大气水文科学的初探讨*

张学文,杨青,杨莲梅

中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所,新疆 乌鲁木齐,830002

(发表在水科学进展杂志2004年15卷5期679-682页)

 

摘要:大气水分的知识联关系着暴雨预告、旱涝防治、保护和改善生态和环境等许多方面。这些知识目前分散在气象学的各个分支中而没有统一的理论框架。从地球的“水科学”角度看,它也缺少“大气水”分支。建立大气水分的科学分支将填补这个空白。及时正确地提出这个问题有助于推进一新学科的形成,这对天气预告、人工影响天气、河川利用与管理、陆地水文学等都有重要意义。于是我们提出了建立“大气水文学”的目标。

关键词:大气水分,大气水文学,新学科

 

科学不是零乱知识的堆积,它的每门“学科”都用某种理论框架把很多知识组织为一个系统。这些理论框架搭起了科学的大厦、形成整体优势,从而得到关注和发展。如果一些知识还没有理论框架去整合它们,它们在科学园地就没有地位,也形成不了理论思维的力量。

当零散知识积累到一定程度,而社会生产实践又有对应的需要的时候,就应当及时地提出创立新的科学学科的任务。在大气科学中已经积累了丰富的大气水分的零散知识。把它们组织到一个适当的框架中去就是一种历史要求。对此知识体系已经初步提出了一个称谓--大气水文学*

1.水资源研究和旱涝防治需要大气水分知识

水资源和水循环问题是全球面临的重要问题,已引起科学家和许多国家政府的极大关注[1],在国际地圈生物圈计划(IGBP)的影响下,展开了多方位的水文循环科学问题研究[2-5],取得了明显的进步。据中国气象报[6]资料,90年代我国每年的气象灾害的损失在6003000亿元的水平。在气象灾害中主要是暴雨、干旱灾害。从学术角度看,它们均联系着大气水分的活动状况和我们对这些知识的运用。关于大气水分知识的长进必然促进防治旱涝灾害能力的提高。

对于下午就出现的暴雨,气象台在上午还没有能力预告出来的事例过去存在,今后还会有。我们应当承认,尽管气象台已经用包括卫星、雷达、电脑等最先进的技术工具武装到了牙齿,但是对于大气水分的活动规律的理论认识的欠缺是不能用日益膨胀的原始气象数据的数量或者电脑的速度换代来填补的。“没有理论的实践是盲目的实践”。气象学已经提供了关于大气(主要是氮和氧)运动的基本规律,但是我们对大气水分的规律的认识还十分不够,而且与社会生产实践的需要相差的还非常远。

针对旱涝防治的需要,政府可以成立防洪或者抗旱指挥部,气象部门为了研究暴雨可以成立暴雨研究所,但是我们需要追问更深一层的为什么,要了解、掌握暴雨的规律就得了解和掌握大气水分的运动变化规律。因此,我们还应当成立大气水分研究所,还应当建立一门专门研究大气水分的学科。

2.地球的水科学的空白区

150年前门德列夫从化学元素周期表的空白位置,成功地预言了新化学元素的存在。

如果为“地球的水科学”也排一个表或者框图(图1),很容易看到类似的学科空白的存在:已经有了关于地面(含海洋)和地下的水科学学科,但是我们还没有关于大气中的水分的科学学科。

图1地球的水科学框图 Fig. 1 Frame of earth’s water science

从图1框图看,显然应当存在一门大气水文学。

中国百科全书水文科学条目说“水文科学是地球科学的组成部分,…。它主要包括海洋水文学学和陆地水文学。海洋水文学以海洋中的水为研究对象,陆地水文学以陆地上的水为研究对象,大气中的水虽然也是水文科学的研究对象,不过,有关这方面的知识还没有形成完全独立的学科(施成熙、华士乾、陈道弘、刘国纬)”。难道这不是施成熙等专家在呼吁建立“大气水文科学”的研究分支吗?!

刘国纬教授[7]指出 “水分循环是地球上最重要的物质循环之一。它紧密联系着地球水圈、大气圈、岩石圈和生物圈,实现全球水量、能量和地球化学物质的迁移与转换,支配着全球的生命,为人类提供不断再生的淡水资源。水文循环使我们的星球生机勃勃”,大气中的水气成为全球水文循环中最活跃的分量。这些看法在唤起气象学者和水文学者对水文循环的大气过程的注意。确实,我们不能把大气水文知识埋没在强大的大气动力学身影后面。我们需要把大气水分知识组织起来形成独立的知识系统。

有人认为已经有了“水文气象学”这个词汇,何必提出大气水文学?确实,水文气象学是早就存在的词汇。前苏联一直把水文与气象业务都划归水文气象局管理,中国气象学会也成立了水文气象专业委员会,百科全书上有水文气象学条目。

但是目前人们对水文气象学的理解侧重气象学与陆地水文学的交叉,或者气象学在水文方面的应用。气象学(尽管在国际上是有庞大的研究计划)现在没有建立一个有理论地位的大气水分学科,而水文学领域历来以陆地水文学为主,它对大气水分知识又鞭长莫及。目前,气象学专业和水文学专业的大学生关于大气水分的知识很零碎、不系统,而这些知识对于他们毕业以后的业务应用十分重要。水文气象学这个词汇固然在我们身边回荡了多年,但是我们好像没有领会这里有一个理论空白关于大气的水文学的空白。

我们没有责怪水文气象学这个词汇不好,也没有主张必须用大气水文学这个词,但是应当承认水科学目前确实缺少大气科学的分支(理论空白),这个分支可以称为大气水文学、大气水科学也可以仍然称为水文气象学。

3.丰富的素材需要组织

气象学目前分为很多学科,几乎每个学科都有一些大气水分知识。地面气象观测提供了降水量、蒸发量、云、大气湿度的知识,高空气象学提供关于大气各层的湿度和水分的输送的知识。雷达气象学提供关于暴雨的短时知识。卫星气象学也提供关于云(水汽)的知识,而天气学和气候学则从不同角度分析和研究这些大气水分观测数据。我们发展了云物理学、降水物理学、还进行了广泛的人工影响云雾的试验。这都说明我们已经就此做了多方位的努力,也确实形成了丰富的资料和知识。应当感谢气象学提供了丰富的原始素材。

但砖瓦不是大厦。我们现在应当利用这些素材,创立对应的理论框架(新模型、新概念、新视角、新规律)。

4.形成理论体系的基本要求

我们认为形成一个科学知识体系应当具有下面七个特征:

1)有较统一的研究对象、领域;
2)有适用于该领域的通用性比较强又比较精确的概念;
3)有研究这些对象的若干仪器、手段和方法;
4)发现了较丰富的客观事实、现象;
5)通过归纳、分析与推理得到了若干符合实际、又不互相矛盾的理论模型(规律);
6)有若干应用技术、事例、一些预言和一些还没有解决的问题;
7)在社会上得到了一定程度的传播(有一定规模的研究者、传授者、刊物、机构等)。

对于大气水文学,其研究的对象包括了看不见的水汽也包括了各种的云、降水。这些研究对象在世界各地的大气中都存在,它有普遍性。

概念(思维工具)建设是大气水文学的重要任务。大气水文学有自己的基本概念,卷云、冰雹等等这些老概念就是大气水文学的通用概念。而降水量、蒸发量、水分循环是比较学术化的概念。随着大气水文学的建立,应当进一步寻找通用性强的基本概念。

大气水文学已经有了很多观测手段,古老的如雨量筒,新的如用GPS测大气含水量等都是。对于第4项,应当承认我们已经发现了很多客观事实和现象。但是肯定还存在很多重要的事实和现象等待我们去揭露。

5项涉及大气水文学的客观规律(符合客观事实的理论模型)。这既包括已经知道的规律也要努力发现新的规律。关于第6项,我们显然已经有了很多应用技术(如暴雨预告技术)和大量的没有解决的问题。对于最后一项,显然在这个学科新立之时,它还没有形成一个学术共同体,也没有专门刊物、学术组织,这一切要逐步形成。

从这个分析看,大气水文学可以独立出来自立门户。只要认识到位又努力工作,估计10年就可以形成基本知识框架。

5.大气水文学的定义

关于大气中的水分的知识体系就是大气水文学,具体地讲研究地球大气中水分的存在、运动、变化、作用和应用技术的科学称为大气水文学(由于“技术”还没有脱离“科学”而独立,这里把对应的技术问题暂归入科学的名下)。

存在:大气中的水分是如何存在的。如它形成的各种云(特殊形态的固体和液体)、水汽的地理分布、铅直分布等。

运动:大气水分(气体、液体、固体)随大气的运动和相对于大气的运动等。

变化:大气水分的状态变化(气体、液体、固体)、它从大气中的析出(降水)与从外界的补入(蒸发)、水分循环、水分参与的电学或者化学过程等。
作用:上述水分的存在、运动、变化对大气(能量、辐射、天气系统)、地面(含冰川、河流等)和生态的影响。
利用:人类预告、影响、改造各地的水分的存在、运动、变化和作用(含人工影响雾、冰雹,降水)的知识和技术。

6.基本框架

下面的内容都应当在大气水文学的基本框架内:

(1)“水”的基本物理化学知识(有相变、潜热大、各种参数计算等);
(2)大气中水分的存在形态与观测方法(气态水、水粒子体系--云、雨、雪花、冰雹, 它们的含水量、观测方法地面、雷达、气象卫星、观测网特点, 形态的水分在空间上的分布);
(3)大气水分的含量、输送量、辐合量的计算与精度;
(4)降水与蒸发的规律性(地理分布、一般规律、降水的时面深规律、降水预告、气候规律、统计规律);
(5)湿空气的热力学、温度露点差方程、水分铅直分布背离静力学关系问题、水分与空气的相对运动方程、雷电与云雨;
(6)水分循环的参数与函数、大气水分循环方程组、地气体系的水分循环,
大气水分对辐射过程的影响、大气水分对地气体系的能量平衡、生态平衡和环境的作用;
(7)降水资源、水汽资源、云水资源;
(8)疑难的大气水分变化过程;
(9)人工预告、影响大气水分(分布、变化
)的技术、途径、作用和意义。

7.结束语

大气水分有很多特殊性又严重地影响着人类的很多活动。我们也有了很多关于大气水分的零散知识,但是这些知识没有整合为一个理论体系(系统化)。在“地球的水科学”的知识体系中地下水、地表水的知识已经形成了专门学科,惟独地面以上的水(大气水)的知识没有系统化为一个完整的科学。我们认为这是一个理论空白。建议就此问题组织一些讨论,希望自然科学基金会的项目指南中列出这个研究方向。国家应当为有这方面兴趣,条件又比较成熟的研究人员提供必要的支持。使他们立项开题,并且能有突破。尽快编写出一册供水文、气象专业学生用的大气水文学教材,它应当是整合大气水分知识的最低要求。应当不失时机的组织更多的力量,开展研究,甚至成立对应的研究所。争取在我国首先建立大气水文学。

 

参考文献(References):

[1] Liu Chang mingHe Xiwu. The Stratagem of the 21st Chinese Water Problem [M]. Beijing: Science Press, 1996.[]

[2] Qian Zhengying, Zhang Guangdou. Strategic Studies of Water Resource for Sustainable Development in China [M]. Beijing: Chinese Water Resource and Hydropower Press, 2001.[钱正英, 张光斗. 中国可持续发展水资源战略研究(综合报告及各专题报告) [M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2001.]

[3] Chen J Q, Xia Jun. Facing the challenge: barriers to sustainable water resource development in China [J]. Hydrological Science Journal, 1999, 44(4): 507-516.

[4] Xia Jun. The progress and prospective of hydrological science [J]. Science Foundation in China, 2000, 14(5): 293-297. [夏军. 水文学科发展与思考[J]. 中国科学基金, 2000,14(15):293-297.]

[5] Xia Jun, Sun Xuetao, Tan Ge. The progress and prospect of water cycle study in western China [J]. Advance in earth sciences, 2003,18(1): 58-67.[中国西部流域水循环研究进展与展望[J]. 地球科学进展, 2003, 18(1): 58-67.]

[6] Meteorological News, 2002-03-21(2) [中国气象报,2002-03-21(2)]

[7] Liu GuoweiAtmospheric Process in Hydrological Cycle[M]. Beijing: Science Press, 1997.4. [刘国纬,水文循环的大气过程[M],北京,科学出版社,19974]

* http://kahn.xj.cninfo.net/zhangxw/index.htm (大气水文学栏目)

 

Discussion about atmospheric hydyology

Zhang Xue-wenYang QingYang Lian-mei

Urumqi Institute of Desert MeteorologyCMAUrumqi 830002 China  

Abstract: Knowledge of atmospheric water are related to many aspects such as rainstorm forecast, preventing and managing of droughts and floods, protecting and improving of ecology and environment and so on. Now these knowledge are scattered in every branch of meteorology, and there is not theory framework. From the viewpoint of earth water science, branch of atmosphere water is short of. It is necessary that establishing the branch of atmospheric water fill the theory gap. Bring up the question on time could prompt forming of a new subject, it is important to weather forecast, intentional weather modification, remaking river, land hydrology and so forth.

Key words: atmospheric water; atmospheric hydrology; new subject