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对降水的水汽来源的讨论 精选

已有 8071 次阅读 2014-7-12 10:29 |个人分类:资源环境观察|系统分类:观点评述| 水汽, 降水, 水循环

对降水的水汽来源的讨论

在西北调水问题的大讨论中,一个基础性的问题是:调水能否有效改变西北气候。为了回答这个问题,又需搞清楚在实际降水量中,有多少来自外来水汽,有多少来自本地水分的蒸发。

1962年张学文老师在《新疆的水分循环和水分平衡》一文中,给出了新疆的水分循环和水分平衡框图:


图1:新疆的水分循环和水分平衡框图

(多年平均值,单位是亿吨/年)

由图1,可知新疆的降水中85%来自外来水汽,15%来自本地蒸发。

张老师在文中估算了空中含水量、空中输水量、大气降水、冰川和永久积雪、地表迳流和地下水、蒸发量,并指出:我们有了几种形态的水的基本数量与特征,根据水分必须遵守水量平衡的原则,这样就可把各方面的资料综合起来,揭露出各种形态的内部关系、每种形态水的内部关系和每种水的来源和去路。这样我们最后就构成一张新疆的水分循环和水分平衡图。

图1中,在降水总量中,外来水汽和本地蒸发各占的比例相当整齐(85%、15%),似乎是根据某个来源的数据取整得来的。然而,对这两个比例的来源,文中未作解释。

檀成龙在《四两拨千斤,西北内流区巨型超深盆地群有极大的“调水倍增效益”》一文中,将这一数据的来源理解为“绝对加权法水汽返回率”。即水汽总来源中,外来水汽与本地蒸发所占的比例(83.90%16.10%),由此取整,即得(85%、15%)。

檀成龙认为,本地蒸发的水汽更容易形成降水,因而宜用“绝对优先法”,即本地蒸发量全部在本地形成降水,降水总量中其余的部分才归因于外来水汽。由此,本地水汽形成的降水量将占新疆全部降水量的91.7%

檀成龙关于本地蒸发的水汽更容易形成降水的分析有道理,但他的“绝对优先法”却有些武断,连他自己都认为“绝对优先法有高估本地水汽对当地降水贡献率的嫌疑”。那到底应如何估算本地蒸发与外来水汽对降水的贡献?

由张老师的图1,可知空中水汽流入为11540亿吨/年,而流出为11340亿吨/年,可见这个区域的空中水汽净流入为200亿吨/年。由于图1表述的是多年平均状态,可以忽略空中水汽存量的变化,于是这200亿吨/年的水汽净流入全部转化为降雨,且全年降雨中,只有这200亿吨/年来自外来水汽。这里有两个问题应说明:

其一,实际降水很可能是外来水汽与本地蒸发共同形成的,没有外来水汽,单靠本地水汽可能无法形成降水。另外流出本地的水汽中不排除本地的部分蒸发量。但从水汽平衡的视角看,本地水汽的净流入量反应了以水汽状态从外地注入本地的水资源增量。因而来外来自水汽的降水,不可能超过这200亿吨/年。

其二,外来水汽形成降水后,年内可能再次蒸发再次形成降水(甚至可能有多次)。但除第一次降水外,均应归因于本地蒸发。

明确了外来水汽形成的降水量,总降水量的其余部分(2412-200=2212亿吨/年),就只能归因于本地蒸发量了。

巧的是,这2212亿吨/年正是图1中的本地蒸发量,结果本地蒸发量100%转化为降水量。于是,从数值上看,檀成龙的结论可能更合理。

这“巧合”引导我们进一步思考水资源问题。然而不同职业倾向于从自己的角度看待水资源,结果到底何为“水资源”都缺乏共识。水利部将水资源理解为河水流量与“不重复”的地下水的合计值。而气象学者则认为水资源应是年降水量的总和,即区域平均年降水量乘以区域面积。由于职业关注对象不同,这样的歧见估计很长时期都不可能弥合。

从水循环的视角看,它是一个典型的动态系统。分析动态系统首先要明确的一对概念是“存量”与“流量”。对水循环而言,存量的量纲是质量,而流量的量纲是质量/时间,即流量决定了存量随时间的变化。由此,一个地域的水循环,其逻辑框架如图2:


图2:地域水循环的逻辑框架

图2中方框表示这个地区不同形态的水资源存量,箭头表示水资源的流量。正是这些流量建立起了不同形态的水资源存量间的关系,以及本地水资源与外域的关系。

气象学中的“可降水量”为大气柱里的总含水量(指气体的水汽),单位是把它们换算为液态水后的厚度,用毫米计量。“可降水量”在区域面积上积分,即为空中水资源总量。

外来水汽流入与本地蒸发均补充空中水资源,而水汽流出则减少空中水资源。当空中水汽达到饱和时,凝结成水落下,即为降水。

如果假设“空中水资源存量”不变(张学文老师的文中即隐含这样的假设),那它的增量为零,这意味着:

空中水汽流入+本地蒸发量=降水量+空中水流出   1

或:

空中水汽流入-空中水汽流出=空中水汽净流入=降水量-本地蒸发量   2

或:

降水量=空中水汽净流入+本地蒸发量    3

换而言之,空中水汽流入、本地蒸发量、降水、空中水流出这四个实测值间,存在一个“会计恒等式”,可用于检验这四个实测参数的可信度。图1提供的数据正好满足它,从旁支撑了张学文老师的测度。

当然,这是建立在“空中水资源存量”不变的假设之上。事实上“空中水资源存量”在年度间应有一定的波动,但由于“空中水资源存量”比水汽的流入或流出小一个数量级,忽略它的波动,不致造成大的误差。

另一方面,如果这个地区的气候存在趋势性的变换,从长期看,“空中水资源存量”的变化不可忽视。但它在一年内的变化量却不会太大,因而测度它是个困难的课题。以塔里木为例,从汉代至今,存在明显的干旱化趋势,但这个数千年的过程,落实到每一年,可能很难看出明显的变化。

学界现有人在试图利用代用资料(如史料、考古资料、年轮、孢粉等)复原历史上的气象数据,如果其中有相关区域的相关数据,倒不妨据此作为分析的基础。但它对以年为尺度的分析意义不大。




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