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准噶尔盆地冬季的相对湿度、绝对湿度和湿盆地的延续
热度 2 zhgatcl 2020-6-16 11:09
准噶尔盆地冬季的相对湿度、绝对湿度和湿盆地的延续 ——我国北方6个二级区域气候参数的差异和成因分析 地球气候分为热带气候、温带气候和寒带气候，地球上还有信风带和西风带，这些都与纬度有关，这说明各地气候与所处纬度的关系非常密切，例如，各地的多年平均气温与纬度的关系非常密切，各地的多年平均降水量与纬度的关系也比较密切，各地的地面水汽压和绝对湿度等水汽量化参数可能也与纬度有关，只是相关的密切程度可能不同。 由《 能仅仅根据低层大气的相对湿度来划分干湿盆地吗 》可知，准噶尔盆地冬季有大范围积雪，积雪的水分蒸发加上逆温层阻挡水汽向上传输，再加上纬度较高冬季气温很低，对应的饱和水汽压很小，导致冬季低层大气潮湿，相对湿度很大。准噶尔盆地冬季相对湿度很大，是不是意味着绝对湿度也很大呢？与纬度相当和纬度差别不是很大的其它地区相比，准噶尔盆地冬季的气温、降水量和水汽量化参数等有没有明显的差别呢？如果有明显差别的话，那成因是什么？ “准噶尔盆地冬季积雪面积很多，乌鲁木齐也是经常飘雪花。这里大气的底层是比华北要更潮湿的地方。我们可以说冬季的准噶尔盆地就是湿盆地。但是随着春季的融雪和丰富日光，到了暖季准噶尔盆地依然变成为一个干盆地（空气的相对湿度比冬季小）。而冬季低层的潮湿空气不知去向。基于这个气候过程每年都出现。我估量引水入新疆引起的效果难以跨过当年。”以上专家认识可以商榷吗？把冬季准噶尔盆地定义为湿盆地，那湿盆地为什么没有延续下去？让湿盆地延续下去需要什么样的条件？本文对以上问题进行一些讨论分析。 1 站点的筛选、资料的来源和年限、绝对湿度的计算方法 中国有194个国际交换站，其中位于天山以北的共8个，这8个站的具体站名详见表1。8个站中，1个不在准噶尔盆地，它就是伊宁，纬度为 43°57 ′N ； 其余7个都位于准噶尔盆地，纬度介于43°47′N～47°44′N。 在中国194个国际交换站中，位于天山以南的共9个，纬度介于37°08′N～42°56′N，这9个站的具体站名详见表2。 东北三省位于东北平原，部分站的纬度大于准噶尔盆地的纬度，部分站的纬度与准噶尔盆地的纬度相当，还有部分站的纬度小于准噶尔盆地的纬度。按照纬度把东北地区划分为东北高纬区（共7个站，其中3个位于内蒙古北部，详见表3）、东北中纬区（共12个站，详见表4）和东北低纬区（共11个站，详见表5）。以上三个二级区域共有30个站。 京津冀地区位于华北平原，纬度与天山以南地区相当，共有7个站，详见表6。对以上54个站的气候参数进行对比研究或许能发现一些规律性的东西。 以上54个国际交换站的气候资料来源于中国气象数据网，资料的统计年限为1971～2000年。 绝对湿度a的计算公式为 a=217e ／T ， a的单位为g／m^3，地面水汽压e的单位为hPa，绝对温度T=t+273.15，式中t为摄氏温度。每个月的绝对湿度根据月平均地面水汽压e和平均绝对温标T按以上公式计算得出。 2 北方六个二级区域气候参数的差异与成因分析 2.1 地面气温T的差异与成因分析 根据各地气温可做出相关表格，详见配套的Excel，进一步可做出图1～3。 ⑴ 由图1可知，所有月份都是 T 京津冀 ＞ T 东北低纬 ＞ T 东北中纬 ＞ T 东北高纬 ，即各地的月平均气温与纬度负相关。这是因为纬度越低，得到的太阳能越多，致使地面气温越高；反之，纬度越高，得到的太阳能越少，致使地面气温越低。 ⑵由图1可知，所有月份都是 T 准噶尔 ＞ T 东北中纬 。 准噶尔盆地纬度与东北中纬地区纬度差不多，气温为什么这样呢？这是因为夏季（夏半年）东北中纬地区下垫面水分的实际蒸发量远远大于准噶尔盆地下垫面水分的实际蒸发量，因为水分蒸发的原因东北中纬地区从环境中吸收的热量比准噶尔盆地从环境中吸收的热量大得多；还有准噶尔盆地包含大量沙漠、土壤含水很少，表层土壤的热容量很小，致使沙漠地区气温的年较差比较大，所以，夏季 T 准噶尔 ＞ T 东北中纬 。 冬季东北是西伯利亚冷空气从北方南下的通道，冬季从北方南下的冷空气在新疆受到了阿尔泰山的阻挡，冷空气南下的力量减弱，致使冬季东北的气温低于新疆的气温，所以，冬季也有 T 准噶尔 ＞ T 东北中纬 。 ⑶由图1可知，夏季 T 天山以南 ＞ T 京津冀 ，而冬季 T 天山以南 ≤ T 京津冀 。 天山以南的纬度与京津冀的纬度差不多，气温为什么这样呢？夏季京津冀地区下垫面水分的实际蒸发量远大于天山以南地区下垫面水分的实际蒸发量，水分蒸发从京津冀地区环境中吸收的热量比从天山以南环境中吸收的热量大得多；另外，天山以南地区包含大量沙漠、土壤含水很少，表层土壤的热容量很小，沙漠地区气温的年较差比较大，所以，夏季 T 天山以南 ＞ T 京津冀 ，而冬季 T 天山以南 ≤ T 京津冀 。 ⑷由图2和相关的表格可知，所有月份都是 T 天山以南 ＞ T 准噶尔 ，其中冬季相差约 8.7 ℃ ，夏季相差约 3.5 ℃ 。 主要原因同⑴，冬季温差比较大的原因还有 大范围积雪反射太阳光和逆温层下面的低层云雾遮挡太阳光等导致准噶尔盆地冬季的气温很低 ，致使冬季天山南北气温的差值大于夏季气温的差值。 ⑸由图2和相关的表格可知，伊宁夏季气温与准噶尔盆地的平均值差不多，即 夏季 T 伊宁 ≈ T 准噶尔 ； 冬季气温是伊宁比准噶尔盆地的平均值明显大一些，即 冬季 T 伊宁 ＞ T 准噶尔 ， 两者之差高达 6. 8℃ 左右。一方面是伊宁偏南，接受的太阳辐射比较多；另一方面是伊宁为瀚海湿岛、塞外江南，夏季下垫面水分的实际蒸发量大一些，水分蒸发从环境吸收的热量多一些，以上两个方面的作用方向相反，有一定的抵消作用，致使夏季气温伊宁与准噶尔盆地的平均值差不多。据《 能仅仅根据低层大气的相对湿度来划分干湿盆地吗 》第 3 节的研究，准噶尔盆地冬季大范围积雪反射太阳光和逆温层下面的低层云雾遮挡太阳光，致使准噶尔盆地冬季气温很低，再加上伊宁偏南，接受的太阳辐射比较多，以上两个方面的原因致使伊宁冬季气温比准噶尔盆地冬季气温明显大一些，两地气温之差高达 6.8 ℃左右。 ⑹由以上分析和图 3 可知，十二月至来年二月冬季的月平均气温是 T 京津冀 ≥ T 天山以南 ＞ T 东北低纬 ＞ T 准噶尔 ＞ T 东北中纬 ＞ T 东北高纬 。主要原因一是纬度不同致使接收的太阳能不同，二是下垫面土壤含水量的差别致使气温的年较差不同，三是西北利亚冬季的冷空气在南下过程中受到了阿尔泰山的阻挡。 2.2 地面水汽压 e 的差异与成因分析 ⑴ 图4中，所有月份都是 e 京津冀 ＞ e 东北低纬 ＞ e 东北中纬 ＞ e 东北高纬 ，即与气温类似，各地的地面水汽压与纬度也是负相关。这是因为下垫面有水可供蒸发时，纬度越低得到的太阳能越多，下垫面蒸发产生的本地水汽越多；反之，纬度越高得到的太阳能越少，下垫面蒸发产生的本地水汽越少。 ⑵东北和华北位于我国东部，天山以南地区和准噶尔盆地位于我国西部。图4中夏季地面水汽压是东部地区明显大于西部地区，即夏季 e 东部 ＞ e 西部 ； 冬季地面水汽压是东部地区与西部地区相差不大，即冬季 e 东部 ≈ e 西部 。夏季蒸发能力很强，东部地区下垫面有水可供蒸发，而西部地区下垫面没有水或者缺少水可供蒸发，这就是东部地区夏季地面水汽压明显大于西部地区地面水汽压的原因。冬季气温低，蒸发能力小，本地蒸发对地面水汽压的影响比较小，所以，冬季东部地区的地面水汽压与西部地区的地面水汽压相差不大。特大规模调水沙漠变绿洲以后，下垫面有水可供蒸发，西部地区夏季的地面水汽压有望大幅增加。 ⑶ 由图 4 和相关的表格可知，夏半年特别是 6~9 月 e 东北中纬 ＞ e 准噶尔 ，而冬季 e 东北中纬 ＜ e 准噶尔 ，差值约 0.5hPa 。准噶尔盆地纬度与东北中纬地区的纬度差不多，地面水汽压为什么这样呢？夏季蒸发能力很强，东北中纬地区下垫面有水可供蒸发，而准噶尔盆地下垫面没有水或者缺少水可供蒸发，所以，夏季 e 东北中纬 ＞ e 准噶尔 。冬季东北中纬地区和准噶尔盆地都有大范围的积雪可供蒸发，因为冬季的气温是 T 准噶尔 ＞ T 东北中纬 ，所以，准噶尔盆地的实际蒸发能力大一些；还有准噶尔盆地冬季逆温层的时间比较长，大范围积雪蒸发产生的水汽长时间在逆温层下面停留，以上两个原因致使 冬季 e 东北中纬 ＜ e 准噶尔 ，差值达到 0.5hPa 左右 。 ⑷由图 5 和相关表格可知， e 天山以南 ≥ e 准噶尔 ，其中三月和四月的地面水汽压是 e 天山以南 ≈ e 准噶尔 ，其余10个月份都是 e 天山以南 ＞ e 准噶尔 。一般情况都是纬度越大，地面水汽压越低，反之则相反，成因与⑴相同。 ⑸由图 5 和相关表格可知，所有月份都是 e 伊宁 ＞ e 准噶尔 ，夏季差值约 3.2hPa ，冬季差值约 1.3hPa ，这是为什么？夏季的蒸发能力很强，伊宁是瀚海湿岛、塞外江南，下垫面有水可供蒸发，而准噶尔盆地相对来说没有水可供蒸发，这就是夏季两地地面水汽压的差值比较大的原因。 冬季气温是 T 伊宁 ＞ T 准噶尔 ， 两者之差高达 6. 8℃ 左右，但与夏季相比，冬季的蒸发能力比较小，所以，冬季两地地面水汽压的差值比夏季两地地面水汽压的差值小一些，只有 1.3hPa 。 ⑹由以上分析和图 6 可知，十二月至来年二月冬季的月平均地面水汽压是 e 京津冀 ≈ e 天山以南 ＞ e 东北低纬 ＞ e 准噶尔 ＞ e 东北中纬 ＞ e 东北高纬 。主要原因有二个，一是下垫面有水可供蒸发时，气温越高蒸发产生的本地水汽越多，致使地面水汽压越大，反之，气温越低蒸发产生的本地水汽越少，致使地面水汽压越小；二是冬季气温低，蒸发能力比较小，本地蒸发对地面水汽压的影响比较小，致使冬季京津冀的地面水汽压与天山以南地区的地面水汽压相差不大（两地的纬度相当）。 ⑺ 由图 6 可知，虽然准噶尔盆地冬季的相对湿度很大，地面水汽压大于纬度相当的东北中纬地区的地面水汽压，但地面水汽压依然很低，仍然小于天山以南、东北低纬和京津冀等地区的地面水汽压。原因是冬季的气温很低，下垫面的蒸发能力很小，致使低层大气的含水量很少，地面水汽压很低。 2.3 绝对湿度 a 的差异与成因分析 根据平均地面水汽压和气温可计算得出各地的绝对湿度，详见表 1~6 。 表 1 天山以北各地的逐月绝对湿度 ( g／m^3) 表 2 天山以南地区各地的逐月绝对湿度 ( g／m^3) 表 3 东北高纬地区各地的逐月绝对湿度 ( g／m^3) 表 4 东北中纬地区各地的逐月绝对湿度 ( g／m^3) 表 5 东北低纬地区各地的逐月绝对湿度 ( g／m^3) 表 6 京津冀地区各地的逐月绝对湿度 ( g／m^3) 根据表1～6的相关数据，可做出图7～9。 ⑴图7中，所有月份都是 a 京津冀 ＞ a 东北低纬 ＞ a 东北中纬 ＞ a 东北高纬 ，即与气温和地面水汽压类似，各地的绝对湿度与纬度也是负相关。 ⑵夏季绝对湿度是东部地区明显大于西部地区，即夏季 a 东部 ＞ a 西部 ；冬季地面绝对湿度是东部地区与西部地区相差不大，即冬季 a 东部 ≈ a 西部 。 ⑶由图7和相关表格可知，夏半年特别是 6~9 月 a 东北中纬 ＞ a 准噶尔 ，而冬季 a 东北中纬 ＜ a 准噶尔 ，差值约 0.4 g／m^3 。 ⑷图 8 中三、四月是 a 天山以南 ≈ a 准噶尔 ，其余都是 a 天山以南 ＞ a 准噶尔 。 ⑸ 由图 8 和有关表格可知，所有月份都是 a 伊宁 ＞ a 准噶尔 ，夏季的差值约 2.4 g／m^3 ，冬季的差值约 1.0 g／m^3 。以上 5 点的成因与地面水汽压的 5 点成因完全相同。 ⑹由以上分析和图 9 可知，十二月至来年二月冬季的月平均地面绝对湿度是 a 京津冀 ≥ a 天山以南 ＞ a 东北低纬 ＞ a 准噶尔 ＞ a 东北中纬 ＞ a 东北高纬 。主要原因有二个，一是下垫面有水可供蒸发时，气温越高蒸发产生的本地水汽越多，致使地面绝对湿度越大，反之，气温越低蒸发产生的本地水汽越少，致使地面绝对湿度越小；二是冬季气温低，蒸发能力比较小，本地蒸发对地面绝对湿度的影响较小，致使冬季京津冀地区地面的绝对湿度与天山以南地区地面的绝对湿度相差不大（两地的纬度相当）。 ⑺ 绝对湿度比较直观，应引起广泛重视。由图 9 和相关的表格可知， 冬季的月平均绝对湿度 京津冀地区最大，介于 1.8~2.3 g ／m^3，平均 2.1 g ／m^3 ；天山以南地区次之，介于1.8 ~ 2.2 g ／m^3，平均 2.0 g ／m^3 ；东北低纬地区位居第三，介于 1.4~1.9 g ／m^3，平均 1.7 g ／m^3 ； 准噶尔盆地位居第四，介于 1.3~1.8 g ／m^3，平均为 1.6 g ／m^3 ；东北中纬地区位居倒数第二，介于 1.0~1.3 g ／m^3，平均 1.1g ／m^3 ；东北高纬地区居倒数第一，介于 0.6~0.9 g ／m^3，平均 0.8g ／m^3 。 虽然冬季准噶尔盆地的相对湿度很大，但绝对湿度依然很低，冬季 3 个月平均的绝对湿度仅 1.6 g ／m^3 （北京全年平均的绝对湿度为 7.9 g ／ m^3 ），仍然小于天山以南、东北低纬和京津冀等地区的绝对湿度。原因是冬季的气温很低，下垫面的蒸发能力很小，致使低层大气的含水量很少，地面的绝对湿度很低。 2.4 相对湿度的差异与成因分析 ⑴ 由图10可见，我国北方东部4个区域（东北高纬区、东北中纬区、东北低纬区、京津冀地区）的相对湿度基本上都大于 50% (京津冀二至四月的相对湿度稍稍小于 50% )；准噶尔盆地冷季十月至来年三月的相对湿度大于 50% ，暖季四至九月的相对湿度小于 50% ；天山以南除11月、12月和1月以外，其余9个月的相对湿度都小于 50% 。 一方面，水分蒸发能增加地面水汽压e，另一方面，水的比热容很大，水分蒸发从周围环境中吸收大量热量，致使气温下降，饱和水汽压E下降，所以，在相对湿度的计算公式U=e／E中，因下垫面的水分蒸发致使分子的地面水汽压e增加，致使分母的饱和水汽压E下降，所以，下垫面的水分蒸发致使相对湿度U显著增加。我国北方东部4个区域下垫面有水可供蒸发，准噶尔盆地冬季有大范围的积雪可供蒸发，所以，我国北方东部4个区域和准噶尔盆地冬季相对湿度大于 50% ；准噶尔盆地夏季没有水可供蒸发，天山以南的下垫面基本上都没有水可供蒸发，所以，准噶尔盆地夏季和天山以南大多数月份的相对湿度都小于 50% 。 ⑵ 由图10可知，东北高纬地区的相对湿度呈W分布，全年有两个高点和两个低点（低点分别是五月和十月）；我国北方东部4个二级区域暖季五至十月的相对湿度同步变化（增加或减少），而准噶尔盆地在此期间相对湿度比较小。 由《 本地蒸发对南疆东疆相对湿度贡献的估算和推论, 二论…… 》可知，水分蒸发能明显增加本地的相对湿度，准噶尔盆地五至十月的相对湿度比较小的原因是下垫面没有水或者缺少水可供蒸发，致使在此期间相对湿度比较小。特大规模调水沙漠变绿洲以后，准噶尔盆地五至十月的相对湿度有望向东部4个二级区域的相对湿度看齐，天山以南的相对湿度也有望向纬度相当的京津冀地区的相对湿度看齐。 ⑶ 由图11和相关表格可知， 伊宁所有月份的相对湿度都大于准噶尔盆地的相对湿度；而准噶尔盆地几乎所有月份的相对湿度都大于天山以南的平均相对湿度，其中十一月至来年四月天山南北相对湿度的差值比较大（分别为 15.8% 、 13.9% 、 15.6% 、 25.6% 、 30.1% 、 15.6% ）。 伊宁是瀚海湿岛、塞外江南，下垫面有水可供蒸发，所以，伊宁的相对湿度大于准噶尔盆地的相对湿度；准噶尔盆地的年降水量比天山以南的年降水量大一些，相对来说，下垫面有水可供蒸发，还有准噶尔盆地的气温低一些，对应的饱和水汽压小一些，所以，准噶尔盆地的相对湿度大于天山以南的相对湿度。 由第2节《地面气温T的差异与成因分析》可知，逐月气温都是 T 天山以南 ＞ T 准噶尔 ，其中冬季相差约 8.7 ℃ ，夏季相差约 3.5 ℃ 。 天山南北冬季的气温相差很大，也就是说，准噶尔盆地冬季的气温比天山以南的气温低得多，准噶尔盆地冬季的饱和水汽压比天山以南地区的饱和水汽压小得多，从而导致冬季（或者说冬半年十一月至来年四月）准噶尔盆地的相对湿度比天山以南地区的相对湿度大得多，所以，冬半年十一月至来年四月天山南北的相对湿度的差值很大。 ⑷由图12可知， 十一月至来年三月，我国北方东部4个二级区域的相对湿度与纬度正相关 ，纬度越大相对湿度越大，纬度越小相对湿度越小。用不等式表述就是： 十一月至来年三月 U 东北高纬 ＞U 东北中纬 ＞U 东北低纬 ＞U 京津冀 。 在图 3 、图 6 和图 9 中，我国北方东部 4 个二级区域冬季十二月至来年二月的逐月平均气温、逐月平均地面水汽压和逐月平均绝对湿度从大到小的排列顺序都是京津冀地区、东北低纬地区、东北中纬地区和东北高纬地区，即 与纬度负相关 ，而 相对湿度与纬度正相关 ， 这是为什么？ 十一月至来年三月我国北方由大陆季风控制，低空盛行由西北至东南的大陆季风。大气环流自北向南推进过程中，地面水汽压 e 逐步增加，气温和对应的饱和水汽压 E 也逐步增加，地面水汽压 e 增加的速率相对较慢（冬季气温低，下垫面水分蒸发的速率比较小，地面绝对湿度增加的速率也比较小），而饱和水汽压 E 增加的速率相对较快（随着气温的增加饱和水汽压 E 较快增加），也就是说，在相对湿度的计算公式 U=e ／E 中，作为分子的地面水汽压 e 增速较慢，作为分母的饱和水汽压 E 增速较快，因此，大气环流自北向南推进过程中，相对湿度逐步减少，这就是中国北方东部 4 个区域冬季相对湿度与纬度正相关的原因。 ⑸由图12可知，十一月至来年三月，准噶尔盆地的相对湿度大于等于东北高纬地区的相对湿度，比东部4个二级区域的相对湿度都要大，位居第一，冬季的相对湿度在 75%左右 ，即 U 准噶尔 ≥U 东北高纬 ＞U 东北中纬 ＞U 东北低纬 ＞U 京津冀 。 由图 6 和相关表格可知，准噶尔盆地冬季的地面水汽压大约是东北高纬地区冬季地面水汽压的 2 倍左右，也就是说，准噶尔盆地冬季的地面水汽压在东北高纬地区冬季地面水汽压的基础上大幅增加、成倍增加；由图 3 和相关表格可知，准噶尔盆地冬季的月平均气温比东北高纬地区的月平均气温大得多，差值大约在8℃左右，再根据气温与饱和水汽压一一对应的函数关系可能知道，准噶尔盆地冬季的饱和水汽压比东北高纬地区的饱和水汽压大得多。因此，在相对湿度的计算公式U=e／E中，作为分子的地面水汽压e准噶尔盆地在东北高纬地区的基础上大幅增加成倍增加，作为分母的饱和水汽压E准噶尔盆地也在东北高纬地区的基础上大幅增加成倍增加，在分子地面水汽压e和分母饱和水汽压E的共同作用下，准噶尔盆地冬季（冬半年十一月至来年三月）的相对湿度不低于东北高纬地区的相对湿度，即 U 准噶尔 ≥U 东北高纬 ，再加上以上第⑷点的分析，所以有以下不等式 U 准噶尔 ≥U 东北高纬 ＞U 东北中纬 ＞U 东北低纬 ＞U 京津冀 。 2.5 降水量的差异与成因分析 ⑴ 由图13可知，中国北方东部4个二级区域与天山南北的夏季降水量相差很大，冬季降水量相差不大。原因是与北方东部4个二级区域相比，天山南北夏季下垫面没有水或者缺少水可供蒸发，而北方东部4个二级区域下垫面有水可供蒸发，致使东部夏季的各项水汽参数明显大于西部夏季的各项水汽参数，例如，图4中东部夏季的地面水汽压比西部夏季的地面水汽压大得多，图7中东部夏季的绝对湿度比西部夏季的绝对湿度大得多，图10中东部夏季的相对湿度比西部夏季的相对湿度大得多。又因为降水量与水汽的绝对数量和相对数量都是高度正相关，所以，东部夏季的降水量明显大于西部夏季的降水量。 由图4可知，东部冬季的地面水汽压与西部冬季的地面水汽压相差不大；由图7可知，东部冬季的绝对湿度与西部冬季的绝对湿度相差不大；由图10可知，东部冬季的相对湿度与西部冬季的相对湿度相差不大。又因为降水量与水汽的绝对数量和相对数量都是高度正相关，所以，东部冬季的降水量与西部冬季的降水量相差不大。 ⑵ 由图14可见， 与 北方东部4个二级区域与天山以南地区相比，准噶尔盆地冬季十二月至来年二月的降水量最大。原因是在此期间，准噶尔盆地的下垫面有大量积雪可供蒸发，相对湿度最大（参见图12），绝对湿度比较大（大于东北高纬地区和中纬地区的绝对湿度，但小于京津冀和天山以南的绝对湿度，参见图9）。降水量与水汽的绝对数量和相对数量都是高度正相关，它们综合作用的结果导致准噶尔盆地冬季的降水量最大。 3 准噶尔盆地冬季潮湿的两面性和成因分析 准噶尔盆地冬季潮湿的两面性可分为正面表现和反面表现，正面表现为相对湿度和降水量都比较大，相对湿度和降水量都位居北方六个二级区域冬季的首位。由图12可知，冬季 U 准噶尔 ≥U 东北高纬 ＞U 东北中纬 ＞U 东北低纬 ＞U 京津冀 ，冬季准噶尔盆地的相对湿度高达75%左右。由图14可知，准噶尔盆地冬季的降水量最大，明显大于其它地区的降水量，大约是京津冀和东北高纬地区冬季降水量的2倍，更是天山以南地区冬季降水量的6倍。 准噶尔盆地冬季潮湿的反面表现一是地面水汽压和绝对湿度比较低，虽然比东北高纬和中纬地区大一些，但比京津冀、天山以南和东北低纬地区小一些，地面水汽压仅 1.8hPa 左右，绝对湿度仅 1.6 g ／m^3 左右(请参阅图6和图9)；二是下垫面存在大量沙漠，沙漠土壤含水量很低，水层厚度比耕作土壤要小一个数量级；三是虽然准噶尔盆地冬季降水量是北方六个二级区域冬季降水量中最大的，但冬季降水量是四个季节降水量中最小的，冬季降水量占全年总降水量的比例比较小，冬季准噶尔盆地的降水量位列第一是“矮子队里选将军”的结果。 成因： 第一， 准噶尔盆地冬季积雪广泛分布，积雪大量蒸发产生本地水汽；第二， 盆地上空的逆温层类似于锅盖，阻断了水汽的向上传输，阻断了下垫面蒸发产生的本地水汽向盆地以外水平传输，导致蒸发产生的本地水汽长期滞留在逆温层以下的低层大气中，从而导致准噶尔盆地冬季低层的水汽相对来说比较多（比纬度相当的东北中纬地区大一些）；第三， 准噶尔盆地的纬度比较高，冬季的气温很低，对应的饱和水汽压很小。在以上3个原因的共同作用下，导致准噶尔盆地冬季的相对湿度比较大，比较潮湿（指相对湿度和降水量都比较大）。 4 湿盆地延续方面的讨论 4.1 短时间与长时间水分蒸发对空中水汽的影响能够相互印证 由《 本地蒸发对南疆东疆地面水汽压贡献的估算和推论, 一论…… 》和《 本地蒸发对南疆东疆相对湿度贡献的估算和推论, 二论…… 》可知，南疆东疆干旱少雨，下垫面没有水缺少水可供蒸发，难得遇上降水，下垫面有水可供蒸发，降水当日和第二日地面水汽压和相对湿度明显增加。因为一次降水的数量有限，几天甚至一至二日就被蒸发完毕，所以，雨后蒸发的时间比较短，与此对应的是空中水汽参数明显增大的时间也比较短。这说明短时间的水分蒸发能明显增加空中水汽的数量，能明显增加空中水汽的相对湿度和绝对湿度，因为蒸发的时间比较短，空中水汽参数维持高值的时间也比较短。 图4中，夏季东部地区下垫面有水可供蒸发，夏季西部地区下垫面没有水或者缺少水可供蒸发，致使夏季东部地区的地面水汽压明显大于夏季西部地区的地面水汽压，即夏季 e 东部 ＞ e 西部 ，这说明夏季下垫面长时间的水分蒸发能明显增加当地的地面水汽压；同理，由图7可知，夏季下垫面长时间的水分蒸发能明显增加当地的绝对湿度；由图10可知，夏季下垫面长时间的水分蒸发能明显增加当地的相对湿度。在图4、 7 、 10 中，东部地区整个夏季（夏半年）下垫面都有水分蒸发，与此对应的是空中水汽绝对数量和相对数量维持高值的时间很长。 西部干旱地区雨后短时间的水分蒸发致使西部空中水汽参数维持高值的时间比较短，东部夏季下垫面长时间的水分蒸发致使东部空中水汽参数维持高值的时间很长，因此，短时间与长时间水分蒸发对空中水汽的影响能够相互印证。 4.2 准噶尔冬季湿盆地未能延续的转折时间点和原因分析 由图10或者图 11 可知，准噶尔盆地的相对湿度由三月份的 67.3% 大幅下降到四月份的 46.7% ，再小幅下降到五月份的 41.6% ，因此， 准噶尔盆地由湿盆地转化为干盆地的转折时间点为四月 （四月的相对湿度 46.7% 接近 50% ，与京津冀四月的相对湿度47.2%很接近，勉强还可算作湿盆地）， 五月正式成为干盆地。 由图5可知，从 2 月到 3 月再到 4 月 5 月，准噶尔盆地的地面水汽压逐步增加，但增幅不是很大；由图 2 可知，从 2 月到 3 月再到 4 月 5 月，准噶尔盆地的地面气温逐步增加，并且增幅较大，特别是从 2 月到 3 月再到 4 月的气温增幅很大，又因为气温与饱和水汽压是一一对应的函数关系，所以，从 2 月到 3 月再到 4 月的饱和水汽压增幅很大。在相对湿度的计算公式U=e／E中，从2月到 3 月再到 4 月作为分子的地面水汽压 e 的增幅比较小，作为分母的饱和水汽压 E 的增幅很大，所以，从 2 月到 3 月再到 4 月相对湿度下降的速率比较快， 4 月成了准噶尔盆地由湿变干的转折时间点， 5 月准噶尔盆地正式变成干盆地（当相对湿度成为干湿盆地划分的唯一标准时），与上一自然段相对湿度的分析相互印证。 由第3节的分析可知， 第一， 冬季准噶尔盆地被大面积的积雪覆盖，部分积雪蒸发变成水汽；第二，逆温层阻挡水汽向上和向外传输；第三，准噶尔盆地纬度较大冬季气温很低，对应的饱和水汽压很小，以上3个原因致使冬季准噶尔盆地的相对湿度达到了75%左右，变成了湿盆地。 准噶尔盆地的积雪 3 月中旬开始融化， 3 月前期还有大范围的积雪蒸发变成水汽， 3 月后期有残存的积雪蒸发变成水汽，还有积雪融水蒸发变成水汽，因此，整个 3 月的相对湿度还比较大，达到了 67.3% 左右，还属典型的湿盆地。 到了四月，积雪融水已蒸发完毕， 下垫面缺少水可供蒸发（这是四月份准噶尔盆地由湿盆地变成干盆地最关键的影响因子） ，加上四月气温比较高，四月与三月的气温差高达12.5℃，饱和水汽压成倍增加，致使四月相对湿度下降到了 46.7% 左右，所以，四月成了准噶尔盆地由湿变干的转折时间点。到了五月下垫面缺少水可供蒸发，气温进一步增加，饱和水汽压增加，致使 5 月相对湿度下降到 41.6% 左右，准噶尔盆地正式变成干盆地。 4.3 准噶尔盆地由春夏秋干盆地转化变成冬季湿盆地的转折时间点和原因分析 由图10或者图 11 可知，准噶尔盆地的相对湿度由九月份的 46.0% 上升到十月份的 56.1% ，再上升到十一月份的 70.1% ，因此， 准噶尔盆地由干盆地转化为湿盆地的转折时间点为十月，十一月正式成为湿盆地。 由图5可知，从 9 月到 10 月再到 11 月，准噶尔盆地的地面水汽压逐步减少，但 减少的幅度不是很大；由图 2 可知，从 9 月到 10 月再到 11 月，准噶尔盆地的地面气温逐步减少，并且减少的幅度比较大，又因为气温与饱和水汽压是一一对应的函数关系，所以，从 9 月到 10 月再到 11 月饱和水汽压变小的幅度很大。在相对湿度的计算公式U=e／E中，从 9 月到 10 月再到 11 月 作为分子的地面水汽压 e 的减少幅度比较小，作为分母的饱和水汽压 E 的减少幅度很大，所以，从 9 月到 10 月再到 11 月相对湿度上升的速率比较快， 10 月成了准噶尔盆地由干变湿的转折时间点， 11 月准噶尔盆地正式变成湿盆地（当相对湿度成为干湿盆地划分的唯一标准时），与上一自然段相对湿度的分析相互印证。 准噶尔盆地11月平均气温-3.6℃，大地开始覆盖积雪，逆温层逐步形成。准噶尔盆地的积雪大量蒸发，加上逆温层阻止水汽向上和向外传输，再加上气温很低，对应的饱和水汽压很小，也就是逐步满足了第3节的3个原因，致使相对湿度比较大，低层大气潮湿，准噶尔盆地由此进入冬季湿盆地的气候模式。 由以上分析可知，四月是准噶尔盆地由湿盆地转化为干盆地的转折时间点，五至九月是典型的干盆地；十月是准噶尔盆地由干盆地转化为湿盆地的转折时间点，十一月至来年三月是典型的湿盆地。干盆地时下垫面没有水或者缺少水可供蒸发，湿盆地时下垫面有积雪也就是有水可供蒸发。 4.4 准噶尔盆地维持长期湿盆地需要的条件 下垫面的水分蒸发有两个方面的作用，一是增加空中水汽的绝对数量，导致地面水汽压、绝对湿度和地面比湿等水汽量化参数增加；二是水的热容量很大，下垫面的水分蒸发要从环境中吸收大量热量，从而降低环境气温，又因为气温与饱和水汽压是一一对应的函数关系，所以，下垫面的水分蒸发导致饱和水汽压下降。在以上两个方面的共同作用下， 下垫面的水分蒸发导致相对湿度明显增加。 深度大约 1 米的表层土壤的含水量对植被和下垫面水分蒸发的影响很大。对西北干旱地区来说，土壤的含水量越大，植被越好；土壤的含水量越小，植被越差。土壤的含水量越多，植被越好，那下垫面蒸发产生的本地水汽就越多；反之，土壤的含水量越少，植被越差，那下垫面蒸发产生的本地水汽就越少。 由 《 近几十年来新疆面雨量和土壤总的水分同步大幅增加 》的研究可知， 向新疆跨流域调水、沙漠变绿洲以后， 沙漠土壤减少，耕作土壤增加，又因为耕作土壤的含水量比沙漠土壤的含水量大得多，耕作土壤的水层厚度比沙漠土壤的水层厚度要大一个数量级，因此， 新疆表层土壤总的水分将大幅增加成倍增加。 图 10 中，下垫面缺少水可供蒸发致使四月相对湿度大幅下降，五至九月相对湿度很低，特大规模调水沙漠变绿洲以后，沙漠土壤变成耕作土壤，土壤的水层厚度大幅增加成倍增加，下垫面就有水可供蒸发，相对湿度就能明显增加，所以，特大规模调水就能使准噶尔盆地的冬季湿盆地得到延续并变成长期湿盆地。 4.5 跨流域调水对冬季湿盆地延续成效的专家认识 可以质疑吗 “ 准噶尔盆地冬季积雪面积很多，乌鲁木齐也是经常飘雪花。这里大气的底层是比华北要更潮湿的地方。我们可以说冬季的准噶尔盆地就是湿盆地。 ”专家的这个认识里，仅仅关注了相对湿度，没有关注绝对湿度，有一定的片面性。由第 2 节和第 3 节的分析可知，准噶尔盆地冬季的相对湿度和降水量确实比较大，但准噶尔盆地冬季的地面水汽压和绝对湿度小于纬度低一些的京津冀地区的地面水汽压和绝对湿度，看问题必须全面，既要看到冬季潮湿的正面表现，也要看到冬季潮湿的反面表现（反面表现详见第 3 节）。 “ 但是随着春季的融雪和丰富日光，到了暖季准噶尔盆地依然变成为一个干盆地（空气的相对湿度比冬季小）。而冬季低层的潮湿空气不知去向。基于这个气候过程每年都出现。我估量引水入新疆引起的效果难以跨过当年。 ”对以上专家认识，作者有以下看法，第一， 到了暖季准噶尔盆地确实变成了干盆地；第二，“冬季低层的潮湿空气不知去向”，这个说法不严谨，理由是暖季的地面水汽压和绝对湿度都比冬季的地面水汽压和绝对湿度大得多（详见图4和图7），只是因为暖季的气温增加导致饱和水汽压增加得更快一些，从而导致暖季的相对湿度下降；第三，跨流域调水沙漠变绿洲以后，沙漠土壤变成耕作土壤，而耕作土壤的含水量比沙漠土壤的含水量大得多，从而导致土壤表层的水分大幅增加成倍增加，这样下垫面就有水可供蒸发，准噶尔盆地 的冬季湿盆地就能得到延续， 就能由冬季湿盆地变成长期湿盆地。这里要强调的是跨流域调水要长期运作，以弥补准噶尔盆地年蒸发总量与年降水总量之间的差值。 5 小结 ⑴ 中国北方六个二级区域的气温、地面水汽压和绝对湿度与纬度的关系比较密切，都与纬度负相关，纬度越大以上 3 个气候参数越小，纬度越小以上 3 个气候参数越大。 ⑵ 在相对湿度的计算公式U=e／E中，分子e和分母E都与纬度负相关，相对湿度的变化趋势取决于分子e和分母E哪一个的变化速率更大。 气温、地面水汽压和绝对湿度都与纬度负相关， 而相对湿度与纬度不是正相关，也不是负相关，关系比较复杂。 ⑶ 夏季的地面水汽压、绝对湿度、相对湿度和降水量是东部地区明显大于西部地区；冬季的地面水汽压、绝对湿度、相对湿度和降水量是东部地区与西部地区差别不大。原因是夏季东部地区下垫面有水可供蒸发，而西部地区下垫面没有水或者缺少水可供蒸发。西部干旱区短时间水分蒸发致使地面水汽压和相对湿度明显增加，所以，短时间与长时间水分蒸发对空中水汽的影响能够相互印证。 ⑷ 准噶尔盆地冬季潮湿的正面表现是相对湿度和降水量都比较大，都位居北方六个二级区域的首位；反面表现一是地面水汽压和绝对湿度比较低，地面水汽压仅 1.8hPa 左右，绝对湿度仅 1.6 g ／m^3 左右；二是下垫面存在大量沙漠，沙漠土壤含水量很低，水层厚度比耕作土壤要小一个数量级；三是冬季降水量是四个季节降水量中最小的，冬季降水量占全年总降水量的比例比较小，冬季准噶尔盆地的降水量位列第一是“矮子队里选将军”的结果。 ⑸ 准噶尔盆地冬季潮湿的成因： 第一， 准噶尔盆地冬季积雪广泛分布，积雪大量蒸发产生本地水汽；第二， 盆地上空的逆温层类似于锅盖，阻断了水汽的向上传输，阻断了下垫面蒸发产生的本地水汽向盆地以外水平传输，导致蒸发产生的本地水汽长期滞留在逆温层以下的低层大气中，从而导致准噶尔盆地冬季低层的水汽相对来说比较多（比纬度相当的东北中纬地区大一些）； 第三， 准噶尔盆地的纬度比较高，冬季的气温很低，对应的饱和水汽压很小。 ⑹ 下垫面水分蒸发的作用很大，一是增加空中水汽的绝对数量，导致地面水汽压、绝对湿度和地面比湿等水汽量化参数增加；二是水分蒸发吸收大量热量，从而降低环境气温。在以上两个方面的共同作用下，下垫面的水分蒸发致使相对湿度明显增加。 准噶尔盆地暖季变干的主要原因就是下垫面缺少水分可供蒸发。 ⑺ 特大规模调水沙漠变绿洲以后，沙漠土壤变成耕作土壤，土壤的水层厚度大幅增加成倍增加，下垫面就有水可供蒸发，相对湿度就能明显增加，所以，特大规模调水就能使准噶尔盆地的冬季湿盆地得到延续并变成长期湿盆地。 ⑻ 跨流域调水对冬季湿盆地延续成效的专家认识，一是没有关注绝对湿度，仅仅关注了相对湿度，有一定的片面性；二是只关注了空中水汽，完全忽略了土壤含水量的变化，而耕作土壤的水层厚度比冬季大气的可降水量要大一个数量级，必须高度重视，否则就是检了芝麻丢了西瓜。 跨流域调水沙漠变绿洲以后，沙漠土壤变成耕作土壤，而耕作土壤的含水量比沙漠土壤的含水量大得多，从而导致土壤表层的水分大幅增加成倍增加，这样下垫面就有水可供蒸发，准噶尔盆地 的冬季湿盆地就能得到延续， 就能由冬季湿盆地变成长期湿盆地。 附件：配套的Excel: 逐月气候参数的比较 预印本 https://preprint.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFileid=8a8b8a9872923b3b0172b833e02d008c 预印本 https://preprint.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFileid=8a8b8a9872923b3b0172acf81e690068 准噶尔盆地冬季相对湿度、绝对湿度和湿盆地的延续.doc
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能仅仅根据低层大气的相对湿度来划分干湿盆地吗？！
热度 3 zhgatcl 2020-5-1 10:42
能仅仅根据低层大气的相对湿度来划分干湿盆地吗？！ ——准噶尔盆地与华北平原冬季可降水量的比较 图 1 为准噶尔盆地冬季阴雾天气时大气层的温度分布，摘自 《新疆气象手册》第 2 篇第 1 章第 5 节 。由图 1 可知，海拔 1000 至 1600 米为逆温层，准噶尔盆地冬季海拔 1100 米以下的大气层，大气温度与露点温度非常接近，相对湿度接近 100% ，大气非常潮湿，但逆温层以上的大气层（海拔 1600 米以上）， 温度露点差 T-T d （大气温度与露点温度之差）比较大，空气比较干燥，相对湿度很低。 有专家认为： “准噶尔盆地冬季积雪面积很多，乌鲁木齐也是经常飘雪花。这里大气的底层是比华北要更潮湿的地方” 。 冬季准噶尔盆地大气的低层比华北潮湿，那大气的中层和高层比华北潮湿还是干燥？ 冬季准噶尔盆地整个大气层比华北平原整个大气层潮湿还是干燥？还有，准噶尔盆地冬季低层大气潮湿的主要原因是什么？ 本文利用《我国上空的水汽含量及其气候学估算》（应用气象学报 ,2012,23(6):763-768 ）研究得出的可降水量对以上问题进行讨论分析。 1 数理统计图表揭示的一些观点认识 对中国 125 个探空站的逐月可降水量进行筛选，可做出表 1~4 ，再根据表 1~4 的有关数据可做出图 2~5 ，由数理统计图表可得到以下观点认识： 1 、某地某月的平均可降水量受季节、纬度、海拔和下垫面的本地蒸发等影响，当其它条件基本相同时， 可降水量（柱空气水汽含量）与纬度负相关，纬度越大可降水量越小，纬度越小可降水量越大 ，表 1~4 也有 可降水量与纬度负相关 的一些表现。例如，⑴在表 1 中，除海拔较高的北塔山站以外，阿勒泰的纬度最大，逐月可降水量最小。 ⑵在表 3 中，前 5 个站的纬度大一些，逐月可降水量小一些；后 4 个站的纬度小一些，逐月可降水量大一些；北京的纬度最大，逐月可降水量最小；阜阳的纬度最小，逐月可降水量最大。 ⑶在表 4 中，前 4 个站的纬度大一些或者海拔高一些，逐月可降水量小一些；后 4 个站的纬度小一些或者海拔低一些，逐月可降水量大一些；嫩江的纬度最大，逐月可降水量最小。 2 、图 2 中，天山南北的逐月可降水量相差不大，北疆的可降水量还要大一点， 不符合 可降水量与纬度负相关 的一般变化趋势，原因是北疆的年降水量大一些，可供蒸发的水分多一些，本地的年实际蒸发量大一些；与此相反，南疆本地的年实际蒸发小一些。这说明本地蒸发确实能增大本地的空中水汽含量，与《 一论 》至《 三论 》的论点相符。 3 、在图 3 、 4 、 5 中，准噶尔盆地冬季的可降水量与华北平原和东北平原相差不大，夏季的可降水量与华北平原和东北平原相差很大，原因是华北平原和东北平原夏季下垫面有水可供蒸发，蒸发产生的本地水汽比准噶尔盆地大得多（这至少是原因之一）。这再次证明本地蒸发确实能增大本地的空中水汽含量。 向超深盆地特大规模调水、沙漠全部变成绿洲以后，本地蒸发大幅增加，春夏秋三季特别是夏季空中水汽含量和降水量有望大幅增加。 4 、图 3 中，冬季 12 月、 1 月、 2 月是天山以北 5 个站可降水量的平均值大于北京的可降水量，小于华北平原 9 个站可降水量的平均值。因为天山以北的纬度大于北京的纬度，所以，天山以北 5 个站可降水量的平均值大于北京的可降水量 不符合 可降水量与纬度负相关 的一般变化趋势。因为天山以北的纬度大于华北平原的纬度，所以，天山以北 5 个站可降水量的平均值小于华北平原 9 个站可降水量的平均值 符合 可降水量与纬度负相关 的一般变化趋势。这说明 准噶尔盆地冬季阴雾天气时低层大气确实潮湿 ，致使准噶尔盆地 12 月、 1 月和 2 月的可降水量反常并且偏大（大于纬度更小的北京）， 但对整个大气层来说，不能说冬季准噶尔盆地比华北平原潮湿 （因为冬季 1 月、 2 月和 12 月华北平原可降水量比天山以北可降水量分别大 1.4mm 、 2.0mm 和 1.2mm ，用百分比表示就是分别大 30% 、 41% 和 21% ）。 5 、图 4 中， 1 月、 2 月、 3 月、 11 月、 12 月天山以北 5 个站可降水量的平均值大于东北平原 8 个站可降水量的平均值，这 符合 可降水量与纬度负相关 的一般变化趋势。 6 、图 5 中，冬季 12 月、 1 月、 2 月北京的可降水量小于克拉玛依和乌鲁木齐的可降水量，与阿勒泰的可降水量几乎相等。因为北京的纬度比克拉玛依和乌鲁木齐的纬度小一些，比阿勒泰的纬度小得多，所以，图 5 中冬季 12 月、 1 月、 2 月的表现 不符合 可降水量与纬度负相关 的一般变化趋势。这说明准噶尔盆地冬季阴雾天气时，低层大气确实潮湿，致使准噶尔盆地 12 月、 1 月和 2 月的可降水量反常并且偏大（可降水量大于纬度更小的北京）。 根据以上 6 点认识特别是第 4 点认识和图 1 ，可得出以下结论： 一般情况下，即使是冬季，准噶尔盆地整个大气层的可降水量也比华北平原的可降水量小一些（北京位于华北平原北部，纬度较大，可降水量较小，属例外情况）；冬季准噶尔盆地大气的低层比华北平原潮湿，潮湿空气层的厚度大约只有600米，自地面至海拔1100米左右；大气的中层和高层比华北平原干燥（海拔1600米以上）。 2 准噶尔盆地冬季水汽成云致雨的动力条件 逆温层非常稳定，逆温层阻断了逆温层上面和下面的空气交换，即空气的对流运动受阻。受地面和逆温层的双重影响（地面和逆温层类似于两块平板），准噶尔盆地冬季厚度大约600米的潮湿空气层凝结变成降水的动力条件很差；逆温层以上的空气层干燥，水汽压很小，水汽压的垂向梯度也很小（由《 第 5 章的小结说明和西北降水量显著增加原因解释的百家争鸣 》第4.4节可知，水汽压越小，水汽压的垂向梯度越小），再加上逆温层减少了对流运动的活动范围，致使逆温层以上水汽凝结变成降水的动力条件也很差。因此， 准噶尔盆地冬季水汽成云致雨的动力条件很差。 虽然冬季准噶尔盆地的低层大气潮湿，但中层和高层大气干燥，整个大气层的可降水量很小，仅5mm左右，再加上水汽变成降水的动力条件很差，所以，冬季准噶尔盆地的降水量很少。 3 大范围的积雪和逆温层下面的低层云雾致使低层大气降温 一是积雪反射太阳光，反射率高达0.9, 致使地面获得的太阳能锐减，地面和低层大气快速降温，有利于超深盆地逆温层的形成（高层气温与大范围空气流动相联系，它没有同步减少），详见图6的第①步演变；二是积雪表面的水分蒸发变成水蒸汽，并且吸收环境热量，致使地面和低层大气降温，这也有利于超深盆地逆温层的形成，详见图6的第②步演变；三是积雪蒸发产生的水汽冷凝变成了低层云雾，低层云雾再遮挡太阳光，致使地面和低层大气降温，这也有利于超深盆地逆温层的形成，详见图6的第③步演变；逆温层初步形成以后，逆温层阻止水汽向上扩散，水汽就只能在逆温层下面聚集，地面和低层大气降温致使聚集在逆温层下面的水汽变成低层云雾、遮挡太阳光，详见图6的第④步演变。第③步和第④步演变循环往复，相互促进，从而大幅降低地面和低层大气的气温。 在逆温层形成的初期，第①步和第②步演变起主导作用，在逆温层存活的后期，第③步和第④步演变起主导作用（原因是有了低层云雾遮挡太阳光， 已经没有很多太阳光供积雪反射；地面的相对湿度很高，水汽接近饱和，蒸发量已经很少了，因水分蒸发吸收的环境热量已经很少了 ）。 图6中，没有 大范围的积雪 ，就没有逆温层的形成，大范围积雪是驱动因子，对逆温层的形成至关重要。 低层云雾 扮演着非常重要的角色，没有低层云雾例如冷空气入侵破坏逆温层、打散低层云雾，第③步和第④步演变将不复存在。 图6 大范围积雪导致 超深盆地逆温层与低层云雾相互促进 的逻辑框图 图6中主要涉及 大范围的积雪、逆温层下面的低层云雾、地面和低层大气降温 三个方面，有了 大范围的积雪和逆温层下面的低层云雾 ，地面和低层大气就会降温。以下3点证据证明在大范围积雪与冬季逆温层存活期, 地面和低层大气的温度确实下降了，图6所示框图确实成立： 1、在图1中，海拔1600处的气温在0℃左右，如果没有逆温层和大范围积雪，按气温直减率推算，地面气温在7℃左右，但地面实际气温为-8℃，也就是说，逆温层下面的低层云雾和大范围的积雪等原因致使地面气温下降了15℃。 2、准噶尔盆地每年冬季都有逆温层和大范围积雪，与准噶尔盆地不同，吐哈盆地和塔里木盆地大多数年份都没有逆温层和大范围积雪，只有少数年份有逆温层和大范围积雪，一旦遇上大范围积雪和冬季逆温层时，当地的低层气温就会大幅下降，图7摘自 《新疆气象手册》第 2 篇第 1 章第 5 节 ，图7非常直观、极其“ 清楚地表明在12月下旬到2月上旬的温度比常年低了大约10℃ ”。没有图6中第③步和第④步演变的循环往复，相互促进，图7中的最低气温不可能比常年气温低大约10℃，最低气温不可能达到-20℃左右。按此推算，大范围的积雪和逆温层下面的低层云雾致使吐鲁番盆地的冬季气温降低了大约 10℃ 。 3、据 《新疆气象手册》第 2 篇第 1 章第 6.3 节 介绍 ，冬季准噶尔盆地“当有天气系统进来时，哪怕是弱冷空气入侵，天气系统的动力破坏了逆温层的结构。结果是低空的温度下降而地面附近的温度反而上升。于是出现了冷空气进入，地面变暖的现象”。 破坏了准噶尔盆地逆温层的结构，打散了低层云雾，地面气温变暖了，在此过程中，第①步和第②步演变仍然存在，但第③步和第④步演变不复存在，这就证明逆温层下面的低层云雾确实降低了地面和低层大气的温度，并进一步证明，在逆温层存活的后期，主要是第③步和第④步演变起主导作用。 张学文老师在《 积雪锁冬寒 》中阐述了“准噶尔盆地冬季特别冷”。准噶尔盆地每年冬季都有逆温层和大范围积雪，逆温层下面的云雾和大范围积雪等导致低层大气大幅降温，《 积雪锁冬寒 》是对以上自然现象和机理解释的高度概括。 4 准噶尔盆地冬季低层大气潮湿的主要原因 一般情况下，水汽压的垂直分布公式是 y=e 0 ／10 (x ／ 5000) ,式中e 0 为地面水汽压，x为距离地面 的 高度，单位为米。按以上公式，地面水汽压比较大、比较潮湿，高空水汽压也应该比较大、比较潮湿，但准噶尔盆地冬季阴雾天气时， 大气的低层比华北平原潮湿，大气的中层和高层比华北平原干燥，不符合水汽一般的垂直分布特征，属异常的垂直分布特征，这是为什么？ 以下谈一下 作者 的初步认识： 一是准噶尔盆地冬季积雪面积很广，虽然冬季气温很低，积雪的实际蒸发量很小，但下垫面大面积蒸发，肯定能增加低层大气的水汽含量；二是逆温层阻断了水汽的向上扩散，致使蒸发产生的本地水汽只能在逆温层下面非常有限的空间内集聚；三是由第3节可知，逆温层下面的云雾和大范围积雪等原因导致低层大气大幅降温，致使饱和水汽压很小，水汽压相同时，相对湿度就会显著增加（本博文后面贴出了 《十五论》 的表1 。由 《十五论》 的表1可知，当气温低于0℃时，气温下降10℃饱和水汽压减少一大半。例如，图7中最低气温由大约-10℃下降到-20℃时，饱和水汽压就由2.6hPa下降到 1.0hPa，因此，相对湿度计算公式中的分母就由2.6hPa变成了1.0hPa，仅饱和水汽压减少就能使相对湿度增加到气温下降前的2.6倍）。以上三大原因特别是第三点原因导致低层大气的相对湿度很大，空气潮湿接近饱和，这就是 准噶尔盆地冬季阴雾天气时， 大气的低层比华北平原潮湿 的原因。 因为逆温层阻断了低层水汽的向上扩散，逆温层以上的中层和高层大气得不到一点点低层水汽的扩散补充，致使 准噶尔盆地冬季中层和高层大气干燥，这就是准噶尔盆地冬季阴雾天气时， 大气的中层和高层比华北平原干燥 的原因。 5 干湿盆地划分依据的讨论 冬季准噶尔盆地大气的低层比华北平原潮湿，大气的中层和高层比华北平原干燥 ，我们不但要看到冬季准噶尔盆地低层大气的潮湿，还要看到中层和高层大气的干燥，要全面客观地看待整个大气层的干湿状况。即使准噶尔盆地冬季处于阴雾天气的有利情况下，准噶尔盆地整个大气层的可降水量仍然小于华北平原整个大气层的可降水量（位于华北平原北部致使可降水量较小的北京除外）。 不考虑中高层大气的干燥，把低层大气持续时间比较短的 （据 《新疆气象手册》第 2 篇第 1 章第 5 节 介绍：“准噶尔盆地的低云雾几乎是每年都出现的天气现象，但是不同年份维持时间不同。有的年份仅数日，多者达 10 天以上。”） 厚度大约只有600米的潮湿空气层作为唯一的划分依据，据此把冬季准噶尔盆地划入湿盆地的范畴，这样的划分依据既不全面也不客观，片面性很大（持续时间短、厚度太小、没有考虑其它水分）。 可降水量能反应整个大气层水汽的绝对数量， 耕作土壤的水层厚度比冬季可降水量又要大一个数量级 ，在干湿盆地的划分依据中，整个大气层的可降水量和土壤水层厚度都应该成为其中的参考指标。 准噶尔盆地冬季的阴雾天气是大范围积雪和逆温层等综合作用的结果，随着春季丰富日光的到来，逆温层就会消失，低层水汽就会向上扩散，阴雾天气就会消失，在土壤水分很小的现状情况下，准噶尔盆地就会变成完全彻底的干盆地。向超深盆地特大规模调水沙漠变绿洲以后，土壤的水层厚度会逐步增加。如果准噶尔盆地冬季阴雾天气时，土壤富含水分，土壤的水层厚度很大，那么，准噶尔盆地就会由 冬季临时性偏湿 （在这里临时性偏湿是指仅低层大气潮湿，中高层大气干燥，低层大气下面的土壤的含水量很少）慢慢延续过渡到全年都偏湿，准噶尔盆地就会由 冬季临时性偏湿的干盆地 变成 一年四季都比较湿的常久性湿盆地 。 配套的Excel：准噶尔盆地与华北平原冬季可降水量的比较 能仅仅根据低层大气的相对湿度来划分干湿盆地吗.doc 2020年5月2日补充以下内容： 1、这篇博文的第4节使用了 《十五论》 表1 的数据，为减少各位专家学者查找相关数据的麻烦，以下贴出 《十五论》 的表1： 《十五论》 的 表1： 不同温度下饱和水汽压、饱和水汽绝对湿度的计算成果表 2、 下图摘自《利用不同资料研究我国大陆上空柱水汽含量》（应用气象学报.第23卷第1期，2012.2.）。由图可见，在经度相差不大的情况下，中国各地可降水量（柱水汽含量）的一般变化趋势是与纬度负相关，纬度越大可降水量越小，纬度越小可降水量越大。
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干盆地和湿盆地在降水和地面水汽压等方面的巨大差别
热度 3 zhgatcl 2015-5-20 07:02
干盆地和湿盆地在降水和地面水汽压等方面的巨大差别 （以柴达木盆地和青海湖盆地为例，这两个盆地底部海拔较高） 1 柴达木盆地和青海湖盆地气候环境的比较 “青海湖流域亦称青海湖盆地。其四周分界线为：东至日月山脊与西宁市所属湟源县相连； 西临阿木尼尼库山与柴达木盆地、哈拉湖盆地相接 ；北至大通山山脊与大通河流域分界；南至青海南山山脊与茶卡——共和盆地分界，土地总面积 29661 平方公里”。柴达木盆地是我国四大盆地之一，盆地 四周高山环绕，南面是 昆仑山脉 ，北面是 祁连山脉 ，西北是阿尔金山脉，东为 日月山 ， 属封闭性的 内陆 巨大山间断陷盆地。 广义的柴达木盆地包括青海湖盆地， 狭义的 柴达木盆地 不包括青海湖流域，本文中的柴达木盆地是狭义的。 图1为《中国年降水量分布图》，图2为《全国荒漠化土地现状分布图》。由图2上青海湖、柴达木沙漠、国境线等的相对位置，可以找到青海湖流域和柴达木盆地在图1中的位置。 ⑴ 由图1可以看出，在干旱少雨的西北地区， 青海湖流域的年降水量 特别突出 ，它比周边地区的年降水量大得多； ⑵ 青海湖盆地中央的年降水量在 400mm 左右，而柴达木盆地中央的 柴达木沙漠 年降水量仅有 25mm 左右，青海湖盆地中央的年降水量大约是柴达木盆地中央 柴达木沙漠 年降水量的 16 倍； ⑶ 图 2 中， 青海湖盆地没有发生荒漠化现象，但它的北面、东面和西面都发生了荒漠化现象，青海湖盆地一枝独秀。 柴达木盆地和青海湖盆地的 相同点 ：都远离海洋，同处欧亚大陆腹地，同处干旱少雨的西北，同处青藏高原的东北部，彼此相邻，纬度相当，都是巨大山间断陷盆地，并且两个盆地底部的标高相差不大（柴达木盆地底部的标高约 2600 ～ 3000 米，青海湖水面标高约 3194 米）。 两个盆地一山相隔，分别位于阿木尼尼库山的东侧与西侧。 柴达木盆地和青海湖盆地的 不同点 ：青海湖盆地中央为我国面积最大的湖泊青海湖，水域面积约占整个流域面积的 1/7 ，青海湖流域的降水量比西北其它地方大得多。柴达木盆地干旱少雨，盆地中央为我国第五大沙漠——柴达木沙漠，沙漠面积约 3.49 万 Km 2 ，约占盆地底部面积的 1/3 。 2 柴达木盆地和青海湖盆地气候参数的比较与原因初探 在中国 194 个地面国际交换站中，冷湖、大柴旦、格尔木和都兰 4 个站位于柴达木盆地；刚察站位于青海湖盆地，刚察站位于青海湖以北，与湖岸相距约 10 千米。下表是柴达木盆地和青海湖盆地 5 个国际交换站 1971~2000 年主要气候参数的统计表。由表可见， ⑴ 水汽聚集在对流层的中低层，如果两地海拔不同但其它情况都类似的话，那么，海拔高的地方平均地面水汽压低一些，海拔低的地方平均地面水汽压高一些。表 1 中，虽然刚察站的海拔高一些，但刚察站的平均地面水汽压明显高于柴达木盆地。青海湖的水汽蒸发可以解释两个盆地平均地面水汽压的反常情况。 ⑵ 年降水量、年日降水量≥ 0.1mm 日数、年日降水量≥ 25mm 日数、年平均低云量、年平均相对湿度这 5 个指标，青海湖盆地明显大于柴达木盆地。青海湖的水汽蒸发可以解释这 5 个气候参数的明显差异。 ⑶ 刚察站的年蒸发量明显小于柴达木盆地。这是因为青海湖的水汽蒸发致使当地的蒸发能力明显小于柴达木盆地。 ⑷ 年日照百分率和年日照时数，刚察站比柴达木盆地低一些。这是因为青海湖盆地的低云量明显高于柴达木盆地，致使当地日照差一些。 柴达木盆地与青海湖盆地主要气候参数的对照表 注：表中数据摘自《中国地面国际交换站气候标准值年值数据集（ 1971 － 2000 年）》。 3 柴达木盆地和青海湖盆地气候参数明显差别能够印证干盆地、湿盆地的认识 在上一篇博文中，我介绍了气象专家张学文老师关于干盆地和湿盆地的认识，也介绍了我的研究成果能印证干盆地和湿盆地的认识。 柴达木盆地下垫面没有水可供大量蒸发，致使当地水汽压低降水量少、保持干盆地的特性；青海湖盆地下垫面有水可供大量蒸发，致使当地水汽压大降水量多、保持湿盆地的特性。 两个盆地一山相隔、纬度相当，同处西北、同处青藏高原北部，都是 巨大山间断陷盆地。 两个盆地存在明显差别，这证明下垫面对气候的影响极其明显，能够印证干盆地和湿盆地的认识。 主要参考资料： 檀成龙，檀佳 . 《本地蒸发对南疆东疆地面水汽压贡献的估算和推论》， http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=1458267do=blogid=992489 、或者 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=1458267do=blogid=888706 张学文 . 《改造盆地气候存在一把特殊的钥匙？——初议干盆地与湿盆地概念》 , http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-446836.html
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气象专家张学文关于干盆地和湿盆地的认识与我的研究成果
热度 5 zhgatcl 2015-5-16 07:01
气象专家张学文关于干盆地和湿盆地的认识与我的研究成果 本人从 2008 年开始研究向西北调水之事，我的研究结论是 “向西北超深盆地调淡水能起到‘以一当十、四两拨千斤’的作用，巧用西北超深盆地的有利地形、北半球西风带的有利风向、青藏高原高海拔的河川淡水，特大规模调水能彻底改变西北干旱少雨的恶劣气候。每年调水几百亿方最多 1000 亿方，若干年以后，西北的年平均降水量有望达到甚至超过 500mm ”。以上论点最简单的表述就是 “超深盆地调水增雨” 。 我的预印本论文邀请气象专家张学文审查，张学文老师对我的论点 半信半疑、 “ 比较支持 ”。 审查若干篇“调水增雨”论文以后，张学文老师提出了干盆地和湿盆地的概念，我认为张老师的认识非常深刻，值得各位专家深入研究。 1 气象专家张学文老师关于干盆地与湿盆地的一些认识 张学文 老师于 2011 年 5 月 22 日首次提出干盆地和湿盆地的概念，认为盆地可分为干盆地（如塔里木盆地、柴达木盆地）和湿盆地（如青海湖盆地、四川盆地），详见博客文章《 改造盆地气候存在一把特殊的钥匙？ —— 初议干盆地与湿盆地概念 》。 2011 年 5 月 24 日 张老师又发表了博客文章《 再议干盆地和湿盆地的特征 》。 2012 年 7 月 5 日 张老师又发表了博客文章《 干湿盆地的定义 》。 2015 年 4 月 15 日 张老师又发表了博客文章《 干湿盆地的相对湿度定义 》。 张学文 老师还发表过学术论文《 盆地气象学和它的某些概念 》，在张学文老师博客的《 盆地地理学 》和《 盆地气象学 》两个栏目，还有其它相关博文。 2 我的研究成果与张学文老师干盆地、湿盆地的认识能够相互印证 据《 本地蒸发对南疆东疆地面水汽压贡献的估算和推论 》的研究， 南疆东疆多年平均地面水汽压为 6.6hPa 。地面水汽压小，致使降水量小；降水量小，地面就没有水分可供蒸发，地面水汽压就不能变大；地面水汽压不能变大，降水量就不能变大，这样，南疆东疆就只能维持干盆地的现状。 如果想方设法使南疆东疆盆地底部变成水面和绿洲，那地表水分在太阳辐射的作用下将大量蒸发，那当地的地面水汽压将大幅增加，年平均地面水汽压就能增加 2.5hPa 左右，年平均地面水汽压就有望达到 9.0hPa 甚至更大。 当地面水汽压达到 9.0hPa 甚至更大时， 根据《 中国各地平均降水量与地面水汽压的相关研究 》、《 中国各地平均降水量与地面水汽压比值的研究 》、《 中国各地多年平均降水量随地面水汽压变化的经验公式 》等研究成果， 就可推导得出当地多年平均降水量有望达到 573mm 。 当地面水汽压达到 9.0hPa 甚至更大时，当地的平均空中水汽含量就有望达到 15.1mm 左右， 根据《 中国各地平均降水量与空中水汽含量的相关研究 》、《 中国各地平均降水量与空中水汽含量比值的研究 》、《 中国各地多年平均降水量随空中水汽含量变化的经验公式 》等研究成果， 就可推导得出当地多年平均降水量有望达到 552mm 。综合以上两个方面的估算，当地面水汽压达到 9.0hPa 甚至更大时，南疆东疆的多年平均降水量就有望达到 560mm 左右。 当多年平均降水量达到 560mm 左右时，南疆东疆就能沙漠变绿洲，地面低洼处可能就有水面，那地表就有水分可供蒸发，就能维持湿盆地所需的地面水汽压和空中水汽含量；有了较高的地面水汽压和空中水汽含量，就能相变产生很多降水；降水多了，就有水分可供蒸发。由此可见， “鸡生蛋、蛋卵鸡”，水汽与降水之间是“鸡与蛋”的关系，有水汽就能相变产生降水，有降水就能蒸发产生水汽。地面水分、地面水汽压、空中水汽含量、降水量等类似于“鸡生蛋、蛋卵鸡”，是“鸡与蛋”的关系，人类通过特大规模调水，可以把干盆地变成湿盆地。 以上分析说明，干盆地没有水分可供蒸发，水循环的结果是降水量小，仍然保持干盆地的特性；湿盆地有水可供蒸发，水循环的结果是降水量大，仍然保持湿盆地的特性；也就是说 干盆地和湿盆地都有惯性 。所以，张学文老师关于干盆地、湿盆地的认识是正确的。 主要参考资料： 檀成龙，檀佳 . 《本地蒸发对南疆东疆地面水汽压贡献的估算和推论》， http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=1458267do=blogid=888706 张学文 . 《改造盆地气候存在一把特殊的钥匙？——初议干盆地与湿盆地概念》 , http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-446836.html
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从气候视角看“潜水蒸发”和“极限埋深”
热度 1 王中宇 2015-2-9 20:41
从气候视角看“潜水蒸发”和“极限埋深” 在《区域水循环系统：存量与惯性》一文中，我提出了一个区域的水存量影响着当地气候的观点。水存量中最大的是地下水，但气象学界对地下水，尤其是它如何影响气候的研究不多。 地下水是土壤物理、水文地质、农田水利、地表水文及水资源等学科关注的对象，多年来这些领域的学者对其进行了大量的研究，“潜水蒸发”的机理与规律，是其研究重心之一。 当地下水位埋深较浅时，土壤中由于蒸发而消耗的水分能够得到潜水的充分补给，此时的地表蒸发量基本等于潜水蒸发量，其大小主要取决大气蒸发能力。 随着埋深的增加，水分输送距离加大，大气蒸发影响力和非饱和带毛细管输送水分的能力减弱，尽管表层有蒸发能力，但由于地下水位埋藏较深，表层蒸发的水分得不到潜水的充分补给，因而潜水蒸发量逐渐减小，此时，地表蒸发量包括潜水蒸发和土壤水蒸发，而潜水蒸发量的大小主要取决于土壤的输水能力。 1958 年 ,Gardner 对潜水稳定蒸发条件下的蒸发过程进行了理论分析 , 根据土壤水动力学基本原理 , 推导出潜水极限蒸发强度 E max 为地下水埋深 H 的负幂函数。 1977 年 , 河海大学叶水庭等在进行地下水资源评价时 , 利用实测资料提出了潜水蒸发 指数型公式 。 1979 年 , 沈立昌利用地下水长期观测资料分析提出了潜水蒸发 双曲线型经验公式 1984 清华大学雷志栋等潜水蒸发经验公式为 : E=E max (2) 式中 ,η 为经验常数 , 与土质及地下水位埋深有关 ; E max 为潜水埋深为 H 条件下的潜水极限蒸发强度 , E max =AH -m , 式中 A,m 为随土壤而异的参数。 1984 年，张潮新在分析各地潜水蒸发实测资料的基础上也提出了另外的双曲线经验公式。 然而业界广泛运用的却是由苏联学者阿维里扬诺夫提出的经验公式。它基于两个理论假设：其一，地下水埋深为零时，潜水稳定蒸发等于水面蒸发，其二，地下水埋深超过“极限埋深”后，潜水蒸发为零。阿维里扬诺夫认为极限埋深各地不同，大约在 1.5—4.0m 之间。 “极限埋深”的概念引起了广泛的争论。批评这一概念的理由有二： 其一，从能量的角度考察饱和 - 非饱和带的土壤水分运动，无论潜水埋深有多大，只要在非饱和带内的任意点与潜水面之间存在水势梯度，就存在水分从潜水面向其上的非饱和带的转化，即发生潜水蒸发。由此，潜水蒸发极限埋深在理论上是不存在的。 其二，实际测量显示，当潜水埋深大于阿维里扬诺夫给出的潜水蒸发极限埋深上限（ 4.0m ）时，潜水位仍持续下降。例如塔里木河下游地区由于潜水蒸发的作用，潜水埋深由 20 世纪 50 年代的 2 ～ 4 m ，下降到 20 世纪 70 年代的 3 ～ 8 m ， 1997 年达 8 ～ 13 m 。潜水位持续下降，表明仍然存在潜水蒸发（ 宋郁东，樊自立，雷志栋．中国塔里木河水资源与生态问题研究 ．乌鲁木齐：新疆人民出版社，2000．）。 在其他一些个案的研究中，也发现在大于极限埋深时的潜水蒸发量。 上述两类理由无可置疑，然而“极限埋深”的概念仍出现在许多文献中，原因何在？ 上述不含极限埋深的公式有个共同的特点：随着潜水埋深的增大，潜水蒸发量单调下降，且无限趋近于零。这意味着当地下水埋深 H 充分深时，潜水蒸发量可以小到测量误差之下，也就是不可测出。在不同的实用领域，可规定不同的阈值，将低于此阈值的蒸发量视为零，而此阈值对应的潜水埋深，就视为极限埋深。事实上在大多数情况下，得出的极限埋深都在阿维里扬诺夫给出的潜水蒸发极限埋深上限（ 4.0m ）之内，但也有超过这一范围的。 由于地表蒸发为土壤水蒸发和潜水蒸发之总和，而潜水蒸发随地下水埋深的增加而衰减。测出的地表蒸发量亦同步衰减。当潜水蒸发小到无足轻重时，地表蒸发量不再随地下水埋深的增加而衰减，亦即此时的蒸发全是土壤水的蒸发。 有学者将这个拐点定义为极限埋深 — 地下水位低于此限后，其蒸发对地面蒸发无足轻重。蔡晓雨就据此判定，“ 在枯水季节，银川平原潜水蒸发的极限埋深为3m左右，而在丰水季节，潜水蒸发的极限埋深为5m左右。在地下水位埋深大于极限埋深的地区，潜水蒸发基本不存在，只有土壤水蒸发。 ”（ 蔡晓雨《银川平原蒸散量的变化规律及其影响因素的遥感研究》 中国地质大学（北京）硕士学位论文 2009 年 6 月 ） 胡成光研究银川平原地表蒸发量，他发现极限埋深受地表植被覆盖的影响。“ 在 NDVI 小于 0.2 的裸土区，潜水蒸发的极限埋深约为 3 m；随着 NDVI 的增大，潜水蒸发的极限埋深也随之增加，最大可以达到 6 m 左右。 ”（ 胡成光《银川平原地表蒸发量的估算及其在生态水文地质中的应用》 中国地质大学（北京） 博士学位论文 2010 年 5 月 ）这里的 NDVI 为归一化植被指数（ Normalized Difference Vegetation Index ）。 他甚至给出了由 NDVI 推算极限埋深的经验公式： H max =2 + 5* NDVI （ 0.2NDVI0.8 ） 由于植被覆盖随季节变化，因而 极限埋深亦随之变化。他 绘出了银川平原2004年7月潜水蒸发极限埋深空间分布图（单位：m）： 在此图上，极限埋深最深可达 6m 。 黄梦琪等研究宝鸡峡灌区扶风县段家乡试验场地连续 5 年的观测资料，发现： “ 裸地和玉米、小麦生育期潜水蒸发的极限埋深分别为4.5,5.3和6.3 m。 ” 而且 “ 潜水蒸发量与埋深关系曲线以埋深1.0m为界,埋深小于1.0 m时曲线较陡,即埋深小于1.0 m时的潜水蒸发量大,且随埋深的变化较大;地下水埋深大于1.0 m时,潜水蒸发量小,且随埋深变化较小 ” （ 黄梦琪、蔡焕杰、 , 黄志辉 《黄土地区不同埋深条件下潜水蒸发的研究》西北农林科技大学学报 ( 自然科学版 ) 第 35 卷　第 3 期 2007 年 3 月 ） 鉴于“ 前人的研究在理论上，对植物的蒸腾用水来源认识模糊，对植被与地下水的反作用研究较少，对陆面蒸散受到地下水埋深的影响缺少动力学解释。在模型上，地下水—植被—蒸发相互作用与反馈的耦合模型还是一个空白。 ”（ 陈添斐 《地下水与陆面蒸散相互作用的模型研究》（中国地质大学（北京） 博士学位论文 2014 年 05 月 ） 陈添斐在经典的地下水动力学问题中考虑地下水蒸发的影响，通过推导解析解和数值模拟相结合的方法来获得单井开采和群井开采条件下地下水水位和蒸发速率的重分布。建立动态潜水蒸发与非稳定井流的耦合模型，采用 MODFLOW 进行数值模拟，分别研究了周期性气候条件下单井、群井和大口井开采对地下水动态的影响。 他研究的具体对象是鄂尔多斯市中心城市饮用水水源地 -- 哈头才当水源地，位于乌审旗图克镇境内。开采规模为 10 万吨 / 天。水源地保护区总面积为 129.84 平方公里。其中一级保护区 81.8577 平方公里，二级保护区 48.0163 平方公里。 哈头才当水源地开采井范围为长 19000 m ，宽 6800 m 的矩形，井与井之间的最小间距为 1250 m 。设计总开采量为 10,0000 m 3 /d ，若均分到每口供水井，则每口井的开采量为 2500 m 3 /d 。供水井分布如下图所示： 哈头才当水源地范围 哈头才当水源地 2009 年开工建设， 2012 年正式投运。共建成取水井 51 眼，其中供水井 40 眼，备用水井 11 眼，取水井深 150 米左右。 数值模拟显示：打井取水后，大口井（直径 5m 、 10m ）和单井的中心水位变化如下图： 取水使单井井内水位从 3m 左右降至 10m 以下，而大口井内水位降至 8m 左右。 取水使井区周围水位下降，距井中心 7.8m的水位变化如下图。 随着水位下降，出现了“ 零蒸发区 ”。 “当开采 24 天后，出现第一个零蒸发区，随后三天内，零蒸发区面积迅速增大。1月 --2 月，零蒸发区面积保持不变；3 --5 月，零蒸发区面积逐渐增大，到 5 月末达到第一个小高峰；6 --8 月，零蒸发区面积逐渐减小；9-12 月，零蒸发区面积迅速增加。 ” 群井开采第一年内零蒸发区面积随时间的变化如下图： “ 零蒸发区 ”的面积在三年后稳定在 61km 2 左右： 案例中的井群，使其四周约 61 km 2 左右的地表成为“ 零蒸发区 ”。这是个以井区中心为圆心，半径 4.4 公里的圆。由于流体重力平衡的缘故，在圆周处的地下水埋深应高于圆心附近的 6.5m 。换而言之，这个地区的极限埋深应浅于 6.5m 。 李薇的硕士学位论文《基于 MODIS 的沙漠化地区地下水位遥感监测模型研究 ---- 以毛乌素沙地为例》（ 长安大学 论文提交日期 2010 年 5 月 10 日 ），乌审旗的地下水位分布如下图： 该区域大多数地区的地下水位在 阿维里扬诺夫的极限埋深上限（4m）和胡成光的最大极限埋深（6m）之间， 由此可以解释该地的干旱现象。 可见“极限埋深”的概念是否合理，取决于将其用于什么领域。在纯粹的物理机制讨论时，不应使用这一概念，在分析地下水位的长期演化时，亦不应预设这样的概念。 若从农学和土壤学、生态学的视角观察，当潜水蒸发强度接近于零，潜水供给不足以补充土壤蒸发损耗的水分，这时土壤湿度下降，而土壤干旱又导致植物的衰败死亡。因此，“极限埋深”是个有意义的概念。 从气候视角研究问题时，“极限埋深”同样是个有意义的概念，它指出了一个地区的地下水位降到何种程度，对当地空中水存量的作用就微乎其微了。“实际埋深 / 极限埋深”可作为一个地区地下水影响当地气候程度的指标，在“湿盆地”，这个比值应小于 1 而接近 0 。在“干盆地”这个比值应接近甚至大于 1 。 由此，搞清极限埋深的分布和实际地下水位的分布，有利于理解各地的气候特征，也有可能解释“干盆地‘’、”湿盆地“之谜。
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随风潜入夜，润物细无声
王中宇 2015-1-31 19:58
随风潜入夜，润物细无声 回成都探亲，发觉成都的雾霾与北京有一拼。北京多风，风吹霾散，间或还能看到蓝天。成都多雾无风，霾、雾一家，极少看到蓝天，偶见阳光，也是从云隙中挤出。好在这两天下雨，空气清新不少，能见度明显提高。 然而成都的冬雨正如杜甫笔下的春雨：“ 随风潜入夜，润物细无声 ”。说是细雨霏霏都夸大了。人们在雨中行走，不时能感到极细水点触摸脸颊，树叶、地面都潮润，却不见水流。路上没有一个带帽、打伞的。唯一彰显下雨的，是屋顶的雨水汇集成滴，打在窗上的遮阳棚上，像计时器般的响个不停。让人想起李清照的《声声慢》：“ 梧桐更兼细雨，到黄昏、点点滴滴。 ” 北京降水多源自外来水汽，所以风是降水的先兆。而成都几乎无风，降水来自何方？四川盆地的平均相对湿度为 80% ，为全国之最，只要气温稍降，就可饱和。这两天寒潮莅临，于是空气中的水分析出，结果就润物细无声了。 张学文老师提示我们注意“干盆地”、“湿盆地”现象。对比四川盆地和塔里木盆地，我想，“干”、“湿”之差在于各自的水存量。各地总水存量中，空中水存量的份额极小，它主要靠地表水蒸发来维持，而地表水的蒸发蒸腾靠地下水补充，对此专业术语是“潜水蒸发”。所以一个盆地是干是湿，归根结底取决于地下水存量。而地下水位低于五米，对地表蒸发和植被蒸腾的作用迅速衰减；低于十米，无论对地表蒸发还是植被蒸腾，都无意义。四川盆的地下水位很高，所以成了湿盆地。我没查到塔克拉玛干的地下水位分布，从看到的零星数据看，它明显低于四川盆地。 由此，要根本改变塔克拉玛干的气候，需要给它灌水，使其地下水位上到五米以上。这显然是一个巨大的工程。宋人张元干曾云：“ 尽挹西江，细斟北斗，万象为宾客 ”。若能持北斗?东海注沙漠，塔里木就新生了。
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随风潜入夜，润物细无声
热度 1 王中宇 2015-1-31 19:58
随风潜入夜，润物细无声 回成都探亲，发觉成都的雾霾与北京有一拼。北京多风，风吹霾散，间或还能看到蓝天。成都多雾无风，霾、雾一家，极少看到蓝天，偶见阳光，也是从云隙中挤出。好在这两天下雨，空气清新不少，能见度明显提高。 然而成都的冬雨正如杜甫笔下的春雨：“ 随风潜入夜，润物细无声 ”。说是细雨霏霏都夸大了。人们在雨中行走，不时能感到极细水点触摸脸颊，树叶、地面都潮润，却不见水流。路上没有一个带帽、打伞的。唯一彰显下雨的，是屋顶的雨水汇集成滴，打在窗上的遮阳棚上，像计时器般的响个不停。让人想起李清照的《声声慢》：“ 梧桐更兼细雨，到黄昏、点点滴滴。 ” 北京降水多源自外来水汽，所以风是降水的先兆。而成都几乎无风，降水来自何方？四川盆地的平均相对湿度为 80% ，为全国之最，只要气温稍降，就可饱和。这两天寒潮莅临，于是空气中的水分析出，结果就润物细无声了。 张学文老师提示我们注意“干盆地”、“湿盆地”现象。对比四川盆地和塔里木盆地，我想，“干”、“湿”之差在于各自的水存量。各地总水存量中，空中水存量的份额极小，它主要靠地表水蒸发来维持，而地表水的蒸发蒸腾靠地下水补充，对此专业术语是“潜水蒸发”。所以一个盆地是干是湿，归根结底取决于地下水存量。而地下水位低于五米，对地表蒸发和植被蒸腾的作用迅速衰减；低于十米，无论对地表蒸发还是植被蒸腾，都无意义。四川盆的地下水位很高，所以成了湿盆地。我没查到塔克拉玛干的地下水位分布，从看到的零星数据看，它明显低于四川盆地。 由此，要根本改变塔克拉玛干的气候，需要给它灌水，使其地下水位上到五米以上。这显然是一个巨大的工程。宋人张元干曾云：“ 尽挹西江，细斟北斗，万象为宾客 ”。若能持北斗?东海注沙漠，塔里木就新生了。
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[转载]著名气象专家张学文对新疆变湿假说的几点思考（2）
热度 1 zhgatcl 2014-8-9 07:28
各位老师： 我从2008年开始 研究向西北调水 ，我的研究结论是 每年向 西北超深盆地 （塔里木盆地、柴达木盆地、准噶尔盆地）调水 100 亿方，若干年以后超深盆地每年的面雨量将增加 1000 多亿方；每年向超深盆地调水 200 亿方，若干年以后超深盆地每年的面雨量将增加 2000 多亿方，即调水能起到 “四两拨千斤”、“以一当十” 的作用；每年向西北调水几百亿方最多 1000 亿方，若干年以后整个西北的年平均降水量就能达到甚至超过 500mm ，特大规模调水能彻底改变西北干旱少雨的恶劣气候。 为证明以上论点，我一共写了10篇预印本论文，详见我最初的9篇博客。 对以上论点, 著名气象专家张学文研究员 形象地比喻为“改造盆地气候的一把特殊钥匙”。 对我的论点，张学文 研究员 半信半疑、“比较支持”，详见我的上一篇博客。对特大规模调水能使新疆变湿的理论，张学文认为“ 气象学对这个问题没有认真分析过，其理论储备远为不够。轻易地肯定或者否定都是论据不足的。气象学应当研究这类问题 ”。 现把张学文老师另外一篇博客做如下转载，供各位专家参考。 转载:改造盆地气候存在一把特殊的钥匙？ ------ 初议干盆地与湿盆地概念 张学文， 2011-5-22 18:52 原载 http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-446836.html 山脉自然可以阻隔空气的流动。如果细分，这种阻隔作用对空气和水汽是有区别的。空气要到 16 公里高空才减少为地面空气密度的 1/10 。而水汽在 5 公里高空，其水汽密度就仅是地面水汽的 1/10 了。这说明水汽更集中在底层，或者说，山体对水分的阻隔作用更加明显。 设想一个盆地四周有 5 公里高的高山，这就隔绝了 90% 的外来水汽！据此，不难想象闭合盆地内的降水应当与外界有明显区别。 吐鲁番是个例子，吐鲁番盆地的海拔低于海平面，而其北、西、西南侧的山都高于海平面 3000 米，其东侧也有 1000 多米高的山地。气象观测证实那里是我国最干的地方，盆地中托克逊气象站年降水量仅 6 毫米。不妨说吐鲁番盆地是干盆地。 塔里木盆地是另外一个例子。那里北侧的天山大约是 5 公里高，西侧、南侧也类似，仅东面比较平。结果是塔里木盆地内的降水大约是 40-70 毫米的水平。吐鲁番盆地、塔里木盆地、柴达木盆地都可以归入干盆地这一类。 问题也需要反过来思考：如果一个很深的盆地，一旦盆地内的集结了比较多的水分（大片的地面很潮湿，空气也潮湿，以致有湖泊存在等等）。由于高山的阻隔，盆地内的水分不易散失，反而可以在盆地内的空气中形成自己的小循环（盆地内的蒸发 - 降水循环），结果是盆地降水反而比盆地外要多。 有这样的例子吗？ 也许青海湖所在的盆地是个例子。 如果看我国的降水量分布图，青海湖附近的雨量线就十分突出：那里有我国西部地区难得一见的 400 毫米以上的降水区。而这个在干旱区里降水偏大的区域对应于包围青海湖的盆地（其外界是高山）。于是盆地内形成 30-40 条河流一起流入青海湖。青海湖是内陆湖，它收集的河水再以蒸发的形式滞留在本盆地中再形成盆地降水。青海湖区域也是青海省相对湿度最大的区域。看来说它是自我水分循环突出的湿盆地似乎说得过去。 四川盆地也许是湿盆地另外一个例子。那里北、西、南三面是高山，唯有东侧地势比较低。高山固然从北、西、西南三个方向阻隔了大量的水汽流入，但是四川反而是天府之国，其降水量比西、北方的山区要丰沛的多。四川盆地的降水固然与东侧的湖北差不多，但是四川的降水日数、比湖北等四周省份多。 如果湿盆地概念和对它的理解合理，一个尖锐的问题是：水分可以通过人工的办法使干盆地变成湿盆地！？ 难道改造盆地气候存在一把特殊的钥匙？ 其实，一些人早就提出过类似问题，近的，如在引海河水入新疆的学说中就是这样认为的。他们认为引来的海水可以增加盆地水分内循环。 应当承认气象学对这个问题没有认真分析过，其理论储备远为不够。轻易地肯定或者否定都是论据不足的。气象学应当研究这类问题。
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干湿盆地的定义
热度 2 zhangxw 2012-7-5 14:19
干湿盆地的定义 张学文， 2012/7/5 去年我提出 http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-446836.html 干盆地和湿盆地概念。并且把塔里木、吐鲁番、柴达木盆地归入干盆地，把四川盆地、青海湖所属的盆地归入湿盆地。而准噶尔盆地可以看作是冬季的湿盆地，夏季的干盆地。本文拟就盆地的干湿提出一个指标（定义）。 指标最好是越简单并且扣住特征为好。我初步认为，可以用平均的年降水日数来确定一个盆地是干盆地或者是湿盆地。 我定的指标很简单： 盆地内（不是说它四周的山区）平均年降水日数等于、多于 100 天，就认识是湿盆地；盆地内平均年降水日数少于等于 30 天，就认为是干盆地。如果一个月，那么其降水日数多于等于9天该盆地就是湿盆地，降水日数少于等于3天该月该盆地就是干盆地。 青海湖所在的盆地、四川盆地，其平均的年降水日数都大于 100 天。所以它们都是湿盆地。一年 365 天，如果有上百天有降水。这也就是平均 3,4 天就有一场雨、雪。所以这个定义与一般人的湿的认识是一致的。新疆天山里的尤尔都斯盆地也属于湿盆地（开都河发源地）。 反之，某盆地一年的降水日数不足 30 天，也就是平均要 10 多天才有一次降水。它应当属于干盆地。吐鲁番盆地、柴达木盆地、塔里木盆地是其例子。 这里存在一个隐含着的问题：是否每个盆地必须是干盆地或者湿盆地？这个问题很重要。即不干、不湿的盆地反而难以存在。就好像电子器件中的所谓双稳态。 我的看法是干盆地和湿盆地的概念已经可以概括我国的四大盆地，也就是说这个两个概念都已经存在着重要的个例。而这个事实几乎提示着：大盆地非干即湿，几乎没有中间状态的盆地（准噶尔冬季积雪多阴雾，夏季干旱可以认为是季节性的干湿盆地）。 如果深盆地非干即湿，这无疑是一种气候学提示：水分的内循环运动占有重要地位。一旦盆地干了，就难以改变干的局面，一旦盆地湿了，也就增加盆地内的水分循环，使降水偏多。 （2012.11.11对干湿盆地又按月做了细化补充）
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再议干盆地和湿盆地的特征
热度 2 zhangxw 2011-5-24 17:21
再议干盆地和湿盆地的特征 张学文， 2011.5.24 初议干盆地和湿盆地一文， http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=2024do=blogid=446836 ，仅是初步提出概念。它们需要充实。现在补几点： 1. 年的日照百分率以及日照小时数分布：从年的日照百分率分布图（见张家诚、林之光的《中国气候》，下同）上可以看出来，四川盆地（也包括了贵州）是一个日照百分率低的区域，而青海湖区域也是一个日照百分率比较小的区域。它从另外一个角度说明那里是湿盆地，而柴达木、塔里木、吐鲁番、准格尔是日照百分率的高区（云少，太阳多）。另外一年的日照小时数的分布图也具有相同的特点。西部气候不仅在山区地打上了山区区特色，而在面积更大的盆地又打上了盆地的印记。 2. 年的平均低云量分布：低云多是湿盆地内的水分多的表现。在中国气候一书提供的分布图上四川（包括贵州山地）是我国低云最多的地方。青海湖区域也是西部低云偏多的地方而柴达木、塔里木、吐鲁番、准格尔盆地则都是低云稀少的地区。年平均的总云量也体现了类似的特点。它们从另外角度印证这干湿盆地的特征。 另外所谓干湿盆地并不是四季的绝对概念。有些季节干盆地也会变成湿盆地。这里准格尔盆地冬季多低云雾天气就是一个突出的例子。而冬季的所谓湿是指：地面有大片的稳定积雪，空气的相对湿度比较大。所以不妨说准格尔盆地冬季属于湿盆地。而夏季是干盆地。
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