空中水汽主要在哪个高度(层次)中输送?

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张学文(2006-9-17完成,20080822公布

2006年夏季四川、重庆大旱引起了社会关注。有人提出新修的三峡水库大坝阻断了空中水汽通路,形成大旱,也有人说水汽主要在高空流动、输送,水库大坝对它的影响可以忽略。而在过去也不断有人提出把喜马拉雅山挖个洞让印度洋的水汽进入中国西部,改善那里的降水。这些议论涉及了气象学中水分输送的知识。下面把这个问题分两步具体说说。

l          空气主要在哪个高度上流动(输送):我们知道地球上的空气主要挤在地面附近(大气低层),越到上空空气越稀薄。另一方面空气运动的速度是低层慢,上层快。大约在对流层顶附近(约12km)风速达到最大值,然后再随高度增加而减小。空气在各层的输送量是那个高度上的空气密度与风速的乘积值。分别计算出不同高度上的空气密度和风速,把它们相乘,就可以看出在空气各个高度上的空气输送量(我们现在不分析输送方向,只谈输送的数量)。下面是根据南京4月多年平均数据计算出来的各个高度的空气输送量图。它基本上代表了我国的一般情况。

 

从这个图上可以看到空气主要是在距地面2-15km的气层里运动、输送,其最大值出现在7-12km的高空。

显然,在长江三峡2300m 宽河道上修了个不足200m 高的水坝,对空气的大范围流动几乎是没有什么影响力的。所以我们的结论是空气主要在高空输送,输送量的最大值出现在9km的高空。自然,不同季节、不同地区会与这个典型情况有一些差别,例如高空急流不经过当地时,其最大值的高度要低一些。

l        水汽主要在哪个高度上流动(输送):我们知道水汽比空气更喜欢挤到地面附近(大气低层),它在铅直方向减少的速度比空气更快,于是水汽的主要输送层应当比空气低。其具体的计算方法是把空气密度改为水汽的密度再与风速去乘。而这只要把各个高度上的空气密度乘上对应位置的空气比湿(水分的密度与空气密度的比值),并且继续用(空气)风速乘它(空气与水汽的运动速度是相同的)就得到各个高度上的水汽的输送量了。下图依然是南京的计算例子。

南京4月的不同高度上的水分输送量图,告诉我们水汽也有个最大的输送层,它的位置比空气低,其最大值(输送的最多)出现在距地面1.5km的低空。所以,说水汽主要在高空输送是不妥当的(说它主要在5公里以下气层中流动比较妥当)。自然,说三峡大坝阻断了水汽输送也言过其词,因为大坝高度(<200m)、宽度(2.3km)与水汽在6公里厚、数百公里宽(四川盆地尺度)的大气层里漫流比起来依然是太小了。

另外,说西藏高原阻断了大量的印度洋的水汽的北上,这个认识应当是正确的。但是这个问题远不是当代技术条件下把把喜马拉雅山挖个洞所能解决的。要知道即便你真的挖了个水汽通道(如1km 宽,5km 深,数千公里长—世界上迄今没有这么大的工程),这与把数千公里长的喜马拉雅山挖掉依然是不可比拟的。从气象上看,只有把喜马拉雅山挖掉水汽才可能从印度洋大量进入我国。而这些都不是现代技术可以完成的工作。

21世纪我们是具有了更大的改造自然的技术能力,与此对应我们必须发展对应的气象与环境改造理论,为改造自然提供确有把握的方案,21世纪的气象学任重道远。