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《空中水文学初探》第1章: 热度 2 zhangxw 2010-5-16 16:53; 第 1 章引论（全书的word版，请到 http://zxw.idm.cn/myweb/2010/空中水.htm 空中水.htm 下载）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 ... 3 3. 空中水文学与其他科学的关系 ... 3 4. 空中水文学的观测与资料基础 ... 5 5. 空中水文学的理论基础 ... 5 6. 空中水文学的应用 ... 5 空中的水分数量虽然远比干空气少，可它的活动却使地球生机勃勃（刘国纬语）。空中水的知识重要又分散于气象学的各个部分。建议把分散的空中水知识汇集到一个统一的、不重叠、自洽又比较完备的知识体系内。空中水文学就是我们对它的称呼。 1. 大气水分问题的特殊性和重要性地球的岩石圈（固体）的质量约为 6.6 10 21 t ，水圈（液体，以海水为主）的质量不足它的千分之一，而地球的气圈（气体，空气）的质量又仅占水圈的千分之几。空气主要由氮、氧、氩组成，大气中含有的水分（水汽）仅占空气总质量的千分之二。各种云（颗粒体）也是水分，但是它的质量仅是大气中水汽的千分之七（表 1.1 ）。粗略地说，地球的这 5 种物质存在状态（固体、液体、气体、空中水汽、云滴颗粒）的比例关系几乎都是 1000 ： 1 的水平。图 1.1 把它们的名称为横坐标，以它们的质量的对数值为纵坐标，就可以看到对应的点子几乎在一条直线上。利用它也容易记住大气中的水汽和云所占的比例。表 1.1 地球上几种物质的数量和比例关系（大约保持 1000 ： 1 的比例关系）物质的形态地球上的物质它们的总质量质量的对数值表的相邻项的质量的比例（ t ，吨）（ LOG ）（千分之）固体岩石圈 6.610 21 21.8 液体水圈（海水，极冰等） 1.410 18 18.1 水圈 / 岩石 = 0.2 气体气圈（空气） 6.510 15 15.8 空气 / 水圈 =5 水汽空中的水汽 1.310 13 13.1 水汽 / 空气 = 2 水颗粒以云体为主 910 10 9.9 云 / 水汽 = 7 图 1.1 地球几种成分的数量（质量）的比例几乎相同大气中的水分所占的比例非常小，但是它的活动严重影响着地球表层的生态环境和人类的生存。大气水分有其特殊性和重要性。大气中的水分有三个明显的特殊性： l 可以进行三态转化：在地球的温度和压力条件下，水汽是大气中唯一的可以进行物质三态（气态、液态、固态）互相转化的物质。而氮、氧、氩等，则仅以气体状态存在于大气中。 l 频繁地进出下垫面：干空气可以进、出海水和陆地（地球下垫面）的数量非常小，气象学里几乎忽略这个物理过程。但是，大气水分的情况就不同了。每年进出下垫面（海洋和土壤）的水分的数量几乎是空中水分的数量的 40 倍。发生在大气下界的这个激烈过程就是大气水分以降雨、下雪的形式进入下垫面和以蒸发形式从下垫面升空。确实，如果空气每年有 40 次进出下垫面，现在的气象学就得改写了。反之，研究大气水分而忽略这个过程就非常片面了。存在强烈的水分循环是大气水分活动的重要特点。 l 固态和液态的水分以小颗粒的集合状态（即云）存在于空中：大气密度大约是以固体的冰或者液体的水的千分之一，从物理学知识来看，大气中的冰或者水就应当以自由落体的高速度掉下来（析出大气）。但是，大气中的固体、液体水分不是一般意义下的冰和水，它们都是以非常小的颗粒状态存在于大气中。这些小颗粒的集体就是我们熟悉的各种云。这些云在大气中广泛存在，自由飘动。我们担心石头从高处掉下来砸着，但是我们从来不担心云掉下来扎着谁。而一旦以微小颗粒状态存在于地球中的水分（云）迅速变成了大颗粒（雨滴、雪花、冰雹等），它们就加快了下降速度。几分钟的时间它们就从高空落到地面（降雨和下雪）。空中水的颗粒态有别与物理学一般介绍的物质固态、液态、气态三态，我们需要独立分析其特有规律。大气水分的这些特殊性对地球生态系统和人类社会带来了严重的影响。这体现了空中水分问题的重要性和复杂性。没有大气降水，在陆地上就没有水分、没有河流，陆地生物几乎没有办法生存。短时间的雨水过多（如暴雨）或者长时间的雨水过少，就可能造成水灾或者旱灾。 20 世纪末中国每年因此造成的经济损失大约在数百亿到数千亿元之间。这从一个侧面说明大气水分状况对社会生活的严重影响。实际上世界各地的农业、牧业以至生态环境都与大气的水分活动（降水量等）关系密切。把大气水分问题单独提出来研究不是小题大做而是理所当然，是早该如此。空中水文学显然是一门社会意义非常大的理论科学和实用科学（技术）。 2. 空中水文学的定义简单地说，关于大气中水分的系统性知识和相应的应用技术，称为空中水文学（大气水文学） ] 。空中水不仅是指空中的水蒸气（水汽），五彩缤纷的云，雨、雪、冰雹等在落到地面之前也属于空中水。如何观测、认识、预告和影响各地的降水量、蒸发量都是空中水文学的内容。更具体地说，大气中的水分的存在、运动、变化、作用的知识和相应的应用技术都属于空中水文学研究的范围。存在：大气中的水分是如何存在的。如气体状态的水汽、各种云（颗粒形态的云滴和冰晶的集合）、各种降水物（雨、雪、雹等）以及它们的数量、时间和空间分布等。运动：大气水分（气体、液体、固体）随大气的运动，也存在相对于大气的运动。这些运动的数量、方向、特点和规律等。变化：大气水分的状态变化（气体、云滴、冰晶、雨滴、雪花、冰雹）、它从大气中的析出（降水）与从外界的补入（蒸发）、水分循环、水分参与的化学过程等。作用：上述水分的存在、运动、变化对大气（含天气系统）、地面（含冰川、河流等）和生物（含人类）的影响。另外，利用大气水分的知识和相关的技术手段去预告、影响、改造各地的大气水分和地面水旱状态的技术也是空中水文学的内容。空中水文学是以分散在气象学中水分知识为原料的，它不排斥气象学中关于水分的具体认识（如降水物理学、雷达气象、降水统计），但是它强调这些知识的自主性和系统化，这不仅要有自洽性，而且力图比较完备。 3. 空中水文学与其他科学的关系空中水文学既然是研究大气中的水分知识和应用技术，它必然与大气科学（气象学）有密切关系。过去认为极少量的大气水分仅是伴随着干空气（没有饱和之前）一起运动，这使得气象学中的水分问题不能占有很高的理论地位。过去，鉴于大气水分的特殊性和重要性，气象学对大气水分给予了很多关注，在气象学的各个分支中几乎都积累了很多关于大气水分的知识，还提出了水文气象学这个名称，但是到 20 世纪，关于大气中的水分知识多是寄生在气象学各分支中，而它自己并没有比较完备的知识体系。创立以空中水为主体的知识体系是新世纪的任务。空中水文学对各分科中水分知识的再组织天气学动力气象学降水物理学雷达气象学卫星气象学统计气象学云物理学气候学关于气体、水分的一般物理学化学和地理知识框图说明气象学的各个分支都有很多大气水分知识的实际情况。但是，它们需要再组织而形成一门独立的科学学科。它们需要有自己的理论框架把分散的空中水知识恰当地放到合适的位置上。再进而理出应该特别需要开发的空白区。水分是地球表层最活跃的物质成分，也是生态系统不可缺少的生存基础。水分在地球上以海水、地下水、冰雪、河水和大气水分等多种形态存在。大气水分与这些不同形态水分的互相转化组成了地球表层的水分循环。研究地球表层的这些不同形态的水分活动的规律性的知识称为（地球）水科学或者广义的（地球）水文学。地表面水文学：陆地水文学海洋的水文学：海洋学地下的水文学：水文地质学空中的水文学：空中水文学地球的水文学地球的水文学中的地面部分、海洋部分、地下部分分别称为陆地水文学、海洋学和水文地质学，地球水文学的大气部分就是空中水文学。空中水文学既是大气科学的一个分支，也是水文学的组成部分。 4. 空中水文学的观测与资料基础任何科学学科都要收集自己研究对象的大量实际资料。空中水文学要研究大气中的气体状态的水汽、液体和固体状态的水分 -- 云、雾、雨、雪的资料。这包括它们在各个地方、各个高度上的存在情况和随时间的变化情况。目前各国政府几乎都在自己的国土内组建了各种类型的气象站。分布在世界各地的仅仅进行地面气象观测的气象站有上万个（不包括近年迅速增加的自动气象站）。它们每天都按照比较统一的规定进行着关于大气云、雨、蒸发、大气含水量（湿度）的观测。这种全球规模的立体的观测在二次世界大战以后已经形成。世界各国水文、农业等部门也建立了相当密集的降水量、蒸发、土壤蒸发观测业务。这些都为空中水文学积累了丰富的原始资料。另外，全世界大约有上千的高空气象站分布在各地（海洋上很少），它们主要是施放带有观测仪器的气球在规定的时间（一般是每天 1~2 次）升空，对 30 公里以下的气象情况进行观测，这又提供了关于大气水分在高空的分布和运动的资料。 20 世纪 60 年代以来出现了人造气象卫星，它们从高空反观地球大气，从而收集了大范围的云的资料。而测雨雷达提供了降水量的分布情况。在研究工作中人们还利用火箭、飞机、气球深入大气，也收集了关于大气水分和云的有关资料。地面气象观测、高空气象观测、气象卫星观测、测雨雷达观测、火箭、飞机、气球（还有 GPS 地球定位系统）从不同尺度、不同地区、不同高度为我们提供了不同类型的大气水分资料。充分利用这些资料和物理、化学、地理知识我们应当对大气水分的存在、运动、变化等情况形成了比较系统的认识。 5. 空中水文学的理论基础现代科学知识体系是个大家庭。空中水文学要成为其一员，它要与这个知识体系没有矛盾，应当充分吸收有关基础知识作为自己的理论的一部分，而且还应当有自己独到的概念、理论、方法和成果。数学、物理、化学知识是基础知识，地球科学和气象学的一般知识也应当是空中水文学需要承认和充分利用的知识。但是，我们也要看到空中水文学的特殊性，要提出有自己特点的理论知识体系。物理学认为物质有固体、液体、气体三个基本存在形态，但是颗粒状态的云滴、雨滴在空中水里必需特别考虑。物理学认为水往低处流，但是大气里的云滴竟然飘在大气中。化学认为水是没有颜色的，可大气中的云滴在阳光下五光十色。物理学应当是研究空中水的有利武器，但是空中水文学显然要对颗粒态的水（以及它们的集合）做特殊分析。针对大气中的水分的特殊性，就要提出特有的概念，寻找、揭露、利用与之对应的规律性就是空中水文学自己的任务。关于空气和水分的基本知识、关于非均匀的混合气体 ] 、多相流体力学 ] 的知识以及物质守恒 ] 、能量守恒和熵最大原理 ] 等都应当是理解空中水的特征的武器。 6. 空中水文学的应用空中水文学提供的知识不仅使水文工作者对大气水分有一个集中而系统的了解，也使气象工作者看到关于空中水的知识是存在一个系统的框架的。经过梳理的空中水知识不仅可以应用于降水的预报、降水的气候学和天气学研究、人工影响天气、跨流域引水对气候的影响以至气候改造工程，而且会使相关知识的发展得到系统而快速的提高。参考文献把不同类型的地球物质这样并列起来比较，可能读者感到诧异，问这是否犯了混淆概念的错误。作者认为这样做并无不可，何况它帮助我们记住跨度达到 10 多个数量级的不同的量的内在比例关系。 ] 张学文等 . 大气水文学初探 . 水科学进展， 2004 ， 15 （ 5 ）： 679-682 ] S. 查普曼等 . 非均匀气体的数学理论，北京：科学出版社， 1985 ] 郭烈锦 . 两相与多相流体力学 . 西安：西安交通大学出版社， 2002 ] 刘国纬 . 水文循环的大气过程 . 北京：科学出版社， 1997 ] 张学文 . 组成论 . 合肥：中国科学技术大学出版社， 2003; 个人分类: 空中水科学|4065 次阅读|5 个评论

《空中水文学初探》序言、前言、目录: zhangxw 2010-5-16 16:48; 《空中水文学初探》内容简介（全书的word版，请到 http://zxw.idm.cn/myweb/2010/空中水.htm 空中水.htm 下载）本书提出了建立与地表水文学、地下水文学相对应的空中水文学这一目标，指出空中水文学是关于空中水知识的主体化和系统化。本书还提出了空中水资源总量应当是目前公认数值的 6 倍；自由大气中的水汽存在相对于空气的运动；目前的云滴初始凝结模型有悖于热力学第二定律；降水时间面积深度的统计力学模型；不同地点的蒸发、降水的定量关系；空中水文学的提纲框架等具有新颖性和争议性的问题。 CIP 数据空中水文学初探 / 张学文，周少祥著 .- 北京 - 气象出版社， 2010.2 ISBN 978-7-5029-4939-6 气象出版社 China Meteorological Press 空中水文学初探张学文周少祥著出版发行：气象出版社地址：北京市海淀区，中关村南大街 46 号责任编辑：吴晓鹏，终审：黄润恒，责任技辑：吴庭芳序言得知张学文先生有新作，我很高兴。现代气象学以流体力学和热力学为理论基础，以全球实时气象资料作为初始场，以大型的计算机作为技术依托，以预报员的经验为补充，开展了天气预报等多种气象服务工作和理论探索，这已取得巨大成绩。数日内的温度、风力的气象预报比较准确是其重要表现。从社会需要角度看，人们对于从空中降落的雨雪问题更为关切。 2008 年 2 月我国南方的雾凇、雪害和 2009 年莫拉克台风在台湾倾倒了 3000 毫米的暴雨都显示着大气水分的野性。认识空中水的规律性，以至利用空中水问题都是很迫切又进展缓慢的气象难题。空中水仅占空气总质量的千分之几。研究大气运动规律自然不能以空中水为中心。但是，考虑到降水来自空中水；空中的水汽和云都对地球的能量平衡（辐射能、相变潜热能）有重要作用以及空中水更新很快（每年大约 40 次）等特点，所有这些都表明空中水的相对重要程度不能用它在大气中占的百分比来比拟。在这个认识基础上作者提出空中水文学这个名称，迎合社会需要和学术需要。张先生还认为地球水科学已经有了地下部分（地下水科学）、地表部分（水文学），所以补上地上部分的空中水科学（空中水文学）也是顺理成章。而《空中水文学初探》一书的出版，宣扬了作者的这种主张。张先生在气象部门工作多年，有接触实际问题的鲜活体会，又喜欢探索临近学科知识在气象上的横向应用。 20 世纪 70 年代他利用信息论知识，指出使输出的信息比输入的信息还多的天气预告方法是根本不可能存在的。这些新鲜的论点給我留有深刻印象。他与马力等人探索用统计物理学的分布函数概念对很多气象现象做定量概括，并且试图用熵最大原理说明这种分布。他们写成的《熵气象学》体现了他们横向运用知识的努力和成绩。《空中水文学初探》使我们再次看到作者的努力。例如他从物理学知识那里提出自由大气中未饱和空气的比湿不具有保守性（不变性），而是随大气压力、水汽、温度的梯度而变化。这种认识突破了气象学关于空中水的理论思维空间。近 10 年以来开发空中水几乎成为我国气象界的一个口号。可空中究竟有多少水分，空中水究竟有哪些规律等核心问题，并没有系统的盘算。张先生从学术上对它做分析，这也呼应了社会需要。他提出空中水数量可能是目前公认值 6 倍的观点值得关注。本书固然没有展开介绍作者心目中的学科内容，但却把作者们特别分析的几个问题摆了出来。不能说我完全认同作者对这些问题的具体观点，但是我承认这些确实是重要的、需要探讨的问题。把这些问题汇集到空中水文学名下也有利于空中水知识的集中和一个独立知识系统的形成。应当承认作者在本书中提出的新问题多于验证的问题。我们可以批评作者的努力不够，不过在提倡创新的时代，作者通过本书把问题摆出来本身就是积极的学术奉献。我们不能求全责备，积极的态度是热情审定这些认识，努力参与对应的验证工作。地球水科学里应当包括空中水、应当有空中水研究所，这些提法都有道理。编写关于空中水的教材是张先生的愿望，我看我国学术、教育界是可以做这个事的。让水文、气象领域的业务人员在大学、中专的专业教育中获得系统的空中水知识，确实是一种社会需要。丑纪范 2009.11.21 于北京（丑纪范教授系中国科学院院士）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 于乌鲁木齐前言水是生物赖以存在的必要条件，也是地球表层最活跃的成分。水分也是对人类活动的影响大，随机性也非常大的自然因素。关于地球的水的知识，笼统地称为水文学。其中的地球表面以下的水分的知识属于地下水文学（水文地质学），关于地球表面的水分的知识一般直接称为水文学（陆地水文学、海洋学等）。笔者建议把空中的水（水汽、云、降落中的雨、雪、雹等）的存在、运动、变化、作用的系统性知识称为空中水文学（大气水文学）。过去有水文气象学这个名称，它似乎是气象学与水文学的交叉科学。但是多年来，在这个名称下的具体知识框架一直含糊不清。目前本书的做法是把气象领域（大气）的水分知识组织起来，形成一个主体性、系统性的空中水知识框架，并且把它与地球表面的、地下的水文学并列。作者认为，这样的知识结构的定位比较清晰。空中水仅是空气质量的千分之几，它一般混合于空气中，并且随空气一起运动。在这种认识下，知道了大气环流，也就知道了空中水的运动；仅在水分饱凝结变成雨滴雪花、冰雹后，它们才脱离空气变成雨雪而降落到地面；另外，地面水分蒸发时水分才有相对于空气的向上的运动。所以在大气是主角的背景下，关于空中水的知识固然得到了特别的关注，但是它们在大气环流的爱护下，反而丧失了作为一门学科而独立存在的地位。提出空中水文学这个名称本身，就是呼吁用独立的视角看待空中水，建立空中水的独立的知识体系。如何建立一个知识体系？作者认为，这涉及下面的七点： l 有较统一的研究对象、领域； l 有适用于该领域的通用性比较强又比较精确的概念； l 有研究这些对象的若干仪器、手段和方法； l 发现了较丰富的客观事实、现象； l 通过归纳、分析与推理得到了若干规律； l 有若干应用事例和一些预言（成功的和还没有兑现的）； l 在社会上得到了一定程度的传播。空中水文学有明确的研究领域，如果适当地吸收气象学中对空中水的知识、数据、概念、原理、方法和技术，并且创立对它有特殊意义的基本概念，建立独立的空中水知识体系，未尝是不可能的。笔者在空中水问题方面有过长期思考与探索，愚者千虑也有一得，回顾过去自己写的文章中涉及空中水分的占了很大的比例。这其中，作者也尝试把分布函数概念、复杂程度概念和熵最大原理等应用于这个领域。在这样的背景下，作者写就了《空中水文学初探》。本书固然不足以构成一个空中水文学知识体系，但是它提出了问题，概括了有关空中水的一些新的观点、概念、方法。过去我们看惯了介绍经典知识的教科书，但是在创新成为时代强音的今天，我们需要有勇气探索新领域、新问题，我们需要在新的视角下、在新的概念下获得新的认识。第一部电视机肯定是最蹩脚的电视机，但是它却是今天所有电视机的起点，这第一本关于空中水文学的书，肯定是最蹩脚的空中水文学的著作。但是作者希望这成为一个新的知识体系的起点。在此，作者也热忱希望它的读者能参加进来，成为它的开拓者。在提出空中水文学这个学科应当独立存在以后，本书讨论了几个比较具体的问题 l 空中究竟有多少水分问题。就此作者提出空中水资源可能是目前公认值的 6 倍的论点。而这个问题涉及的知识点是水分观测技术、水分子的聚合体问题、一般气象知识分析等。 l 空中水是否被动地随着空气运动问题。作者提出温度、气压的空间分布的不均匀可以引发水汽对空气的相对运动。这个认识不同于多年来气象学认定的水分输送量的计算公式的绝对地位，也为理解降水提出了新视角。这里涉及的知识主要是关于不均匀气体中的统计力学。 l 水滴（云滴）形成的基本物理过程是当前公认的那样吗？周少祥教授提出过去公认的凝结模型是违反热力学第二定律的。他提出需要考虑云滴的辐射能量的作用，重新认识云滴的形成过程。 l 降水预报问题是气象学里最头疼的问题，也是社会对气象学的重要期盼。降水的维持时间、笼罩面积和降水量的关系被水文界称为降水时面深问题。我们这里把它作为分布函数概念、最大熵原理、波尔兹曼统计理论的一种应用来对待，这涉及了统计物理、概率论等知识点。对气象学和水文学，这是新知识，它被我们称为降水统计力学。 l 从气候角度认识不同地点的蒸发量与不同地点的降水量的定量关系问题。这里借助新引入的水分扩散函数和水分辐合函数概念，巧妙地利用质量守恒原理把不同地点的蒸发与降水联系了起来。它为具体计算各地的水分（蒸发、降水）的来龙去脉提供了思路。 l 对于空中水文学的一般知识框架 , 提出了一个提纲。希望本书对空中水知识的系统化有所促进。作者也借此机会呼吁：气象与水文专业的中专和高等学校的学生应当有专门的空中水的课程和教材；国家还应当有空中水研究室、研究所。作者期待这类图书的编写，期待这些课程和研究机构的设置。本书第 6 章由周少祥教授执笔，张学文负责其余部分和统稿。我们热忱希望知道读者的各种看法，更欢迎大家参与进来。来信请寄：张学文： xjbwh@163.com , 周少祥： zsx@ncepu.edu.cn 目录空中的水分数量虽然远比干空气少，可它的活动却使地球生机勃勃（刘国纬语）。空中水的知识重要又分散于气象学的各个部分。建议把分散的空中水知识汇集到一个统一的、不重叠、自洽又比较完备的知识体系内。空中水文学就是我们对它的称呼。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 章基本认识和问题本章介绍关于水的基础知识，还讨论空中水的几个重要问题。 1. 关于水分的基本物理知识 ... 2. 空中水的三种基本存在形态 ... 3. 循环是空中水的重要特征 ... 4. 空中究竟有多少水分问题 ... 5. 水汽与空气的相对运动问题 ... 6. 水汽初始凝结模型问题 ... 7. 降水的时间面积深度的关系问题 ... 8. 各地的降水、蒸发与径流的关系问题 ... 第 3 章空中究竟有多少水分问题大气里有多少水分？本章指出过去的答案与某些理论、事实不能自洽。而对此问题的质疑使作者认为全球大气中存在的水汽数量可能被严重低估了：空中水应当是目前认可数值的 6 倍！ 1 直接用地面水汽压力计算空中水的数量 ... 1.1 大气质量的计算思路与结果 ... 1.2 水汽压力的平均值 ... 1.3 全球水汽的质量 ... 2 目前公认的空中水数据 ... 3 两个空中水的数据不一致 ... 4 大气和水汽压力铅直分布的提示 ... 4.1 大气和水汽随高度变化的理论公式 ... 4.2 水汽压力垂直分布的实际情况 ... 5 比湿铅直分布的提示 ... 6 小结第 4 章空中水汽的聚合模型 --(H 2 O) 6 针对不同计算思路得到的空中水总量可以差 6 倍等疑问，本章提出空中水汽可能以 6 个水分子聚合成的粒子的形态而存在，其分子量就是 18 6=108 。水汽的聚合模型解决了上一章揭露的矛盾，也引出了很多重要的新问题，它还等待进一步判定和实验证实。 1 一个假说 ... 2 新模型下的水汽状态方程 ... 3 新模型下的水汽参数 ... 3.1 水汽压力和水汽密度（绝对湿度） ... 3.2 比湿 q . 4 新模型化解了水汽的静力学之迷 ... 5 新模型的其他好处 ... 5.1 空中水资源量 ... 5.2 大暴雨的理论说明 ... 5.3 用当地水汽压 e 直接计算单位面积上的空中水数量 m v 5.4 降水预报依据充分了 ... 6 湿空气的状态方程，虚温新公式 ... 7. 检验本模型的一个简单办法 8 小结第 5 章水汽与空气的相对运动问题空气的运动统称为大气环流，而自由大气中的水汽被认为随空气一起运动的，不需要单独研究，只有雨滴雪花的相对于空气的运动被单独观测和研究。本章认为未饱和的水汽并不完全随空气运动，它存在着相对于空气的运动。这种相对运动可以使空气的比湿变大或者减少。这对自由大气中的水分（比湿）具有保守性的传统假设是个挑战。可它能解释，例如地球上为什么多为薄的层云，台风为什么有眼，锋面附近为什么多雨等一系列涉及云雨的现象。 1. 水汽输送量问题 ... 2. 已经默认的水分与空气的相对运动 ... 3. 水汽相对运动的方程 ... 3.1 水汽相对运动速度 ... 3.2 相对运动方程的由来 ... 3. 3 水汽相对运动方程 ... 4 水平方向的单项分析 ... 4.1 比湿差项 ... 4.2 压力差项 ... 4.3 温度差项 ... 4.4 外力差项 ... 5 垂直方向的分析 ... 5.1 平衡态下的比湿垂直分布 ... 5.2 温度垂直递减率变化对水汽垂直传送的闸门效应 ... 6 未饱和空气的比湿的变化 ... 7 小结 ... 7.1 一般认识的扩展 ... 7.2 本章的理论与第 4 章是否存在矛盾？ ... 7.3 雨和电第 6 章经典水汽凝结模型质疑本章基于化学势和相平衡原理，指出空中水汽的经典凝结模型所表述的热传导过程违反了热力学第二定律，是不能进行的。分析认为水汽凝结只能以辐射方式释放潜热。本章还阐述了对应的微观物理学机制及其温室效应机理。 1 经典水汽凝结模型及其存在的问题 2 水和湿空气的物理性质简介 3 大气中的水汽凝结现象 4 云滴长大过程的热平衡分析 5 基于热力学第二定律的水汽凝结过程分析 6 水汽凝结辐射的微观物理学机制及其温室效应 7 水汽凝结与全球气候变暖 8 小结第 7 章降水统计力学为了寻找可以概括降水现象的新途径，引入新的概念和原理是需要突破的重要环节。我们在 1981 年把统计物理学中的玻尔兹曼统计的概念、思路与方法移植到降水的维持时间、占有面积和降水深度的研究中，这为认识降水现象提出了新途径。这里把与之相关的基本概念、思路和进展做简要综合。 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地球上任何一个地方的降水可能来自世界各地的蒸发。类似地，一个地点蒸发的水分可能降落在地球各地。讨论不同地点的降水、蒸发的气候平衡意义下的定量关系是本章的核心问题。我们截留河水去灌溉、修建水库、兴建城市以致南水北调，而这都影响着各地的用水、径流和蒸发，而各地的蒸发又影响着各地的降水。这种影响的具体计算就依赖对各地降水、蒸发与径流的定量关系的知识。 1. 降水与蒸发的关系问题 ... 2 准零维的水分循环 ... 3 一维离散模型下的水分辐合函数和辐散函数 ... 4 降水和蒸发方程 ... 5 两个计算的例子 ... 6 两维的降水与蒸发方程 ... 6.1 水分辐合函数 ... 6.2 水分辐散函数 ... 6.3 降水方程 ... 6.4 蒸发方程 ... 7 大气水分循环方程组 ... 8 小结第 9 章空中水文学提纲本章就空中水文学这个知识体系的框架提出的一个提纲。第零章相关的概念与原理 ... 第一篇引论 ... 第二篇大气水分的存在 ... 第三篇大气水分的运动 ... 第四篇大气水分的变化 ... 第五篇大气水分的作用 ... 第六篇悬疑问题 ... 附录附录 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（本部分结束，其他文稿分章单独形成文件）; 个人分类: 空中水科学|4666 次阅读|8 个评论

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标签: 空中水、水文学、气象

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