喜读水分循环的大气过程

--发展水文气象科学(1998.11)

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张学文

(新疆气象科学研究所,830002)

 

科学出版社于1997年出版了刘国纬教授的专著《水分循环的大气过程》[1] ,这不仅是刘国纬教授的一项重要成果,也是我国地球科学界的一件喜事。这本专著把我们的注意力引向了一个重要而又长期被忽视的领域。它在唤起我们应当发展水文气象学。

指出了一个重要问题

刘国纬教授指出了“水文循环是地球上最重要的物质循环之一”,说“水分循环使我们的星球生气勃勃”。而“大气中的水气成为全球水文循环中最活跃的分量”。他的这些看法唤起了气象学者和水文学者对“水分循环的大气过程”这个问题的注意力。

气象学者知道大气中的水分问题的重要性,很多气象人员为做好降水预告也确实费尽心机。但是理论气象学认为大气主要的成分是常温下没有相态变化的空气。而水气仅占空气总量的千分之三。搞清楚大气的运动规律,首先是搞清楚空气的运动规律(而这已经很费力了)。水汽是空气的被动的携带者,它仅能放在第二位。而降水预告问题之难几乎使很多气象学者知难而退。

水文学者当然是研究水的。但是地球上大部分水体在地面,空中的水分问题又没有地表水那么具体,何况它又属于气象学。

以上这些传统的认识使我们长期没有把“水分循环的大气过程”当成重要问题去对待。反映在科学研究上的后果是,云(降水)有了云(降水)物理学、用雷达观测云雨有雷达气象学,而用卫星研究水汽和云等等还有卫星气象学,但是就是没有一门学科专门研究大气水分基本运动规律。《水分循环的大气过程》一书首次把问题集中到这个重要领域,填补了一个领域的空白。我们需要有看准新学术方向的科学家,刘国纬教授的这本专著也就确定了他在这个新领域的学科带头人的地位。

20世纪的历史证明中国人在学习西方科学知识方面成绩是突出的。我们作为好学生跟着老师干的是很不错的。但是我们不能总是当学生。21世纪的中国科学界应当有更多的新领域的创立人。

搭起了一个理论框架

创立一个学科,首先要创立一个框架。它应当有明确的研究领域、通用性很强的为数不多的几个基本概念(最好还是定量的)和对应的几个基本定律。还要有一定的观测手段和大量的观测数据、经验方程以及一定的论证和应用。

《水分循环的大气过程》一书把大气中的水分作为研究对象,有为研究空中水分的明确概念(如含量、输送量等),有相应的物理规律(如水分收支平衡--物质不灭)。它在大量的气象探空观测数据的基础上作分析,还用地面降水径流蒸发的平衡作印证。

刘国纬教授从全球的高度讨论了大气中的水分循环的总问题,随后介绍了如何从物理和气象学上定量计量大气中气体状态的水分的多少、传输的数量和汇集量、讨论了这些水分特征量在不同季节不同地域的分布。在全球气象探空观测的丰富数据的基础上,通过合理地物理计算为我们描绘了水汽在空中的运动实况。揭示并综合了大量的客观事实。水汽在大气中运动和汇集的一个重要结果就是它形成了降水。而降水又联系着地球表面的水分平衡。这些也在书中做了适当的讨论。

对这些内容的安排让我们看到了这是一个有物理依据有逻辑关系和有丰富内容的知识体系。它让我们感到这里不是一堆知识的简单罗列。而是已经初步形成了一个框架。

发展空中水文学水文气象学

笔者在气象领域工作多年,深感水分问题对国计民生太重要了。但是大学气象和水文教育却没有对应的课程。大气水分问题在学生思想中也没有一个总体概念。这种局面是应当改变的。我也曾想过已经有了地表水文学和地下水文学,为什么没有个空中水文学。我的这个想法仅停留在科研申请书和笔记本中。《水分循环的大气过程》的出版使我振奋,这为创立空中水文学迈出了实际的步伐。

也有一个观点说水文气象学就是空气中的水文学。用水文气象学这个词也可能驾轻就熟。空中水文学也好水文气象学也好。《水分循环的大气过程》显然是这个领域的重要组成部分。应当通过气象和水文学者的合作和努力,创建这门学科。应当在大学里让水文气象专业的学生对水分在空中的运动规律有个总体认识。

根据我们的体会在空中水文学中,也应当包括以下的领域。

关于降水的一般规律:每年汛期大降水的状况始终是我国的大事。降水有没有一般地规律性?过去理论家的目光总是盯着动力学规律,80年代以来我们发现物理学中的分布函数概念和最大熵原理可以用于降水研究。在这个认识下发现了例如一次降水过程的降水量在面积上的分布符合负指数分布等大约有10多个降水现象大都符合负指数分布[2,3,4,5] 。这个工作使我认识到从统计力学角度不仅可以帮助发现一批降水现象还能从理论上说明它们。观测证实这些关于降水的规律有很大的普遍性。这一组知识摆脱了对降水的纯经验的统计描述,构成了一个知识体系。我们把它称为降水统计力学。把这些知识汇入空中水文学是恰当的。关于水汽在介质中的运动规律:水气仅占大气总量的千分之三,过去把它看成被动地随空气而运动(保守性)。它在形成降水前有没有相对于空气的运动?文献[6,7] 从统计物理学的热扩散理论和水汽严重不遵守静力平衡等方面论述了这种相对于空气的运动是存在的。这些看法为认识空中的水气运动提供了新的物理模型。在空中水文学里这是新提出的重要问题。其他例如蒸发的规律性问题、卫星云图上看到的云所输送的水气量问题等等,有的是难啃的骨头、有的是无人涉足的新领域,但是它们也应当归入空中水文学这个大框架中。

 

《水分循环的大气过程》一书的出版提高了人们对大气中的水分的运动规律的研究热情,唤起了人们对这个理论空白的关切,它也为弥补这个空白做了大量的工作,而且搭起了一个初步的框架。我们向刘国纬教授的努力表示敬意和谢意。中国学者应当抓住机会再努一把力,让我们也为人类创立一门科学新知识--空中水文学(水文气象学)。

参考文献

 

[1] 刘国纬,水文循环的大气过程,科学出版社,1997,北京

[2] 寥树生,降水统计力学分析之一,新疆气象,1981年,4期

[3] 张学文,降水统计力学分析之三,新疆气象,1981年,12期

[4] 张学文等,从熵原理得出的雨量时程方程 ,大气科学,19卷,5期,17-25,

[5] 马力,降水统计力学,1993年硕士毕业论文

[6] 张学文,大气中水气的热扩散效应,高原气象,13卷,1期,94-101,1994

[7] 张学文,水汽相对运动方程,新疆气象,19卷,5期,7-12,1996

注:本文写于1998年初,首先在个人网上公布于1998年11月13日。刊于新疆气象杂志1999年,22卷,1期,55-56页