云的含水量及其水循环

Water content of cloud and its circulation

张学文

Zhang Xuewen

(新疆气象科学研究所,830002,乌鲁木齐)
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2002年刊于《水科学进展》(南京)13卷第1期83-86页

摘要:计算与分析表明1.全球的云中含水量约为900×108t,与大气中气体状态的水汽比,不足其1%,在计算大气总含水量时可以忽略它。2.积雨云含水丰富,但是计算显示它持有的水分也少于3mm 3.由于云的含水量很小,而每年有1000mm的雨从云中降落,所以云中的水分循环很快,从成云到致雨(雪)不足2小时。

关键词:云、含水量、水分循环

作者简介:张学文,1935年生于天津,男,回族,已经退休的研究员,热心于大气中水分运动规律的研究。

英文

论文题目:

 Water content of cloud and its circulation

Zhang Xuewen

Xinjiang Institute of Meteorology, Urmuqi, China, 830002,

key words: cloud, water content , water circulation

1.对大气含水量的两种认识

平均地说,每年从空中有1000 mm 的雨雪降落下来。人们问,空中有多少水分?再者,这些雨雪是才云里降落的,那么云里又有多少水分?过去对此有两种认识:一是仅承认气体状态的水汽(含量),另一是仅考虑云(液态、固态的水含水量)

前者利用各地的气象探空资料通过对各个高度层的比湿的求和(积分)计算,从而得到全球的气体状态的水分的平均值W大约折合为25 mm的水深[1]。这种计认识完全忽略云里的含水量。这是很多大气水分计算(文献)的通常做法。

有了气象卫星云图以后又有另一种认识。它把看不见的水汽忽略不计。仅根据卫星云图上看到的云,论断大气水分的状态和分布。如电视节目让大家看到有云经过西藏进了四川,就顺着说这些云给四川带来了雨水。这就把云看做是天上的大水库了。然而这些外来的云本身能够支持多少雨,气象预告人员并未做定量估算。

上面的两种认识显然都不全面。为了使认识更周全些,下面把不同状态的大气水分的数量做一些对比分析。

2.估算云的含水总量

大气含有的气态的水(水汽)的数量已经计算多次。本文仍引用文献[1]的数据而不再重复讨论,在下面侧重分析云的含水量。

如何估算同一时刻大气的云中含水量?根据飞机和气象卫星观测如果知道了:不同类型的云的平均含水量②不同类型的云的平均厚度③不同类型的云在同一时刻占了地球的相对面积,就可以估算云中含水量。下面就利用表1 列出的数据估算云的含水量。

针对第1列给出的不同类型的云,第2列给出了相应的平均含水量[2]。单位是每1立方米的克数。例如含水量最大的积雨云的平均含水量是0.6g/m3。第3列是该种云覆盖的地球的相对面积(%[3]。利用第3列给出的百分比值乘地球的总面积就得到该种云在地球上占的实际面积。如高云的云量是15%,把它与地球的总面积510百万平方公里相乘就得到第4列中云笼罩的实际面积。第5列是云的平均厚度[45]。把第5列的云的平均厚度与第4列的面积相乘就得到第6列的云的体积,它以百万立方公里为单位。利用第2列的含水量与第6列的云的体积相乘就得到云的含水总量(第7列),其单位是亿吨。把各种云的含水总量相加就得到了大气的云中含有的水分的总数量为903.4亿吨(108t)。

以上就是估算出来的全球大气云中含水量。考虑数据原有的偏差,不妨说全球大气云中的含水量大约是900亿吨。

1. 计算云的含水量的有关数据

1

2

3

4

5

6

7

云的类型

含水量

g/m3

云量%

面积

106 km2

云厚

m

云体积

106 km3

总含水量

108t(亿吨)

高云CiCsCc

0.03

15

76.5

150

11.47

3.4

中云AsAc

0.12

8

40.8

800

32.64

39.2

低云StSc

0.25

10

51.0

500

25.5

63.7

积云Cu

0.4

9

45.9

800

36.72

146.9

积雨云Cb

0.6

4

20.4

4000

81.6

489.6

雨层云Ns

0.3

7

35.7

1500

53.55

160.6

合计

 

 

270.3

 

 

903.4

气态水的厚度25 mm对应的大气总含水量大约是129千亿吨,把它与云中含水量相加得到大气中气态和液态、固态(云)的总含水量大约是13万亿吨。它说明云中含水尽管很直观,但是它的实际数量(900亿吨)比看不见的水汽小的太多。由于(900/129900=0.7%所以云中含有的水分仅占大气总含水量的千分之七

把这些云中水铺到地球上仅有0.2mm厚,与25mm厚的水汽比,在计算大气含水总量时忽略云中水是可以的。

3.云里的水循环

云每年要形成1000 mm的雨雪降落,可它本身含水又非常少,于是我们还关心云里的水分循环。

3.1 把积雨云挤干也形成不小雨

如果把云里的水分全部挤干,它可以形成多少降水量?利用表12列与第5列的数据相乘就得到典型厚度的单位面积的云的总含水量。把它换算为降水量就得到了表2

2 云体本身可能形成的降水量(mm

积云Cu

积雨云Cb

雨层云Ns

0.3 mm

2.4 mm

0.4 mm

 

2中仅列出了容易形成降水的三种云在平均厚度情况下折合(对于挤干)的降水量。数据显示云体本身的含水量所能形成的降水量是很小的。它说明指望外来的云变成雨降落也仅是勉强打湿地皮,而形不成一场小雨。把云看成是水库的观点显然不妥当。

附带指出,目前一些人工降水的理论着眼于提高云转化为雨的效率,以增加降水量。计算说明云并没有占有很多水滴而不让它们降落。这种人工降水理论没有抓住要害。

3.2 云的更新速度比水汽快很多

大气含水量W与全球平均年降水量P的比值(=W/P)的物理意义就是水分蒸发进入大气再形成降水落到地面的平均时间Tv 。如以W=25 mm ,全球平均年降水量P =1000 mm/a 为代入,得到

Tv=W/P =25/1000a=1/40a=9.1d

Tv=9.1d ,表示水分从蒸发进入大气到降落大约是9天(d)。文献[1](在63页)称它为水汽滞留时间,确实,它描述了水分在大气中循环一次的时间长短(速度)。

由于所有降水在降落之前必然先变成云,我们也可以用类似的公式计算出水汽变成云再变成降水所需要的时间Tw。这只要把前面公式中的水汽含水量(25 mm)改为云的含水量(0.2 mm)就可以了,于是有

Tw=0.2mm/1000mma=1.8 h

这说明水汽从形成云到变成雨而降落,平均而言,仅用了1.8小时。即雨(雪)在降落以前仅享受了1.8小时的“云” 的生活。把Tw它称为水分在云里的滞留时间是妥当的。滞留时间短说明循环速度快。云里的水分很少。一年1000 mm降水量又都要经过云变出来,于是云就是雨滴、雪花的快速制造厂。

3.3水汽在空中的生命史

云物理学研究指出雨滴下降的速度大约是6m/s ,雪花下降速度大约是1 m/s ,我们取雨雪的平均下降速度为4m/s ,取它们从形成到降落要经过3 km 的垂直距离,于是得到水分以雨雪形式存在的时间(即雨雪在空中的滞留时间)为13分钟。

综合前面的分析和资料,得到表3,它给出了蒸发进入大气的水分以水汽形态滞留9天、以云和雨雪形态分别滞留1.8小时和13分钟。这就是水分在大气中的生命循环循环史。

 

3. 进入大气的水分的生命史

状态

气体状态

云滴、冰晶状态

雨滴或雪花状态

线性尺度

0.1 nm 纳米

0.01mm 毫米

1mm,雪4mm

生命长度

9 d

1.8 h小时

13 min分钟

 

刘国纬教授在文献[1]序言中曾经正确地指出:水汽使水文循环的大气过程成为水文循环全过程中最活跃的过程。现在我们进而认识到云在大气水文循环中的重要地位。

4.结论

l         估算大气中的云含有的水分总量是900亿吨。平铺在地球上折合水深仅0.2毫米。

l         与大气的气体状态的水量12.9万亿吨比“云水”仅占0.7% 。计算大气水分总量时忽略云的含水量造成的误差不足1%,是可以接受的。

l         厚的降水云体中所有的水分都挤干也不足以形成一场小雨。把云理解为空中水库是不妥当的。雨滴在降落前平均仅以云的形态存在1.8小时就离开云变成雨雪而降落。把云理解为降水的快速加工厂更妥当。

l         蒸发到大气中的水汽以水汽形态存在9天、以云形态存在1.8小时、以雨滴或雪花形态存在13分钟,最后降落到地面(海洋)。

l         认识云的这些特点对正确理解大气和云中的水分循环机制有重要意义。

l         把思想寄托在提高云水转化效率的人工降水理论没有抓住问题要害。

 

参考文献

 

[1]刘国纬,水文循环的大气过程,北京,科学出版社,199767

[2]王鹏飞等,微观云物理学,北京,气象出版社,1989163-164

[3]林本达等,动力气候引论,北京,气象出版社,199475-79

[4]陆忠汉等,实用气象手册,上海,上海辞书出版社,198477

[5]特维尔斯戈伊等著,仇永炎译,气象学教程,第一册,上海,商务印书馆出版,1953,189

Abstract:

Calculation and analysis denote that 1.The total water content of globe cloud is nearly 90×109t, compare with the globe vapor it is less than 1%, so when calculate the amount of globe atmospheric water, we can ignore cloud water content. 2. Cumulonimbus is abundant of water, but Calculation denotes its precipitable water less than 3mm. 3. Every year there are 1000mm water precipitated from the cloud, but the precipitable water of cloud is exiguity, so water circulation is very quickly. The duration of a water element from the beginning of cloud to landing as rain, is less than 2 hours.