大气科学难(重要)题之一:空中水文学问题(初稿)

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题目:创立空中水文学
 
科学意义:
降水是非常重要的自然现象,地球的生态状况、农业、林业、牧业、水利以至城乡、工业都与它密切相关。首位的自然灾害都与降水有直接或者间接关系。从科学上看,所有降水都来自空中水。过去的气象学已经从多方面研究过大气中的水分:云和水汽的观测、水分的分布和输送量的计算、卫星云图、天气雷达都有大量的关于空中水的科学知识积累。目前遗憾的是这些知识都零散的寄生在气象学的各个部分,而空中水知识本身没有形成独立的知识体系。空中水只占大气总质量2.5‰,在理论气象学中它经常处于被忽略的边缘地位。鉴于它是降水的来源以及降水问的重要性,需要独立研究空中水。
我们已经有了关于地球表面(地下)的水文学(水文地质学),但在气象学的耀眼光芒下却没有关于地球表面以上的独立的空中水文学。目前有暴雨研究所、有水文研究所、水文地质研究所,但是我们没有空中水的单独研究机构。难道这个学科框架的缺陷还不明显吗?
 
问题产生背景:
笔者做过20年的气象预报员,深感降水预报是社会对气象部门的第一需要,也感到目前的气象知识难以报准降水。我相信再过20年对于下午出现的暴雨上午依然预报不出来的情况会依然存在。我深感目前大学的气象课程所提供的空中水分知识应付不了社会对降水预报的需要。
笔者多年来一直关注降水、空中水这个问题,写的文章大约有50篇(见http://xjqxsc.idm.cn/zhangxw%20web/atmo-hydro/空中水的文章目录.htm ),它们涉及水分循环、最大熵原理在空中水汽、降水面积与降水量、降水强度与维持时刻、干旱期的维持等方面的应用,统计物理学中的热扩散现象在水汽与空气的相对运动中的应用等十分广泛的理论环节。正是这些历时40多年的探索使笔者逐步形成了应当建立空中水文学的思想。我们写的“降水统计力学”书稿在1994年办过学习班(水文、气象两部门),该书电子版2006年在  http://xjqxsc.idm.cn/zhangxw%20web/index.htm 公布。
1994年、2002年笔者曾经两次向自然科学基金会提出开展本主题的研究(过去我曾经担任过2个自然科学基金会的面上课题的主持人),虽然这些申请没有批准,但是2004年我们还是发表了“大气水文学初探”一文(在水科学进展杂志),从而正式提出了创立这个新学科的目标。
 
难点:
空中水确实是气象学里的难题。诸如①为什么分子量比空气小的水汽更集中在大气低层而严重不符合它自己的静力学方程②两种气体的互相热扩散公式如何应用到空气与水汽上③实际的降水量为什么总是比气象学理论计算的水汽辐合量小不止1个数量级④水汽为什么可以在气象观测到的湿度没有达到饱和的情况下发生凝结⑤最大熵原理在制约大气水分的运动方面都体现在哪些环节上等等。而我们过去的研究对此已经有某种程度的突破。
 
提交者姓名:张学文(研究员)
单位:乌鲁木齐沙漠气象研究所,中国气象局,830002
初稿写成时间:2007-10-31
本文引用地址:http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=10089