出书扎记(10)……..《空中水文学初探》酝酿多年的一本书

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张学文 2010.5.1

2010.3月气象出版社出版了我与周少祥教授合著的《空中水文学初探》,它是我退休以后正式出版的第10本书。该书9章,15万字,32开本,定价15元,第1版印1000册。由丑纪范院士做序的这本书在我自己的序言里已经对我研究水分的过程有所说明(见后)。

确实,写一册空中水的书,把空中水立为独立的知识领域,是我多年来的一个宿愿。在1980年一个笔记的扉页上我就写着“为完成空中水文学概论而奋斗”的字样(1980.6.7),其第一页说,建立空中水文学是1962年以来的宿愿历史即记录了我在这个方向的一些努力,但是也说明我志大才疏,30年后我只得承认这是个可望而不可及的目标。《空中水文学初探》仅是了结这个心愿的一个折中与安慰。不过,《空中水文学初探》倒也应当算是我酝酿30年的一本书。

我知道让出版社难以出资出版它,而我又没有课题费。也正是因为我对此的多年情结,于是决定自掏腰包出版(自然更没有什么稿费了)。在此,我也特别感谢周少祥教授,他除了配合写了部分内容外,也自愿承担了很大比例的出版费。

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丑纪范院士的序

得知张学文先生有新著,我很高兴。

现代气象学以流体力学和热力学为理论基础,以全球实时气象资料作为初始场,以大型的计算机作为技术依托,以预报员的经验为补充,开展了天气预报等多种气象服务工作和理论探索,这已取得巨大成绩。数日内的温度、风力的气象预报比较准确是其重要表现。

从社会需要角度看,人们对于从空中降落的雨雪问题更为关切。去年2月我国南方的雾凇、雪害和今年莫拉克台风在台湾倾倒了3000毫米的豪雨都显示着“大气水分的野性”。认识空中水的规律性,以致利用空中水问题都是很迫切又进展缓慢的气象难题。

空中水仅占空气总质量的千分之几。研究大气运动规律自然不能以空中水为中心。但是,考虑到降水来自空中水;空中的水汽和云都对地球的能量平衡(辐射能、相变潜热能)有重要作用以及空中水更新很快(每年大约40次)等特点,所有这些都表明空中水的相对重要程度不能用它在大气中占的百分比来比拟。在这个认识基础上作者提出“空中水文学”这个名称,迎合社会需要和学术需要。张先生还认为 “地球水科学”已经有了地下部分(地下水科学)、地表部分(水文学),所以补上地上部分的空中水科学(空中水文学)也是顺理成章。而《空中水文学初探》一书的出版,宣扬了作者的这种主张。

张先生在气象部门工作多年,有接触实际问题的鲜活体会,又喜欢探索临近学科知识在气象上的横向应用。上世纪70年代他利用信息论知识,指出使输出的信息比输入的信息还多的天气预告方法是根本不可能存在的。这些新鲜的论点給我留有深刻印象。他与马力等人探索用统计物理学的分布函数概念对很多气象现象做定量概括,并且试图用熵最大原理说明这种分布。他们写成的《熵气象学》体现了他们横向运用知识的努力和成绩。

 

《空中水文学初探》使我们再次看到作者的努力。例如他从物理学知识那里提出自由大气中未饱和空气的比湿不具有保守性(不变性),而是随大气压力、水汽、温度的梯度而变化。这种认识突破了气象学关于空中水的理论思维空间。

10年以来“开发空中水”几乎成为我国气象界的一个口号。可空中究竟有多少水分,空中水究竟有哪些规律等核心问题,并没有系统的盘算。张先生从学术上对它做分析,这也呼应了社会需要。他提出空中水数量可能是目前公认值6倍的观点值得关注。

本书固然没有展开介绍作者心目中的学科内容,但却把作者们特别分析的几个问题摆了出来。不能说我完全认同作者对这些问题的具体观点,但是我承认这些确实是重要的、需要探讨的问题。把这些问题汇集到“空中水文学”名下也有利于空中水知识的集中和一个独立知识系统的形成。

应当承认作者在本书中提出的新问题多于验证的问题。我们可以批评作者的努力不够,但在提倡创新的时代,作者通过本书把问题摆出来本身就是积极的学术奉献。我们不能求全责备,积极的态度是热情审定这些认识,努力参与对应的验证工作。

 “地球水科学”里应当包括“空中水”、应当有“空中水研究所”,这些提法都有道理。编写关于空中水的教材是张先生的愿望,我看我国学术、教育界是可以做这个事的。让水文、气象领域的业务人员在大学、中专的专业教育中获得系统的空中水知识,确实是一种社会需要。

丑纪范            2009.11.21于北京

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作者自序

 

我曾在新疆气象台当过20年的天气预告员,天为什么会下雨,水分在空中是如何运行变化的是多年挥之不去的问题。我深感书本上有关大气水分的知识不够用而且还零散,它们缺乏以空中水为主体的系统性概括。我曾经有写一本空中水文气象学的想法,但是多年来难实践。现在的《空中水文学初探》是这个想法的折中结果。

 

       1960年我计算了新疆的空中水的含量和输送量,随后在分析新疆的降水、河水、冰川、地下水的数量基础上写成新疆的水分循环和平衡长文。此后注意到出现大降水时,对流层空气不仅是饱和的,而且其温度的铅直分布与湿绝热大气的理论分布相同。据此我计算了湿绝热大气的含水量与地面温度的函数关系,又在一种铅直运动的分布配合下,计算出了高大山体的中山地带的降水量比山顶、山脚都要大的特点,发现它与天山的实际降水分布很一致。20世纪70年代华东水利学院詹道江教授发现了我的这些工作并且给予肯定和支持。随后我完成的湿绝热大气及其降水模型等工作,也对水文部门搞的最大可能降水分析提出了不同的认识。基于天气预报值班中的分析,我还提出过过饱和猜想和广义湿绝热过程

       20世纪80年初廖树生先生把统计物理学中的波尔兹曼分布的思路用于说明单站降水的概率分布,这启发我把最大熵原理用到降水的历时、笼罩面积和深度等的关系中。由此得到的理论公式与暴雨分布的一致性給我很大的鼓舞。1985年我就写成了《降水统计力学初探》的小册子。后来马力女士又在其硕士论文的基础上进而把这些认识扩展为暴雨学习班的教材--《降水统计力学及其应用》(本书有简要介绍)。

       20世纪80年代我发现大气中不同比湿的空气所占有的空气质量与比湿值为负指数关系,而它也是最大熵原理的一种体现。后来,关于稳定云层的滴谱存在一个峰值问题,我和郑国光先生从云滴表面自由能的最任意分布对应熵最大的角度也給出了理论说明。

20世纪90年代我发现统计物理学里有一个混合气体在非均匀场中的扩散公式可以用到湿空气场合。该公式说明压力梯度、温度梯度、水汽梯度都可以导致水汽相对于空气的运动。这突破了自由大气里未饱和的空气的比湿具有保守性的假设(本书用一章讨论它)。

       很早我就注意到比空气轻的水汽竟然集中在大气的下层的怪现象,它与气层厚度计算中引入有虚温订正的静力方程其实是互相矛盾的。我用前面提到的理论试图说明它固然是一个思路,但是对此还可以提出另外一个思路:空气的水汽不是单个的水汽分子,它们可能是以6个水分子的聚合体的形式而存在于空中。分子量是108的水汽聚合体的模型可以消除水汽集中在低层的怪现象。如果真的如此,大气中存在的水资源就是目前公认值的6倍,这显然扩宽了开发空中水的思路(本书中有讨论)。

       在空中并不存在物理学上的典型凝结过程所要求的表面平直的液态水体,但是空气里的水汽在空中存在凝结而变成云的物理过程。气象学提供的云滴初始凝结的热力学物理模型我一直表示怀疑。有幸得知周少祥教授对此的质疑,他著文指出这违反了热力学第二定律。我就请他写了本书的第6章。

       2001年前后我根据气候上的水分平衡,提出了蒸发水分的去向函数和降水水分的来源函数两个概念,并且在这个基础上获得了世界各地的蒸发对世界各地的降水的互相关系的公式。它们解决了不同地点的降水、蒸发的内在定量联系问题(本书对此有介绍)。

        2002年新疆气象局科技处支持过本工作。沙漠气象研究所的杨  青、杨莲梅研究员、《水科学进展》杂志原主编刘国纬教授、南京信息工程大学丁裕国教授都給我很多鼓励与支持。我对这些单位与个人的鼓励和支持在此表示感谢。我还特别感谢丑纪范院士为本书写了热情推荐的序言。气象出版社吴晓鹏编辑为本书的顺利出版做了很多工作。在此一并表示感谢。

       在本书出版之际,不由想到老师谢义炳院士。当年,他一再说明降水是气象上的难题,号召我们主攻这个方向。他提出搞湿空气研究作为其突破口,他期待国人在此领域有所建树。他的学生雷雨顺已经为此而献身。作为学生,我希望这里的努力也能宽慰谢院士。

       我心目中的本书读者是学习气象学和水文学的大学生、研究生,有关的研究人员、老师,人工影响天气工作者以及工作在气象预报和水文预报第一线的业务技术人员。

       我们期待空中水文学的知识体系的建设问题会得到广泛认同和有力推进。而我们的努力仅是抛砖引玉。确实,本书涉及的理论环节超过了经典气象学范畴,笔者尝试性地应用于本论题中,其中不妥以至错误之处再所难免。承望各界朋友提出意见。

        本人的学术网站(  http://zxw.idm.cn  )上还有一些有关资料,欢迎关注。大家的各种意见可以通过电子信箱zhangxw@xj.cninfo.net 或者 zhangxw1935@sina.com )与我联系。

 

张学文  

2009-10-18于乌鲁木齐