大气水文学

自序

 张学文

2002.07.15公布于 http://potentialscience.org 

20060911公布于本网站

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《大气水文学(初探)》是本人在因特网上慢慢书写的一个文稿。本文稿强调:应当把地球上的水科学在大气方面的知识系统化为一个独立的新学科。建议把这个新学科称为大气水文学。

《大气水文学(初探)》是搭建这个学科的一种努力。它也是我向大自然、实践、书本、老师、同事、朋友学习和自我思考的笔记。

应当建立大气水文学是我的漫长的岁月中逐步形成的认识,现在把激起这种认识的几个环节交代一下。

 

1.  降水预告最难做

1957年我到新疆气象台实习气象预告。当时,作为一个刚毕业的学生,我尽量利用理论和经验知识做好气象预告,但是实践使我认识到做温度预告比较容易,而降水预告最难做。为了积累降水的规律性,我把新疆地区每天的降水量专门填到一张地图底图上。这种分析每个天气过程的降水量的工作在新疆气象台一直延续到今天。

“降水预告重要、实用又难做”是气象业务工作中留给我深刻又持久印象。水分究竟是如何在大气中运动和变化的,这是我始终无法解脱的难题。鉴于这个的困难性和重要性,专门设立一个学科研究它的应当的。

2.  空中有多少水?

60年代新疆气象台积聚了一批年轻人,在陈汉耀工程师的带领下,学习和探索气氛很浓。60年代初针对认识和业务需要,提出了计算新疆上空的水分有多少的问题。1960年为此我设计了新疆特殊地形下的大气水分的计算方案,由梁永芳、毛爱娣、郦佩铭同志利用1959年的每天的探空天气电报资料完成了具体的新疆上空的水汽含量和当年的水汽输送量的计算工作。该计算得出每年流经新疆上空的水分是1.1万亿吨、新疆大气平均持有150亿吨的气态水都是重要的气候资源量。

这些计算数据后来在新疆的水分循环和水分平衡中起到了重要作用。1988年我在《新疆气象》上发表“新疆的空中水”也是依据1959年的探空资料。

1960年的计算留了一个疑问?云里的含水量并没有进入计算中。多年来我收据收集了一些有关数据,知道与水汽比云里的含水量很小。1970年新疆气象台出现了卫星云图,有的预告员就根据云图上的云的运动,议论大气水分的运动。而我总是不能接受这个认识(云运动携带的水分很小,不是主要的),在天气讨论中也难免争论一番。有些从事人工降水的同志也强调云中的水分,这也与我的认识相悖。

2000年我用一些资料具体估算了全球的云中的含水量仅为气体水分的0.7% ,它说明计算空中水分时云的含水量可以忽略。我写成短文被某气象刊物拒绝。就把它登在我办的个人网页上,2002年初在《水科学进展》杂志刊出。

1962年,我注意到大降水时的大气热力状态总是接近所谓湿绝热状态(T-lnp图上探空曲线与湿绝热过程曲线重合),而湿绝热状态的大气的含水量是可以从理论上计算或者从热力学图解上计算的(不需要探空记录)。这表明湿绝热状态的气柱含水量仅是地面温度的单值函数。于是我提出了湿绝热大气的含水量概念。写成“湿绝热大气的含水量概念和降水因子的分解分析”手稿。文化大革命后期该手稿失而复得。大约是1973年,华东水利学院副教授詹道江来新疆介绍美国关于最大可能降水的研究。我把该文的油印本赠他。得到了高度评价。他用牛顿与来布尼兹同时发现微积分比拟我和外国人分别提出了湿绝热含水量概念(他发现我用图表计算的数值表与他从美国得到的数值表是一样的),使我这个一般预告员激动又感激。

90年代我请杨舵帮助把湿绝热大气的含水量与地面温度的关系从我得到的表格形式改为经验公式。我们最后得到的公式是:含水量W=9.8*expt/11.43)。这里t1000毫巴处的摄氏温度。2000年我把这个结果公布在我的网页中。

20026月我猜想空气柱的含水量应当与地面水汽压力有简单关系,于是把收集的300多对(组)数据(属于多年月平均值)点到直角坐标图上。发现这300多个点几乎都集中在一条直线上,我得到了与直线对应的公式是含水量W=1.7e 这里e是地面水汽压力(毫巴)。

关于水汽的这些知识很重要,但经典气象学中它们没有地位。这也是提出大气水文学的一个缘由。

3. 水分循环和水分平衡

60年代初,社会关注农业问题。在新疆有人提出用人工融化高山冰雪增加灌溉以发展农业的论点并且由政府出面推行。当时陈汉耀工程师就经常与我讨论究竟新疆的河水是依靠高山冰雪融化还是依靠自然降水。确实,作为气象工作者对这些问题是敏感的。

这个问题经常缠于脑际,我就把它归结为新疆的水分循环与水分平衡问题。我在想,知道了每年新疆有多少水分流过、有多少水分降落、蒸发,有多少冰川融水和多少河水、地下水利用物理学的质量守恒定律分析它们的转化,这个问题就可以回答了。为此,我在收集河流学、水文地质学、冰川学的书本知识和新疆实际探测资料。

经过这些知识与资料积累,1961年陈汉耀工程师让我用一个月写一篇论文。我奋斗30天,近3万字的“新疆的水分循环和水分平衡”一文就是我完成的作业。它回答了新疆特有的几种水体(空中水、降水、河水、地下水、冰川、永久积雪、蒸发等)的数量、规律与它们之间的互相转化关系。它指出干旱新疆的山区的降水量并不少,它足以支持每年从山中流出来的河水。我们推翻了新疆水源来自冰川的观点!这个结果让我十分激动。60年代初关于新疆的总降水量、河水流量、冰川数量、地下水情况的数据也仅仅是汇集到各个业务部门的各个技术人员手中,而我,一个毕业仅4年的学生,居然把不同专业的核心数据科学地汇到一起得到一个新疆水分循环图,我为自己做了一件重要工作而高兴。后来为宣传这个成果,批判河水来自冰川的论点,我们做过不懈的努力。这些在我的个人网页中另有介绍。

从社会、生态、环境和农业等角度看,一个地域的水分循环与水分平衡是非常重要的自然条件(背景)。从气象学的角度看这个问题不是核心问题。提出大气水文学也是提升水分循环和水分平衡问题的地位的一种需要。

4.降水统计力学

1953年我考入北京大学物理系,但进校就分到了气象专业。物理系的四大力学,我仅学了点理论力学,对统计力学我崇拜而无缘。

与统计力学关系密切的熵概念和熵原理非常重要,但是大学时期我对它们的具体认识模糊。1968年我自学了前苏联学者写的《概率与信息》一书。它使我在新的语境下对熵概念和原理有所了解。70年代结合气象问题,我写成《气象预告问题的信息分析》一书(科学出版社,1981)。信息熵、热力学熵、统计力学在我头脑中的融合以及它们与气象问题的融合从此开始。

1980年廖树生同志在一个手稿上使用了统计力学原理去论证降水量的概率分布应当服从负指数分布。我非常看重这个思路。帮助他把文章发表在《新疆气象》上。廖的工作为我理解统计力学中的一些根本原理提供了实例。也成为我迈入统计力学的门槛,它推进了我的气象知识、熵的知识和统计力学知识的交汇。受此鼓舞,当年我也在这个方向写了两篇文章并且把这三篇文章统一称为“降水统计力学分析”。

这个事例也使我感到把统计力学(核心是巧妙利用分布函数概念和熵原理)用于气象领域大有作为。1983年秋在新疆气象学会的支持下,我们在乌鲁木齐组织了全国性的“统计力学在气象上的应用潜力讨论会”(后来在九江、郑州、兰州开过类似的会)。

“暴雨的时面深的理论”(降水统计力学分析之三)是我写的一篇重要文章。它把水文部门十分关心的一场暴雨的维持时间、占的地域大小、雨量深度从全新的统计力学角度做了研究并且得到了对应的理论公式。文章不仅用初步资料证实了理论成果的正确性,它在理论方面的另外一个重要贡献是巧妙地使用了统计力学中广泛使用的分布函数概念(见后)。

廖和我的成功使我们申请了一个研究课题,名称就是降水统计力学研究1984年我写成“降水统计力学”(油印本,约4万字,后来马力做研究生时也写了同名的硕士论文)。在本领域的研究先后有好几位同志参与,涉及暴雨时面深公式的应用、暴雨出现的概率分布、极值分布等很多方面,写就的论文多篇。1999年我写“降水统计力学研究的进展(上、下)是对此的初步小结。

把统计力学思路引入于暴雨研究是我们这些年的重要成果。这些经典气象学中根本没有地位但是又符合实际的知识需要有安身之处。提出大气水文学当然要归纳这些新知识。

5.分布函数概念的应用

 “暴雨的时面深的理论”一文不仅为统计力学(最大熵原理)在气象学中的应用起着重要作用,它巧妙利用分布函数概念也为更多的问题归入这个研究体系做出了重要贡献。我把麦克斯威在统计力学中描述分子运动的语言(具有不同运动速率的分子各有多少)泛化为 “具有不同特点的个体各有多少”,而对这个问题的回答就是一个分布函数。这一类问题在90年代初我称为“熵气象学”(见1992年气象出版社《熵气象学》一书)中已经归纳了30多种分布函数。研究工作的深入使我感到应当重视分布函数概念。这些观点反映在我提出的组成论理论(见http://entropy.com.cn )中(对分布函数、熵概念和熵原理研究的总结)。

我们把分布函数具体用于水分研究的个例估计已经有20多个。早年我一直对水分循环系数(内部降水量与外部降水量的比例)概念持保留态度。原因是这个系数与研究的区域大小有关。有了分布函数以后我感到自己终于为描述这个事物找到了合适的工具。我认识到妥善的提法是问来自不同距离以外的水分在总降水量各占多大的比例。于是寻找水分循环中外来水分的比例就应当是寻找一个函数而不是一个参数。分布函数概念帮助我理清了水分循环研究中的问题的提法。准确地提出问题经常是寻找正确答案的起点,而我们也经常看到某些问题在提出时就不妥当,结果是议论多年不了了之。

我注意到云物理学中研究的各种云滴、雨滴、冰雹的谱(函数)实际都是分布函数的特例。我们又引入了很多关于水分问题的分布函数。所有这些都与经典的动力气象学格格不入,但是又都自有事实和理论。为这些新思路、新概念和新归纳的事实找个理论栖息地是应当的,大气水文学就是它们的家。

6.水汽在大气中的热扩散效应

也许是因为我对统计力学的热情,1986年我买了一本500多页的公式比文字还多的《非均匀气体的数学理论》。要我这个没有听过统计物理学课程的人看懂这本书是困难的,拿起来看两眼再放回的过程不知道重复了多少次。

尽管如此,书中关于混合气体中存在热扩散现象的理论还是让我学有所得。这个理论是说如果有两种不同的气体混合在一起,而且存在温度差,那么这种热力学差异会引发两种气体的分布的不均匀----热的分布不均匀引发了物质分布的不均匀(扩散)。

我早就知道水分在大气中的铅直分布严重违反静力学关系(空气就很符合!)。理论气象对此事实一字不提。如何解释这个自然现象一直困扰着我。结合大气在铅直方向存在明显的温度差,我意识到用热扩散理论来说明水分的特殊的铅直分布可能最合适。

90年代初我就此写成有数据和理论公式的论文。还好,《高原气象》杂志把它刊出了。随后我又进一步写成“水汽相对运动方程”一文。北京、南京、兰州的气象杂志都拒绝发表(枪毙文章不需要告诉作者理由),我只好把它在《新疆气象》上刊出。

统计物理学中的热扩散理论不仅给水汽的特殊的铅直分布做了理论说明,也指出水汽向低气压(如台风、气旋)的方向做相对运动。这些都是气象学家过去从来没有认识到的物理过程。它可以解释很多气象学现象,但是也否定了过去水分总是跟着空气被动地运动(未饱和前)的简单模型。我认为这是对经典气象学的重要突破。

承认混合气体的数学理论可以用于大气与其中的水汽,那么水汽在大气中的水平运动就不仅是过去气象学计算的比湿乘风速了。气象学过去关于水分运动的图象可能因此而修改。

我珍爱这些新知识,《大气水文学(初探)》当然要请它们入座。

7.水滴凝结模型

上学时我没有学过云滴增长的知识。工作以后自学中我总是对现在的云滴增长模型不能接受。这个模型认为云滴是一个水汽压力的穴(低中心),所以外界的、比较大的水汽压力才使水分向云滴集中。我想,如果云滴由于凝结而增长,凝结就要释放潜热并且使云滴的温度上升。而温度的上升又改变了云滴附近的水汽压力场,结果云滴不再是水汽压力的低中心。于是云滴的增长立刻就停止了。我认为这个的理论模型不是一个自发维持的过程而是一个立刻终止凝结的模型。靠着一个想象的水汽压力场使水汽向云滴运动,又使热量向云滴外流动是一个自相矛盾的理论模型。

我认为把不能自圆其说的理论放到不恰当的地位就妨碍了我们寻找客观真理的努力。大气水文学应当承认云滴增长问题很重要,并且鼓励大家去解决这个重要问题。

8.水分在地球能量平衡中的地位

粗略地讲,地球固体质量的0.1%是液体(海水)、液体质量的0.1%是气体(空气)、空气质量的0.1%是水汽、水汽质量的0.1%是云雾。大气水分在地球总质量上占的比例真是微不足道。

但是地球在吸收、反射、散射太阳光(能)和变换太阳能的过程(长波辐射、蒸发、降水量)中水分扮演了非常重要的作用。站在大气水分的角度分析地球的能量平衡固然不全面,但是这加深了我们对水分问题的重要性的认识。

以上几点推进了“大气水文学”概念的形成。

 

早在197911月我曾经在个人业务笔记本上用了“空中水文学”一词。从1987年以来在完成了我主持的两个国家自然科学基金项目后,于1994年我既以“大气水文学初探”为题向国家自然科学基金申请资助。1998 年在 “喜读《水文循环的大气过程》一文(1999年新疆气象第155-56页)中,我公开提出创立空中水文学(大气水文学)问题。2000年在我办的个人网页(http://kahn.xj.cninfo.net/zhangxw/index.htm )中就立了一个栏目:大气水文学,并且写了一些有关的短文。

确实,创立“大气水文学”(即空中水文学)是我多年难以实现的奢望,愿这次的努力会有个结局。

张学文   

2002711于乌鲁木齐

20060911注: 《大气水文学初探》  一文2004年发表在水科学进展杂志5期(15卷)679-682页