,纬度越小可降水量越大。

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