中国社会科学院经济文化研究中心《调查研究通讯》No.2007-10                      2007年6月6日
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我国水资源气候出路构想路径探寻

蒋 皋

一、引子

    我国最基本国情是人口众多，资源贫乏，国家、经济、社会安全都面临严峻挑战。将西部北部近2/3荒置国土及巨大潜在资源有效利用，拓展战略生存发展空间，是我国现实环境下的“最好出路”、“最佳抉择”。但遭受水资源最大条件约束：我国水资源不仅总量不足，平均严重不足，而且时空分配严重不均，东部南部多“聚集”70％左右，西部北部少生态难以维持。

    水资源缺口巨大，节水根本没有出路，大力采用节水技术措施的日欧美人均耗水是我国427m³的2－5倍⁽¹⁾，仅仅引水也是杯水车薪，只能稍微改变时空分布解燃眉之急⁽²⁾⁽³⁾。根本出路在于通过气候改善带来降水大幅度增加。 

    中国是幸运的，正好有改善气候所需的得天独厚、完美绝佳地理条件：封闭性塔里木盆地、柴达木盆地、吐哈盆地和半封闭性准噶尔盆地等高大山脉环绕的巨型盆地；塔－土盆地东向小缺口，柴达木盆地北向狭窄缺口；青藏高原与蒙古高原间500－1000km过渡带；青藏高压、青藏低压、蒙古高压中心及北支西风所处相对位置；南支西风与北支西风会合江淮特征；青藏高原到整个北方南高北低走势；西南较丰富剩余水资源。 
 

二、重新研判普通地理要素因子隐含的  

气候改善重大地理信息 

    为什么这些地理环境条件是“得天独厚”的?可先从影响我国气候重要地理要素常识隐含的重大地理信息解读中初步认识：

 (一)影响我国气候最重要地理因素透视重大巨变新信息

    1）青藏高原近2×10⁶km²，其巨大热力因素和动力因素是影响我国气候最大地理因素。它阻断北半球亚洲南北水热交换，截断分解北半球副热带高压，分裂撕碎盛行行星西风，极大改变大气环流，形成我国独特亚热带季风湿润气候(面对背靠的最大大洋大陆也是季风形成最基本因素)；青藏高原上空夏季热高压，通过高空东进太平洋，影响太平洋副热带性质高压，增强其动力性热力性干燥性：青藏热高压有时与伸进四川盆地的副热带高压重叠融合，造成四川盆地大旱。 

    2）青藏高原冷气团秋后大量北移，北支盛行西风被帕米尔高原天山阻挡绕道进入准噶尔倒三角盆地，寒冷空气在此大量堆积，二者共同作用促使并非大陆寒冷中心(与寒冷中心勒拿河中游相差20℃左右)的蒙古高原发育了世界上最强大冷高压一一蒙古高压(多年平均海平面压强达到1040hPa，超过冬季加拿大1024hPa极地高压、澳大利亚1022hPa大陆高压、北美1022hPa大陆高压、1022hPa南太平洋高压、1026hPa南印度洋高压、1026hPa南大西洋高压和夏季1028hPa北太平洋高压、1028hPa北大西洋高压一大截，约12—18hPa)。蒙古高压居高临下对我国气候产生最深刻影响⁽⁴⁾。

    冬季，北方干燥冷气流南进、东进、西进增温，形成降水机会较少；寒冷气流低温“催化”和强劲动力“推动”所经地区水汽饱和凝结降水，西进塔里木盆地气流基本不能形成降水就是反面强证。北向气流，特别是蒙古高压干冷气流，带来的15386亿吨年净输入水汽没有多少实质意义，大部分穿堂而过，将东北华北西北冬半年大部分较有效水汽吹出境外，北方向水汽降水贡献是为负。 

    3）地球不存在“三圈环流”，中纬度全年盛行行星风系西风，高空是西风急流。南半球没有多少地形因素影响，高低空盛行西风基本呈规则平行“带圈”状闭合分布，北半球过多山地高原动力阻挡和热力因素压迫，高低空西风呈曲折波动极不规则“飘带”状破裂分布。 

    北半球近地面盛行西风，从大西洋经西欧东欧长途奔袭，水汽消耗殆尽相当干燥；受北方极地强冷气团抑制和斯堪的纳维亚山脉、中东欧山地、乌拉尔山脉、大高加索山脉、厄尔布尔士山脉一兴都库什山脉或伊朗高原动力约束不断变向：在遭遇帕米尔青藏高原更强大动力阻挡又被分割成南北分支西风和越顶西风：北支绕过北天山进入准噶尔盆地，然后再分两路，东向东南向影响整个北方；南支绕喜马拉雅山经过南亚北方，翻越横断山脉，经滇、黔、桂、湘、粤、赣、皖、苏、浙、沪会合北支东去；越顶西风翻过帕米尔高原变弱、分支，一分支进入塔里木盆地与来自北支西风小分支气流和蒙古高原、中西伯利亚高原气流在塔里木盆地中部辐合上升，另一分支进入青藏高原再分两支，一支与西北向气流在柴达木盆地辐散，一支经四川盆地上空挺进长江中下游⁽⁵⁾。  

    西风相对湿度低绝对湿度极低，空气异常干燥，只在特殊低温山地才能形成有效降水。寒冷高大的帕米尔高原、天山、阿尔泰山首当其冲，附近降水稀少，不过400—600mm，且范围狭窄，如阿尔泰、伊犁、费尔干纳盆地、兴都库什山北部地区：与来自蒙古高压气流在塔里木、准噶尔盆地相遇、辐合降水极其稀少。经境内外寒冷高山截取北折东进、南进增温，湿度进一步降低；南支西风在冬半年经南亚地区带来降水极其稀少，从南亚补充大量水汽，在横断山区又被大量消耗，与北支西风合流阻挡了部分南方向温暖湿润气流北进^(6)(7)(8)。西风经过形成降水，实际上是其强劲动力“推动”和气流低温“催化”形成，与北方气流有某些相似。西风水汽低效带来极少降水，将更多境内有效水汽吹出，6.4849×10¹²T净输出水汽中绝大部分是西风贡献。 

    4）南方向入境水汽主要是西南风和南风从印度洋和北太平洋西南角吹来的，水汽净输入量5.7691×10¹²T，带来降水占我国降水很大部分，与内陆蒸发水汽降水，构成我国降水主体。西南风和南风是南半球东南信风越过赤道折向形成，南半球高压与亚洲低压，特别是印度低压之间，强大空气动力和地转偏向力作用是主要动力。从南半球副高流出的东南信风，非常干燥，不可能为亚洲大陆带来水汽，其推动所经海洋和陆地蒸发蒸腾水汽到达亚洲大陆和内陆。南半球东南信风与西风北风作用近似^(9)(10)。

   5）东部气流带来较多有效水汽，有明显降水作用，特别是夏季台风和东部气流对北方的水汽输送、动力抬升、暖湿热力作用形成降水意义较大。东部水汽形成降水的绝对作用是比较大的，可以从台湾岛东部武夷山脉丰富降水、太行山长白山东面附近地区比附近地区有更丰富降水明显看出。因东向水汽收入巨额亏损，西太平洋副热带高压有时强力阻挡南部季风北进减少海洋气流进入内陆，东部水汽有效价值被人“忽视”和“否定”⁽¹¹⁾。

 

 表1^（12）我国大陆上空平均水汽净输入量（1973－1981年）单位：1×10⁸T  

边界	东	南	西	北	合计	大陆降水	大陆蒸发
水量	-64849	57691	15529	15386	23757	61889	37932

6）南方向暖湿气流、大陆水汽蒸发、东方向暖湿气流是我国降水最大贡献者，如能去西风北风之弊，或釜底抽薪断其冷气路径、去蒙古高压之势，引来外力塑强大阻力、拒北支西风于国境之外(绕道北行复归其“本位”)，即便其不能带来任何水汽，仅最大程度让前者水汽驻留大陆，则我国降水将可能增长 50％一80％。

总降水量P_Q，东南西北向气流水汽输入通量Q_E、Q_S、Q_WI、Q_NI，局地水汽蒸发通量Q_VL，西、北向气流水汽输出通量Q_WE、Q_NE，α(≥80%)、β（≥90%）、γ（≥90%）、 （≤1-2%）、 （≤1-2%）为平均成云致雨能力，全国年总降水量P_Q粗略认为：

 

(二)水汽压特征隐含重大地理质变新信息

   1)水汽压(e)，即大气中水汽部分分压力。水汽压也就是某一质量“水汽柱”重量体现，大气压实际上是包括了水汽压的大气压。空气包涵水汽能力随温度升高而增大，在一定温度下，单位体积空气容纳水汽量有一定限度，水汽压在一定温度条件下也有最大值。饱和水汽压(E)是空气中水汽达到饱和时分压力，随着气温( T )升高而加速递增，随温度降低加速递减；一温度下相对湿度(f)越大空气水汽压越大或同一温度下水汽含量越大相对湿度越大。水汽压和绝对湿度(a)、相对湿度密切相关：

 饱和水汽压公式E=

 

（E₀=6.11hpa, t摄氏温度，E₀为t=0℃纯水平面上饱和水汽压）^（13）。

 

表2　　各种温度下的饱和水汽压（hPa）  

T（°C）	-30	-20	-10	0	10	20	30
计算值	0.53	1.27	2.86	6.11	12.32	23.70	43.60
试验值	-	-	2.87	6.11	12.38	23.38	42.43

2)由于“大气柱”“水汽柱”的“垂直性”，可以近似认为，水汽增加导致水汽压升高多少，大气压也就升高多少。水汽压原本极低的地方，假定植被、水量、热量发生突变，在季节性高温(5℃一35℃)状态下，高相对湿度(80％以上)又能充分保证，那么，水汽压急剧增加(5—40hPa)导致形成超强暖湿高压。

    当地海平面气压P_A，当地干空气气压P_DA，当地水汽压e(P_M)，局地海拔高度气压对海平面气压影响比率(％)V_P，干空气密度ρ，外地输入干空气通量Q_AE。

 

 

 

(三)盆地独特气候显示重大嬗变信息

1)气候科学对盆地独特气候已有初步认识：新疆盆地过热奇寒，稳定温度层结，气压日变化大，春季翻山大风，阴雾天气⁽¹⁴⁾；准噶尔盆地、塔里木盆地部分地区与四川盆地有类似特殊天气现象：气团厚度不超过3km，笼罩面积达20—40万km²⁽¹⁵⁾”；塔克拉玛干沙漠存在“准静止”低云带⁽¹⁶⁾：新疆绝大多数水汽集中在盆地内部，地方蒸发加强水分内循环增加盆地降水，盆地四周高大山体严重影响天气系统移动性⁽¹⁷⁾；四川盆地积温高、降水历时长、云量高、年日照时数少，有“湿盆地”“多夜雨”特点^(18)(19)；利用国外天气学概念理论预告盆地天气困难重重，预告四川盆地降水困难问题很多，预告塔里木盆地降水更是无法⁽²⁰⁾。

    2)据资料显示^(21)(22)：远离海洋的四川盆地降水(1000—1600mm)和同纬度东部沿海等同(盆地西南角还更多)，甚至比近海云贵山地性高原略多(盆地西南角背风坡地区更是昆明一大理地区1．5—2倍降水)；气温在冬季也比东部近海地区高出1—4℃；准噶尔盆地属“冷盆地” (有高积温)，塔里木盆地、柴达木盆地、四川盆地深处内陆却比同纬度 、同海拔 (折算对比)东部近海地区温度高出一大节，是十足的“暖盆地”，特别是柴、塔二盆地年均相差5-8℃，如计算大陆性差异⁽²³⁾(D&K)，更是高达12—16℃。

3)高山环绕的巨型盆地由于长期移动性缺失或准静止状态，水热皆不易散尖，形成高温“保湿”状态。干旱盆地如有充足水量引入，绝大部分不被渗漏深层地底，逐步培育的优良林草植被能够将其绝大部分“可用”水体充分蒸发(Q_R＇= Q_S＇+Q＇_VE+ Q＇_TL , Q_R＇外部当年引入径流量，Q_S＇引入径流量当年转化内部存量，Q_VE＇队引入径流当年蒸发逃逸量，Q_TL＇引入径流当年地面渗漏量；Q_R=Q_0(s)+ Q_TL+ Q_VE，Q_R为外部总引入径流量，Q₀或Q_S为总径流转化的可循环水存量，Q_TL引入径流总地面渗漏量，Q_VE引入径流总蒸发逃逸量)，那么，地面超强蒸发能力随相对湿度迅速提高也急剧降到蒸降平衡，热量存储更好，很可能年温度C=C（1/D&1/K，H，f，P_C，Q₀）将会上升3—4℃，冬季均温将会上升6一10℃，也像四川盆地一样成“多夜雨”的“湿盆地”f=f(H₀,H₁,1/D&1/K,T,P_C,Q₀), P=P(H₀,H₁,1/D&1/K,T,P_C,Q₀.F,f)(H_o­,H₁ 为周围高山海拔高度相对高度；P_C为盆地完美程度或封闭程度、土地非渗漏程度、水分循环程度，f为相对湿度，Q₀为可循环的水存量，F为水汽循环频率次/年)。

(四)大陆内循环作用潜藏大陆降水突变新信息

1)国际认同陆地降水量近2／3来自陆地蒸发水汽，大陆内循环作用强烈

国际上一种估算是海洋年蒸发量为5.05×10⁵km³，降水量为4.58×10⁵km³；陆地蒸发量为7.2×10⁴km³，降水量为1.19×10⁵km³；即陆地降水量40％来自海洋蒸发水汽，60％来自陆地蒸发水汽⁽²⁴⁾。另一估算是海洋年蒸发量为4.34×10⁵km³，降水量为3.98×10⁵km³；陆地蒸发量为7.1×10⁴km³，降水量为1.07×10⁵km³；即陆地降水量35％来自海洋蒸发水汽，65％来自陆地蒸发水汽⁽²⁵⁾。前一种数据被UNICEF认可公布得到世界广泛认同⁽²⁶⁾。

在俄罗斯比较靠近海洋环境的欧洲部分，年降雨量505mm中有295mm是当地蒸发水汽形成的，内循环降水达58.5％⁽²⁷⁾。中亚腹地远离海洋，夏季气候干热，大陆内部的水汽循环很强烈，是一个水汽循环率(从非海洋源蒸发的水汽形成的降水占总降水的比率)最高的地区(80％以上)⁽²⁸⁾。我国西北部正好处于亚欧大陆——这个世界最大大陆中心。

    2)大陆内循环作用微弱理论的重大缺陷

    在我国，对内循环作用存有争议。内循环作用非常有限的观点还被广泛引用^(29)(30)。

    以《山西上空水汽输送和水分循环研究》为例说明：其认为局地蒸发水汽形成降水(K_E)只占很少部分，并将此局地内循环特征性质推及到宏观大地理尺度区域。山西内循环降水K_­E=0.15，外来水汽形成降水(K_I)，占据绝对优势K_I=0.85（K_{I (全国)}=0.89，K_{I（华北）}=0.90.K_{I (长江)}=0.93,K_{I (华南)}=0.97）；其依据K_I=P1/P，K_E=P_E/P （P降水总量，P_I外来水汽形成的降水，P_E当地蒸发的水汽形成的降水)计算，P_I和P_E数据是通过“计算地域范围”(超过山西外界相当于山西2倍地域的观测范围)水汽总输入量I与山西当地蒸发总量E之间数量比例关系计算得来：

P_E=P-P_I，P_I=P/[1+(E/2I)]或P_I=P×[2I/(2I+E)]或 =P₀×[I₀/(I₀+E)]，(I₀为山西外来水汽形成降水); I又是

通过连续型w=g^-1 和离散型函数对地域上空气

 

柱水汽含量进行计算，从而得出其(边界长为l)在t时段内水汽净输入

 

 

通过其得出内循环结论过程，可以清楚看出其理论存在的缺陷：

第一，净输入水汽份额多少，不表示降水贡献率大小，P_I、K_I数据有误。降水本质是水汽在一定凝结条件水汽饱和析出⁽³¹⁾。北方向、西方向冷干气流绝对湿度、相对湿度都无法与南方气流和当地近地面气流比较，形成降水能力极差，十不抵一。I被误用，P_I、K_I就被夸大；第二，南来海洋水汽和当地蒸发水汽个性不同，含有²H氘(D)和¹⁸O比例较大，水分子较重，水汽活性弱，更易先行凝结成雨；第三，“夏季山西上空的水汽主要由南向北输送，…水汽主要来源于西南孟加拉湾和南海，也有部分来自南方地区的蒸发”，西界输入32.2×10³t/s是南界输入4.9×10³t/s的6—7倍，而山西6—8月降水占年降水60％左右，南向夏季输入水汽占其全年80—90％，显然与比例贡献法矛盾；第四，据前面提及的水汽输入数据，以水汽通量法计算K_{1（全国）}=0.68，K_E=0.32。东方向水汽输入为巨大负值，依其理东方向气流是负贡献，实际上东方向气流带来降水是相当可观的；第五，海洋气流北上逐渐“脱水”、北向西向入境气流冷干，更多是“掠夺”、推动境内所经地水汽到来和当地蒸发水汽成云致雨，降水中绝大部分属于宏观国家地域大内循环范畴。

3)稳定同位素法确定降水来源：内循环作用相当强烈

    现代科学技术为准确测算降水来源提供了新手段。分析稳定同位素法被认为是一种非常科学精确的方法，水的稳定同位素HDO和H₂¹⁸O测定是确认水汽“身份”一种非常理想的方法。上世纪七十年代开始尝试性利用H₂¹⁸O和HDO研究亚马逊流域和欧洲水循环过程^{（32）（33）}；八十年代开始利用同位素变化过程区分不同信息^{（34）（35）}；九十年代开始将稳定同位素做为示踪剂模拟降水源地和循环过程^（36）。

    据氧同位素法，陆地上降水35％来自海上蒸发，65％来自陆面蒸发^（37）：欧亚大陆夏季降水71％左右来自陆面蒸发^（38）；藏北地区海洋气团直接输送而形成降水量至多占总降水量 32.06％，局地蒸发水汽所形成降水量至少占总降水量46.86％，至少有21.8％来源于季风环流对沿途蒸发水汽输送^（39）。

利用稳定同位素HDO研究，我国西北(中亚腹地也类似)，内陆蒸发水汽导致降水远远高于海洋水汽导致降水，占绝对优势。据数据估计西北内陆水汽循环率高达80—90%^（40）。   

4)大陆降水内循环作用强烈，深处内陆和被高大山脉“保护”的巨型盆地内循环降水作用尤其强烈。表明：改变这些地区地理因素中最敏感变量水分增加，会同植被蒸耗和当地蒸发，将可能以引入水量中可循环利用部分Q₀的数倍、十数倍（A、B）增加降水量（P_E－P₀）、径流量（Q_R－Q_OR）(根据充分蒸耗水平和水分向外散失程度等决定倍增效应)。

P₀＝P_OI+P_OE, P_0I或P_I在引入大量外来水体形成强内循环后比例极小基本可忽略；

P_E=P_E(H_O, H₁, T, P_C, Q_O, F, f，V)或P_E=AP_E(Q_O),V为值被状况，