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漫话空中水

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 地是实的,天是空的,这是人们的一般印象。可是“空”的天居然有雨、雪以至冰雹这些实实在在的东西落地,确实让人觉得有些不可思议。天上的雨、雪、雹是从哪里来的,它们何以年年有?

  这个问题的答案是“天并不空”。地球地层以上还包着空气。而这些雨、雪和冰雹都是空气里看不见的水汽转化来的。降雨、降雪、冰雹关系着我们的生活、环境乃至是否缺水。如若我们要想了解、预报、影响“雨雪”的来源、运动、变化规律,自然需要探求空中水的奥秘。

  空中水概念

  物质常以固体、液体、气体三种状态存在,H2O这种物质,就是指固态的冰、液态的水和气态的水汽(水蒸气)。水汽经常是人眼看不见的,它在空中与空气混合在一起,在水平方向,它基本上随着空气一起运动。

  空中水主要是指混合在空气中的水汽(气态)。另外,悬浮在空中的大量小水滴、小冰晶组成的云,虽然是颗粒状态的液态水和固态水,但它们也属于空中水。尚没有落到地面的雨滴、雪花、冰雹是更大的颗粒状的液态或固态水,也被归入空中水这个概念中。所以,空中水包括了混合在空气中的水汽和悬浮于空中的离散的颗粒水。

  空中究竟有多少水?据测算,全世界的空中的水汽大约有13万亿吨。而我们眼睛看到的云的总含水量仅是看不见的水汽含水量的1/140,难怪一般计算空中水时都把云忽略不计。气态的水汽固然比云里的水要多很多,但是把它们平铺到地球各地所形成的水层的厚度却只有25毫米。我们知道,大气的压力大约与10米厚的水层相当,所以空中水仅占空气总质量的2.5‰ 。这个比例虽然很小,但它绝不是微不足道的。

  “勤奋”的空中水

  空中水仅占大气总质量的2.5‰,可却是大气里最活跃的成分。空中水的存在使我们感到了“湿润”,它也用五彩缤纷的云装点了蓝天。更为重要的是,空中水还为地球带来了大量的雨、雪(有的云是水汽变成雨、雪的中间环节),并滋养了世间万物。

  地球的每个地方几乎都有雨雪。根据各地的降水资料测算,地球的多年平均降水量大约是1000毫米,即平均而言,每年从天上掉下来的雨雪可使地球表层平均积水达到1米深。根据物质不灭定律,这1米深的降水,自然来自于空中水的转化。可是根据我们在前面的介绍,空中水平铺在地表,平均厚度只有25毫米。这25毫米的大气含水量如何才能维持每年1000毫米的降水量呢?

  按照一般规律,2.5万元的积蓄不可能买一套时价100万元的房子。我们如何解释这么少的空中水却提供了每年1000毫米的降水量?

  答案就在于空中水十分“勤奋”。空中水并不是孤立的水体,它积极参与了地球表层的水分循环。尽管每年因降水要从空中水里析出1000毫米的水分,但空中水可以依靠地球表层(海洋、冰面、陆地等)的水分蒸发而得到对应数量的补充。正是蒸发量与降水量的这种动态平衡才使得空气里始终维持着厚度为25毫米左右的水汽。用1000除以25等于40,这说明每年空中水要补充、循环、更新40次。一年是365天,一年更新40次,即空中水大约9天更新一次。

  要知道,地球表层的空气在数万年中总是在空中呆着,唯有空中的水汽却平均每9天就与地表水“换一次岗”。没有空中水的这份勤奋,地球就没有那么多的雨雪,也没有那么多的蒸发以及那么丰富的自然景观。

  活跃的空中水还是大气能量和温度的积极调节者。空中水汽对太阳能的吸收以及对长波辐射的作用,影响着对流层空气的温度分布,而云对烈日的遮蔽会直接影响到达地球的太阳辐射量。

  空中水对地球表层能量活动的影响程度远高于它在大气中所占的比例。理解空中水的存在、运动、变化和作用是广义水文学的重要内容,如果我们把关于河流、湖泊的知识称为陆地水文学,那么关于大气中的水分的知识就是空中水文学了。

  开发空中水

  人们在逐步认识空中水的同时也不断提出了一些新奇的设想,例如,能否根据空中水的情况预报降水?能否改变空中水的运行路径,从而改变雨水的分布?能否耕云播雨?

  按照专家的设想,空中的含水量越大,形成的降水量也应该越大。人们沿着这个思路分析历史上空中的最大含水量,从而估测出当地的最大暴雨值。但是理论与实践都说明,降水量与含水量的关系远没有这么简单。

  最近几十年,由于GPS(地球定位系统)可以随时反算出各地的空中含水量,于是利用这种空中水情报帮助暴雨预报的研究工作逐步在各地展开。

  众所周知,空气的流动必然会带动着空气里的水汽一起流动,要想利用本地的空中水,不仅要知道空气中原有多少水,还要计算出流经本地的空中水量,于是专家又计算了水汽的流量。

  以我国为例,根据空中各层的风速和含水量,专家计算出每年大约有18万亿吨的水汽流经我国,其中有1万多亿吨的水汽流经我国新疆,可见水汽的流量还是相当大的。这么巨大的水汽量对降水似乎非常有利。于是有些人大胆提出,炸开喜马拉雅山,以便把印度洋的湿空气引入我国西北,从而改变那里的干旱状况。

  但是,理论分析不能得出水汽的流量大、降水量必然大的结论,因为降水量与水汽的流入量、流出量差值的关系更为密切。所以,开山引水汽对雨水的分布的影响远不像臆想的那么简单。

  空中的水汽在变成雨水之前先是变成了可以降水的云。当存在着适宜的条件时,通过人工作业,在云中播撒一些催化剂、从而使降水量增加的试验,早在60年前就取得了初步成功。多年来,这项工作在不同的国家进行着。在我国,该项工作被称为“人工影响天气”。尽管现在已经有了卫星云图、测雨雷达、飞机、高炮的配合,但是要区分哪些雨是自然降落的,哪些雨是人工作业的成绩,依然是个难题。

  空中水、降水和蒸发是在大气的影响下互相联系的三个环节。在关注空中水、降水的同时,我们也关注人类活动对蒸发的影响。近几十年来,我们在北方拦截了相当数量的入海的河水用于灌溉和城市生活,黄河几乎断流就是其反应。我们在塔里木河上游引水灌溉使其下游的罗布泊消失,这些人类活动促进了农业的发展,也使每年有数百亿立方米的水分异地蒸发。这样大量的水分的异地蒸发对空中水的补充和降水的影响肯定是存在的。

  张学文,研究员,1991年被国务院授为有突出贡献的气象学家。其研究成果包括率先开展了《新疆的水分循环和水分平衡》的研究,并将信息论应用于气象预报。此文曾刊登于《百科知识》。 (作者:张学文)

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