为后续的百家争鸣做铺垫服务的“另类认识”之三：

下垫面比热容和水分蒸发等巨变能影响和驱动大气环流

1 引言

 众所周知，青藏高原把北半球西风带分裂变成了北支西风和南支西风；“中国陆地分为三大自然区，从环境演化与分异的角度来说，青藏高原的隆起实际上起着决定性的作用。如果没有青藏高原中国西部就不会象现在这样干旱，而中国东部就不会象现在这样湿润。”由此可知，下垫面的岩石圈能够影响大气环流。除了岩石圈对大气环流有很大的影响以外，下垫面的其它圈层例如水圈的变化对大气环流有影响吗？

 没有水就没有海洋；没有海洋，就没有海域与陆域之间的温度差，也就没有海洋季风和大陆季风，所以，水的存在和运动直接影响了低层气温、间接影响了大气环流，或者说，水的存在和运动直接影响了大气环流。《水汽与大气之间可能有垂直向上的相对运动》和《台风云墙内部的水汽驱动着大气高速螺旋上升》都属于广义水汽运动方面的“另类认识”，本文在以上认识的基础上，继续开拓创新，研究水的存在和运动对大气环流的影响。

2 水分参与的物理过程对气温气压和大气环流的影响

2.1 土壤含水量对比热容、地温、气温的影响

 比热容C是指没有发生相变化和化学变化时，1kg均相物质温度升高1℃所需的热量。水的比热容为4.2 KJ／Kg·℃，干泥土的比热容为0.84 KJ／Kg·℃。水的比热容很大，是干泥土比热容的5倍。干燥疏松土壤变成了潮湿紧密土壤，土壤的含水量大幅增加，这将引起下垫面土壤的比热容C大幅增加、成倍增加；反之，潮湿紧密土壤变成了干燥疏松土壤，土壤的含水量大幅减少，这将引起下垫面土壤的比热容C大幅减少。

 一般来说，水域的比热容比陆域的比热容大得多。修建水库，下垫面由陆域变成水域，下垫面的比热容成倍增加；反之，水域变成陆域，下垫面的比热容大幅减少。下垫面陆域与水域的互换，可视作为土壤含水量的极限变化，陆域变成水域，土壤含水量和比热容都大幅增加、成倍增加；水域变成陆域，土壤含水量和比热容都大幅减少。

 当吸收或者放出的热量相同时，下垫面比热容很大的地方，地温的变幅（即表层土壤温度的变化幅度）明显变小；反之，下垫面比热容很小的地方，地温的变幅明显变大。地温能影响低层气温，所以，土壤含水量的变化（陆域与水域的互换可视作为土壤含水量的极限变化）将引起土壤比热容和低层气温的变化。

2.2 水分蒸发对气温、气压和大气环流的影响

 水分蒸发指水分从液态变成气态，水分蒸发以后，体积大约增加1300多倍。水分蒸发必然引起地面水汽压的增加，据预应本论文《本地的水分蒸发对南疆东疆地面水汽压的贡献和推论》^[1]的研究，南疆东疆等地雨后水分蒸发致使地面水汽压平均增加3.8hPa，最大增加9.6hPa（详见表1）。30℃和40℃时，饱和水汽压分别为30hPa和51hPa；8月海南东方站和7月上海徐家汇站多年平均的地面水汽压分别为31.5hPa和30.5hPa。地球两极气温很低很干燥的时候，地面水汽压很小接近于0；热带气温很高又接近饱和的时候（例如台风云墙内部），水汽压很大，或许在40hPa左右。地球上地面水汽压的变化范围大约在0～50hPa之间，它比大气压小很多，但它的分布很不均匀，变化很大。地面标高基本相同时，干空气形成的压力各地基本相同，差异很小，干空气形成的压力基本上属于恒量。对结果影响很大的变量称为关键变量。虽然地面水汽压比大气压小很多，但地面水汽压是变量，可能是对大气压影响很大的关键变量。水分蒸发对地面水汽压的影响很大，对大气压也有较大的影响。

 水的蒸发潜热很大，约等于2260 KJ／Kg，1Kg水的蒸发潜热与538 Kg液态水增加1℃的热量相等，所以，水分蒸发要从环境中大量吸收热量，降低附近环境的温度。

 土壤含水量的增加与减少、下垫面陆域与水域的互换、水分蒸发速率的增加与减少等三类情况，都能影响地温和低层气温的变化，而气温的变化又能引起大气环流的变化（气温升高，大气受热膨胀，大气密度变小，大气向上运动；反之亦然），所以，以上三类情况都能引起大气环流的变化。

3 水库湖泊对大气环流的影响

3.1 向岸风和离岸风的作用机理

 受太阳辐射、下垫面比热容和水分蒸发吸热等影响，白天特别是夏季晴天午后，陆域低层气温明显高于水域低层气温，陆域低层大气热胀，密度变小，大气向上运动；水域低层大气冷缩，密度变大，大气向下运动，致使陆域为低气压，水域为高气压，从而产生由水域吹向陆域的大气环流（向岸风）。

 受下垫面比热容和水分蒸发吸热、冬季水分结冰放热等影响，晚上特别是冬季深更半夜，陆域低层气温明显低于水域低层气温，陆域低层大气冷缩，密度变大，大气向下运动；水域低层大气热胀，密度变小，大气向上运动，从而导致陆域为高气压，水域为低气压，在气压差作用下，低层大气由陆域吹向水域（离岸风）。白天与黑夜交替进行，从而导致向岸风与离岸风也交替进行。

 有些资料在阐述向岸风和离岸风的作用机理时，只强调水域和陆域在比热容方面的差异，很少介绍甚至不介绍水域和陆域在水分蒸发吸热方面的差异，这样的机理解释存在片面性。观测结果表明，“离岸风与向岸风月平均风速差异非常明显，每个月份离岸风风速都小于向岸风风速，在7月份离岸风最小而向岸风最大，向岸风风速要超过离岸风一倍以上”。下垫面比热容和水的蒸发吸热都能导致白天陆域低层气温明显高于水域低层气温，也就是说以上两个因素在白天的作用方向相同；下垫面比热容致使夜间陆域低层气温低于水域低层气温，而水的蒸发吸热致使夜间陆域低层气温高于水域低层气温，也就是说以上两个因素在夜间的作用方向相反。因此，水域与陆域之间白天的温度差大于夜间的温度差，这就是以上观测结果的原因解释，以上观测结果说明水分蒸发的吸热作用在向岸风和离岸风形成过程中也扮演了重要作用。

 向岸风和离岸风的机理解释说明，下垫面的含水量、比热容和水分蒸发能直接影响低层大气的温度，从而能影响和驱动大气环流，因此，下垫面比热容和水分蒸发等巨变能对大气环流产生影响。

3.2 建设水库对局部大气环流的影响

 据研究^[2]：“新安江水库于50年代末（1959—1960）建成以后，该区从一个狭窄的河流变为一个面积394Km²的水库，对湖泊及其湖泊周围气候产生了一些影响。（1）水分平衡的变化。根据分析，建库前（1951—1958）湖区的蒸发量为720mm，建库后（1965—1972）为775mm，建库后湖区蒸发量增加55mm。而湖泊周围地势高处降水增加。影响范围一般为8～9Km，最大不超过60～80Km……。”

 黄河龙羊峡水库正常蓄水位2600m，相应的水域面积383Km²。“青海省气象局在研究青海省湖泊气候效应的基础上，利用龙羊峡蓄水后1987年至1989年三年完整的气象资料，对地处干旱、半干旱地区的三大型水库中面积最大的龙羊峡水库的“水库效应”进行研究。研究结果表明，龙羊峡水库的“库区效应”主要表现降雨、湿度和风频的改变。（1）降雨：表现在沿库10 km条带内的降雨量增加38～9.5 mm，增加幅度在12%～3%；并且夜雨量占总降水量的65.1%……”。^[3] 

 由以上两例可以看出，300多Km²水域面积的人造水库对降水有明显影响的范围大约局限在离岸10Km的地域。水库建成以后，下垫面的比热容成倍增加，下垫面一年内实际蒸发的水分也变大了，这就是说，下垫面的比热容和水分蒸发方面发生了巨变。

 第3.1节的理论和以上两例都说明，下垫面比热容和水分蒸发等巨变能对大气环流产生影响。

4 沙漠变绿洲对局部大气环流产生的影响

 我国的治沙绿化实践充分说明绿洲效应的作用巨大。例如，经济日报的《采访手记：“沙漠”怎样变“绿洲”》报道：在陕西省靖边县毛乌素沙地，“靖边人植树种草防沙固沙几十年如一日。到目前为止，全县已经完成植树造林295万亩，种草115万亩，全县林草覆盖面积达到345万亩，森林覆盖率达到了45.2%。”“有数据显示，过去的靖边县10天里有8天是风沙天气，穿越沙漠的公路也常被流沙阻断，但从1999年以来还没出现过明显的沙尘暴天气。2001年以后，靖边地区的平均年降水量增加了100毫米，小气候明显改善……”^[4] 。“灌溉后的土地，土壤湿度增大，土壤热容量增大，将会起到类似于绿洲的效果。因此，可以说灌溉具有绿洲效应。大规模的灌溉，甚至可以改变区域的气候。在美国俄克拉何马、科罗拉多、内布拉斯加州62000Km²土地上的灌溉，使得这些地区初夏的降水大约增加了10%。”“灌溉是改造沙漠的一个良好的途径。在某些具有比较丰富的地下水或者不远的邻区具有比较丰富的水源的地区，尤其是在人类活动引起的草地退化和沙漠化的初期阶段，通过灌溉可以打破或者阻断沙漠化的恶性循环，使地面环境得以恢复。”^[5]

 绿洲效应的原理、我国的治沙绿化实践和美国的灌溉实践，都充分说明沙漠化地区绿化造林对大气圈有较大的增雨作用。沙漠变绿洲以后，下垫面表层土壤的含水量增加，比热容大幅增加，下垫面一年内实际蒸发的水分增加，这就是说，下垫面的比热容和水分蒸发方面发生了巨变。沙漠变绿洲以后的气候变化也说明，下垫面的含水量、比热容和水分蒸发等巨变能对大气环流产生影响。

5 水汽的不均匀分布必然导致水汽扩散

 地面标高相近时，全球各地干空气（氧气和氮气）的浓度相近，变化很小，不存在水平方向扩散运动。水汽的分布与干空气的分布不同，全球各地水汽的浓度相差很大，浓度梯度的存在必然导致水汽扩散。所以，水汽与大气之间不但存在垂直方向的相对运动，还存在水平方向的相对运动。

6 比热容差异和水分蒸发能驱动大气环流实验的设计

 全国各地建有一些室内游泳馆，利用室内游泳馆可进行比热容的差异和水分蒸发驱动大气环流的实验。⑴白天特别是夏季晴天午后，室外受太阳辐射而室内不受太阳辐射，致使室外气温大于室内气温；⑵游泳馆内有大量水分，室内下垫面的比热容大于室外下垫面的比热容，致使白天室外低层大气的增温幅度大于室内大气的增温幅度；⑶室内游泳池的水分蒸发吸收热量，降低了室内大气的温度。以上3个方面导致白天特别是夏季晴天午后游泳馆外面的气温明显大于室内气温，温差估计能达到3～5℃。所以，室内大气冷缩，密度变大，大气向下运动；而室外大气受热膨胀，密度变小，大气向上运动，从而导致室内A点为高气压，室外B点为低气压。室内外干空气形成的气压差为ΔP=P_A-P_B≈(P_C+ρ_内gh)-(P_C+ρ_外gh)=(ρ_内-ρ_外)gh，所以，这个压力差取决于室内外干空气的密度差和游泳馆的室内高度h，按室外35℃、室内30℃查干空气的密度，h取30米估算，那么，这个压力差约0.05hPa，这个压力差勉强能够驱动低层大气从室内通过大门向室外运动，如图1所示。

 游泳池的水分蒸发致使室内的水汽压高于室外的水汽压，30℃时饱和水汽压为30hPa，再参照《本地的水分蒸发对南疆东疆地面水汽压的贡献和推论》^[1]等研究结果，估计西北夏季室内地面水汽压比室外地面水汽压至少要大6hPa（相当于30℃时相对湿度相差20%，该压力差是以上干空气压力差的120倍，该估算说明水汽压可能是影响大气压的关键变量）。干空气的压力和空中水汽的压力都是A点大于B点，两项压力差合计为6.05hPa，这个压力差推动着低层大气从室内A点向室外B点运动。所以，白天特别是夏季晴天午后游泳馆附近能形成图1所示的局部大气环流。夜间与白天的情况相反，低层大气从室外向室内运动，不赘述。

图1  比热容的巨大差异和水分蒸发吸收热量驱动局地大气环流的示意图

（白天特别是夏季晴天午后的大气环流情况）

7 水的存在和运动等巨变对新疆上空大气环流的可能影响

7.1 新疆本地水分实际蒸发量的巨变

 由前期的《初探新疆降水量大幅增加的直接原因和根本原因》^[6]等研究可知，近几十年来新疆的降水量大幅增加，1961～2010年面雨量的线性拟合公式为y =17.292x +2316.4，拟合公式少量外延并按拟合公式计算，1961年，x=1，y=17.292+2316.4=2333.692；2017年，x=57，y=985.64+2316.4=3302.04；1961～2017面雨量总的趋势增量为17.292×56=968亿吨／年。所以，上世纪60年代初新疆面雨量约2330亿吨／年，目前新疆面雨量约3280亿吨／年，面雨量总的增量约950亿吨／年。

 新疆绝大部分为内流区，内流区的降水迟早要在内流区蒸发蒸腾变成为本地水汽，因此，新疆本地水汽年产量（就是下垫面一年内实际蒸散的总水量）随着面雨的大幅增加而大幅增加。考虑到全球变暖、高山冰川超支退缩等原因，1961～2017年终点与起点之间新疆本地水汽产量总的趋势增量高达1000亿吨／年左右（接近2条黄河的年径流量，本地水汽年产量总的趋势增量非常可观）。

7.2 新疆表层土壤含水量和比热容的巨变

 据《新疆绿洲面积50余年间扩大近一倍》介绍，新疆的绿洲面积已由1950年的4万Km²扩大到2006年的7.07万 Km²。据2015年08月03日《新疆绿洲面积已从4.3%增至9.7%》报道：“记者近日从中国科学院新疆阿克苏农田生态系统国家野外科学观测研究站（简称阿克苏站）了解到，经过科学的沙漠化治理，我国新疆地区的绿洲面积已从1950年的4.3%增长到9.7%。新疆地区已经将‘沙逼人退’的局面，扭转为“人进沙退”，实现了人类对于大自然的完美‘逆袭’”。近几十年来，随着新疆面雨量和绿洲面积的大幅增加，新疆表层土壤的含水量和比热容明显增加。

7.3 本地水分蒸发和表层土壤比热容等巨变对新疆上空大气环流的可能影响

 由以上分析可知，近几十年来新疆本地水分实际蒸发量和表层土壤比热容发生了巨变。由第2至第6节的分析可知，下垫面土壤的含水量、比热容和水分蒸发量的巨变能够影响和驱动大气环流，那么，新疆这方面的巨变能引起大气环流的变化吗？

 据《大气所揭示近50年中国西北地区变湿原因》^[7]和《从水汽收支看近五十年中国西北地区的变湿现象》^[8]介绍：“近几十年来亚洲夏季副热带西风急流位置发生了显著南移，致使西北地区上空出现正涡度平流异常，引发局地上升运动增强，为降水的增多提供了有利的动力环境。”

 近几十年来新疆本地水分蒸发量和表层土壤比热容发生了巨变，“近几十年来亚洲夏季副热带西风急流位置发生了显著南移”，以上两种自然现象同时发生，它俩之间有没有必然的联系？是前者影响了后者？还是后者影响了前者？因为前者能够影响和驱动局部乃至全局的大气环流，所以，至少不能轻易地否定前者对后者的影响，这方面的研究值得学术界的讨论和争鸣。

8 三点“另类认识”的小结

 《水汽与大气之间可能有垂直向上的相对运动》阐述了这方面的道理，还构思了这方面的验证性实验方案。全球各地的地面水汽压相差很大，也就是说全球各地的水汽浓度相差很大，所以，水汽在水平方向上也存在扩散运动，所以，水汽与大气之间不但存在垂直方向的相对运动，还存在水平方向的相对运动。《台风云墙内部的水汽驱动着大气高速螺旋上升》打破了只考虑大气运动带动水汽运动、从来不考虑水汽运动带动大气运动的惯例。本文阐述了下垫面比热容和水分蒸发等巨变能对大气环流产生影响的理论和事实。以上三点“另类认识”有助于学术界打破僵化认识，对查找西北特别是新疆近几十年来降水量大幅增加的原因可能有启示作用，对人类认识自然、改造自然可能有少许作用，请专家学者仔细审查。

参考文献

[1] 檀成龙. 本地的水分蒸发对南疆东疆地面水汽压的贡献和推论

[2] 王建主编.现代自然地理学[M].北京:高等教育出版社,2001,282～283

[3] 李懿媛,张瑞佟.黄河上游已建水电站的环境效益[J].中国三峡建设,2003,(1):33

[4] 武力,刘溟,刘晓辰.采访手记:“沙漠”怎样变“绿洲”[N].经济日报,2006年7月17日

[5] 王建主编.现代自然地理学[M].北京:高等教育出版社,2001,284～285

[6] 檀成龙. 初探新疆降水量大幅增加的直接原因和根本原因

[7] 中国科学院大气物理研究所. 大气所揭示近50年中国西北地区变湿原因

[8] 周天军. 从水汽收支看近五十年中国西北地区的变湿现象

（2024-06）第5章《西北降水量显著增加的原因探索》的汇总.doc

（2024-06）第5章《西北降水量显著增加的原因探索》的汇总.pdf