大规模调水对西北超深盆地气温年较差和降水量的正反馈作用

2014-10-18 08:02首发于《科学网》http://blog.sciencenet.cn/blog-1458267-836604.html

       

气温年较差是指一年中月平均气温的最高值和最低值之差。

1   影响气温年较差的因素

  （1）地理纬度：气温年较差随纬度的升高而增大。这是因为随纬度的增高，太阳辐射能的年变化增大（正午太阳高度及昼夜长短年内变化幅度大）。

  （2）海陆分布：由于海陆热力特性不同，海洋的气温年较差小于陆地的气温年较差。当其它条件相同时，同一纬度的大陆地区距海洋越近，受海洋的影响越大，气温年较差越小；距海洋越远，受海洋的影响越小，气温年较差越大。一般情况下，温带海洋上气温年较差为11℃，大陆上气温年较差可达20～60℃。

（3）宏观地形：一般情况下高地小于凹地、谷地。海拔越高年较差越小。

（4）云雨气候：云雨多的地区小于云雨少的地区。

（5）植被和下垫面情况：有植被的地区小于裸地。由于下垫面的比热特性和对太阳辐射吸收能力的不同，气温年较差也不同。沙土、深色土、干松土壤上的气温年较差分别比粘土、浅色土和潮湿紧密土壤大，旱地比水田大。

以上5个因素中，地理纬度、与海洋的距离、宏观地形地貌是自然形成的，不受人为因素控制；但人类通过跨流域调水等措施可以影响云雨气候、植被和下垫面的情况，也就是说人类通过工程措施能够影响气温年较差。

 

2   向西北特大规模调水、当地生态环境好转，西北气温年较差变小的三点理由

一是有水浇灌植被，沙漠变绿洲，裸地减少植被增多。

二是有水浇灌植被，干松土壤变成潮湿紧密土壤，由第1节第5条可知，以上两点都能减小当地的气温年较差。

三是沙漠变绿洲，下垫面蒸散的水汽增多，空中云雨增多，气温年较差将变小（由第1节第4条可知）。

西北气温年较差变小，就是夏季气温下降，冬季气温上升。

 

3   向西北特大规规模调水、当地降水量将增加的二点理由

一是有水浇灌农作物，沙漠变绿洲，下垫面蒸发的水汽增多，空中水汽含量增大，又因为年降水量与空中水汽含量高度正相关，所以西北的年降水量增大。

二是气温年较差变小、夏季气温下降，饱和水汽压下降，又因为夏季降水是全年降水的主要方面，所以，降水几率增加，降水量增大。

以上两点说明调水以后水汽压增加，而饱和水汽压下降，所以降水量大幅增加。

 

4   西北气温年较差变小与降水量增加相互影响、相互促进

气温年较差变小、夏季气温下降，饱和水汽压下降，有利于降水量增加。反过来，降水量增多，沙漠变绿洲，裸地减少植被增多，气温年较差变小。

 

5   郭晓明教授对环球气候系统正、负反馈机制的论述

郭晓明认为^[2]：“环球气候是一个在地球表面水循环和能量分配的系统。

对于一个系统，如果任何偏离系统平衡状态的变动会被负反馈机制回复到原本状态，则系统是稳定的；如果系统状态的涨落变化触发一个受到某种极限制约的正反馈过程，就会使得系统在两极端状态中来回振荡；如果系统状态的涨落变化触发一个不受制约的正反馈过程，使得系统的偏离自发地无限增大，系统就会崩溃，这种系统是不稳定的。

由于地球环境是一个充满各种反馈机制的复杂系统，保护地球环境的方法之一就是识别系统中引发环球气候失稳的正反馈机制，并设法消除激发这些正反馈的因素。例如，冰川的消融是一个大气变暖的正反馈过程。北冰洋冰川的融化减少了洋面冰雪覆盖面积，冰雪覆盖面积的减少降低了对太阳辐射的反射，降低的对阳光的反射使水温升高，水温的升高进一步加剧了冰川的融化。另一个与全球变暖相关的正反馈过程是冻土的融化。因为冻土的融化释放出起温室效应作用的气体，而温室效应使气温升高，升高的气温进一步加剧冻土的融化。”

 

6   我国西北气候特别是降水气候的演变历史与当地气候系统正反馈的关系分析

我国西北的西部大部分是内流区，假设因某种原因当地降水量减少，那下垫面蒸散的本地水汽也会减少，如果外来水汽不变则当地的水汽总量会下降，水汽总量下降会引发当地降水量减小，即降水量减小会引发降水量进一步减小。反之，假设因某种原因当地降水量增加，那下垫面蒸散的本地水汽也会增加，如果外来水汽不变则当地的水汽总量会上升，水汽总量上升会引发当地降水量增加，即降水量增加会引发降水量进一步增加。所以，西北的降水系统是一个正反馈的气候系统。

煤由远古植被演变而来，新疆、内蒙、山西等地煤炭丰富，这说明远古时期我国北方植物茂盛降水丰富。因某种原因例如青藏高原的隆升致使外来水汽减小，引发西北降水量的减少，降水量减少下垫面的植被变差，蒸散的本地水汽减少，致使当地降水量进一步减小，即降水量减小通过正反馈致使降水量进一步减小。西北降水量由远古降水丰富变成现在降水很少这样的情况，就是当地气候系统正反馈作用的结果。

如果向西北特大规模调水，沙漠变绿洲，当地蒸散的本地水汽会增多，降水量会增大；降水量增大有更多的水资源浇灌下垫面植被，又会产生更多的本地水汽，更多的本地水汽致使当地降水量进一步增大。即降水量增大通过正反馈致使降水量进一步增大。西北降水系统通过正反馈使当地降水量逐步增加，西北恢复到远古降水丰富时期的年降水量就有可能。

 

7   调水增雨是一个正反馈的作用过程，正反馈效应的作用巨大,类似于高利贷、利滚利

向西北特大规模调水，西北的水资源增多。西北的水资源增多，有水浇灌下垫面的植被，当地生态环境好转。这样就会引发两个效果，其一是蒸发的本地水汽增多，空中水汽含量增加，水汽压增加；其二是气温年较差变小，夏季气温下降，饱和水汽压下降，降水所需的水汽含量下降。以上两个效果都能促使当地降水量增大，它们共同作用，迫使当地降水量大幅增加。当地降水量大幅增加，从而使得当地水资源大幅增加。所以说，整个过程是一个正反馈的作用过程，调水以后当地水资源和降水量增加，通过正反馈作用使得当地水资源和降水量不断增加；调水以后当地的气温年较差变小，通过正反馈作用使得当地气温年较差不断变小。正反馈的作用过程详见以下框图。

http://image.sciencenet.cn/album/201410/18/075530vb2b6ggl745rtcvz.jpg

西北超深盆地调水增雨正反馈作用过程的框图

 

高利贷，利滚利，最后结帐时，利息比本金还要大，甚至大几倍几十倍，能够让人倾家荡产。向超深盆地调水，这些外来水源类似于高利贷的本金，在当地浇灌农作物，蒸发蒸腾为水汽，再在盆地四周山地变成地形雨、变成降水，这部分水资源相当于利息；在山地变成地形雨、变成降水的水资源再径流回到盆地中央，再浇灌农作物，再蒸发蒸腾为水汽，再在盆地四周山地变成地形雨、变成降水，这部分水资源就相当于利息的利息。所以说，向超深盆地调水类似于高利贷，利滚利，有“调水倍增效益”，绝对不能小看“利滚利”的巨大作用。

因为正反馈效应的作用巨大，正反馈效应类似于高利贷、利滚利，所以，特大规模调水以后，西北的降水量会大幅增加、成倍增加。

 

8   我国北方若干城市气温年较差的分析比较

根据1971至2000年累月平均气温，可做出表1。表中额济纳旗、乌鲁木齐和克拉玛依3个城市纬度较大，其余12个城市都位于北纬40度附近。

表1中，鄂尔多斯及其以东6个城市气温年较差的情况是：天津、秦皇岛2个沿海城市的气温年较差≤29.5℃；位于华北平原的北京和石家庄海拔低、距离海洋较近，气温年较差≤29.9℃；大同和鄂尔多斯海拔1000多米，距离海洋远一些，气温年较差分别为30.6℃和31.5℃。以上6个城市气温年较差的平均值为29.9℃。

临河及其以西6个城市气温年较差的情况是：除喀什气温年较差为30.9℃以外，临河、敦煌、铁干里克、若羌、巴楚5个城市的气温年较差介于32.4℃～35.3℃之间。喀什气温年较差相对较低，可能与喀什的地理位置有关（东面的绿洲较多，西面为帕米尔高原）。以上6个城市气温年较差的平均值为33.4℃。

纬度较大的3个城市气温年较差的情况是：额济纳旗、乌鲁木齐、克拉玛依的气温年较差介于36.3℃～43.3℃之间。其中，额济纳旗距离海洋近一些、纬度也低一些，按理气温年较差要小一些，但当地年降水量比乌鲁木齐和克拉玛依小、被大片沙漠包围，所以气温年较差不是最小。以上3个城市气温年较差的平均值为39.1℃。

  表1、北纬40度附近和北疆若干城市气温年较差的计算简表

                           (以1971至2000年累月平均气温汇总)

	天津	秦皇岛	北京	石家庄	大同	鄂尔多斯	左侧城市平均年较差
最高月平均气温	30.9	24.7	26.2	26.8	22.0	21.0
最低月平均气温	1.8	-4.8	-3.7	-2.2	-10.6	-10.5
年较差	29.1	29.5	29.9	29	30.6	31.5	29.9
纬度	39.1	39.9	39.8	38	40.1	39.8
海拔	4	3	33	81	1069	1380

 

	临河	敦煌	铁干里克	若羌	巴楚	喀什	左侧城市平均年较差
最高月平均气温	24.1	24.6	26.6	27.5	26.2	25.6
最低月平均气温	-9.9	-8.2	-8.7	-7.4	-6.2	-5.3
年较差	34	32.8	35.3	34.9	32.4	30.9	33.4
纬度	40.7	40.7	40.6	39	39.8	39.5
海拔	1040	1140	846	890	1117	1291

 

	额济纳旗	乌鲁木齐	克拉玛依	左侧城市平均年较差	备注
最高月平均气温	26.7	23.7	27.9		气温年较差的总体趋势：鄂尔多斯及以东城市较小，临河及以西城市居中，纬度较大的城市较大。
最低月平均气温	-10.9	-12.6	-15.4
年较差	37.6	36.3	43.3	39.1
纬度	41.6	43.8	45.6
海拔	941	935	453

 

 

9   特大规模调水对西北气温年较差和凝结降水时饱和水汽压的影响初估

人们夏天进入森林，马上就会感到凉爽，气温下降，空气潮湿。向西北特大规模调水，沙漠变绿洲，生态环境好转，那么当地夏季的气温会怎样变化呢？

由第1至第7节的定性分析可知，特大规模调水以后西北的气温年较差会变小。由第8节的计算可知，鄂尔多斯及其以东6个城市气温年较差平均为29.9℃，临河及其以西6个城市气温年较差平均为33.4℃，纬度较大3个城市气温年较差平均为39.1℃。参照以上数据，特大规模调水以后西北的气温年较差估计会减小4℃左右，夏季最高月平均气温估计会下降2℃。

气温25℃时的饱和水汽压为3.169Kp_a，气温23℃时的饱和水汽压为2.8104Kp_a，即气温下降2℃，饱和水汽压下降到原值的88.7%。

气温20℃时的饱和水汽压为2.3388Kp_a，气温18℃时的饱和水汽压为2.0644Kp_a，即气温下降2℃，饱和水汽压下降到原值的88.3%。

由以上计算可知，气温下降2℃，凝结降水所需的水汽压会下降百分之十几。

 

10   特大规模调水对西北年降水量的影响初估

调水增雨是一个正反馈的作用过程。以新疆为例，现状每年的降水量约2000多亿方，扣除径流到国外的地表水，每年蒸发产生2000多亿吨本地水汽。如果新疆165万平方公里的大地上都有水可供蒸发，按年蒸发量500mm计算，则一年蒸发产生的本地水汽就能达到8000多亿吨，本地水汽的数量成倍增加。所以，特大规模调水以后，新疆的空中水汽含量和水汽压会大幅上升。

又因为特大规模调水以后，西北的气温年较差会下降，夏季凝结降水所需的水汽压又会下降百分之十几，所以，西北的降水量会大幅上升、成倍上升，具体数据有待专门研究，我以前关于“调水增雨”的一些定量分析也有参考价值。

 

 

参考资料：

[1]气温日较差、年较差的影响因素（http://wenku.baidu.com/view/6d3930303968011ca300910e.html?re=view）

[2]郭晓明. 青藏高原的虹吸效应对欧亚大陆水循环的影响及逆转措施[J]. 南水北调与水利科技,2007,5(1):74～81，详见附件青藏高原的虹吸效应对欧亚大陆水循环的影响及逆转措施.PDF

 

 

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