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对大气可降水量、降水转化率概念的质疑与讨论(1-4) 张学文，2013/4/3 近10年来随着空中水探测资料的丰富以及空中水资源问题的突出，我国关于空中水数量的计算分析文章逐步增加。这自然是好事。在这些空中水的分析文章中,人们经常使用所谓“可降水量”、“降水效率”之类定量的专业名称，这显然的允许的。 但是，我认为在什么是“可降水量”，什么是“降水效率”等问题上却出现了一些模糊以致错误的统计计算与认识。下面提出我的看法供讨论。 这里试图就 l 可降水量的单位是含水量乘时间吗 l 降水量与可降水量的比值是降水效率吗 l 水分循环次数 l 降水量与输入水汽量的比值是降水效率吗 做一些讨论 1. 可降水量与时间的乘积值不能再称为可降水量。 l 目前不少文章依靠当地探空气象资料里各个等压面的比湿数据与对应气层厚度的乘积值的合计值（再以重力加速度除）作为当地当时的空中水数量，即可降水量的计算。我认为这是正确的也无需讨论。利用GPS资料求得的当地当时的可降水量，也是妥当、正确的。它们的一般单位是mm,即空中全部如果水汽凝结为液体水的厚度。这个计量单位与每平方米面积横截面上水汽的总质量的公斤数在数值上也是相等的。目前各种研究已经就此获得了大量的有天气学和气候学意义的大气可降水量数据。这都是正确没有问题的。 l 但是，有不少文献，例如高原气象杂志，2013，2期，23-30页的文章（其他就不列出了）则把当地当时的可降水量的月平均值（年平均值）再进一步乘以当月（年）的天数，作为这个月（年）的可降水量。这样作者们就求得例如西藏的年可降水量大约在1000mm-5000mm的范围。而月可降水量在数百mm到1000mm的量级。这无形中把可降水量放大30倍或者365倍，这个做法是错的。 l 一个人有1万元放在抽屉里，放一个月，问他有多少钱，显然依然是1万元，而不会变成1万元乘30天，30万元。这是中学生都明白的数学，对吗？ l 从这个简单的类比可以看出把当地当时的可降水量的平均值乘以当月或者当年的天数不等于这个时间段的总可降水量。而当时可降水量的月平均值本身就已经代表了这个月的可降水量数值了。把它再乘时间，不仅数量被扩大了很多倍，而且其单位也变成了毫米乘时间，这在可降水量的量纲上就错了！ l 气象学里有过，并且现在依然用着这所谓“积温”的概念，积温就是温度与时间的乘积值（积分）。这在农业气象上是有价值的概念。最后，气象学者明白：积温的单位应当是“度.日”。如果某些空中水研究者热爱可降水量乘以时间这个量，那么请注意这个量应当对应“可降水量.日”，而毫米本身不是它的单位。 l 我真的不可理解为什么某些气象工作者犯如此低级的（概念、单位）错误。难道对这个简单错误还需要再说明吗？ l 估计这些年我国发表的此类文章有数十篇，我认为这些文章的可降水量（空中含水量）的单位都错了。 （2） 降水量与可降水量的比值是降水效率吗 l 某些气象文献（如前面提到的文献）把某气象站点的降水月、年的平均值R与对应阶段的大气中的“可降水量”P的比值做分析。这在原则上自然是可以的。但是我认为文献把它称为转化效率,不妥当。 l 学术界的一般习惯是在用到“效率”一词时，它应当是相同量纲的变量的比值，即比的结果是个无量纲的纯“数”，而且通常是介于0-1之间的数，即体现比值公式中分子的数仅是分母表示的总数的一部分，%。我们讨论可降水量、降水量时如果使用效率一词总应当遵守这个基本认识，而不让这个比值大于1，对吗。可现在的R/P呢？ l 现在回过来看本问题中的降水量的单位与可降水量的单位问题。我们先讨论降水量的单位。表面上看，降水量的单位是毫米。但是气候学中的所有降水量都是指对应时间段的降水量。如多年平均的年降水量，是指一年这么长的时间段内的降水总量（的多年平均值）。这类似说他的工资是5000元是指每月5000元。所以我们常用的降水量值应当理解为单位时间（年，月，日…）的降水量，即它的量纲是降水深度/时间，如mm/a。 l 那么可降水量的单位呢？如前面讨论的，可降水量的单位是深度，而不包含时间本身。 l 所以当把降水量与可降水量的比值作为一个新的变量讨论时，需要注意它并不是无量纲的量，而是量纲为时间的负一次方的有量纲的量。从这个角度看把降水量用（可降水量）去除，称为降水效率不妥当。 l 如果这个比值是以前面错误的“可降水量与时间乘积值”做分母的比值，那么你所谓的降水效率的量纲就是时间的负2次方，而这是更不可理解的怪变量了（更不妥当）。 l 所以简单地把当地的降水量除以当地的可降水量不宜称为降水效率，尤其是可降水量是被乘了天数以后就让人不知道作者在讨论一个什么物理概念了。 l 那么如果可降水量不乘以天数，我们以p表示它，那么R/P是否有物理意义呢？我认为这个量很有意义，这些在下一部分再讨论。 （3）对大气可降水量、降水转化率概念的质疑与讨论 张学文，2013/4/6 （3）降水量与可降水量的比值的准确含义-水分循环次数 l 如果某地方的年平均降水量是R=1000毫米/年，而空气的年平均含水量，即大气可降水量是P=25毫米。则R/P=40/年。即这个比值=40/年。它显然不宜直接称为降水效率。那么它是什么含义？ l 略作分析就认识到“40/年”的物理含义是在空中的含水量仅为25mm的情况下，要实现了年降水量为1000毫米/年，就需要对空中水补充40次（回）！即“40/年”代表一年水分循环40次。 l 换句话说，一年是365天，要补充40次空中水以抵消降水，以40除365天，就得到9.125天。它是什么？它显然是空中水需要每9.125天补充一次，才可以维持每年有1000毫米的降水量，而且空中水依然那么多（没有丢失）。 l 空中水需要9天多补充一次，这正是水分循环中一再提到的全球大气的水分循环的平均情况。确实。科学工作者指出空中水大约9天循环一次正是通过把全球的年平均降水量1000与全球的平均大气持水量（可降水量=25mm）的这种换算而获得的。要知道1000毫米的年降水量/年，25毫米的可降水量正是全球的年降水量的平均值和全球大气的空中水的平均值。所以我们举1000mm,25mm这种数据为例，无形中把读者引到全球的平均情况的分析中去了。 l 于是我们明白对（降水量/可降水量），R/P，略作变换，变成P/R，就获得了水分循环一次所需要的时间长度。 l 所以我们的正面认识是R/P，即当地的降水量与可降水量的比值，表示对应当地，该时期（年、季、月…）的水分循环次数，而P/R则表示水分循环一次需要的时间。 l 而上面的计算可以针对全球，也可以针对当地、或者某一个区域。 下面的表就是我在刘国纬的水文循环的大气过程一书表3.2（67页）和205页的降水量数据基础上计算的当地空中水一年的循环次数表。只要你有对应区域（甚至单点）的降水量和可降水量数据，大家都可以做这个计算。表中最后一行是全球的平均情况。 下表中的降水量取自刘国纬书205页，其他数据是其67页的表中或者张学文计算的。 全球各大洲的年平均降水量、大气含水量以及本区的水分循环平均次数 l 所以，在我看来，某些作者固然计算、讨论了降水量/可降水量的值，但是却误解了它，这不仅引出了不妥当的结论，而且把它包括的重要物理意义给掩盖，忽略了。 l 关于可降水与降水量的讨论到此为止，后面要转入另外一个关注点：水汽输送量与降水量的比例的物理意义问题。 此前的论题： 4．（降水量与输入水量的比值是降水效率吗）+结束语 l 这些年来关于各个高度的空气湿度数据和风速数据比较容易获得，于是人们在研究水分循环问题时，经常针对某区域利用空气比湿数据与风速乘积的随高度的合计值进而去计算每年流入本区域的水汽的总数量Q，然后再以本区域的降水量R拿来作对比。应当说这样做显然丰富了我们对大气水分循环的认识。我们显然不能批判这样做有错误，而应当说对认识水分循环有好处。例如一些计算显示，每年进入我国的水汽总量大约是18万亿吨。 l 人们自然不满足计算出了这个水汽通量的数量级，而是要用它与降水量作对比。例如对中国，其年降水量大约是6万亿吨。于是研究人员宣布，我国每年的降水量大约的水汽输入量（18万亿吨）的1/3，这可以看作是输入的水量所形成的降水效率！（这种论点包括了一个潜在观点：降水都来自外地的输送） l 这么认识我国的水汽流动情况与降水情况的关系有问题吗？表面上看似乎没有问题。而且每个国家、省区、县都可以这样研究本区域的水分循环和对应的降水效率。 l 注意，这里的研究者就不提“可降水量”所联系的降水效率了，而改为用“水汽的输入量”议论、评论降水的效率了。 l 我的插话是：这样定义的”量”固然可以计算（在很大大面积的区域），但是物理学或者气象学是否可以从理论上证明这个流入量越大其降水量也越大？ l 冷静地考虑一下就看到气象学没有一种理论指出水汽的流入量与降水量必然是正比例的关系。突出的反例是对于降水量很大的岛屿，其水汽的流入量并不大，可它的降水量不少；而且当我们考虑全球问题时，水汽的流入反而变成了零，可全球依然存在降水！ l 其实前面的计算是一种气候学的水分计算。预报员每天面对天气。他们每天看着空中有水汽流入本省区，但是这些水汽都是来去匆匆而不下雨。请注意这时的水汽输送量形成降水的效率竟然是0！要知道，降水是不连续的自然现象，而水汽输送量也好、可降水量也好它们都是连续变量。把它们简单地连起来，可能没有把读者蒙住反而把自己搞糊涂了！ l 其实天气学给我们的认识是降水量不是与水汽输送量成正比例，而是与水汽的输入量与输出量的差成正比例（在蒸发量相对比较小的降水阶段内，即在天气学意义下，而不是气候学意义下）。--这提示，气象学者应当去计算水汽的输入量与输出量的差，现在的计算机那么方便，计算两个量的差，属于小菜一碟！ l 但是，我很少看到有人公布计算结果。这为什么？我猜这里面的核心点是计算结果难以与降水实际很符合，而不能自圆其说的局面很多（故而文章少见）。谁愿意发表有负结果的论文！ l 求输入量与输出量差值，结果令人不满意（联系着理论的不完整以及“差值”的误差太大），于是作者们退而求其次：以输送量议论降水量（反正文章可以发表）。 l 所以讨论水分循环计算水汽输送量可以，但是你不能夸大这个量的重要性，不能拿它与降水量的比值作为进一步推论的立足点。自然你也不能拿它蒙人。 l 遗憾吗？也许。我在想。这些困难告诉我们：关于水分循环的理论，现在依然是气象学中既很重要又水平很低的环节。它期待的是突破，而不是自吹如何神奇或者把要害问题掩盖、淡化。 l 气象学以空气的运动规律的探索为主线，空中水在哪里只能是附带考虑考虑。把空中水立为学科，水分循环就成为它的核心问题，探索水分循环的规律性、内在机制就是要必须攻克的堡垒了。气象学或者空中水文学不仅需要喜欢发表文章的学子，可能更需要准确提出问题（有望解决的科学问题）的学者。 参考网页： 之三对大气可降水量、降水转化率概念的质疑与讨论：http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-677435.html 本文地址：http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2024&do=blog&id=677786 | 
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楼主
“高原气象杂志，2013，2期，23-30页的文章”应该是第1期，而不是第2期.