新疆的水分循环和水分平衡a

张学文  

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(新疆气象局气象科学研究所)

    欢迎引用本文观点、概念、模型、数据,但是得注明出处

(2004年注:这是1962年发表于新疆气象论文集第二集63-81页上的一篇文章。它在认识新疆水资源、水分循环和水分平衡等问题上,给出了重要概念和相当准确是数据,数十年的生产实际证实本文在认识、准确估价新疆水资源方面占有基础地位。这里把它重新刊出,供大家参考。在重新录入时对个别的文字错误做了修正。其他语句、数据等保持原状,录入工作由张质信完成,张学文校对--2003-9-23,2004/3/9补充了图)。

 

提要

新疆是我国西北干旱地区,是内陆流域,又是农业大力发展的地区。研究水的规律性是极为重要的问题。本文根据解放以来气象、水文观测的结果和有关单位对冰川、积雪,水文地质情况等的调查,对新疆的空中水、降水、蒸发,冰川,永久积雪,地表径流,山区及盆地的地下水等几种主要形态的水的数量和特征作了概括。根据水量平衡的根本原则,探讨了新疆各种形态水之间的转化关系。从而得出空中,地表,地下水的循环过程的图解。初步完成了多年平均的新疆水分循环与平衡图。

  根据这些工作得出如下结论:

(1)      新疆的空中水的年通量很大,约为一万亿吨。夏季多,冬季少,流向主要为自西向东。空气相对湿度约为50%,在夏季有相对湿度随高度逆增的反常现象。

(2)           新疆平均降水量为150mm。折合两千四百亿吨。降水极不平均。主要集中于夏季山区。山区年降水量可超过600mm

(3)           降水是新疆河水的根本来源,新疆根本不存在水源干枯问题。

(4)           冰川不是河水的根本补给来源,冰川退缩并不意味着水源干枯,冰川仅是水分循环中的一个环节,在循环过程中起一定的调节作用。

(5)           河流把水从热少水多的山区导向水少热多的山前平原,它是联系水热资源的纽带。北疆农业呈环形分布,南疆呈项链形分布是其证明。

(6)           由于新疆水循环机制复杂,运转慢,步骤多,调节储量大,及零度等温面对冰雪的闸门效应、使得新疆水源比较稳定。这对农业十分有利。

(7)           新疆洪水有三种类型。一为山区暴雨。一为夏季大雪之后的迅速升温促使积雪大量融化。一为山区,山麓季节积雪由于升温而迅速融化。新疆并无暴雨把积雪由山区大量冲刷下来,而形成的洪水过程存在。  

本文对水循环过程中的地区性差别,季节及年际变化等未作深入探讨。这些工作有待进一步开展。

                                       

(一)    新疆各种形式水的总量和基本特征

(1)           空中水(A)空中含水量  B)空中输水量

(2)           大气降水 A)降水量地理分布特征 B)降水量的季节分配特征

(3)           冰川和永久积雪

(4)           地表径流和地下水

(5)           蒸发

(二)       新疆的水分循环和水分平衡

(1)       新疆的水分循环和水分平衡图

(2)       几个问题的讨论:(A)新疆根本不存在水源干枯问题。(B)冰川和永久积雪是水分循环中的一个环节。(C)河流是调协“水热”资源的纽带。

(三)       新疆水循环稳定性问题:

(1)       新疆各种形式水的逐级稳定情况

(2)       为什么新疆“水”比较稳定?(A)降水  B)河水较稳定

(3)       新疆的洪水问题:(A)新疆洪水的特点和危害(B)新疆洪水的成因

   

“水是农业的命脉”。以干旱著称的新疆,研究水的规律尤其显得突出与重要。新疆究竟有多少水?每年从空中输送的水有多少?有多少水降落、有多少冰川,河水?有多少地下水?它们之间的关系是什么?有什么特征?与农牧业有什么关系?从科学上看它属于空中水,地表及地下水的总的水分循环和平衡的特点的研究问题。在分科上它主要涉及了气象学,河流学,冰川学和水文地质学四门科学。所以对这个问题的研究必须依赖于这四个方面所取得的具体成果。

广大群众和干部是十分关心新疆水源问题,过去这方面也流传着不少不十分明确的看法。例如:新疆雨水对农业不起作用、新疆河水是不靠天吃饭的铁饭碗,它保证了农业的生存、新疆的河水靠高山冰川补给,新疆冰川在退缩是否意味着将要水源干枯、新疆无特大水、旱之患等等。这些问题实际上也涉及了水分循环和平衡。它对社会主义和未来共产主义建设的安排都有着一定的影响。所以不论从科学上或经济建设上阐明水的循环与平衡规律是十分重要的。

本文既利用解放以来,气象、水文、冰川、水文地质等方面的考察观测资料和物理学上的质量不灭定律这条基本原则来探讨这个问题。求出初步的多年水分循环关系和平衡图解。

(一)新疆各种形式水的总量和基本特征。

水的存在形式很多,空中的水汽,大气降水(包括雨和雪)地表的冰川,永久积雪,河水,湖泊水,土壤水及地下的地下水,死冰等都是。现针对其中主要的项目分析其总量和基本特征。

1)空中水:大气中的气态水虽含量不多,但因它随空气而流动,因而每年流经新疆的数量是很大的。结合新疆的特有地形我们利用1959年的探空及高空风资料进行了全年各月各地的水分输送强度总量和新疆上空含水量的计算。(具体计算设计见附录)其结果如下:

(A)  空中含水量:空中含水量是指任何时刻空中含有气态水的多少。表(1)是四季代表月份的平均情况。

表(1)四季代表月新疆各地空中含水量表

(克/平方厘米)

 

阿勒泰

伊宁

乌鲁木齐

哈密

库车

和田

春季(四月)

0.97

1.47

1.30

0.77

0.94

1.12

夏季(七月)

2.40

2.90

2.77

2.10

1.97

2.40

秋季(十月)

0.84

1.49

1.24

0.77

0.88

1.18

冬季(一月)

0.29

0.63

0.49

0.37

0.51

0.51

       由表(1)可知全疆空中含水量冬少夏多。春秋居中。冬夏相比约为15。南北疆相差不大。把新疆的含水量与文献(1)中引的全球情况对照,新疆冬夏季空中含水量与同纬度地区相差并不大。即从含水量看新疆并不是特别少。根据相对湿度和地形的分析判断,新疆的含水量比我国东部小。关于新疆的含水量,根据以上资料和新疆的面积,地形情况推算得如下表:

                  表(2)四季代表月新疆空中含水总量表       单位:亿吨 

                   

准葛尔盆地

塔里木盆地

山区

合计

春季(四月)

59

71

9

139

夏季(七月)

130

162

22

314

秋季(十月)

58

71

10

139

冬季(一月)

22

34

5

61

       由表(2)可知夏季新疆上空常含水三百亿吨左右,为河水流量的1/3。可见它是相当大的。冬季与夏季对比等特征与表(1)的结果是一样的,故不多述。

关于水汽随高度的分布过去多认为主要集中于下层。一般绝对湿度,相对湿度,比湿皆随高度而下降。唯新疆地区则夏季有异常情况。主要表现为相对湿度有一个最大层次存在于对流层中部。在这层以下相对湿度是随海拔而增加的这一部分可以叫做“逆湿层”。逆湿层顶的高度多在山脉的平均高度以上1——2公里处。阿尔泰山的逆湿层顶在4km左右。天山在5km左右。昆仑山在7——8km处。图(1)中给出四季各站相对湿度随高度的分布图。夏季这种特征十分清楚,而春秋多为等湿,冬季则一般相对湿度随高度下降。

这种自由大气中的气候情况每年都有,在逐日的层结上则可以有所变化。形成这种特殊分布是与在特有地形下水分输送的特征和夏季高山地区水分的蒸发等有关。这种夏季逆湿层在北美洲的西部科地勒拉山系的东坡也有2。但在西藏高原东侧的成都上空没有这种现象。至于新疆的比湿和绝对湿度在四季仍是随高度下降的。不过比其它地区减小的慢一些。图(2)是乌鲁木齐夏季含水量随高度(气压)的累积百分比曲线。从中可见58%的水分集中与750mb以下(海拔2.5km以下)650mb以下占77%350mb以上仅占全部的1%。有人认为水汽主要集中于下层,根据以上分析新疆水汽分布的范围似乎要更厚一些。(2004年注:图2的横坐标是气压,几个点是850、750、650、550、450、350毫巴)

过去人们谈及新疆干旱时常说新疆居大陆中心,距海遥远。水汽自海洋向大陆输送时中途已经析尽。按此似乎新疆的相对湿度为零了。但根据图(1)及前述分析新疆地区的水汽并不是根本没有,而是相对湿度在50%左右。夏季山区尚有一湿度很大的层次存在。因而仅能说新疆空中的含水距离饱和尚差50%左右。模糊地说新疆地区空中水已析尽是不对的。何况在海洋上空的各层也并不是相对湿度都是100%呢。

(B) 空中输水量:根据1959年探空及测风资料我们计算了全年各月新疆上空的水分输送强度和总量其结果如表(3)、表(4)。

表(31959年各月、季及全年新疆上空水汽输送量表

 

总输送量(单位:亿吨)

总输送方向

向东输送分量(亿吨)

向南输送分量

1

456

456

1

2

406

东东北

378

-144

3

590

东东北

556

-197

4

1390

东东南

1150

729

5

955

944

-140

6

1900

东东南

1670

908

7

1490

1470

243

8

1540

1540

.64

9

727

724

64

10

866

884

65

11

736

东东南

648

345

12

609

东东南

572

209

春季(3-5月)

2810

/

/

夏季(6-8月)

4930

/

/

秋季(9-11月)

2330

/

/

冬季(12-2月)

1470

/

/

全年

11540

/

/

注:表中负值表示自南向北输送

                                               


表(41959年各月水汽输送强度表

单位:为每月每公分剖面上通过的总水量(吨)

 

 

阿勒泰 (向东)

乌鲁木齐(向东)

库车(向东)

和田(向东)

伊宁(向南)

乌鲁木齐(向南)

哈密(向南)

1

189

319

313

346

-76

76

-74

2

184

248

270

270

-238

-122

92

3

354

356

486

270

-232

-184

68

4

1269

1436

659

297

-248

899

421

5

837

743

486

613

-297

36

-354

6

2133

1809

729

632

-513

1480

8

7

2030

1601

999

119

-1097

967

-178

8

2619

2209

1426

-756

-999

848

-524

9

918

756

756

-146

-621

302

-157

10

1377

810

686

-16

-491

138

392

11

502

599

540

205

-49

355

270

12

22

589

486

351

-124

243

203

注:向东输送部分中有-表示向西输送          向南输送部分中有-表示向北输送

由表(3)知新疆全年有一万亿吨左右的空中水经过。输送方向主要是自西向东。23月有些偏东东北,461112月有些偏南,四季中冬季最少为一千四百七十亿吨。夏季最多为四千九百三十亿吨。春秋季各为二千八百亿和二千三百三十亿吨。冬季为夏季的1/3。其结果和沈建柱等用1957年资料计算的我国西北地区的情况相差不大3。表(4)是1959年各月各地每月在单位长度内上空的水分输送量(强度)。由于新疆地居中纬度,大部分时间和地区水分皆自西向东输送。但在夏季南疆已为副热带高压控制,南疆南部的和田在8910月出现了自东向西输送的情况。新疆西部伊犁地区全年皆由南向北,乌鲁木齐除23月外皆由北向南,而东疆哈密在夏季为由南向北,冬季由北向南,这似乎意味着新疆大部分地区为非季风区,唯东疆在夏季可能受到东亚季风的影响。以上输送方向与徐淑英4指出的我国东部的情况是不同的。从输送量看冬季约为100/厘米秒(折算的)夏季为450/厘米秒,与黄河流域的情况差不多。而比郑斯中等用1957年资料计算的长江流域的水分输送量少很多5

以上计算与分析仅是用1959年的资料进行的。1959年新疆降水偏多,因而有关数字可能偏大。但估计对整个问题的基本特征和基本概量不会有大的出入(沈建柱等用1957年计算的情况可以供参考)。

新疆水分循环和水分平衡b