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多年平均降水量的主要和次要影响因子(2020修正版)

已有 2301 次阅读 2020-12-16 16:50 |个人分类:反驳质疑|系统分类:科研笔记

多年平均降水量的主要和次要影响因子

 

1 多年平均降水量的主要影响因子只能在空中水汽中查找

据观察和前期的研究,多年平均降水量的影响因子很多,空中水汽的绝对数量和相对数量、风力风向与地形地貌的相对位置(如迎风坡和背风坡等)、平均气温、海拔高程等都是多年平均降水量的影响因子。水汽是降水的物质基础,没有水汽就没有降水,因此,风力风向与地形地貌的相对位置(如迎风坡和背风坡等)、平均气温、海拔高程等都不是多年平均降水量的主要影响因子,多年平均降水量的主要影响因子只能在空中水汽中查找(排除法)。

 

2 外来水汽的年输入总量不是新疆面雨量的主要影响因子

据研究,近几十年来新疆的年降水总量(每年的面雨量)大幅增加,但输入新疆的外来水汽不但没有增加,反面有一定程度的下降(大气环流风速下降),至少没有明显增加,也没有明显增加的理由,因此,新疆每年的面雨量与外来水汽的输入总量之间要么不是正相关,要么是正相关但相关判定系数R2很小,所以,外来水汽的年输入总量肯定不是新疆面雨量的主要影响因子。

 

3 多年平均降水量与空中水汽参数的一元拟合

据前期研究,中国各地平均降水量与空中水汽参数拟合,得到了以下5个一元拟合公式:

     P=44.385(W-2.66),  R2=0.8293                     

P=85.124(e-2.27),  R2=0.8019                     

P=3619.1U 4.2631,     R2=0.7854                   

P=117.8a-237.12=117.8(a-2.01), R2=0.8044             

P=146.32q-314.3=146.32(q-2.15), R2=0.8246            

以上公式拟合分析的原始数据的精确度稍低。5个公式中4个为线性拟合公式,但公式为乘幂拟合公式。据研究,空中水汽含量与地面水汽压近似成正比,两者之间的拟合公式为W1.74eR2=0.9842所以,公式基本相近符合预期。

绝对湿度a的计算公式为a=217e/T,式中a的单位为g/m3,地面水汽压e的单位为hPa,绝对温度T=273.15+t,t为摄氏温度。中国各地地面水汽压差别很大,例如地处东南沿海的广州多年平均地面水汽压21.9hPa,地处西北干旱区的玉门多年平均地面水汽压仅4.9hPa,前者是后者的4.5倍;但各地绝对温度的相对差别比较小,例如广州年平均气温22℃,相应的绝对温度为295.15K;玉门年平均气温7.1℃,相应的绝对温度为280.25K,前者绝对温度只比后者绝对温度大295.15÷280.25-1=5.3%;所以,中国各地地面绝对湿度a的差别主要决定于地面水汽压e的差别。据研究,中国194个国际交换站1971~2000年绝对湿度与地面水汽压近似成正比,两者之间的拟合公式为a=0.7498eR2=0.998,所以,公式基本相近也符合预期。

比湿q的计算公式是q=622ep,式中e为水汽压,单位hPap为大气压,单位hPaq为比湿,单位gKg。中国各地地面水汽压差别很大,而大气压与海拔密切相关,海拔相差不大时,大气压也相差不大,与地面水汽压相比,大气压的变化不大,可视为惰性气象参数;所以,当海拔相差不大时,各地比湿的差别主要决定于地面水汽压的差别;对海拔很高的青藏高原来说,大气压的影响比较大。据研究,中国194个国际交换站1971~2000年地面比湿与地面水汽压之间的拟合公式为q=0.6418e,R2=0.9623所以,公式基本相近也符合预期。

由以上分析可知,空中水汽含量W、地面水汽压e、地面绝对湿度a和地面比湿q4个水汽参数虽然含义不同,但它们之间基本上都是近似的正比例关系,所以,4个线性拟合公式基本相近也符合常理、符合预期。

而相对湿度U=e/E,式中e为水汽压,E为饱和水汽压,E与气温是一一对应的函数关系。气温相差10℃,饱和水汽压大约相差1倍,所以,气温对相对湿度的影响很大,相对湿度包含了比较多的气温信息,所以,相对湿度U与其它4个水汽参数不同,拟合公式也不是线性拟合公式,变成了乘幂拟合公式。

 

以上5个拟合公式的两边同时乘以研究区域的面积S,那左边是面雨量,是一年内的降水总量,有“流量”的属性;在公式中,W×S是空中水汽的存量(即空中水汽折算的液态容量)(W-2.66)×S就是有效的空中水汽存量,它的物理意义非常明确,所以,公式⑴就是流量与存量之间的比例关系,并且44.385刚好等于全球水汽一年的平均更新次数,可视为单位有效空中水汽含量每年贡献的降水量,44.385的单位是mm/(a·mm),把分子和分母中的mm去,那就是1/a,就是频率的单位。另外,公式的相关判定系数R2最大。

其它4个拟合公式中,无论是e×S、a×S,还是q×S,都没有非常明确的物理意义;公式不是线性拟合公式,U×S也没有明确的物理意义。所以,其它4个拟合公式的物理意义比较含糊,没有公式的物理意义那么清楚明了,公式符合常理。

归纳起来,拟合公式有以下4个特点:第1,W×S和(W-2.66)×S的物理意义非常明确,其它公式都没有这样的特点;第2,整个拟合公式就是一个流量与存量之间的比例关系,这样的比例关系十分常见,符合常理;第3,公式中的44.385刚好等于全球水汽一年的平均更新次数,这应该不是巧合,这个世界没有那么多巧合;第4,相关判定系数R2最大。因此,一元拟合研究比较明确地告诉我们,多年平均降水量的主要影响因子可能是空中水汽的存量。

 

4 多年平均降水量与影响因子的多元拟合

据前期研究,得到了中国各地多年平均降水量的一元和多元拟合公式的汇总表,详见表1。因为作者没有中国121个探空气象站的相对湿度、平均气温、海拔高程等数据,所以,表1中没有空中水汽含量W是唯一的或者主要的影响因子的第类拟合公式。

表1中第类6个拟合公式都有地面水汽压e的参与,都非常优秀,这说明地面水汽压可能是多年平均降水量的主要影响因子的量化参数,或者与主要影响因子的量化参数成正比,或者与主要影响因子的量化参数高度相关、密切相关。空中水汽含量W乘以研究区域的面积是空中水汽的存量(即空中水汽折算的液态容量),所以,空中水汽含量W是空中水汽存量的量化参数。因为空中水汽含量与地面水汽压之间的拟合公式为W1.74eR2=0.9842所以,空中水汽含量与地面水汽压近似成正比,地面水汽压e勉强也可以列入空中水汽存量的量化参数。表1中第类的6个拟合公式都有地面水汽压e的参与,都非常优秀,这说明、这至少不能否定多年平均降水量的主要影响因子是空中水汽的存量。

表1中第类6个拟合公式都有地面绝对湿度a的参与,都非常优秀。地面绝对湿度与地面水汽压之间的拟合公式为a=0.7498eR2=0.998所以,地面绝对湿度a与地面水汽压e近似成正比。又因为地面水汽压e勉强也可以列入空中水汽存量的量化参数,所以,地面绝对湿度a勉强也可以列入空中水汽存量的量化参数。第类6个拟合公式都有地面绝对湿a度的参与,都非常优秀,这说明、这至少不能否定多年平均降水量的主要影响因子是空中水汽的存量。

 

表1中第类6个拟合公式,只有3个拟合公式属优秀等次,海拔H参与的另外3个拟合公式(公式4.4、4.5和4.6)都不属优秀等次,原因是比湿q含有平均大气压p的信息,而大气压p与海拔H高度负相关,即比湿q已经包含了海拔H的信息。据研究,中国194个国际交换站1971~2000地面比湿与地面水汽压之间的拟合公式为q=0.6418e,R2=0.9623因为这个相关判定系数R2相对来说比较小(比以上两个拟合公式的R2小),所以,地面比湿 q与地面水汽压e的近似正比例关系就比较勉强,地面比湿q列入空中水汽存量的量化参数就非常勉强。第类6个拟合公式都有地面比湿q的参与,只有3个属优秀等次,海拔H参与的另外3个不属优秀等次,这说明、这至少不能否定多年平均降水量的主要影响因子是空中水汽的存量。

 

表1中第类共有7个拟合公式,其中最后3个拟合公式不含任何水汽参数,都不属于优秀或者良好的等次,这就用比较过硬的证据证明多年平均降水量的主要影响因子不可能是空中水汽以外的任何影响因子,多年平均降水量的主要影响因子只能从空中水汽参数中查找,这与第1节的分析能够相互印证;另外4个拟合公式有水汽参数相对湿度U的参与,在这4个拟合公式中,只有拟合公式5.1属优秀等次,其它3个都不属优秀等次,这就用比较过硬的证据证明相对湿度U肯定不是多年平均降水量的主要影响因子。

 

中国各地多年平均降水量的一元和多元拟合公式的分类与汇总表

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空中水汽对降水气候的影响和多年平均降水量的主要影响因子

降水天气和降水气候是两个不同的概念,两者之间既有联系又有区别,不能混淆。水汽是降水的物质基础,不管是站在降水天气的角度还是站在降水气候的角度,都能得出没有水汽就没有降水的研究结论,这样的研究结论似乎告诉我们,降水天气与降水气候的差别不大,但它俩毕竟是两个不同的概念,我们不能被个别的表面现象所蒙蔽,研究降水气候的专家学者应该把注意力的重点、关注的重点放在两者之间的差别上。

降水是离散现象,有的时候空中水汽很多但没有降水,而有的时候水汽不算太多但有降水,也就是说,即使有比较多的水汽也不一定就有降水,因此,站在降水天气的角度,好象空中水汽对降水天气的影响不明显。那么,站在降水气候的角度,空中水汽对降水气候的影响又怎样呢?

由公式、中国平均降水量和平均空中水汽参数的空间分布可知,空中水汽参数越大的地方,空中水汽的存量越多,水汽相变成雨的几率越大,年降水量越大;空中水汽参数越小的地方,空中水汽的存量越少,水汽相变成雨的几率越小,年降水量越小。因此,降水量和空中水汽参数的空间分布证明:空中水汽的存量对降水气候的影响非常明显(与空中水汽对降水天气的影响不完全相同)。

由前期研究可知,除受到其它因素严重干扰影响以外,除受气温变化严重影响的相对湿度以外,同一个地方或者同一个地域,空中水汽参数越大的月份,例如空中水汽含量和地面水汽压越大的月份,空中水汽的存量越多,水汽相变成雨的几率越大,月降水量越大;反之,空中水汽参数越小的月份,例如空中水汽含量和地面水汽压越小的月份,空中水汽的存量越少,水汽相变成雨的几率越小,月降水量越小。这就是说,降水量和空中水汽参数的年内变化也证明,空中水汽的存量对降水气候的影响非常明显(与空中水汽对降水天气的影响不完全相同)。

由以上分析可知,站在降水天气的角度,好象空中水汽对降水天气的影响不明显;但站在降水气候的角度,空中水汽的存量对降水气候的影响非常明显,一方面,空中水汽存量越大的地方,水汽相变成雨的几率越大,年降水量越大;反之,空中水汽存量越小的地方,水汽相变成雨的几率越小,年降水量越小。另一方面,在同一个地方或者同一个地域,空中水汽存量越大的月份,水汽相变成雨的几率越大,月降水量越大;反之,空中水汽存量越小的月份,水汽相变成雨的几率越小,月降水量越小。以上分析说明空中水汽对降水天气和降水气候的影响确实有区别,不完全相同。


综合以上第1节至第5节的研究成果,可以得出以下研究结论:站在降水气候的角度,多年平均降水量的主要影响因子就是空中水汽的存量(即空中水汽折算的液态容量)


6多年平均降水量的主、次影响因子和超深盆地调水增雨的作用过程

降水的主要影响因子是空中水汽的存量,而空中水汽含量是空中水汽存量的量化参数,地面水汽压勉强也可以算做空中水汽存量的量化参数。由《一论》《三论》可知,下垫面长时间大面积的水分蒸发能明显增加地面水汽压和空中水汽含量,即图1的第①步演变成立,也就是说下垫面长时间大面积的水分蒸发能明显增加空中水汽的存量。

《二论》可知,下垫面长时间大面积的水分蒸发还能明显增加相对湿度;水的蒸发潜热很大,水的蒸发吸热理应降低环境气温,所以,图1的第步演变也成立。因此,除海拔高程H保持不变以外,下垫面长时间大面积的水分蒸发致使降水的主要影响因子和次要影响因子都向着有利于降水的方向发展。

图1第步的正反馈良性循环作用很大,千万不能低估正反馈的巨大作用。由降水量与水汽参数的一元拟合公式和降水量与影响因子的多元拟合公式可知,向西北特大规模调水沙漠变绿洲以后,随着降水的主要影响因子(空中水汽的存量增加)和次要影响因子(相对湿度增加和年平均气温下降)都向着有利于降水的方向发展,受水区的多年平均降水量有望大幅增加、成倍增加。

 

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图1  跨流域调水驱动内流区降水量增加以及主要和次要影响因子的演变过程

 

7 明知是函数关系,反向操作研究变量之间拟合关系得到的启示

一般是先找到比较好的相关关系,再追根溯源寻找因果关系。本节反向操作,明知因变量与自变量是函数关系(完全相关R2=1.000)也就是因果关系,反过来研究它们之间的拟合,这样得到的一些启示对认识因果关系或许有指导作用。

绝对湿度a的计算公式是a=217eT,所以,绝对湿度a是地面水汽压e和绝对气温T的二元函数。因为中国194个国际交换站1971~2000年绝对湿度与地面水汽压之间的拟合公式为a=0.7498eR2=0.998,拟合公式中ae成正比,R2很大,与1.000仅差一点点,所以,地面水汽压e是绝对湿度a的主要影响因子并且权重很大,而绝对气温T是绝对湿度a的次要影响因子并且权重很小。在相关判定系数R2高达0.998的情况下,主要影响因子地面水汽压e处于“绝对主导”的地位,而次要影响因子绝对气温T处于“微不足道”的地位。

比湿q的计算公式是q=622ep,所以,地面比湿q地面水汽压e和大气压力p的二元函数。又因为平均大气压力p与海拔H高度负相关,所以也可以说,地面水汽压e和海拔H都是比湿q的影响因子。因为中国194个国际交换站1971~2000年地面比湿与地面水汽压之间的拟合公式为q=0.6418e,R2=0.9623R2很大但小于以上拟合公式的R2,所以,地面水汽压e是比湿q的主要影响因子并且权重很大,而大气压力p或者说海拔H是比湿q的次要影响因子并且权重较小。在相关判定系数R2高达0.9623的情况下,主要影响因子地面水汽压e处于绝对主导的地位,而次要影响因子大气压力p处于不太重要的次要地位。

相对湿度的计算公式是UeE,饱和水汽压E与摄氏气温t是一一对应的函数关系,所以,相对湿度U是地面水汽压e和气温t的二元函数。因为中国194个国际交换站1971~2000年相对湿度与地面水汽压e和气温t的拟合公式为U3.7182e1.6838t41.8352R2=0.8203。该公式说明地面水汽压相同时,气温越大相对湿度越小,这符合相对湿度的定义,R2比较大但明显小于以上两个公式的R2,这说明以上拟合公式与真实计算公式的差距比较大,地面水汽压和气温对相对湿度的影响都比较大,没有任何一个影响因子处于绝对主导的地位。

 

8专家的理性质疑与作者的辩解

某专家质疑超深盆地调水增雨的论点,质疑意见的大意如下:水汽与降水是高度正相关的相关关系,不是因果关系,所以,不能根据高度正相关做任何推理预测。我认为这样的认识或许正确,但比较消积,不能在此停留不动,要积极主动地寻找因果关系,必须向前推进,否则就有错失良机的可能。理由如下:

在宏观层面,相关关系不是因果关系,这是真理肯定正确,但大数据领军人物周涛教授在《为数据而生》中说:“相关性分析是寻找因果关系的利器”。 在《再论西北超深盆地的空中水汽与降水互为因果》中,因果关系分为4类。除小样本引起的巧合以外,所有的密切相关、高度相关都隐藏着某个因果关系,只是因果关系的类型不同而已。如果所有的密切相关、高度相关都不包含因果关系,都不能据此推理预测,那研究相关关系就没有任何意义,那研究它干什么?

张学文等研究发现,空中水汽含量W与地面水汽压e之间的线性拟合公式为W1.74eR2=0.9842这里的R2很大,但小于第7节第1个拟合公式的R2,按第7节的启示类推,地面水汽压e是空中水汽含量W的主要影响因子并且权重很大,次要影响因子的权重很小。如果在科研过程中,不能利用W1.74e做任何推理预测,那研究得出的这个拟合公式有什么作用?研究它干什么?

因此作者认为,在科研过程中,对发现的高度正相关或者高度负相关,都有深化研究的必要,都要追根溯源,尽量判别出它们是否属于因果关系?属于哪一类的因果关系(在《再论西北超深盆地的空中水汽与降水互为因果》中,因果关系分为4类)?从而达到利用这些因果关系进行推理预测的目的。

 

具体到多年平均降水量P与空中水汽含量W的关系,作者深入研究以后认为,首先,它的相关判定系数R2=0.82930.83,属于密切相关、高度相关的范畴;其次,它属于隐含因果关系的那一类相关关系,西北的空中水汽与降水气候是互为因果的相关关系。本文和以下两篇文章是姊妹篇,有兴趣的读者,请将这3篇文章结合起来审查,欢迎专家的理性质疑,请提宝贵意见:

1、《西北超深盆地的空中水汽与降水高度正相关并且互为因果》,下载网址https://preprint.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFile&id=2c929e867544c569017630ccc4fb0326

2、《再论西北超深盆地的空中水汽与降水互为因果》,下载网址是https://preprint.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFile&id=2c929e867544c56901765146d34c0364


多年平均降水量的主要和次要影响因子.doc




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