第3章空中究竟有多少水分问题.doc

空中水文学论稿第3章 空中究竟有多少水分问题 2009-3-23初稿 PAGE PAGE 7 第3章 空中究竟有多少水分问题（2004-2009-3-23稿） §1直接用地面水汽压力计算空中水的数量 §2目前公认的空中水数据 §3 两个空中水的数据不一致 §4大气和水汽压力铅直分布的提示 §5比湿铅直分布的提示 大气里究竟有多少水分？这显然是空中水文学的基础问题。这个问题过去有答案，而这里则对这个公认的答案提出质疑。笔者认为[参考文献 张学文，中国沙漠，水汽的聚合体模型，2005，5月增刊，310-312页]全球大气中存在的水汽数量可能被严重低估了。这类似于大家说这里有1万吨黄金，可 参考文献 张学文，中国沙漠，水汽的聚合体模型，2005，5月增刊，310-312页 空中水的数量是当今公的认值的6倍吗？这里先提出这个问题，而答案在下一章讨论。 §1直接用地面水汽压力计算空中水的数量 1.1大气质量的计算思路与结果 在讨论空中水究竟有多少水分问题之前，我们先分析一下计算地球空气总质量的思路。 把物体放到台秤上，台秤就感受到一个重力，由于重力与物体的质量是正比例关系。于是台秤的刻度盘就根据受到的重力，直接标记被测量物体的质量。依靠静止不动的物体受到的重力来反算物体的质量，对此大家早已习以为常了。 气象学里测量大气的质量的道理也类似。由于空气的压力强度大约与76cm高的水银柱的压力强度相同。根据水银的密度13.6g/cm3，这大约折合10m高的水柱。而每平方厘米面积上的10米高的水柱的质量是1公斤。大气给予地面的1公斤的压力是作用在地球表面的每平方厘米的表面积上的，所以用地球面积，5.11×108km2（平方公里），乘以1kg/cm2再经过单位换算，得到空气的总质量约为5.11 以上的粗略计算说明只要知道海平面的大气压力强度就容易换算为大气质量。实际的地球表面的大气压强的平均值是[ Jose P. Peixoto和 Abraharm H.Oort,吴国雄等译，气候物理学，气象出版社，北京，1995，107页]985.8hPa（百牛顿/平方米），即每平方米受到的力是985.8×100N（牛顿），根据牛顿第二定律这个压力p Jose P. Peixoto和 Abraharm H.Oort,吴国雄等译，气候物理学，气象出版社，北京，1995，107页 p=mg （3.1） g是地球的重力加速度，9.8 m/s2 。即每平方米面积上的空气质量m为（985.8×100牛顿）/（9.8m/sec2 m2）=100.6×100kg/ m2。以地球面积5.11×108km2（平方公里）乘它，经过对面积的单位换算 以上计算思路实际利用了静力学的原理，即静止的物体給与地面的压力等于物体（这里的空气）的质量与地球在地表面附近的重力加速度的乘积值。它与我们用台秤称物体是一个道理。 水汽压力的平均值 以上计算思路说明只要知道全球大气压力的平均值，就知道大气的质量。类似的思路自然也可以用到水汽质量的计算上。这里，为了估算大气中的水汽质量，需要先得到地球表面附近的水汽压力的平均值。 全球全年水汽压力的平均值这个数据不为人们关注，我们设法粗略地估计它。一般气象知识表明，地表面附近的水汽在赤道附近的热带居多，越向寒冷的两级地区靠拢，空气里的水汽就越少。由此，我们自然认为在赤道到极地之间，其水汽的含量应当接近全球的平均值。另外，根据几何学知识，地球（球体）的南北纬30度恰好把地球分成中间的50%面积和南北两端的50%面积。即北（南）纬30度恰好代表了地球的平均情况（按面积）。所以30度纬圈上的水汽压力对全球平均值具有代表性。我们参考了中国在这个位置附近的气象站（如杭州等）的水汽压力平均值[ 张家诚，林之光，中国气候，上海科学技术出版社，581页]，以及文献【 Jose P. Peixoto和 Abraharm H.Oort,吴国雄等译，气候物理学，气象出版社，北京，1995，219页图12.3a】里的地面比湿的全球分布图特征，再换算为水汽压力分布，最后我们 张家诚，林之光，中国气候，上海科学技术出版社，581页 Jose P. Peixoto和 Abraharm H.Oort,吴国雄等译，气候物理学，气象出版社，北京，1995，219页图12.3a 1.3全球水汽的质量 既然空气的总质量M可以根据前面公式（3.1）先计算单位面积上的空气质量再乘以地球表面积而得到，全球水汽压力对应的水分总质量自然也可以类似地求得（即也依据静力学原理）。由于单位面积上的水汽质量mv=e/g=14.8hPa/9.8m/s2=14.8×100N/9.8m/s2m2=150kg/m2,注意到150kg是指1平方米地面上空的水汽总质量。它折合每平方厘米面积上为15克水汽