漫話空中水

張學(xué)文

前不久，有報(bào)道稱，英國“流行建筑”公司(popularchitecture)正打算在倫敦建造一座史無前側(cè)的300層摩天塔樓——它將有1524米高，形如一根高聳入云的雪茄。塔樓中設(shè)施齊全，可容納100萬人同時(shí)居住，堪稱一座名副其實(shí)的“塔中城市”。據(jù)說該公司還提出了在陰天時(shí)從塔樓頂端的云層中采集水，經(jīng)過濾之后通過管道運(yùn)送到塔樓住戶家中的構(gòu)想。這是人類利用空中水的又一新設(shè)想。

“地是實(shí)的，天是空的”這是人們的一般印象。可是“空”的天居然有雨、雪以至冰雹這些實(shí)實(shí)在在的東西落地，確實(shí)讓人覺得有些不可思議。天上的雨、雪、雹是從哪里來的，它何以年年有?

這個(gè)問題的答案是“天并不空”，地球地層以上還包著空氣。而這些雨、雪和冰雹都是空氣里看不見的水汽轉(zhuǎn)化來的。降雨、降雪、降雹關(guān)系著我們的生活，乃至環(huán)境是否缺水，我們要想了解、預(yù)報(bào)、影響“雨雪”的來源、運(yùn)動、變化規(guī)律，自然需要探求空中水分的奧秘。

空中水概念

物質(zhì)常以固體、液體、氣體三種狀態(tài)存在，對于H20這種物質(zhì)，即指固態(tài)的冰、液態(tài)的水和氣態(tài)的水汽(水蒸氣)。水汽是人們?nèi)庋劭床灰姷?，它在空中與空氣混合在一起，在水平方向，它基本上隨著空氣一起運(yùn)動。

“空中水”說的就是空氣中的水，這里主要指混合在空氣中的水汽(氣態(tài))。另外，懸浮在空中的由大量小水滴、小冰晶組成的云，雖然是顆粒狀態(tài)的液態(tài)水和固態(tài)水，但也屬于空中水。尚沒有落到地面的雨滴、雪花、冰雹是更大的顆粒狀的液態(tài)或固態(tài)水，也被歸入空中水這個(gè)概念中。所以，空中水包括了混合在空氣中的水汽和懸浮于空中的離散的顆粒水。

空中究竟有多少水?據(jù)測算，全球上空的水汽大約有13萬億噸。而我們眼睛看到的云的總含水量僅是看不見的水汽含水量的1/140。難怪一般計(jì)算空中水時(shí)都把云忽略不計(jì)。氣態(tài)的水汽固然比云里的水要多很多，但是把它們平鋪到地球上所形成的水層的厚度只有25毫米。我們知道，大氣的壓力大約與10米厚的水層相當(dāng)，所以空中水僅占空氣總質(zhì)量的2.5‰。這個(gè)比例雖然很小，但它絕不是微不足道的。

“勤奮”的空中水

空中水僅占大氣總質(zhì)量的2.5‰，可卻是大氣里最為活躍的成分。大自然就是這樣神奇，空中水的存在使我們感到了“濕潤”，它也用五彩繽紛的云裝點(diǎn)了藍(lán)天。更為重要是，空中水還為地球帶來了大量的雨、雪(有的云是水汽變成雨、雪的中間環(huán)節(jié))，并使地球滋生出了萬物。

地球的每個(gè)地方幾乎每年都有雨、雪落地。根據(jù)各地的降水資料測算，地球的多年平均降水量大約是1000毫米，即平均而言，每年天上掉下來的雨、雪可使地球表層平均積水1米深。根據(jù)物質(zhì)不滅定律，這1米深的降水自然來。自于空中水的轉(zhuǎn)化。可是根據(jù)我們在前面的介紹，空中水平鋪在地表，平均厚度只有25毫米。這25毫米的大氣含水量如何才能維持每年1000毫米的降水量?

按照一般規(guī)律，不依靠貸款，只憑2.5萬元的積蓄不可能買一套時(shí)價(jià)100萬元的房子。我們?nèi)绾谓忉屵@么少的空中水卻提供了每年1000毫米的降水量?

答案就在于空中水十分“勤奮”。原來空中水并不是個(gè)孤立的，它積極參與了地球表層的水分循環(huán)。盡管每年因降水要從空中水里析出1000毫米的水分，但空中水可以依靠地球表層(海洋、冰面、陸地等)的水分蒸發(fā)而得到對應(yīng)數(shù)量的補(bǔ)充。正是蒸發(fā)量與降水量的這種動態(tài)平衡才使得空氣里始終維持著平均厚度為25毫米左右的水汽。用1000除以25等于40，這說明每年空中水要補(bǔ)充、循環(huán)、更新40次。一年是365天，一年更新40次，也即空中水大約9天更新一次。

要知道地球表層的空氣是多少萬年總在空中呆著，唯有空中的水汽卻平均9天就與地表水換一次崗。沒有空中水的這份勤奮，地球就沒有那么多的雨、雪，也沒有那么多的蒸發(fā)以及那么豐富的自然景觀。

活躍的空中水還是大氣能量和溫度的積極調(diào)節(jié)者。空中水對太陽能的吸收，以及對長波輻射的作用，影響著對流層空氣的溫度分布，而云對烈日的遮蔽會直接影響到達(dá)地球的太陽輻射量。

空中水對地球表層能量活動的影響程度遠(yuǎn)高于它在大氣中占的比例。理解空中水的存在、運(yùn)動、變化和作用是廣義的水文學(xué)的重要內(nèi)容。我們，把關(guān)于河流、湖泊的知識稱為陸地水文學(xué)，那么關(guān)于大氣中的水分的知識就是“空中水文學(xué)”了。

開發(fā)空中水

人們在逐步認(rèn)識空中水的同時(shí)也不斷提出了一些新奇的設(shè)想，例如，能否根據(jù)空中水的情況預(yù)報(bào)降水?能否改變空中水的運(yùn)行路徑，從而改變雨水的分布?能否耕云播雨?

按照專家的設(shè)想，空中的含水量越大，形成的降水量也應(yīng)該越大。人們沿著這個(gè)思路分析歷史上空中的最大含水量，從而估測出當(dāng)?shù)氐淖畲蠼邓?。但是理論與實(shí)踐都說明，降水量與含水量的關(guān)系遠(yuǎn)沒有這么簡單。

最近20年，由于固定的GPS(地球定位系統(tǒng))可以隨時(shí)反算出當(dāng)?shù)氐目罩泻?，于是利用這種空中水情報(bào)幫助暴雨預(yù)報(bào)的研究工作逐步在各地展開。

眾所周知，空氣的流動必然會帶動著空氣里的水汽一起流動，要想利用本地的空中水，不僅要知道空氣中原有多少水，還要計(jì)算出流經(jīng)本地的空中水量，于是專家又計(jì)算了水汽的流量。

以我國為例，根據(jù)空中各層的風(fēng)速和含水量，專家計(jì)算出每年_大約有18萬億噸的水汽流經(jīng)我國，每年有1萬多億噸的水汽流經(jīng)新疆，水汽的流量還是相當(dāng)大的。這么巨大的水汽量對降水似乎是非常有利的，于是有些人大膽提出，炸開喜馬拉雅山，以便把印度洋的濕潤空氣引入我國西北，從而改變那里的干旱狀況。

但是，理論分析不能得出水汽的流量大、降水量必然大的結(jié)論，因?yàn)榻邓颗c水汽的流入量、流出量差值的關(guān)系更為密切，所以，開山引水汽對雨水的分布的影響遠(yuǎn)不是臆想的那么簡單和恰如人意。

2006年，重慶大旱。一種觀點(diǎn)認(rèn)為，是長江三峽大壩阻擋了水汽的通道。計(jì)算顯示，空中水主要在離地面6千米以下的氣層中流動。6千米以上或更高的空中，風(fēng)速大而水汽少，靠近地面的地方水汽多但風(fēng)速小。在地面到高空存在一個(gè)水分輸送量最大的層面，它的位置在距離地面1500米附近。長江三峽大壩的高度不到200米，何況水汽是沒有橫邊界的漫流。所以，那些認(rèn)為三峽大壩改變了空中水汽輸送的說法顯然是不正確的。

空中的水汽在變成雨水之前先是變成了可以降水的云。當(dāng)存在著適宜的條件時(shí)，通過人工作業(yè)，在云中播撒一些催化劑，從而使降水量有所增加的試驗(yàn)早在60年前就取得初步成功。多年來，這個(gè)試驗(yàn)工作在不同的國家不同程度地進(jìn)行著，該項(xiàng)內(nèi)容在我國被稱為“人工影響天氣”。盡管現(xiàn)在已經(jīng)有衛(wèi)星云圖、測雨雷達(dá)、飛機(jī)、高炮的配合，但是要區(qū)分哪些雨是自然降落的，哪些雨是人工作業(yè)的成績，依然是個(gè)難題。

空中水、降水和蒸發(fā)是在大氣的影響下互相聯(lián)系的三個(gè)環(huán)節(jié)。在關(guān)注空中水、降水的同時(shí)，我們也應(yīng)關(guān)注人類活動對蒸發(fā)的影響。近幾十年來，我們在北方攔截了相當(dāng)數(shù)量的入海河水用于灌溉和城市生活，黃河幾乎斷流就是其反映。我們在塔里木河上游引水灌溉使其下游的羅布泊消失，最近又實(shí)施南水北調(diào)，這些人類活動發(fā)展了農(nóng)業(yè)，也使每年有數(shù)百億立方米的水分異地蒸發(fā)。這樣大量的水分異地蒸發(fā)肯定會影響空中水的補(bǔ)充和降水的。

開發(fā)空中水資源是個(gè)改造自然的大題目。我們對此已經(jīng)有了不少想法和實(shí)踐，但是要想取得進(jìn)展，依然需要我們繼續(xù)不懈的努力。

責(zé)任編輯趙菲