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《十六论》试图推翻位于根部的另一个传统认识，能成功吗: 热度 3 zhgatcl 2019-11-17 11:01; 《十六论》试图推翻位于根部的另一个传统认识，能成功吗 ——颠覆根部传统认识的证据和机理解释可信吗？！近60年来，新疆区域的降水量波动增加，气候向暖湿方向发展。近60年来，新疆区域多年平均面雨量约2800亿吨 / 年，扣除跨国河流的径流净输出约230亿吨 / 年，本地水汽年产量约2570亿吨 / 年。新疆区域多年平均外来水汽输入总量约26114.8亿吨 / 年。因此，本地水汽占新疆水汽总量的2570 ÷ （2570+26114.8）=9%，外来水汽占新疆水汽总量的91%，本地水汽和外来水汽的综合变雨比率约2800 ÷ （2570+26114.8）=9.8% ≈ 10% 。无论是本地水汽还是外来水汽，都来自下垫面的蒸发（含蒸腾），两类水汽与大气中其它气体混在一起，没有办法区分，两类水汽的物理化学性质也没有区别，因此，现行气象科学不区分本地水汽和外来水汽，还有以下传统认识：默认或者盲目相信本地水汽和外来水汽在研究区域变成降水的比率完全相同。在研究区域不是特别巨大的情况下，本地水汽的数量比外来水汽的数量小得多，例如以上介绍的新疆情况，如果本地水汽和外来水汽在研究区域变成降水的比率完全相同，那就有以下传统认识：外来水汽是研究区域降水的绝对主角，本地水汽只是研究区域降水很小的配角。在以上两个传统认识中，有了第一个传统认识，就能得到第二个传统认识，所以，第一个传统认识是位于根部的传统认识，以下简称根部传统认识，第二个传统认识处于从属地位，以下简称从属传统认识。如果根部传统认识正确，从属传统认识必然正确；如果根部传统认识错误，从属传统认识可能错误；如果从属传统认识错误，就动摇了对根部传统认识的可信度。预印本论文《超深盆地四周的巨型山脉对本地水汽和外来水汽的影响截然相反 , 十五论 … … 》以下简称《十五论》，预印本论文《在新疆变成降水的比率本地水汽是外来水汽的 15 倍 , 十六论 … …》以下简称《十六论》。《十五论》的研究结论是，外来水汽只能扮演超深盆地降水的配角，本地水汽实际扮演超深盆地降水的主角，即以上第二个传统认识在超深盆地不成立；《十五论》的研究还证明，超深盆地四周巨型山脉的斜盆山地对本地水汽的拦截比例高达75%左右，比本地水汽和外来水汽的综合变雨比率10%大很多很多，因此，《十五论》从两个不同的角度动摇了对根部传统认识的可信度。如果根部传统认识是错误的，那么，现行气象科学就严重低估了本地水汽对新疆降水的贡献率，严重高估了外来水汽对新疆降水的贡献率；按照根部传统认识，本地水汽和外来水汽在新疆区域的变雨比率完全相同，都是10%左右，如果根部传统认识是错误的，那么，现行气象科学就严重低估了本地水汽在新疆区域的变雨比率，严重高估了外来水汽在新疆区域的变雨比率。由以上分析可知，默认或者盲目相信的根部传统认识可能导致气象科学在水汽相变成雨方面出现一系列错误认识，根基不牢，地动山摇，所以，对根部传统认识必须深入研究，绝对不能马虎行事。根部传统认识究竟是想当然的结果？还是有根有据的科学认识？这样的问题，不能含糊，必须研究清楚。如果现行水汽变雨理论确实存在较多错误，那它就急需修改完善和补充，那它就不能指导我国的调水工程实践。《十六论》研究的出发点：虽然本地水汽和外来水汽的物理化学性质相同，但两类水汽所处环境相差很大，在研究区域变成降水的比率可能不同（平均海拔不同，平均气温不同，饱和水汽压也不同，这类似于把双胞胎从小分开，在不同家庭环境下长大，成年后性格不同）。《十六论》试图推翻根部传统认识，其研究的结论是低海拔的本地水汽比高海拔的外来水汽容易在本地变成降水。本地水汽属低层水汽，本地水汽向上运动逐步趋近外来水汽平均海拔的过程中（期间平原地区上升 2000 米左右，超深盆地上升更多），较大数量的本地水汽将冷凝析出变成降水，这就是本地水汽比外来水汽容易在本地变成降水的机理解释。《十六论》有二表一图，长达15000多字，其中的第1至第4节是基础，约5100个字，占用篇幅4页多，时间紧张的话，仅审查第1至第4节能节约很多时间。第1至第4节是后续各节成立的前提条件，如果第1至第4节不成立，那后续各节就失去了支撑的基础条件，所以，请重点审查第1至第4节。《十六论》的第2节详细研究了含水气团向上运动过程中，气温、气压和体积的变化情况，还研究了饱和水汽压和饱和空气绝对湿度的变化情况，以及含水气团向上运动的垂直距离与冷凝析出水分比例的大概情况，研究结果详见表1，具体的分析过程详见《十六论》的第2节。表1 含水气团向上运动的垂直距离和水汽变化情况的计算表《十六论》有一张插图，详见下图，在这里对该插图做一些补充说明。 ① 近几十年来有些地方的大气比湿有少量增加，但风速明显变小，致使输入新疆的外来水汽呈减少趋势，肯定没有明显增加，但新疆的本地水汽年产量 Q bd 随着面雨量 P m 的大幅增加而大幅增加。 ② 新疆不同年份的面雨量 P m 与本地水汽年产量 Q bd 高度正相关，而新疆不同年份的面雨量与外来水汽年输入总量不是正相关，或者是正相关但相关判定系数很小。因此，本地水汽年产量 Q bd 是新疆面雨量 P m 的主要影响因子，而外来水汽年输入总量 Q in 只是新疆面雨量的次要影响因子。 ③ 据《十五论》的研究，本地水汽实际扮演超深盆地降水的主角，外来水汽实际扮演超深盆地降水的配角，与以上第 ② 点相互印证。面雨量要么由本地水汽相变而成，要么由外来水汽相变而成，综合以上3点，近几十年来新疆面雨量大幅增加的直接原因是本地水汽年产量的大幅增加，肯定不是外来水汽的增加引起。图1中，新疆本地水汽年产量的增量1000亿吨／年，致使新疆面雨量增加950亿吨／年，由此可知，本地水汽增量对降水的贡献确实非常非常厉害，本地水汽比外来水汽容易在本地变成降水。《十六论》试图颠覆和推翻根部传统认识、《十五论》试图颠覆和推翻从属传统认识，根部传统认识与从属传统认识相互联系、相互影响，一荣俱荣，一损俱损，这两个传统认识是想当然的结果？还是有根有据的科学认识？颠覆和推翻这两个传统认识的可能性有多大？科学上的错误认识严重阻碍经济发展和社会进步，而科学上的正确认识能推动经济发展和社会进步，因此，科学上正确的破旧立新对经济发展和社会进步意义重大。诺贝尔奖得主、华裔美国科学家丁肇中教授认为：“科学是多数服从少数，只有少数人把多数人的观念推翻以后，科学才能向前发展。因此，专家评审并不是绝对有用的，因为专家评审是依靠现有的知识，而科学的进展是推翻现有的知识。”科学的进展需要正确的破旧立新，《十五论》和《十六论》两篇预印本论文的破旧立新能不能成立？！如果确实成立，那对我国经济发展和社会进步就有重大的推动作用，请各位专家客观评价、理性质疑。图 1 本地水汽年产量的增量与外来水汽年输入总量对新疆降水贡献的比较《十六论》试图推翻位于根部的另一个传统认识，可能吗.doc; 个人分类: 201909理论探索|2480 次阅读|17 个评论

超深盆地对本地水汽和外来水汽的影响截然相反: zhgatcl 2019-9-16 18:52; 以下是预印本论文的标题、主题词、内容摘要、《强力约束、强力拦截、良性水循环等三大支柱致使超深盆地调水增雨的逻辑关系》框图、预印本的下载网址，请各位专家审查。超深盆地对本地水汽和外来水汽的影响截然相反主题词：超深盆地本地水汽外来水汽强力约束强力拦截俘获降水正反馈良性循环内容摘要：逻辑推理、自然地理学、气象学和气候学、农业灌溉等方面的定性研究都证明人类能影响和改变区域气候。超深盆地四周的巨型山脉对本地水汽和外来水汽的影响截然相反，既强力拦截阻挡外来水汽进入超深盆地，也强力拦截阻挡本地水汽逃出超深盆地。 ①本地水汽在超深盆地四周山地变成降水的比例高达75%左右；②本地水汽还能诱导俘获沉底外来水汽使其变成俘获降水；③本地水汽增加致使降水量增加，降水量增加通过正反馈反过来促使本地水汽增加，超深盆地的本地水汽和降水量能够互相促进良性循环。本地水汽对超深盆地降水的影响极大，本地水汽以上3点功能作用是超深盆地调水增雨论点的思维起点和理论基础。向西北超深盆地特大规模调水沙漠变绿洲以后，下垫面将蒸发产生大量本地水汽，因为超深盆地对本地水汽的强力约束，致使超深盆地上空空中水汽含量、地面水汽压、绝对湿度、相对湿度、比湿等明显增加，水汽相变成雨几率增加，致使盆地底部年降水量有望达到甚至超过500mm；超深盆地对本地水汽和沉底外来水汽的强力拦截致使盆地四周山地年降水量有望达到甚至超过 600mm。图3 强力约束、强力拦截、良性水循环等三大支柱致使超深盆地调水增雨的逻辑关系本文预印本的下载网址： https://preprint.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFileid=8a8b8a986c3b00e1016cf23004650157 附件：（2019年9月）超深盆地对本地水汽和外来水汽的影响截然相反,十五论.doc; 个人分类: 201909理论探索|1880 次阅读|2 个评论

在新疆变成降水的比率本地水汽是外来水汽的15倍: 热度 1 zhgatcl 2017-8-16 22:58; 在新疆变成降水的比率本地水汽是外来水汽的15倍 2014年7月12日，我发表了博文《低层水汽与高层水汽所处环境的差别很大，变成降水的比例相同吗？》。对这篇博客推介的预印本论文，最近一段时间我花费很大很大的力气做了大幅修改（大约70%推倒重来），并更名为《在新疆变成降水的比率本地水汽是外来水汽的15倍》，该文的网址是 http://blog.sciencenet.cn/blog-1458267-811115.html 。该文大胆挑战本地水汽对研究区域降水贡献率的估算方法，欢迎审查，请提宝贵意见，特别欢迎理性质疑。; 个人分类: 博文论文修改广告|493 次阅读|1 个评论

超深盆地对本地水汽和外来水汽的影响截然相反: zhgatcl 2017-8-7 22:42; 超深盆地对本地水汽和外来水汽的影响截然相反我2017年2月5日发表的博客《西北超深盆地对本地水汽的强力约束和拦截作用》，现已修改，并更名为《超深盆地对本地水汽和外来水汽的影响截然相反》，网址是 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=1458267do=blogid=1031786 ，欢迎审查，特别欢迎理性质疑。; 个人分类: 博文论文修改广告|401 次阅读|1 个评论

[转载]科学时报首席评论员王中宇对新疆变湿假说的几点思考 ⑶: zhgatcl 2014-9-7 17:15; 我从2008年开始研究向西北调水，我的研究结论是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，详见以下博客： ① 半个世纪气候变化的事实证明：向新疆调水 , 当地降水量能成倍增加； ② 历史气候也证明：向新疆调水，当地降水量能成倍增加； ③ 气象统计数据也证明：向新疆调水，当地降水量能成倍增加； ④ 青海湖流域的气候事实也证明 : 向新疆调水 , 当地降水量能成倍增加； ⑤ 四大圈层相互作用与影响：向新疆调水 , 当地降水量能成倍增加； ⑥ 学术权威与高校教科书的表述截然相反，到底谁对谁错 ? ⑦ 四两拨千斤，三山夹两盆的新疆有极大的 “ 调水倍增效益 ” ； ⑧ 低层水汽与高层水汽所处环境的差别很大 , 变成降水的比例相同吗 ? ⑨ 多重证据链网络证明：向新疆调水，当地降水量能成倍增加； ⑩ 为什么说塔里木盆地有以一当十甚至更大的 “ 调水增效倍数 ” ？！。著名气象专家张学文研究员倡导创建《盆地气象学》和《盆地地理学》，对我的论点比较支持，写了以下博客： ① 对霍有光、檀成龙的新疆变湿理论的思考； ② 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； ③ 盆地水汽（空气）的封闭程度表； ④ 征答：气候学中的一个思想实验； ⑤ “干湿双稳态”是盆地气候的重要特征? ； ⑥ 大规模调水对降水的影响的旁例分析。科学时报首席评论员王中宇关注我国的水土资源配置，发表过《西线大争论看公共事务决策》、《水土资源匹配——一个战略性的难题》、《 “引渤济疆”构想的气候目标观察》等文章。王中宇老师对我的论点感兴趣，在审查阅读我和张学文老师以上文章以后，积极参与新疆变湿理论的讨论，王中宇老师的文章也说明我的论点不是信口开河、胡说八道，具有分析讨论的价值。现把王中宇老师思考以后撰写的第 3 篇博客做如下转载，供各位专家参考。转载：关于“绝对加权法水汽返回率” 与檀成龙先生讨论王中宇 2014-7-27 09:35 原载 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=267do=blogid=815009 檀成龙先生在《降水的水汽来源再思考》后留言： 2014-7-25 20:45 王老师：您好！对降水的水汽来源，您进行了深入研究，您的观点值得学术界重视。关于降水的水汽来源，海洋与陆地不同，沿海与内地不同，季风区与非季风区不同，超深盆地与其它地方又有很大区别（四周的巨型山脉能阻止外来水汽的输入，也能阻止盆地底部蒸发水汽的输出。监狱四周的高大围墙能阻止囚犯外逃，盆地四周的高大山脉类似于监狱四周的高大围墙）。 “绝对加权法水汽返回率”低估了本地水汽对本地降水的贡献率，而“绝对优先法水汽返回率”又高估了本地水汽对本地降水的贡献率。为克服以上缺陷，我提出采用“部分优先与相对加权相结合的创新方法”计算本地水汽对本地降水的贡献率，这一方法有没有明显的原则错误？您对这个方法有何评价？ --------------------------------------------------------------------------------- 檀成龙先生：根据您在《本地水汽比外来水汽容易在本地形成降水的证据和联想——八论特大规模调水能彻底改变大西北干旱少雨的恶劣气候》中的表三中，“部分优先于与相对加权计算”部分列出的计算过程，我理解：您的“部分优先于相对加权法”，其基本思路是：本地蒸发的水汽 55% 转化为降水，其余 45% 的本地蒸发水汽与外来水汽混合，按比例转化为其余的降水。其中的比例“ 55% ”来源于你的另一篇文章《四两拨千斤，西北内流区巨型超深盆地群有极大的“调水倍增效益”，七论特大规模调水能彻底改变大西北干旱少雨的恶劣气候》。查此文，“ 55% ”出自 4.7 节，其相关文字为： “ 在4.3节我们分析计算本地水汽从地表垂直输送到水汽的平均海拔过程中，温度下降13℃左右，相对湿度和气温的双双下降致使一大半本地水汽饱和析出变成降水。因此，我们可以分三步初估本地水汽和外来水汽对当地降水的贡献。第一步，新疆本地水汽上升到水汽平均海拔高度气温下降13℃左右形成的降水量参考第4.3节按55%估算，数据为2212*55%=1217亿吨，剩余的本地水汽为2212—1217=995亿吨，剩余的当地降水为2412-1217=1195亿吨。 ” 而 4.3 节相关段落为： “ 查表1可知，30℃时饱和水汽的绝对湿度为30.36克/立方米，用插入法由表1可得出17℃时饱和水汽的绝对湿度为14.93克/立方米，即温度下降13℃时，大约有51%的水汽饱和析出。查表1可知，—20℃时饱和水汽的绝对湿度为0.884克/立方米，用插入法由表1可得出—33℃时饱和水汽的绝对湿度为0.273克/立方米，即温度下降13℃时，大约有69%的水汽饱和析出。由以上计算可以看出，无论是夏季（地表气温30℃左右）还是冬季（地表气温—20℃左右），气温下降13℃，将有一大半水汽饱和析出。 ” 以上分析有个隐含的假设：地表水汽处于饱和状态。因抬高而气温下降，使饱和水汽的绝对湿度下降约 55% ，导致“ 一大半水汽饱和析出。 ” 若地表水汽不到饱和程度，就得不出这个结论。事实上塔克拉玛干的地表水汽远不到饱和程度。只有“湿盆地”四川，比较接近这个隐含假设。我非气象学者，以上思考或许不周，请指正。中宇 ---------------------------------------------------------------------------------------- 檀成龙 2014-7-27 11:43 王老师：您好！首先多谢您认真审查我的稿件，您的理解与我想表达的基本一致。但隐含的假设（地表水汽处于饱和状态）不存在，地表相对湿度为50%，上升到2000米高空相对湿度仍然是50%时，气温下降13度，析出的水汽大约是55%；地表相对湿度为40%，上升到2000米高空相对湿度仍然是40%时，气温下降13度，析出的水汽大约是55%。只要地表与2000米高空的相对湿度基本相等，析出的水汽大概都是55%左右。如果考虑热胀冷缩、高度增加气压下降，体积缩小的话，析出的水汽可能还要大一些。请您考虑。博主回复(2014-7-27 20:42) ：就我有限的气象学知识，水汽析出的前提之一，是相对湿度达到100%，空气中无法包含多余的水汽。当相对湿度远小于100%（例如40--60%）时，不可能有水汽析出。所谓地形雨，是水汽升高，温度下降，饱和湿度下降，导致相对湿度上升导致的。以上理解，不知对否，请指教。王中宇老师与我之间的其它讨论详见原载文章。; 个人分类: 转载专家观点|1431 次阅读|0 个评论

[转载]科学时报首席评论员王中宇对新疆变湿假说的几点思考 ⑵: zhgatcl 2014-9-5 18:46; 我从2008年开始研究向西北调水，我的研究结论是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，详见以下博客： ① 半个世纪气候变化的事实证明：向新疆调水 , 当地降水量能成倍增加； ② 历史气候也证明：向新疆调水，当地降水量能成倍增加； ③ 气象统计数据也证明：向新疆调水，当地降水量能成倍增加； ④ 青海湖流域的气候事实也证明 : 向新疆调水 , 当地降水量能成倍增加； ⑤ 四大圈层相互作用与影响：向新疆调水 , 当地降水量能成倍增加； ⑥ 学术权威与高校教科书的表述截然相反，到底谁对谁错 ? ⑦ 四两拨千斤，三山夹两盆的新疆有极大的 “ 调水倍增效益 ” ； ⑧ 低层水汽与高层水汽所处环境的差别很大 , 变成降水的比例相同吗 ? ⑨ 多重证据链网络证明：向新疆调水，当地降水量能成倍增加； ⑩ 为什么说塔里木盆地有以一当十甚至更大的 “ 调水增效倍数 ” ？！。著名气象专家张学文研究员倡导创建《盆地气象学》和《盆地地理学》，对我的论点比较支持，写了以下博客： ① 对霍有光、檀成龙的新疆变湿理论的思考； ② 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； ③ 盆地水汽（空气）的封闭程度表； ④ 征答：气候学中的一个思想实验； ⑤ “干湿双稳态”是盆地气候的重要特征? ； ⑥ 大规模调水对降水的影响的旁例分析。科学时报首席评论员王中宇关注我国的水土资源配置，发表过《西线大争论看公共事务决策》、《水土资源匹配——一个战略性的难题》、《 “引渤济疆”构想的气候目标观察》等文章。王中宇老师对我的论点感兴趣，在审查阅读我和张学文老师以上文章以后，积极参与新疆变湿理论的讨论，王中宇老师的文章也说明我的论点不是信口开河、胡说八道，具有分析讨论的价值。现把王中宇老师思考以后撰写的第 2 篇博客做如下转载，供各位专家参考。转载：降水的水汽来源再思考王中宇 2014-7-21 10:07 原载 http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=267do=blogid=813359 1 、纯数学的思路 ... 1 2 、迁飞轨迹分析 (Trajectoryanalysis) 2 3 、稳定同位素示踪 ... 7 3.1 温度效应 ... 9 3.2 大陆效应 ... 9 3.3 过量氘与降水的水汽来源 ... 12 3.4 一些研究结果 ... 13 4 、讨论 ... 13 贴出《对降水的水汽来源的讨论》一文后，引发了讨论，尤其是张学文老师与檀成龙先生的意见很中肯。看来本地水汽占降水的比例应在“绝对加权法水汽返回率”和“绝对优先法水汽返回率”之间的某个位置上。然而这个位置在哪里？证据何在？仍需思考。 1 、纯数学的思路无论“绝对加权法水汽返回率”还是“绝对优先法水汽返回率”，都是基于水汽流入量、本地蒸发量两个数据，假设它们各自对降水的影响而估算出来的。从数学上看，这个问题本质上是寻找水汽流入量、本地蒸发量与降水量的关系。换而言之，是用前两者解释后者。从解释力的视角看，用多年均值不可能得出有说服力的解释，若用实测的时间序列（向量），则有可能给出某种程度的解释，并评估其解释能力。经济学中的生产函数理论就是这样做的。由于降水在年内有季节性波动，故所用时间序列起码应是季度值，若用年度值，则年内明显的波动被平均掉了，其解释力肯定受限。在现有数据条件下，最好用月度数据，它能更有地效反映三者间的关系。分析时首先应做出水汽流入量 - 降水量散点图和本地蒸发量 - 降水量散点图，观察降水量与两者间的关系，找出比较符合实际的函数表达式。基于此，寻找由水汽流入量、本地蒸发量计算降水量的公式，其中必有几个待定系数。然后根据气象学或“会计学”，确定一些必须满足的约束条件，它们可以表现为等式，也可以表现为不等式。以保证由公式计算出的降水量或某些中间变量数据不至荒谬。于是整个问题成为“约束条件下的极值问题” ---- 需找一个由水汽流入量序列、本地蒸发量序列估算降水量序列的算法，调整其中的待定系数，使估算出的降水量序列与实测降水量序列的误差极小。注意，由于决定降水量的因素不止水汽流入量、本地蒸发量两个，逻辑上比较合理的选择是估计这两个因素能决定的降水量上限，由实际降水量与所估计上限之差，寻找影响降水量的其它因素。我在《中国困境的政治经济学透视》第二遍第六章中（见 http://pan.baidu.com/s/1sj13OYx ），就用这个思路分析了资本、劳力与产出的关系，比主流经济学中的生产函数理论更确切地解释了其间的关系，揭示出导致产出波动的，不仅是生产力领域的因素，还有生产关系乃至社会关系领域的因素。公式的具体形态需反复调整方可获得，调整的依据有二：其一气象学的基本原理，其二拟合误差。一旦找到其解释能力可接受的公式，即可基于它分析水汽流入量、本地蒸发量对降水的贡献了。笔者不是气象学者，找不到相关实测数据序列。若有哪位网友，手中有相关的数据，不妨一试。或许能得出有说服力的结论。 2 、迁飞轨迹分析 (Trajectory analysis) 轨迹分析是气象学上计算空气质点在高空中的运行路径的方法，通过分析流线和风速来确定空气质点运行的方向和速度，从而可以用特定的计算公式算出在某段时间内迹线的长度。混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式 (HYSPLIT ： Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated TrajectoryModel) ，由美国国家海洋与大气局（ NOAA ）空气资源实验室 ARL （ Air Resources Laboratory ）所开发。它在平流和扩散计算上采用了拉格朗日方法的框架，而其浓度计算则采用欧拉方法在每个固定网格点上进行计算。现在通用的版本是 HYSPLIT_4 ，其方案参数设置灵活，运用这种灵活的设置可以执行多种多样的模拟计算。模式具有向前计算和向后回算的能力，可以分别分析气团的去向和来向。模式可以使用大尺度再分析资料，也可以应用短期数值天气预报模式的输出气象场来计算气流轨迹。通过追踪某地某一天的气团来向，可以分析得出该日该地大气中水汽的主要来源方向。从查到的学术论文看，这一方法虽为气象学界创造，但在中国的运用多用于病虫害传播分析，涉及到的包括小麦条锈病菌、麦蚜、稻飞虱、麦红吸浆虫、三代粘虫、褐飞虱等等。另一个集中的运用方向是大气污染，涉及到的有 SO 2 浓度、大气污染物水平输送场、沙尘源地、污染日的气象影响因子、 PM10 、 PM2.5 、日本核泄漏、喜马拉雅山雪冰主要离子、沙尘气溶胶、温室气体本底、雪冰中微粒等等。国家气象中心基于 HYSPLIT_4 ，建立了区域大气中有毒气体泄漏污染扩散应急响应气象保障数值预报系统。据国家气象中心《区域大气环境应急响应数值预报系统》一文宣布，该系统“ 可在接到事故发生信息后15 min内完成产品制作。该系统具有快速应急响应的功能，可成为针对国内区域性尺度、不同危险化学品释放物类型的应急模拟预报工具。从而为各级政府决策部门进行有毒气体泄漏的人员疏散、撤离方向，避难方位等提供有关科学指导。 ” 在气象学里，多见的研究涉及一次性的天气现象，如：《南京一次持续性浓雾天气过程的边界层特征及水汽来源分析》、《一次台风远距离暴雨水汽条件及其模拟》、《 2011 年春末夏初长江中下游地区旱涝急转成因初探》等。涉及到水汽本地蒸发与远距离迁移的研究，只查到两项： 1 、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所硕士研究生马京津，于 2006 年提交硕士学位论文《中国华北地区水汽输送及与气候的相关分析》，指导教师：高晓清。基于这篇论文的第三章“应用 HYSPLIT 模式分析华北地区水汽输送路径”，以马京津领衔，发表了数篇论文：马京津、高晓清《华北地区夏季平均水汽输送通量和轨迹的分析》 ( 高原气象第 25 卷第 5 期 2006 年 10 月 ) 。马京津《应用 HYSPLIT 模式分析华北夏季水汽输送路径》 2007 年第二届干旱气候变化与可持续发展国际学术研讨会会议论文马京津《华北地区气候变化及对夏季水汽输送的影响》 2007 年中国气象学会年会会议论文马京津、张英娟《应用 HYSPLIT 模式分析华北夏季水汽输送路径》 2007 年第十四届全国大气环境学术会议会议论文马京津、于波、高晓清、李洁《大尺度环流变化对华北地区夏季水汽输送的影响》（高原气象第 27 卷第 3 期 2008 年 6 月）该研究首先利用 NCAR NCEP 1948--2003 年间的再分析格点月平均资料，用区域平均的方法计算了华北地区夏季（ 6--8 月）气柱各层的平均水汽通量图 1 ：华北地区夏季大气水平通量随高度的分布计算表明气柱整层水汽通量中有 84% 在 500 hPa 以下，即气柱中水汽通量主要集中在对流层中低层。各层中以 850 hPa 层的水汽通量值最大，其次为 700 hPa 。然后计算了华北地区 1948--2004 年间，各年夏季（ 6--8 月）的区域平均气柱垂直积分的水汽输送通量及其变化曲线：图 2: 气柱垂直积分的水汽输送通量数据显示： 40 年代末到 60 年代初，华北地区 6—8 月。水汽输送通量呈上升态势， 60 年代初达到最高。此后总的趋势是下降。 2000 年代初为最低值。这个时期内，华北地区表现出明显的干旱化态势。进而用 HYSPLIT_4 模式，计算了在水汽输送量最高的 850pha 层上，每个十年华北地区 6—8 月的水汽输送轨迹。图 3 ：华北地区 850hpa 平均水汽输送轨迹观察各年度的水汽输送轨迹，可以发现在降水集中的 6-8 月，水汽主要来自南方，自 70 年代起，输送轨迹越来越短。下图比较最湿润与最干燥时期的水汽轨迹：图 4 ：华北地区 1960 年代与 2000-2003 年夏季逐月 850hPa 层的水汽轨迹可见在湿润年份，水汽主要由东亚夏季风从带来南方带来，水汽团的起点往往在南方沿海，水汽通量大。而在干燥年份，水汽更多靠西北风从临近内陆带来，输送轨迹明显缩短，且大多在华北地区内部，意味着降水越来越依赖临域内的蒸发。这暗示我们，越是干旱的地区，降水越依赖本地蒸发。研究者还选出偏湿的 1963 、 1964 、 1971 、 1973 、 1976 、 1995 、 1996 年和偏干的 1952 、 1968 、 1983 、 1997 、 1999 、 2002 年。绘出干、湿年份的夏季水汽输送轨迹：图 5 ：华北地区典型偏湿、偏干年夏季水汽输送轨迹比较所有的水汽输送轨迹，在偏湿年份均起自琼州海峡，而在偏干年份全程均在华北地区内部。这是否意味着在偏干年分，华北地区的降水几乎全部依赖本地水汽蒸发？ 2 、 2013 年第 30 届中国气象学会年会上，王涛（南京信息工程大学）、徐丽娜（国家气候中心）、刘笑（平顶山市气象局）联名提交会议论文《郑州大气降水氧同位素变化及水汽来源分析》王涛、徐丽娜、刘笑用 HYSPLIT_4 模式计算了郑州的水汽来源。关于实测数据的时间区间，文中只提到“ GNIP 郑州站点数据记录时间为1985 年至1992 年。 ”他们计算的结果如图：图 6 ：郑州站点不同季节空气后向轨迹示意图（图中百分比为该方向轨迹气团来源所占总数的百分比）由图可看出，郑州的水汽团春气有 53% 来自河南省内，夏季有 18% 来自河南省内，秋季有 40% 来自河南、河北、山西交界处，唯冬季最近的气团来源稍远，估计在河北、山西、内蒙交界处，占到本季降水气团的 45% 。由此，从全年看，近区陆面蒸发占郑州降水总量的比重，在 18%--53% 之间，由于东亚季风区降水量主要集中在夏季，估计全年这个比重在 30% 左右。由上述两项研究可看出，迁飞轨迹分析及其混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式 (HYSPLIT) ，可用于研究降水气团中本地蒸发与外来运移水汽的比例。 HYSPLIT-4 模式是目前比较成熟且得到广泛运用的工具，但还很少用于这方面的研究。上述两项研究也都不是针对这个方向。但其结果却提示了用于这个方向上的可能性。 3 、稳定同位素示踪上个世纪 50-60 年代，西方学者注意到降水中稳定同位素（ stable isotope in precipitation ，简写为 SIP ）的组成依赖于地表温度、降雨量、经度和纬度等因子。水的分子式是 H 2 O ，其中的 H 有稳定同位素 D （氘）， O 有稳定同位素 18 O 。于是天然水中存在 HD 16 O 和 H2 18 O 。由于海洋占全球总水量的 97% 且观测的 D 和 18 O 的丰度变化很小，海水中同位素的含量被用作标准，以衡量样本水的同位素丰度（ δ D 或 δ 18 O ）： δ=（γ 样本 -γ 标准）/γ 标准 ×1000 其中 γ为同位素比率(D/ 1 H 或 18 O/ 16 O)。在水循环中伴随着许多次相变，相变过程中，不同的同位素发生分馏，称为瑞利（ Rayleigh ）分馏。这导致同位素丰度 δ 的变化。这为跟踪水汽的行迹提供了指示。 Craig 、大范围测定了世界各地的河水、湖水、雨水和雪水，发现了 δ D 和 δ 18 O 间存在线性关系： δ D=8 δ 18 O+10 。这被称为全球大气降水线 (global meteoric water line ， GMWL) 。事实上，因气象条件和降水过程的差异，各站点的降水线 (Local MWL) 都偏离 GMWL ，可表示为： δ D=a δ 18 O+b 降水同位素丰度的变化主要取决于温度、降水量及距离水汽源的水平和垂直距离，另外还受陆地水汽循环、雨滴的大小、和大气环流等的影响。图 7 中浅蓝部分示意标准海水的平衡蒸发过程。在瑞利分馏过程中，重的同位素蒸发慢，故水汽中，其含量下降。黑色部分示意水汽的运移和冷凝过程。冷凝过程中，重同位素先析出，故降水中的 δ 上升，经多次降水，水汽中的 δ 会越来越低。图 7 ：降水与瑞利分馏的示意图。（取自陈中笑等《中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素》大气科学学报第 33 卷第 6 期 2010 年 12 月）影响样本中同位素丰度的因素有蒸发地的温度、降水量、等 3.1 温度效应温度是控制影响同位素分馏的关键因素。蒸发温度低时，首先蒸发的是轻同位素，温度越高，重同位素蒸发越多。因此逻辑上，重同位素丰度与地表温度正相关。 Dansgaard 利用北大西洋的观测数据，最先报告了温度效应： δ 18 O= 0.695t-13.6 Yurtsever 利用GNIP站点资料分析得到： δ 18 O= （0.512±0.014）t-（14.96±0.21）而中国测算的结果表明，在中国温度效应比两者都弱： δ 18 O= 0.23t-11.85 仅乌鲁木齐和齐齐哈尔有明显的温度效应，天津较弱，处于季风区的香港、南京和昆明都没有温度效应。图8：中国的温度效应（实线为中国、虚线为GNIP的分析结果) （取自陈中笑等《中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素》大气科学学报第 33 卷第 6 期 2010 年 12 月） 3.2 大陆效应水汽在长途运移中，经多次降水，较重的同位素析出，使残留水汽中的同位素丰度下降。很多论文都提供了不同地点的大气降水线图，图中标出了降水同位素丰度的样本点，笔者据此逐一估计其均值如下：地点 δ 18 O 均值 D 均值成都春 -2.3 -13 南京春 -4 -20 香港 -5 -30 张掖 10-3月 -5 -30 祁连山七一冰川夏 -6 -25 西安春 -5 -35 陕西省子洲县岔巴沟 -7 -45 西安夏 -7 -45 南京秋 -7.5 -45 沱沱河 -7 -50 南京冬 -8 -45 南京 -8.5 -50 德令哈 -9 -50 成都夏 -8.5 -55 昆明 -8 -60 兰州 -8 -60 南京夏 -9.5 -65 聂拉木 -10 -80 张掖 -12 -80 乌鲁木齐 -13 -90 卧龙 -13 -90 拉萨 -14 -100 张掖 4-9月 -17 -120 希夏邦马 -18 -130 观察到的总趋势是：越是远离海岸的地点，同位素丰度越低。这就是大陆效应，即水汽中的δ 18 O 和δ D 值在沿着气团输送路径上不断的贫化。由于δ 18 O 和δ D 值在气团运行轨道上的不断降低，因此，“大陆效应”的原理也被很多学者用于确定水汽来源的路径等问题的相关研究。当然也有一些例外，如张掖 10-3月、祁连山七一冰川（夏），远离海岸，但同位素丰度较低。这说明影响同位素丰度的因素比较复杂。下图是香港、南京、昆明、乌鲁木齐的大气降水线：图 9 ：四个地点的大气降水线（取自陈中笑等《中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素》大气科学学报第 33 卷第 6 期 2010 年 12 月）观察这四幅图，可注意到：首先，绝大多数样本的稳定同位素丰度都明显低于标准海水的丰度，只有沿海的香港，少数样本的丰度接近标准海水，这说明瑞利分馏过程导致水汽中同位素丰度下降。其次，离海岸越远，同位素丰度越低。由图中估计， δ D 的均值分别约为：香港 -30 、南京 -50 、昆明 -60 、乌鲁木齐 -90 ； δ 18 O 的均值分别约为：香港 -5 、南京 -7 、昆明 -8 、乌鲁木齐 -13 。 3.3 过量氘与降水的水汽来源水在蒸发过程中的动力分馏作用使氢和氧稳定同位素的平衡分馏被破坏，在降水中 δ D 和 δ 18 O 之间的关系中出现一个差值， 1964 年、 Dansgaard 把它定义为过量氘： d= δ D -8 δ 18 O 以表示局地降水中氘的丰度线偏离世界降水线的程度。 d 值实际上是一个大气降水的重要的综合环境指标。大多学者认为，降水中 d 的值主要取决于形成降水的水汽来源地的相对湿度。由低维度海面蒸发而来的水汽，其形成的降水中的 d 较低，随着水汽来源地的大气相对湿度的降低，降水中的 d 值会升高。但是由于水循环过程的差异，全球降水中的大气水线和 d 在时间和空间上都存在着较大幅度的变化。 d 的变化也可以反过来研究形成降水的水汽源地气候条件的变化。因此，在地区水资源研究中一般不应借用全球大气降水线。确定地区性降水线成为区域同位素水资源研究的一项重要关键和先决条件。 d 取决于水汽蒸发源地的状况，如空气相对湿度、海表面温度、盐度及风速等，且同一水汽团在输送、冷凝过程中 d 会保持不变。因此， d 常常被用来研究追踪水汽源地。由于水汽源地的不同、降水形成过程等的变化造成不同地区 d 在时空分布上有较大的变化。 3.4 一些研究结果张应华、仵彦卿：“ 根据氘盈余值估算，黑河流域全年取样期间降水中局地水循环所占比例至少达31.06%。 ”（张应华、仵彦卿《黑河流域大气降水水汽来源分析》干旱区地理第 31 卷第 3 期 2008 年 5 月）徐彦伟、康世昌、张玉兰、张拥军：“ 根据地表水体蒸发水汽对当地大气水汽贡献率的估算理论,基于相关水体(降水、河水、大气水汽和湖水)中稳定同位素数据,初步估算出近年夏季纳木错湖水蒸发水汽对当地大气水汽的贡献率平均约为28.4%～31.1%. ” （徐彦伟、康世昌、张玉兰、张拥军《夏季纳木错湖水蒸发对当地大气水汽贡献的方法探讨 : 基于水体稳定同位素的估算》《科学通报》 2011 年 13 期）从笔者查到的几十篇相关文献看，同位素丰度是水循环研究中主要手段之一，理论上它有可能用于研究本地蒸发对降水的贡献率。国际原子能机构 (IAEA) 和世界气象组织 (WMO) 于 1961 年成立了全球降水同位素检测网 (GNIP) ，到 2010 年已有 53 个国家的 183 个观测站点，我国于 1983 年开始加入该计划。并陆续建立了约 30 个站点。估计已经有相当丰富的观测数据可供研究用。但在中国的实际研究中，这样的结果甚少。 4 、讨论就笔者思考与查文献所见，以上三个思路均可用于研究当地蒸发对降水的贡献率。但对具体区域的研究结果甚少。从查到的少数研究结果看，对本地蒸发水汽占降水的比例，“绝对加权法水汽返回率”很可能低估了它，而“绝对优先法水汽返回率”很可能高估了它。真实的比例有极大的可能在这二者之间的某个位置上。这个问题是“东水西调”、“南水北调”的基础理论问题之一，对中华民族的持续生存发展而言，极为重要。对这个问题，打口水仗了无意义，更不能依先入为主的倾向选择“研究”结论，教科书或权威的判断亦不足为凭。唯一应做的，是靠证据与逻辑得出客观的事实判断。希望有数据、有条件的朋友深入研究它。; 个人分类: 转载专家观点|1447 次阅读|0 个评论

降水的水汽来源再思考: 热度 4 王中宇 2014-7-21 10:07; 降水的水汽来源再思考 1 、纯数学的思路 ... 1 2 、迁飞轨迹分析 (Trajectoryanalysis) 2 3 、稳定同位素示踪 ... 7 3.1 温度效应 ... 9 3.2 大陆效应 ... 9 3.3 过量氘与降水的水汽来源 ... 12 3.4 一些研究结果 ... 13 4 、讨论 ... 13 贴出《对降水的水汽来源的讨论》一文后，引发了讨论，尤其是张学文老师与檀成龙先生的意见很中肯。看来本地水汽占降水的比例应在“绝对加权法水汽返回率”和“绝对优先法水汽返回率”之间的某个位置上。然而这个位置在哪里？证据何在？仍需思考。 1 、纯数学的思路无论“绝对加权法水汽返回率”还是“绝对优先法水汽返回率”，都是基于水汽流入量、本地蒸发量两个数据，假设它们各自对降水的影响而估算出来的。从数学上看，这个问题本质上是寻找水汽流入量、本地蒸发量与降水量的关系。换而言之，是用前两者解释后者。从解释力的视角看，用多年均值不可能得出有说服力的解释，若用实测的时间序列（向量），则有可能给出某种程度的解释，并评估其解释能力。经济学中的生产函数理论就是这样做的。由于降水在年内有季节性波动，故所用时间序列起码应是季度值，若用年度值，则年内明显的波动被平均掉了，其解释力肯定受限。在现有数据条件下，最好用月度数据，它能更有地效反映三者间的关系。分析时首先应做出水汽流入量 - 降水量散点图和本地蒸发量 - 降水量散点图，观察降水量与两者间的关系，找出比较符合实际的函数表达式。基于此，寻找由水汽流入量、本地蒸发量计算降水量的公式，其中必有几个待定系数。然后根据气象学或“会计学”，确定一些必须满足的约束条件，它们可以表现为等式，也可以表现为不等式。以保证由公式计算出的降水量或某些中间变量数据不至荒谬。于是整个问题成为“约束条件下的极值问题” ---- 需找一个由水汽流入量序列、本地蒸发量序列估算降水量序列的算法，调整其中的待定系数，使估算出的降水量序列与实测降水量序列的误差极小。注意，由于决定降水量的因素不止水汽流入量、本地蒸发量两个，逻辑上比较合理的选择是估计这两个因素能决定的降水量上限，由实际降水量与所估计上限之差，寻找影响降水量的其它因素。我在《中国困境的政治经济学透视》第二遍第六章中（见 http://pan.baidu.com/s/1sj13OYx ），就用这个思路分析了资本、劳力与产出的关系，比主流经济学中的生产函数理论更确切地解释了其间的关系，揭示出导致产出波动的，不仅是生产力领域的因素，还有生产关系乃至社会关系领域的因素。公式的具体形态需反复调整方可获得，调整的依据有二：其一气象学的基本原理，其二拟合误差。一旦找到其解释能力可接受的公式，即可基于它分析水汽流入量、本地蒸发量对降水的贡献了。笔者不是气象学者，找不到相关实测数据序列。若有哪位网友，手中有相关的数据，不妨一试。或许能得出有说服力的结论。 2 、迁飞轨迹分析 (Trajectory analysis) 轨迹分析是气象学上计算空气质点在高空中的运行路径的方法，通过分析流线和风速来确定空气质点运行的方向和速度，从而可以用特定的计算公式算出在某段时间内迹线的长度。混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式 (HYSPLIT ： Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated TrajectoryModel) ，由美国国家海洋与大气局（ NOAA ）空气资源实验室 ARL （ Air Resources Laboratory ）所开发。它在平流和扩散计算上采用了拉格朗日方法的框架，而其浓度计算则采用欧拉方法在每个固定网格点上进行计算。现在通用的版本是 HYSPLIT_4 ，其方案参数设置灵活，运用这种灵活的设置可以执行多种多样的模拟计算。模式具有向前计算和向后回算的能力，可以分别分析气团的去向和来向。模式可以使用大尺度再分析资料，也可以应用短期数值天气预报模式的输出气象场来计算气流轨迹。通过追踪某地某一天的气团来向，可以分析得出该日该地大气中水汽的主要来源方向。从查到的学术论文看，这一方法虽为气象学界创造，但在中国的运用多用于病虫害传播分析，涉及到的包括小麦条锈病菌、麦蚜、稻飞虱、麦红吸浆虫、三代粘虫、褐飞虱等等。另一个集中的运用方向是大气污染，涉及到的有 SO 2 浓度、大气污染物水平输送场、沙尘源地、污染日的气象影响因子、 PM10 、 PM2.5 、日本核泄漏、喜马拉雅山雪冰主要离子、沙尘气溶胶、温室气体本底、雪冰中微粒等等。国家气象中心基于 HYSPLIT_4 ，建立了区域大气中有毒气体泄漏污染扩散应急响应气象保障数值预报系统。据国家气象中心《区域大气环境应急响应数值预报系统》一文宣布，该系统“ 可在接到事故发生信息后15 min内完成产品制作。该系统具有快速应急响应的功能，可成为针对国内区域性尺度、不同危险化学品释放物类型的应急模拟预报工具。从而为各级政府决策部门进行有毒气体泄漏的人员疏散、撤离方向，避难方位等提供有关科学指导。 ” 在气象学里，多见的研究涉及一次性的天气现象，如：《南京一次持续性浓雾天气过程的边界层特征及水汽来源分析》、《一次台风远距离暴雨水汽条件及其模拟》、《 2011 年春末夏初长江中下游地区旱涝急转成因初探》等。涉及到水汽本地蒸发与远距离迁移的研究，只查到两项： 1 、中国科学院寒区旱区环境与工程研究所硕士研究生马京津，于 2006 年提交硕士学位论文《中国华北地区水汽输送及与气候的相关分析》，指导教师：高晓清。基于这篇论文的第三章“应用 HYSPLIT 模式分析华北地区水汽输送路径”，以马京津领衔，发表了数篇论文：马京津、高晓清《华北地区夏季平均水汽输送通量和轨迹的分析》 ( 高原气象第 25 卷第 5 期 2006 年 10 月 ) 。马京津《应用 HYSPLIT 模式分析华北夏季水汽输送路径》 2007 年第二届干旱气候变化与可持续发展国际学术研讨会会议论文马京津《华北地区气候变化及对夏季水汽输送的影响》 2007 年中国气象学会年会会议论文马京津、张英娟《应用 HYSPLIT 模式分析华北夏季水汽输送路径》 2007 年第十四届全国大气环境学术会议会议论文马京津、于波、高晓清、李洁《大尺度环流变化对华北地区夏季水汽输送的影响》（高原气象第 27 卷第 3 期 2008 年 6 月）该研究首先利用 NCAR NCEP 1948--2003 年间的再分析格点月平均资料，用区域平均的方法计算了华北地区夏季（ 6--8 月）气柱各层的平均水汽通量图 1 ：华北地区夏季大气水平通量随高度的分布计算表明气柱整层水汽通量中有 84% 在 500 hPa 以下，即气柱中水汽通量主要集中在对流层中低层。各层中以 850 hPa 层的水汽通量值最大，其次为 700 hPa 。然后计算了华北地区 1948--2004 年间，各年夏季（ 6--8 月）的区域平均气柱垂直积分的水汽输送通量及其变化曲线：图 2: 气柱垂直积分的水汽输送通量数据显示： 40 年代末到 60 年代初，华北地区 6—8 月。水汽输送通量呈上升态势， 60 年代初达到最高。此后总的趋势是下降。 2000 年代初为最低值。这个时期内，华北地区表现出明显的干旱化态势。进而用 HYSPLIT_4 模式，计算了在水汽输送量最高的 850pha 层上，每个十年华北地区 6—8 月的水汽输送轨迹。图 3 ：华北地区 850hpa 平均水汽输送轨迹观察各年度的水汽输送轨迹，可以发现在降水集中的 6-8 月，水汽主要来自南方，自 70 年代起，输送轨迹越来越短。下图比较最湿润与最干燥时期的水汽轨迹：图 4 ：华北地区 1960 年代与 2000-2003 年夏季逐月 850hPa 层的水汽轨迹可见在湿润年份，水汽主要由东亚夏季风从带来南方带来，水汽团的起点往往在南方沿海，水汽通量大。而在干燥年份，水汽更多靠西北风从临近内陆带来，输送轨迹明显缩短，且大多在华北地区内部，意味着降水越来越依赖临域内的蒸发。这暗示我们，越是干旱的地区，降水越依赖本地蒸发。研究者还选出偏湿的 1963 、 1964 、 1971 、 1973 、 1976 、 1995 、 1996 年和偏干的 1952 、 1968 、 1983 、 1997 、 1999 、 2002 年。绘出干、湿年份的夏季水汽输送轨迹：图 5 ：华北地区典型偏湿、偏干年夏季水汽输送轨迹比较所有的水汽输送轨迹，在偏湿年份均起自琼州海峡，而在偏干年份全程均在华北地区内部。这是否意味着在偏干年分，华北地区的降水几乎全部依赖本地水汽蒸发？ 2 、 2013 年第 30 届中国气象学会年会上，王涛（南京信息工程大学）、徐丽娜（国家气候中心）、刘笑（平顶山市气象局）联名提交会议论文《郑州大气降水氧同位素变化及水汽来源分析》王涛、徐丽娜、刘笑用 HYSPLIT_4 模式计算了郑州的水汽来源。关于实测数据的时间区间，文中只提到“ GNIP 郑州站点数据记录时间为1985 年至1992 年。 ”他们计算的结果如图：图 6 ：郑州站点不同季节空气后向轨迹示意图（图中百分比为该方向轨迹气团来源所占总数的百分比）由图可看出，郑州的水汽团春气有 53% 来自河南省内，夏季有 18% 来自河南省内，秋季有 40% 来自河南、河北、山西交界处，唯冬季最近的气团来源稍远，估计在河北、山西、内蒙交界处，占到本季降水气团的 45% 。由此，从全年看，近区陆面蒸发占郑州降水总量的比重，在 18%--53% 之间，由于东亚季风区降水量主要集中在夏季，估计全年这个比重在 30% 左右。由上述两项研究可看出，迁飞轨迹分析及其混合单粒子拉格朗日综合轨迹模式 (HYSPLIT) ，可用于研究降水气团中本地蒸发与外来运移水汽的比例。 HYSPLIT-4 模式是目前比较成熟且得到广泛运用的工具，但还很少用于这方面的研究。上述两项研究也都不是针对这个方向。但其结果却提示了用于这个方向上的可能性。 3 、稳定同位素示踪上个世纪 50-60 年代，西方学者注意到降水中稳定同位素（ stable isotope in precipitation ，简写为 SIP ）的组成依赖于地表温度、降雨量、经度和纬度等因子。水的分子式是 H 2 O ，其中的 H 有稳定同位素 D （氘）， O 有稳定同位素 18 O 。于是天然水中存在 HD 16 O 和 H2 18 O 。由于海洋占全球总水量的 97% 且观测的 D 和 18 O 的丰度变化很小，海水中同位素的含量被用作标准，以衡量样本水的同位素丰度（ δ D 或 δ 18 O ）： δ=（γ 样本 -γ 标准）/γ 标准 ×1000 其中 γ为同位素比率(D/ 1 H 或 18 O/ 16 O)。在水循环中伴随着许多次相变，相变过程中，不同的同位素发生分馏，称为瑞利（ Rayleigh ）分馏。这导致同位素丰度 δ 的变化。这为跟踪水汽的行迹提供了指示。 Craig 、大范围测定了世界各地的河水、湖水、雨水和雪水，发现了 δ D 和 δ 18 O 间存在线性关系： δ D=8 δ 18 O+10 。这被称为全球大气降水线 (global meteoric water line ， GMWL) 。事实上，因气象条件和降水过程的差异，各站点的降水线 (Local MWL) 都偏离 GMWL ，可表示为： δ D=a δ 18 O+b 降水同位素丰度的变化主要取决于温度、降水量及距离水汽源的水平和垂直距离，另外还受陆地水汽循环、雨滴的大小、和大气环流等的影响。图 7 中浅蓝部分示意标准海水的平衡蒸发过程。在瑞利分馏过程中，重的同位素蒸发慢，故水汽中，其含量下降。黑色部分示意水汽的运移和冷凝过程。冷凝过程中，重同位素先析出，故降水中的 δ 上升，经多次降水，水汽中的 δ 会越来越低。图 7 ：降水与瑞利分馏的示意图。（取自陈中笑等《中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素》大气科学学报第 33 卷第 6 期 2010 年 12 月）影响样本中同位素丰度的因素有蒸发地的温度、降水量、等 3.1 温度效应温度是控制影响同位素分馏的关键因素。蒸发温度低时，首先蒸发的是轻同位素，温度越高，重同位素蒸发越多。因此逻辑上，重同位素丰度与地表温度正相关。 Dansgaard 利用北大西洋的观测数据，最先报告了温度效应： δ 18 O= 0.695t-13.6 Yurtsever 利用GNIP站点资料分析得到： δ 18 O= （0.512±0.014）t-（14.96±0.21）而中国测算的结果表明，在中国温度效应比两者都弱： δ 18 O= 0.23t-11.85 仅乌鲁木齐和齐齐哈尔有明显的温度效应，天津较弱，处于季风区的香港、南京和昆明都没有温度效应。图8：中国的温度效应（实线为中国、虚线为GNIP的分析结果) （取自陈中笑等《中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素》大气科学学报第 33 卷第 6 期 2010 年 12 月） 3.2 大陆效应水汽在长途运移中，经多次降水，较重的同位素析出，使残留水汽中的同位素丰度下降。很多论文都提供了不同地点的大气降水线图，图中标出了降水同位素丰度的样本点，笔者据此逐一估计其均值如下：地点 δ 18 O 均值 D 均值成都春 -2.3 -13 南京春 -4 -20 香港 -5 -30 张掖 10-3月 -5 -30 祁连山七一冰川夏 -6 -25 西安春 -5 -35 陕西省子洲县岔巴沟 -7 -45 西安夏 -7 -45 南京秋 -7.5 -45 沱沱河 -7 -50 南京冬 -8 -45 南京 -8.5 -50 德令哈 -9 -50 成都夏 -8.5 -55 昆明 -8 -60 兰州 -8 -60 南京夏 -9.5 -65 聂拉木 -10 -80 张掖 -12 -80 乌鲁木齐 -13 -90 卧龙 -13 -90 拉萨 -14 -100 张掖 4-9月 -17 -120 希夏邦马 -18 -130 观察到的总趋势是：越是远离海岸的地点，同位素丰度越低。这就是大陆效应，即水汽中的δ 18 O 和δ D 值在沿着气团输送路径上不断的贫化。由于δ 18 O 和δ D 值在气团运行轨道上的不断降低，因此，“大陆效应”的原理也被很多学者用于确定水汽来源的路径等问题的相关研究。当然也有一些例外，如张掖 10-3月、祁连山七一冰川（夏），远离海岸，但同位素丰度较低。这说明影响同位素丰度的因素比较复杂。下图是香港、南京、昆明、乌鲁木齐的大气降水线：图 9 ：四个地点的大气降水线（取自陈中笑等《中国降水稳定同位素的分布特点及其影响因素》大气科学学报第 33 卷第 6 期 2010 年 12 月）观察这四幅图，可注意到：首先，绝大多数样本的稳定同位素丰度都明显低于标准海水的丰度，只有沿海的香港，少数样本的丰度接近标准海水，这说明瑞利分馏过程导致水汽中同位素丰度下降。其次，离海岸越远，同位素丰度越低。由图中估计， δ D 的均值分别约为：香港 -30 、南京 -50 、昆明 -60 、乌鲁木齐 -90 ； δ 18 O 的均值分别约为：香港 -5 、南京 -7 、昆明 -8 、乌鲁木齐 -13 。 3.3 过量氘与降水的水汽来源水在蒸发过程中的动力分馏作用使氢和氧稳定同位素的平衡分馏被破坏，在降水中 δ D 和 δ 18 O 之间的关系中出现一个差值， 1964 年、 Dansgaard 把它定义为过量氘： d= δ D -8 δ 18 O 以表示局地降水中氘的丰度线偏离世界降水线的程度。 d 值实际上是一个大气降水的重要的综合环境指标。大多学者认为，降水中 d 的值主要取决于形成降水的水汽来源地的相对湿度。由低维度海面蒸发而来的水汽，其形成的降水中的 d 较低，随着水汽来源地的大气相对湿度的降低，降水中的 d 值会升高。但是由于水循环过程的差异，全球降水中的大气水线和 d 在时间和空间上都存在着较大幅度的变化。 d 的变化也可以反过来研究形成降水的水汽源地气候条件的变化。因此，在地区水资源研究中一般不应借用全球大气降水线。确定地区性降水线成为区域同位素水资源研究的一项重要关键和先决条件。 d 取决于水汽蒸发源地的状况，如空气相对湿度、海表面温度、盐度及风速等，且同一水汽团在输送、冷凝过程中 d 会保持不变。因此， d 常常被用来研究追踪水汽源地。由于水汽源地的不同、降水形成过程等的变化造成不同地区 d 在时空分布上有较大的变化。 3.4 一些研究结果张应华、仵彦卿：“ 根据氘盈余值估算，黑河流域全年取样期间降水中局地水循环所占比例至少达31.06%。 ”（张应华、仵彦卿《黑河流域大气降水水汽来源分析》干旱区地理第 31 卷第 3 期 2008 年 5 月）徐彦伟、康世昌、张玉兰、张拥军：“ 根据地表水体蒸发水汽对当地大气水汽贡献率的估算理论,基于相关水体(降水、河水、大气水汽和湖水)中稳定同位素数据,初步估算出近年夏季纳木错湖水蒸发水汽对当地大气水汽的贡献率平均约为28.4%～31.1%. ” （徐彦伟、康世昌、张玉兰、张拥军《夏季纳木错湖水蒸发对当地大气水汽贡献的方法探讨 : 基于水体稳定同位素的估算》《科学通报》 2011 年 13 期）从笔者查到的几十篇相关文献看，同位素丰度是水循环研究中主要手段之一，理论上它有可能用于研究本地蒸发对降水的贡献率。国际原子能机构 (IAEA) 和世界气象组织 (WMO) 于 1961 年成立了全球降水同位素检测网 (GNIP) ，到 2010 年已有 53 个国家的 183 个观测站点，我国于 1983 年开始加入该计划。并陆续建立了约 30 个站点。估计已经有相当丰富的观测数据可供研究用。但在中国的实际研究中，这样的结果甚少。 4 、讨论就笔者思考与查文献所见，以上三个思路均可用于研究当地蒸发对降水的贡献率。但对具体区域的研究结果甚少。从查到的少数研究结果看，对本地蒸发水汽占降水的比例，“绝对加权法水汽返回率”很可能低估了它，而“绝对优先法水汽返回率”很可能高估了它。真实的比例有极大的可能在这二者之间的某个位置上。这个问题是“东水西调”、“南水北调”的基础理论问题之一，对中华民族的持续生存发展而言，极为重要。对这个问题，打口水仗了无意义，更不能依先入为主的倾向选择“研究”结论，教科书或权威的判断亦不足为凭。唯一应做的，是靠证据与逻辑得出客观的事实判断。希望有数据、有条件的朋友深入研究它。; 个人分类: 资源环境观察|11441 次阅读|8 个评论

★★★ 在新疆变成降水的比率本地水汽是外来水汽的15倍: 热度 8 zhgatcl 2014-7-12 16:20; （注：本博文原标题为《低层水汽与高层水汽所处环境的差别很大，变成降水的比例相同吗？》，2017年8月15日修改了标题、博文、预印本论文及其网址，自我感觉，修改后的论文说服力强很多很多。）在新疆变成降水的比率本地水汽是外来水汽的15倍各位老师：一般来说，大气对流层由地表至高空，气温逐步下降， 5000 米高空的气温比地表要低 5 0 ×0. 65= 3 3 ℃ 。高空的风速比地表大得多，中国地表平均风速 2.24 m /s ， 500hpa 高空的平均风速 14.13m /s ，它是地表风速的 6.3 倍。所以说，低层水汽与高层水汽所处环境的海拔高程、气温和风速都不同，所处环境的差别很大，那么高低层水汽变成降水的比例相同吗？本地水汽来自本地的地表蒸发和植物蒸腾，起始高度与地表高度相同，水汽的平均海拔较低，属于低层水汽；而外来水汽来自于其它地方的地表蒸发和植物蒸腾，经过长途奔波、较长时间的水平输送和垂直输送来到某个区域的边界上空时，其平均海拔较高，属于高层水汽。如果低层水汽与高层水汽变成降水的比例不同，那么本地水汽与外来水汽变成降水的比例相同吗？到目前为止，大气科学没有低层水汽比高层水汽容易在当地变成降水的概念，更没有本地水汽比外来水汽容易在本地变成降水的概念，对低层水汽与高层水汽的巨大差别、对本地水汽与外来水汽的巨大差别，认识不足，研究不多，要不要加强这方面的研究？爱因斯坦指出：“提出一个问题往往比解决一个问题更为重要”，以上问题的提出和解决，或许能推动水循环理论的发展和实际问题的解决。为了探索以上问题，我写了一篇预印本论文，下面是主标题、副标题、内容摘要和主题词，欢迎质疑，请提宝贵意见。有兴趣审查全文的，请带着以上问题审查稿件，请到“国家科技图书文献中心”下载，网址是 http://www.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFileid=2c928282510e4d73015de18a567b13d8 (2017年8月15日) http://www.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFileid=2c928282476d060b0147e9899816009c （2014年8月18日）在新疆变成降水的比率本地水汽是外来水汽的15倍 ——十五论特大规模调水能彻底改变西北干旱少雨的恶劣气候内容摘要：本地水汽的平均海拔较低，外来水汽的平均海拔较高。客观事实证明低海拔的本地水汽比高海拔的外来水汽容易在本地变成降水，其机理解释是本地水汽向上运动趋近外来水汽平均海拔的过程中，较大数量的本地水汽将冷凝析出变成降水。本地水汽和外来水汽对研究区域降水贡献比较合理的估算方法是本地水汽部分优先再加权平均，该估算方法的研究结果表明：本地水汽对新疆降水的贡献率为 56.5% ，外来水汽对新疆降水的贡献率为 43.5% ；新疆本地水汽的变雨比率（即变成降水的比率）为 68.2% ，外来水汽的变雨比率仅 4.54% ，前者是后者的 15 倍 ( 即 1 吨本地水汽变成的降水量相当于 15 吨外来水汽变成的降水量 ) 。新疆年本地水汽总量 ( 即年蒸发总量 ) 与年降水总量高度正相关、互为因果，两者之间存在正反馈良性循环的放大作用，跨流域调水打破动态平衡以后，年本地水汽总量和年降水总量将大幅增加成倍增加。超深盆地本地水汽的三大功能作用是跨流域调水大幅增加成倍增加超深盆地降水量的思维起点。向西北超深盆地特大规模调水沙漠全部变成绿洲以后，本地水汽的数量和占比成倍增加，本地水汽和外来水汽变成的降水量都会成倍增加。主题词：本地水汽外来水汽变雨比率降水贡献率调水西北干旱气候在上一篇博客中,我讲到预印本论文（即稿件《四两拨千斤，西北内流区巨型超深盆地群有极大的“调水倍增效益”》）的数学模型有两大基石，其一是超深盆地四周的巨型山脉对本地水汽和外来水汽的不同影响，详见《超深盆地对本地水汽和外来水汽的影响截然相反》；其二是低层水汽与高层水汽所处环境不同，变成降水的比例也不同。第一大基石比较直观，气象专家张学文老师还发表了博客文章《盆地水汽（空气）的封闭程度表》，对“约束作用”进行了定量研究；第二大基石详见这篇预印本论文，为了详细论证，这篇稿件的篇幅较长，请耐心审查、请带着本文开篇的 3 个问题审查，期待您审稿以后的客观评价。; 个人分类: 调水增雨论文|2403 次阅读|51 个评论

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标签: 外来水汽

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