气象学里的”水汽悖论”之-1- 引论

张学文,2015/4/24

这里我把悖论一词用于气象学中的水汽问题上是特指气象学中有关空中水汽的一些知识是自相矛盾的。揭露气象学中关于水汽知识的不能自洽，分歧严重及其影响是本博客系列的核心。

在我陈述这些涉及空中水知识的矛盾时，先要明确一下我们承认那些有关知识是基本被认可的。这包括：

1.        承认水汽与干空气都是（分别是）理想气体，即它们分别都服从理想气体的状态方程。

2.        承认混合的理想气体的压力是各个成分的气体的分压力的和（所谓道尔顿分压定律）。

3.        承认目前气象观测所提供的水汽压力、相对湿度的数据基本是准确的。即不认为在气象观测原始数据中存在系统性的错误。

4.        承认在大气中的静力学关系对于大气基本是可信的，可用的。

现在我企图说明如下一些关于水汽知识的不自洽和它引起的后果、问题

1.          我们在承认大气基本满足静力学关系时，无形中包括了水汽也基本满足关于它自己的静力学关系，但是水汽观测数据提示：水汽严重背离关于它自己的静力学关系。

2.          如果承认水汽满足静力学关系，那么你就应当逻辑地，自然地承认地球上的空中水的数量是目前认可数值的6倍，即我们长期严重低估了空中水的实际数量。

3.          我们关于空中水数量的基于探空资料的分析文章和基于卫星的GPS数据的空中水数量的分析文章估计有上1000篇。所以（2）是否正确涉及这些文章是否都错了。

4.          如果承认（2），那么我们关于空中水分循环一次的平均时间的认识，就需要从目前的空中水大约9-10天循环一次，延长为空中水平均两个月循环一次。这样我们对空中水分循环的基本图像也得修订。

5.          在承认水汽自己应当满足水汽的理想气体方程和静力学关系的认识下，我们只得承认空中的水汽是与6个水分子的聚合体组成的理想气体，即空中的水汽的平均分子量应当是108，而不是18。这涉及关于分子团簇知识进入气象学。

6.          以上疑点要求我们做一件在物理学、化学上十分简单的事：用与气象学测得水汽的方法独立的化学、物理方法测量有限体积空气内的水汽含量究竟是多少。即它与气象仪器的测量结果是否差了6倍。

7.          上世纪以来我们利用探空气球以测量高空的气象数据。这个世界范围的数十年的活动中都依赖一些各个等压面的厚度计算。而这个厚度计算一般是需要进行所谓的虚温订正的。鉴于水汽的实际铅直分布不符合分子量是18的静力学关系，所以气象学沿用了数十年的虚温订正公式是错误的。即这种虚温订正使得我们过去获得的高空数据存在偏差（尽管不大）。

8.          由于(6)的错误,引起了等压面高度的虚温订正。而这种“订正”仅对5公里以下的等压面高度有所影响。应当承认这对高度的绝对值影响不大。但是潮湿地区这种订正的后果是使那里的850，或者700百帕等压面高度抬高了“30米”的数量级。这会使850,700百帕上的对应地区的气旋式涡度减小，从而丢失了预报降水的理由。

9.          如果空中水汽过去真的被小看了很多，那么修订后的空中水知识对降水量的理论计算、对人工影响天气的可能性等等问题都可能要重新估量。

10.       通过测量高塔上下的水汽压力、温度、气压实践验证虚温订正是否正确。

11.       等等

好了，引论写到此，随后要逐步用气象学承认的知识推论出水汽悖论等等。