研究发现西北干旱区高海拔地区增湿更加明显 姚俊强 气候变化的海拔依赖性是一个尚无定论的命题,核心问题是不同海拔高度的增幅问题。研究表明高海拔地区气候变暖比以前更快,“第三极”青藏高原的气候经历了持续且更显著的变暖,表现出明显的增暖海拔依赖性。高海拔地区快速变暖会加剧山区水循环,水汽和降水变化首当其冲。 西北干旱区山盆结构突出,高海拔地区降水变化对区域水资源有决定性作用。研究发现近 50 年干旱区降水变化趋势与海拔有明显的正相关,相关系数为 0.49 ( p0.001 ),但在不同海拔梯度和不同降水等级存在差异。在 1500m 以上,降水增加趋势最明显,增幅为 13mm/10a ,两者相关为 0.68 ( p0.001 ),但在 1500m 以下相关不大,而 1500m 为山区的分界线。以 500m 为海拔变化梯度,发现 1500-2000m 梯度增湿最明显,为 27mm/10a (相关为 0.66 , p0.001 ),其次是 500m 以下,为 25 mm/10a (相关为 0.65 , p0.001 ),但 500-1500m 之间关系不显著,这主要与该区域城市和绿洲分布有关。城市化加剧人为气溶胶排放,在城市热岛效应下增加降水,而绿洲农田灌溉也会通过改变区域水循环增加降水。因此,干旱区有明显的增湿海拔依赖性特征。在季节上,春季和秋季的增湿海拔依赖性明显,而夏季在 90 年代之后明显。 形成机制主要包括:1.山区水汽的增加;2.山区变暖加剧水循环。 增湿海拔依赖性有利有弊,对干旱区来说,总体上利大于弊。有利的方面,高海拔地区降水增多,增加山区固态冰川和积雪的积累,储备干旱区的潜在水资源量。但同时,研究发现山区降水更加极端化,山区降水量增多在很大程度上与降水极值态的变化有关。会引起气象灾害和衍生灾害,加剧山洪、滑坡、泥石流等灾害的频率和强度,对绿洲城市和草场有很大潜在影响。 存在的主要问题是高海拔地区气象观测稀缺 ( 世界上超过 4000m 的站点非常稀少 ) ,且观测规范不统一。积极呼吁加强对全球高山地区气候要素的严格监测。 文章发表在国际期刊 Global and Planetary Change上。 Yao J Q, Yang Q, Mao W Y, Zhao Y, Xu X B.Precipitation trend – Elevation relationship in arid regions of the China, Global and Planetary Change , 2016(143):1-9. doi:10.1016/j.gloplacha.2016.05.007. GPC--2016--Precipitation trend–Elevation relationship in arid regions of the China.pdf
再论水汽与降水互为因果.doc 再论水汽与降水互为因果 在《 空中水汽不足是西北干旱少雨的主要原因,您能彻底否定吗?! 》和《 本地蒸发能显著增加西北空中水汽的数量,您能彻底否定吗?! 》的基础上,我撰写了《 从水汽与降水高度正相关到水汽与降水互为因果 》,阐述了 水汽与降水互为因果、互为正反馈过程中间变量的论点。下面进一步论证水汽与降水互为因果的论点。 如果变量 A 和 B 高度相关,那有五种可能性: ① A 导致 B ; ② B 导致 A ; ③ C 导致 A 和 B ; ④ A 和 B 互为因果; ⑤ 小样本引起的巧合。以上内容请参阅 http://www.zhihu.com/question/20076107 。以上分析说明, 相关关系和因果关系既有区别又有联系,只看到两者之间的联系看不到两者之间的区别是错误的,与此相反,只看到两者之间的区别看不到两者之间的联系也是错误的。如果 变量 A 和 B 高度相关,那就有 A 和 B 互为因果的可能,看不到这种可能性,忽视这种可能性,对自然奥秘的探索极为不利。以下分析水汽与降水关系的过程中,我们把 水汽的量化指标设为 A ,降水的量化指标设为 B 。 1 水汽决定降水、水汽导致降水(A导致B)的作用机理 据统计研究,中国各地多年平均降水量与空中水汽的三个量化指标(空中水汽含量、地面水汽压、相对湿度)都是高度正相关,空中水汽三个量化指标大的地方,多年平均降水量大一些;空中水汽三个量化指标小的地方,多年平均降水量小一些。那么,中国各地多年平均降水量与空中水汽三个量化指标高度正相关的机理是什么? 在一年 365 天 8760 个小时的时间尺度内, 空中水汽越多的地方,水汽变成降水的机率越大,年降水次数越多,每次降水的雨量越大,所以,年累积降水量越大;与此相反,空中水汽越少的地方,水汽变成降水的机率越小,年降水次数越少,每次降水的雨量越小,所以,年累积降水量越小。在空中水汽很小很小的极端情况下,变成降水的机率就很小很小,年累积降水量就接近于零;在空中水汽很大的极端情况下,水汽就极易达到饱和浓度,相变成雨的机率就很大,年累积降水量就很大。这说明水汽决定降水 , 水汽导致降水( A 导致 B ) 。 2 站在整个地球的视角研究全局问题,水汽与降水互为因果 把整个地球作为研究对象的话,没有降水,那地面植物、江河湖海就不能得到空中降水的补充,那下垫面就没有水分可供蒸发,空中就没有水汽;有了降水,地面的植物、江河湖海就能得到空中降水的补充,那下垫面就有水分可供蒸发,空中就有水汽。所以,降水决定空中水汽( B 导致 A ) 。 水汽是降水的物质基础,降水来自于空中水汽的相变,没有空中水汽就没有降水,有了空中水汽才有降水的可能。 空中水汽充足的话,一年 365 天 8760 个小时,总有满足降水三要素的时候(凝结核始终存在、气流上升冷却降温不是小概率事件),水汽迟早要变成降水(水汽在空中平均停留时间 8~9 天);空中水汽长期不足的话,那就很难满足降水三要素的条件,水汽就不能变成降水。所以,水汽决定降水、 水汽导致降水( A 导致 B ) 。 把整个地球作为研究对象的话,既有降水决定空中水汽( B 导致 A );又有 水汽决定降水、 水汽导致降水 ( A 导致 B ),所以, 水汽与降水互为因果。 3 站在西北内流区的视角研究局地问题,水汽与降水也是互为因果 对于西北内流区来说,蒸发能力很强,但当地没有足够的水分可供蒸发,蒸发量取决于水源供应,可供蒸法的水分越少,蒸发量就越小;可供蒸法的水分越多,蒸发量就越大。而降水恰恰就是当地供水的来源。所以,降水决定蒸发、降水决定水汽 ( B 导致 A ) 。 对西北内流区来说,当地空中水汽很少, 空中水汽的三个量化指标都很低,如果向西北特大规模调水,下垫面沙漠变绿洲,下垫面蒸发的水汽致使当地空中水汽增多,空中水汽的三个量化指标都增加,那么,在一年 365 天 8760 个小时的时间尺度内,水汽 变成降水的机率就会变大,年累积降水量就会变大。所以,水汽决定降水 , 水汽导致降水( A 导致 B ) 。 对于西北内流区来说, 既有 降水决定蒸发、降水决定水汽 ( B 导致 A );又有 水汽决定降水 、 水汽导致降水( A 导致 B ),所以, 水汽与降水互为因果。 综合以上分析可知,水汽来源于下垫面降水的蒸发,而降水又来源于空中水汽的相变。没有降水就没有空中水汽,没有空中水汽就没有降水。 无论是站在整个地球的视角研究全局问题,还是站在西北内流区的视角研究局地问题,水汽与降水都是互为因果的关系,是鸡生蛋、蛋生鸡的关系。西北干旱少雨的主要原因和短板是空中水汽不足,向其跨流域调水,下垫面沙漠变绿洲蒸发水汽,鸡生蛋、蛋生鸡,肯定能大幅增加西北的年平均降水量。 附:有关水汽与降水互为因果方面4篇博文的标题和网址 1、《空中水汽不足是西北干旱少雨的主要原因,您能彻底否定吗?!》 http://blog.sciencenet.cn/blog-1458267-938557.html ; 2、《本地蒸发能显著增加西北空中水汽的数量,您能彻底否定吗?!》 http://blog.sciencenet.cn/blog-1458267-940033.html ; 3、《从水汽与降水高度正相关到水汽与降水互为因果》 http://blog.sciencenet.cn/blog-1458267-942248.html ; 4、《再论水汽与降水互为因果》 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=1458267do=blogid=1012164 。
蒸发,降水与水汽压力的关系(之一:水汽压力与空中水数量) 张学文, 2016/4/12 水分循环是地球上十分壮观又神秘的自然现象。这涉及水分蒸发进入大气,成为空中水的过程;空中水的运动、变化的过程以及空中水汽凝结落下来的降水过程。 水汽压力是度量空中水汽的物理量之一。有水分蒸发进入大气层,显然水汽压力应当因此而增加,有降水使水分脱离大气层,显然空中的水汽压力应当减少。本博客系列就提炼蒸发量、降水量对应的水汽压力的变化是多少,并且做一些讨论。 是的,我们试图回答下垫面蒸发了 1 毫米的水分,空气中的水汽压力改变了多少,或者下了 1 毫米的雨,水汽压力究竟减少了多少等等有关问题。 1. 先交代一声 。我们所讨论的对象一般是指全球范围,所以谈及蒸发量了 1 毫米的水分,一般理解为全球各地都有(或者说平均有) 1 毫米的水分进入大气层,所谓水汽压力一般是指(全球平均的)大气层最接近地面处的水汽压力,即气象站的地面观测到的水汽压力 ( 全球平均 ) 。显然,由于我们基本是讨论全球的情况,所以水汽在空中的水平运动问题就全部回避掉了(不是不承认,仅是现在的讨论角度恰好回避了它们)。 2. 大气压力与大气质量的定量(当量)公式(关系) 。我们先讨论气象学关于空气压力与空气的数量的经典认识。即气象学认可在一般情况下,大气是处理静力学平衡状态。这时地面大气压力 p 是与全层大气的总质量 m 成正比例的。写成为公式,就是 p =g m ( 1 ) 这里的 g 是地球的重力加速度,它大约等于 9.81m/sec 2 . 例如标准的大气压力是 1013 百帕,即每平方米受力是 101300 牛顿 , 利用公式( 1 ),把 g 代入,我们得到每平方米的空气质量是 10.336 吨。即每平方厘米有 1 千克多的空气。 我们关于地球上的空气总质量的数据就是根据这个数据再乘以地球表面积而获得的。 其实我们每天买菜用的台秤就是这样的:台秤测量的是放在台子上的物质给予台子的压力把这个压力乘以一个系数就是物质的质量。 3. 水汽压力与水汽质量的换算公式 :以上的静力学关系并不过问空气具体是有什么化学成分组成的。气象学中一般把空气分解为两种成分:干空气和水汽。于是有干空气压力 p d , 和水汽压力 e 。由于空气可以看作是理想气体,所以空气压力 p 是干空气压力与水汽压力的合计值。 p = p d + e ( 2 ) 显然,干空气的质量 m d 和水汽的质量 m v 应当分别满足下面的关系 p d =g m d ( 3 ) e =g m v ( 4 ) 既然公式( 3 )可以用大气压力计算大气质量,我们当然可以用公式( 4 )计算空中的水汽质量(空气柱中的全部水汽质量)。于是我们已经获得了 从水汽压力计算水汽数量的基本公式,即公式 ( 4 )。 这里的 m v 就是单位面积的水汽的质量。因为 g=9.8m/sec 2 , 这个公式显然也可以写成为 m v =10.2 e ( 5 ) 即知道了水汽压力 e ,并且在水汽压力是以百帕为单位时, e 的值乘以 10.2 就是空气柱中的单位横截面的水汽质量 m v 。此公式求得的水汽质量的单位是千克 / 平方米。在数值上它也等于空中水凝结为液体水所对应的以毫米为单位的厚度(承认水的密度是 1 立方厘米 1 克)。例如水汽压力是 10 百帕,那么空中水的数量是每平方米 102 千克,或者说对应于 102 毫米厚的水层。 4. 公式( 5 )的单位 :前面公式注上单位时显然是 m v (千克 / 平方米) =10.2 e (百帕) (6) m v (以毫米计算的水层厚度) =10.2 e (百帕) (7) 5. 局地的水汽压和全层的含水量 :注意我们的讨论一再交代是空气 / 水汽都满足静力学关系下获得的关系。公式中的水汽压力是指空气最底层位置的水汽压力,而水分含量是指最底层以上的全部空气中的水汽的质量。这类似我们用台秤时,把 10 个袋子摞在台秤上,直接压在台秤上的袋子固然只有一个,但是你称得质量确实 10 袋子的全部质量。 6. 小结 :这样我们可以轻易地(认可静力学关系也适用于水汽)从水汽压力 e 获得单位横截面空气柱中的水汽质量 m v 。这个公式可以用到全球的平均情况,也可以用于当地当时的水汽压力上,只要你认可当时空气基本满足静力学关系(其实探空气象站每天进行探空观测,计算高空数据时都用了这个公式,地面气象站从本站气压计算海平面时都引用了这个关系)。 本博客写到此,下一博客讨论由水汽压力具体计算水汽数量的一般情况。
文章信息:J. Yao, Y. Chen.Trend analysis of temperature and precipitation in the Syr Darya Basin in Central Asia,Theoretical and Applied Climatology,DOI:10.1007/s00704-014-1187-y Online链接:http://link.springer.com/article/10.1007/s00704-014-1187-y 主要内容:By investigating temperature and precipitation data from eight meteorological stations in the Syr Darya Basin (SDB) during 1881 – 2011 and 1891 – 2011, we analyzed trends using the Mann-Kendall (MK) test. Our results indicated that there was a notable increasing trend in annual temperature of 0.14 °C/decade (P0.05) and step change points in 1989 (P0.05). Similarly, annual precipitation showed a significant rising trend (P0.001) at a rate of 4.44 mm/decade and step change points in 1991 (P0.05). Overall, temperature and pre- cipitation increases were more rapid in the plains than in the mountain areas. Furthermore, we found that tem- perature in the SDB region is strongly associated with the Asian Polar Vortex Area Index (APVAI, correlation coefficient: R= − 0.701, P0.01) rather than with carbon dioxide emissions, especially in the plains area. For precipitation, the correlation coefficient is strongly asso ciated with the Tibet Plateau Index (TPI, R=0.490, P0.01), followed by the Antarctic Oscillation Index (AAOI, R=0.343, P0.01), and the correlations in the plains are higher than those in the mountains. It is anticipated that the results of this study will further the understanding surrounding climate change in the SDB.
2008 年 11 月 26 日,清晨推开窗口,发现外面的世界已是银妆素裹,白茫茫一片。清爽的空气扑面而来,沁人心脾,整个人都觉的精神抖擞,有一种想冲到雪里去的欲望,按崔建的话说就是快让我在雪地上撒点野。 兰州分院雪景 对于雪,相信大家都很熟悉了,大家也都见过,当然个别南方人可能没见过。但是有一点大家可能不太了解,每个地方的雪其质量都是不同的,无论从东到西、从南到北、从低到高、还是从沿海到内陆。 水循环示意图 水的分子式是 H 2 O ,氢有两种同位素 H 和 D ,而氧的两个主要稳定同位素是 16 O 和 18 O ,所以大自然中的水组成有: 1 H 2 16 O 、 1 H 2 18 O 、 2 D 2 16 O 、 2 D 2 18 O 等,原子量的差异造成了他们的质量不同。 一般来讲,在空中水蒸气凝聚成雨滴过程是平衡同位素分馏过程,因为水蒸气是在饱和(相对湿度 100 %)的状态下凝聚为水。生成的雨水相对水蒸气富集重同位素,而在降水过程中首先是富集重同位素水先降落。其变化主要有以下规律: 1 、纬度效应 纬度增加大气降水的 D 和 18 O 值都减少。 随着从海面蒸发的水汽根据纬度增加不断降雨的过程中,剩余的水汽中越来越亏损 D 和 18 O ,其雨水和雪水中的 D 和 18 O 值也越低。 2 、 大陆效应 从海洋开始,越向内陆,大气降水的 D 和 18 O 值越降低。 例如,广州,昆明和拉萨的年平均降雨的 D 值分别为- 29 ,- 76 和- 131 。 3 、海拔高度效应 从海平面到最高的青藏高原,随着海拔高度的增加,大气降水 D 和 18 O 值也在一直降低。 一般每升高 100m ,对于 D 值降低 1.2 ~ 4 ;对于 18O 值降低 0.15 ~ 0.5 。 4 、季节效应 季节不同,大气降水中同位素也不是同一样的。冬季相对夏季,大气降水就要亏损重同位素。这 主要是温度效应引起。夏季温度高,海水蒸发及云团形成(凝聚)过程同位素分馏小,因而造成夏季比冬季相对富集重同位素。 由于富集重同位素的水汽从沿海到内陆不断凝结降落,到了兰州这个海拔两千多米的地方, 大气降水 D 和 18 O 值已经相当亏损了,所以这里的雪要比沿海的雪轻! 本文数据图片来自 储雪蕾 《现代地球化学》讲义 感谢您的关注 请点此投票 谢谢
《降水统计力学初探》的电子版前言 2007-05-08 22:16 《降水统计力学初探》 电子版的再版前言 2006-10-28 ,2010.7修订了链接地址 (看本书全文,请到张学文的个人网站 http://zxw.idm.cn/ 的大气水文学部分去找) l 1981年我为廖树生和我的三篇文章取了个统一的名称降水统计力学之一、之二、之三。从此, 降水统计力学 这个名称被引入气象学。我这样做是出于一个认识:我们已经成功地把统计力学的核心思想准确地引入了气象的降水理论领域。 l 在我随后发展这个思路时发现大家对统计力学的这个思想不熟悉,而我们每篇文章都介绍这个思想是费力,低效率的。我打算写个介绍统计力学基本思想模型的材料。于是我在 80年代写成了《降水统计力学初探》这个小册子,1985年由新疆气象台油印200册。它用比较多的笔墨,把统计力学的一个核心思想,或者称为玻尔兹曼统计,用物理学以外的例子做了说明,它为统计力学思想用到气象学的其他领域做了学术准备。 l 90年代,马力同志写的硕士论文选了这个主题。结果是她把这里的认识、那些年在本领域我们的研究进展在硕士论文中做了综合。1994年我们又在她的硕士论文基础上补充了一些内容形成了约7万字的一个《降水统计力学及其应用》的一个讲义。这个讲义成为新疆气象科学研究所和新疆水文水资源局合办的一个暴雨学习班的教材。这个教材本身已经体现我们在1981年提出的《降水统计力学》概念在健康的发展。 l 降水统计力学的研究以及分布函数概念在气象领域的广泛应用,使我们的思想发展为 熵气象学 。我与马力写的《熵气象学》一书是其阶段总结( 1992年气象出版社)。鉴于统计力学的基本模型不是那里的重点。所以1985年写的《降水统计力学初探》在认识统计力学在气象学中的应用依然有其不可取代的作用。而它应当是体现我们基本思想的基本文献,也是理解这个统计力学模型的重要途径。 l 因此,我决定把这个约 4万字的小册子变成电子版,供希望了解、检验、掌握、批判我们这个思想的同仁和同学参考。我还打算把1994 年我与马力编辑的的《降水统计力学及其应用》也变成电子版。 l 1994年以来我就公开提倡搞大气水文学(空中水文学)研究。降水统计力学自然是这个领域的重要内容之一。 l 1999年新疆气象杂志22卷5、6两期发表了降水统计力学研究进展(上、下)。该文对降水统计力学的思路和1985年以后的发展是个综合说明,现在把它也附在本手册电子版后面,算是对这个问题的补充。 l 本电子版由赵洁扫描原稿和初步文字识别( OCR),我补进了对应的公式(也使公式美观了很多),修订了个别文字而形成的。个别的图有改进、删除。 张学文 , 2006-10-30于乌鲁木齐