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序言.3—空中水文学初探一书的自序
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序言.3—空中水文学初探一书的自序
张学文，20190626
气象出版社2010年3月出版了由我和周少祥著的《空中水文学初探》一书。该书封面上把地球的水科学分为空中水文学、地表水文学（陆地水文学、海洋学）与地下的水科学—水文地质学。
下面是我写的序言以及该书的目录
自序
我曾在新疆气象台当过20年的天气预告员，“天为什么会下雨，水分在空中是如何运行变化的”是多年挥之不去的问题。我深感书本上有关大气水分的知识不够用而且还零散，它们缺乏以空中水为主体的系统性概括。我曾经有写一本“空中水文气象学”的想法，但是多年来难实践。现在的《空中水文学初探》是这个想法的折中结果。
1960年我计算了新疆的空中水的含量和输送量，随后在分析新疆的降水、河水、冰川、地下水的数量基础上写成“新疆的水分循环和平衡”长文。此后注意到出现大降水时，对流层空气不仅是饱和的，而且其温度的铅直分布与湿绝热大气的理论分布相同。据此我计算了湿绝热大气的含水量与地面温度的函数关系，又在一种铅直运动的分布配合下，计算出了高大山体的中山地带的降水量比山顶、山脚都要大的特点，发现它与天山的实际降水分布很一致。20世纪70年代华东水利学院詹道江教授发现了我的这些工作并且给予肯定和支持。随后我完成的“湿绝热大气及其降水模型”等工作，也对水文部门搞的最大可能降水分析提出了不同的认识。基于天气预报值班中的分析，我还提出过“过饱和猜想和广义湿绝热过程”。
20世纪80年初廖树生先生把统计物理学中的波尔兹曼分布的思路用于说明单站降水的概率分布，这启发我把最大熵原理用到降水的历时、笼罩面积和深度等的关系中。由此得到的理论公式与暴雨分布的一致性給我很大的鼓舞。1985年我就写成了《降水统计力学初探》的小册子。后来马力女士又在其硕士论文的基础上进而把这些认识扩展为暴雨学习班的教材--《降水统计力学及其应用》（本书有简要介绍）。
20世纪80年代我发现大气中不同比湿的空气所占有的空气质量与比湿值为负指数关系，而它也是最大熵原理的一种体现。后来，关于稳定云层的滴谱存在一个峰值问题，我和郑国光先生从云滴表面自由能的最任意分布对应熵最大的角度也給出了理论说明。
20世纪90年代我发现统计物理学里有一个混合气体在非均匀场中的扩散公式可以用到湿空气场合。该公式说明压力梯度、温度梯度、水汽梯度都可以导致水汽相对于空气的运动。这突破了自由大气里未饱和的空气的比湿具有保守性的假设（本书用一章讨论它）。
很早我就注意到比空气轻的水汽竟然集中在大气的下层的怪现象，它与气层厚度计算中引入有虚温订正的静力方程其实是互相矛盾的。我用前面提到的理论试图说明它固然是一个思路，但是对此还可以提出另外一个思路：空气的水汽不是单个的水汽分子，它们可能是以6个水分子的聚合体的形式而存在于空中。分子量是108的水汽聚合体的模型可以消除水汽集中在低层的“怪现象”。如果真的如此，大气中存在的水资源就是目前公认值的6倍，这显然扩宽了开发空中水的思路（本书中有讨论）。
在空中并不存在物理学上的典型凝结过程所要求的表面平直的液态水体，但是空气里的水汽在空中存在凝结而变成云的物理过程。气象学提供的云滴初始凝结的热力学物理模型我一直表示怀疑。有幸得知周少祥教授对此的质疑，他著文指出这违反了热力学第二定律。我就请他写了本书的第6章。
2001年前后我根据气候上的水分平衡，提出了蒸发水分的去向函数和降水水分的来源函数两个概念，并且在这个基础上获得了世界各地的蒸发对世界各地的降水的互相关系的公式。它们解决了不同地点的降水、蒸发的内在定量联系问题（本书对此有介绍）。
2002年新疆气象局科技处支持过本工作。沙漠气象研究所的杨 青、杨莲梅研究员、《水科学进展》杂志原主编刘国纬教授、南京信息工程大学丁裕国教授都給我很多鼓励与支持。我对这些单位与个人的鼓励和支持在此表示感谢。我还特别感谢丑纪范院士为本书写了热情推荐的序言。气象出版社吴晓鹏编辑为本书的顺利出版做了很多工作。在此一并表示感谢。
在本书出版之际，不由想到老师谢义炳院士。当年，他一再说明降水是气象上的难题，号召我们主攻这个方向。他提出搞湿空气研究作为其突破口，他期待国人在此领域有所建树。他的学生雷雨顺已经为此而献身。作为学生，我希望这里的努力也能宽慰谢院士。
我心目中的本书读者是学习气象学和水文学的大学生、研究生，有关的研究人员、老师，人工影响天气工作者以及工作在气象预报和水文预报第一线的业务技术人员。
我们期待空中水文学的知识体系的建设问题会得到广泛认同和有力推进。而我们的努力仅是抛砖引玉。确实，本书涉及的理论环节超过了经典气象学范畴，笔者尝试性地应用于本论题中，其中不妥以至错误之处再所难免。承望各界朋友提出意见。
本人的学术网站（ http://zxw.idm.cn ）上还有一些有关资料，欢迎关注。大家的各种意见可以通过电子信箱( zhangxw@xj.cninfo.net )与我联系。
张学文
2009-10-18于乌鲁木齐
（2019.6注：以上谈及的网站已经失效，现在，2019年，对应的地址是个人文库http://zhangxw.gotoip1.com/ 和博客http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2024 ，而现在我个人电子信箱是 519079447@qq.com ）
空中水文学初探一书 目录
第1章 引论/1
§1.大气水分问题的特殊性和重要性/1
§2.空中水文学的定义/4
§3.空中水文学与其他科学的关系/5
§4.空中水文学的观测与资料基础/7
§5.空中水文学的理论基础/8
§6空中水文学的应用/8
第2章 基本认识和问题
第3章 空中究竟有多少水分问题
第4章 空中水汽的聚合模型--(H2O)6
第5章 水汽与空气的相对运动问题
第7章 降水统计力学
§1.引言
§2.用分布函数描述降水问题
2.1分布函数概念
2.2降水分布函数个例
§3.玻尔兹曼分布
3.1基本思路
3.2求最可几的降水分布函数
§4.应用实例
4.1雨量的面积分布
4.2雨量时程方程
4.3其他的降水分布问题
§5小结
第8章 各地降水蒸发与径流的定量关系
6.4蒸发方程
§7大气水分循环方程组
§8 小结
第9章 空中水文学提纲
附录1-个体集合和它的复杂程度
附录2-如何选定雨量（线）等级
附录3-建议划一自然灾害的相对等级
附录4-漫话空中水
附录5-蒸发-伟大的气象过程
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