04气候系统蒸汽机模型的工作原理.docVIP

气候系统蒸汽机模型之二 ——基本原理和工作过程 陈高义 （成文于2015年3月1日） 【摘要】水的特殊性质使得其在气候系统中起着特殊的作用，水对太阳辐射具有广谱吸收的特性，水的比热和潜热都很大，因此水是高效的热能传输介质。 水不只是在大气中传输，在海面以下也以独特的方式在传输着，共同构成了闭合的循环路线。水在海洋中的主要运动方式并不是人们熟悉的显式海流，而是还鲜为人知的隐性淡水渗流。以太平洋准经向剖面的渗流场为例，淡水渗流一般从河流入海口及其扩散区、多雨带或高纬融冰区流向蒸发区。 基于淡水渗流现象，进而引申出降雨带-河口-“淡水池”共生的规律。 水分循环是驱动大气环流的最主要动力来源，可以建立气候系统蒸汽机模型用于气候研究。气候系统蒸汽机模型工作过程概括为：晒水聚能，水汽蒸发；释放潜热，驱动环流；高空受冷，形成降水。 【关键词】 气候 蒸汽机 淡水池 渗流场 淡水渗流 “黄河之水天上来，奔流到海不复回”，这是诗人的感慨，也许从哲人的观点看，没有人一生中可以踏入同一条河流，水滴也是，这是时间的造化。然而根据前一篇文章提到的海洋总体维持在平衡态附近和淡水渗流现象，很容易推论出全球淡水不但是往复循环的，而且总量基本是有定数的。换句话说，淡水并不是“取之不尽、用之不竭”，以大自然之神力，也无法从广袤的海洋中超额提取淡水。由于作者精力有限，有时为了方便阐述，采用了较多的口语化表达方式，请严谨的读者见谅。 ——写在前面的话 一、水在气候系统中的特殊作用 水对太阳辐射具有广谱吸收的特性。根据大量的观测资料表明，大气中的水分吸收太阳辐射量约占大气总吸收量的83%。 水是比热很大的物质。由于大气本身的比热较小，储存、交换热量的能力有限。而水具有很大的比热。广袤的海洋储存了大量的热量，对调节气候系统起着重要的作用。 水具有很大的潜热。热带海洋表面吸收大量的太阳辐射，水体变热致使大量水汽蒸发进入大气，并释入大量的潜热，使空气受热上升，驱动大气环流。 水还是地球上的生命之源。水分循环是生命生存的必要条件。 因此，从生命生存的角度看，传输水分、促进水分循环是气候系统重要任务之一；反过来，水分参与气候系统循环，又成为驱动气候系统运转的能量载体。也就是说，缺少水这种动力介质，气候系统这台蒸汽机就无法运转。 然而，水不仅仅在海面和陆面以上的大气中传输，在海面以下，水依然有自己特有的传输方式，两种传输连接到一起才构成闭合的循环路线。 二、大洋中的淡水渗流场举例 目前，人类认识到了各种各样的海流，还有各种各样的潜流，这些都是显性的运动方式。可是，海洋另一种更重要的运动以隐性方式无时无刻不在进行着，就鲜为人知了，那就是海洋中的淡水渗流。 淡水渗流的方向一般从河流入海口及其扩散区、多雨带或高纬融冰区流向蒸发区。图1给出了太平洋准经向剖面的渗流场示意。 注：图中海洋剖面及等温线引自《太平洋水文的基本特征》[1]，剖面位置为东经170~180°。渗流线和海面以上图形为本文作者加上。 图1 太平洋经向淡水循环与渗流场示意图 图1中蓝线为北太平洋淡水渗流流线示意，绿色为南太平洋渗流流线示意，渗流场等势线近似为等温线。图中流线未与等势线正交，是因为纵横尺寸比例不同引起的。 从图1中可以看出赤道两侧的渗流场并不对称，这是因为北太平洋与南太平洋封闭性不同造成的。北太平洋在高纬近似为封闭，几乎与北冰洋不相通，渗流来源主要靠西风带多雨区的降水；而南太洋直接面对南极洲，南极洲的融冰淡水成为主要淡水渗流来源。 实际上由于科氏力的作用，赤道的水汽（云）向中高纬输送时并不按经向方向，而是向右偏移，因此导致海面下的渗流主方向也会与经向有所偏差。图1描述的基本上是中太平洋的情况，从中可以看出中太平洋水分循环主要为海-气之间进行；而西太平洋的水分循环则有地表径流的参与，在陆-海-气之间进行。以后会说到，当陆地或海洋的淡水时空分布出现问题时，维持海洋热量平衡的任务则主要由中太平洋淡水循环圈承担，这就是为什么厄尔尼诺出现时中太平洋变得活跃的原因。 三、降雨带-河口-“淡水池”现象 拿一张世界气候地图稍加研究，你就会发现，全球每一块降水丰沛的区域，都对应着相对固定的水汽来源；而水汽来源地，往往是该地区大河入海汇集地。这就是降雨带-河口-“淡水池”现象。譬如：东亚-长江、东南诸河-南海、西太平洋；印度次大陆-恒河-孟加拉湾；北美洲-密西西比河-墨西哥湾；南美洲（巴西）-亚马逊河-热带大西洋。再仔细研究，你又会发现，在北半球这样的地区，又出现了神奇的北纬31°现象。 反观非洲中北部，尼罗河挺长，可是它向北流，由于高山的阻挡，它的水汽回不来，因此北非干旱多沙漠。唯有西非-刚果河-几内亚湾稍符合这一规律，有幸成为非洲大地上的明珠。但又因几内亚湾地处西海岸，半封