12四两拨千斤一论调水增雨能彻底改变大西北干旱少雨的恶劣气候环境.docx

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12四两拨千斤一论调水增雨能彻底改变大西北干旱少雨的恶劣气候环境

四两拨千斤一论调水增雨能彻底改变大西北干旱少雨的恶劣气候环境

——科学新发现：

干旱的大西北内流区巨型超深盆地群有极大的“调水倍增效益”

檀成龙

檀佳

珠海市公安局，519070

武汉大学，430072

主题词：

发现内流区盆地调水倍增效益干旱气候环境

内容摘要：

西北内流区以盆地为主，盆地四周的高大山脉能阻止外部水汽输入盆地，也能阻止盆地产生的水汽输出盆地。

监狱四周的高大围墙能阻止囚犯外逃，盆地四周的高大山脉类似于监狱四周的高大围墙，大规模调水进入内流区盆地的外来水源类似于坐监的囚犯，不能从地表流出盆地，也不能从地下流出盆地，离开盆地的唯一可能只能是先蒸发、蒸腾为水汽，再随风飘出盆地，但西北内流区盆地面积特大、四周山脉特高特长，将阻止盆地产生的水汽飘出盆地，因此，水汽从空中随风飘出盆地极其困难，绝大部分外来水源只能在盆地范围内进行局地水循环。

局地水循环使外来水源被不断重复使用，调水有“倍增效益”。

内流区与巨型超深盆地的最佳结合为实现“调水增雨”创造了极为有利的先天条件，调水的“倍增效益”极大，调水后，盆地每年递增的水量成等比数列，调水能起到“四两拨千斤”、“以一当十”的作用。

大规模调水以后，大西北的平均降水量（含调水折算水深）有望达到500mm左右，这将彻底改变大西北干旱少雨的恶劣气候环境，将对我国产生极其深远的影响。

FirstArgumentForTransferringWaterCantotallyChangethearidclimateofNorthwest

——Newdiscovery：

HugeMultiplicationReactionOfTransferringWaterInFlowAreaBasinInNorthwest

tanchenglong，tanJia

Keywords：

Discovery,FlowArea，basin，transferringwater，multiplicationreaction，arid，climateenvironment

Summary：

ThemajorlandformofnorthwestFlowAreaisbasin.Thehugemountainsaroundthebasinsholdbackthevapouroutsidethebasinstocomein，andalsopreventthevapourproducedfromthebasinoutflowing.Alargescaleofwatertransferringtotheflowareacannotrunningawayfromthesurface,ortheunderground.Theonlywayisevaporatingtovapour，risingandgoingoutofthebasinwiththewind.ButtheFlowAreainnorthwestissobigandthemountainsarounditishugeandlongthatpreventthevapourflowingawayformthebasin.Somostofthewatercanjustcycleinthebasin.Thecyclingwatermakethenewarrivingwaterbeusedagainandagain.Transferringwaterproduceamultiplicationreaction.Thewonderfulcombinationofflowareaandbasinisaaprioriobjectiveconditionthatmakethemultiplicationreactionoutstanding.Thewaterresourceswillincreaseingeometricalnumbersequencebytransferringwater.Watertransferringcanmakepitoneagainstten.Withthewatertransfering,theaverageprecipitationcanexpectedtobearound500mm.Ifitcometrue,itwouldsurelyexertaprofoundinfluencetoChina.

1引言

我国大西北的气候环境与当地经济社会发展状况的因果分析详见图1，大西北经济社会发展较慢的根源是气候干燥，空中水汽含量很低，缺少形成降水云层必不可少的水汽。

据中国科学院大气物理研究所的研究，“空中调水”不可行[1]，而采用输水隧道和明渠又能向大西北干旱地区大规模调水[2][3][4]，外来水源使用后再经地表蒸发、植物蒸腾在受水区产生大量水汽，从而增加当地的水汽含量，用这种“间接调入水汽”的方法来增加当地的水汽含量能解决问题吗？

？

？

新中国成立初期，帝国主义对我进行技术封锁，我国不能从国外获得技术支持，中国共产党人带领中国人民自力更生、艰苦奋斗，创建了我国完整的工业体系，实践有力地证明“自力更生”能够改变贫穷落后的中国。

我国大西北远离海洋，青藏高原等巨型山脉又阻止外部水汽的输入，当地只能得到少量外来水汽的滋润，如果我国从青藏高原向大西北大规模调水，在当地“自力更生”、蒸发蒸腾产生大量本地水汽，能向“自力更生”改变贫穷落后的中国那样彻底改变大西北干旱少雨的恶劣气候环境吗？

？

？

冠心病患者的冠状动脉变硬变细，血液循环受阻不畅，手术搭桥重建血液循环通路可彻底治愈冠状动脉的疾病。

大地的水循环类似于人体的血液循环，我国大西北的水循环断裂不畅致使当地沙漠广泛分布、生态环境恶劣。

向大西北大规模调水重建当地水循环的工程措施能向医治冠心病患者的搭桥手术那样彻底改变大西北干旱少雨的恶劣气候环境吗？

？

？

青海湖为我国第一大湖，水面4583平方公里，年蒸发产生40.5亿吨水汽，加之青海湖盆地四周的高大山脉（日月山、大通山、青海南山等）迫使气流上升的降温冷凝作用，致使中国降水量等值线图在青海湖附近发生突变（详见图2），降水量大幅增加，改善了青海湖附近的生态环境，逼迫荒漠边界向西北方向后退约500千米（详见图3）。

如果南水北调大西线工程每年以青海湖年蒸发量10~30倍的调水规模（即每年调水400至1200亿吨）向大西北内流区巨型盆地群大规模调水，使用后再经地表蒸发、植物蒸腾产生大量水汽，能向青海湖一样显著增加当地的降水量并彻底改变当地的生态环境吗？

？

？

大西北干旱地区为内流区，有塔里木盆地、柴达木盆地、准噶尔盆地、吐鲁番盆地、河西走廊、阿拉善高原，以盆地为主，盆地四周是巨型山脉，山脊海拔在5000米左右，详见图4。

塔里木盆地、准噶尔盆地等干旱地区的地形极其特殊，盆地底部与盆地四周巨型山脉脊线的相对高差达到4000米、3000米，世界罕见，应引起高度重视。

巨型山脉是水系的发源地和分水岭，山脉的迎风坡降水量大，背风坡降水量少，差距明显，巨型山脉既影响地表河川的形成和地表径流，又影响天空水汽的输送和降水量的地区分布，在水循环中扮演着极其重要的角色。

人类不可能改变大气环流，不可能改变海陆大循环，但可以改变陆地内部局部地方的水循环，增加当地的降水量。

例如，黄河龙羊峡水库的建设增大了水域面积，水面蒸发水汽含量增加致使当地降水量有所增加[5]；又如，牛玉琴造林11万亩、殷玉珍植树6万亩，借植物蒸腾增加当地水汽含量，致使当地降水量增大100mm[6]。

人类总是在特定的地理环境下生产、生活的。

我国大西北干旱地区有很多巨型山脉，它们在水循环中扮演着重要角色，而人类又能影响和增大局地水循环。

所以，针对开篇“四个议题”，本文采用自然地理学和水循环等理论对其进行初步探讨，受篇幅所限，怎样调水的问题另文探讨。

图1、我国大西北的气候环境与当地经济社会发展状况的因果分析图

2自然地理学、气象学与气候学、水文学、数学、物理学等学科的经典理论充分说明巨型山脉对盆地内部的水汽有极大的“约束作用”，盆地底部蒸发产生的本地水汽很难逾越盆地四周的巨型山脉，绝大多数本地水汽只能在盆地范围内成云致雨、进行局地水循环，这是本文论点成立的基础与前提

2.1巨型山脉的山脊海拔高，气温低，空中水汽的绝对湿度很低，这一自然规律使得盆地底部蒸发产生的水汽在盆地内部“聚集”，巨型山脉的山脊对盆地内部水汽有极大的“约束作用”

随着海拔高度的增加，对流层大气温度也随之下降，一般情况下，海拔每增加100米气温下降0.65℃[7]，按此计算，海拔5000米高空的大

气温度比平原地表大气温度低33℃左右。

山脉的雪线高度一般都低于5000米，雪线以上气温长时间低于0℃，5000米高空的大气温度一般都低于0℃。

随着海拔高度的增加，气温下降，水汽含量也随之降低。

《气象学与气候学》的研究认为，降水本质是水汽在一定凝结条件下的饱和析出。

表1中的饱和水汽压E摘自论文《饱和水汽压计算公式的分析比较及经验公式的改进》的附表，它是由当今世界公认的最精确的饱和水汽压计算公式Wexler计算得出的[8]。

饱和水汽绝对湿度a的计算公式a=289

（a的单位为g/m3，水汽压力e的单位为mmHg，绝对温标T=273.15+t）[9]，单位换算后可计算得出不同温度下饱和水汽的绝对湿度，详见表1。

由表1可知，饱和水汽的绝对湿度随气温升高快速递增、随气温降低快速递减。

气温每增加10℃，饱和水汽的绝对湿度增加2倍左右，基本上是按几何级数递增，也就是说饱和水汽降温10℃，将有50%左右的水汽饱和析出。

以温度、绝对湿度为横、纵坐标,画温度~绝对湿度的变化曲线（为节省篇幅，这里省略）,可以看出曲线基本上按指数函数增长，增速极快。

当水汽随气流向高空上升时，大气温度随之下降，大气含水量也随之下降，部分水汽将饱和析出并以降水的形式返回地表。

由表1可知，温差达到30℃且都是饱和水汽时，-20℃时的绝对湿度只有10℃时绝对湿度的9.4%；-10℃时的绝对湿度只有20℃时绝对湿度的12.3%。

大西北巨型盆地群四周的巨型山脉山脊海拔在5000米左右，常年低温，山顶大气的绝对湿度很低（按上述分析大约只有平原的1/10），根据山顶海拔、气温可得出，巨型山脉的山脊对盆地内部的水汽有极大的“约束作用。

”

2.2空中水汽在垂直方向的分布规律与成因

高校教材《现代自然地理学》是这样论述水汽的：

大气中的水汽来源于地表的蒸发和植物的蒸腾，因此，地表面空旷的水域、雪面、冰面或潮湿的土壤和植被是大气中水汽的源区，而干燥的沙漠地区则是水汽的汇区。

一般来说，在垂直方向上，水汽含量随高度的增加而减少，这种向上减少的速度是很快的，大气中的水汽几乎全部集中在近地面10~12Km以下的气层中，往上几乎绝迹了。

观测结果表明：

在1.5~2Km高度上，大气中水汽的含量减少为地面的一半；到5Km高度，只有地面的1/10；再往高空去，水汽含量更少，到10Km以上就几乎绝迹了。

这就是为什么绝大多数天气现象（如云雾雪雹）总发生在大气低层的原因[10]。

《气象学与气候学》专著对水汽的垂直分布规律也有类似表述。

大气中水汽含量随高度分布的曲线称为水汽廓线。

由北京大学大气科学系、北京合众思壮科技有限公司、海南省气象局于2005年11月20日在海口测试的水汽廓线[11]，详见图5，供参考。

按高等数学的微积分理论，某高度水平线、水汽廓线和纵横坐标轴所围面积就是该高度以下近地面空间的水汽总量。

从图5可见，5000米以下近地面空间“聚集”、“下沉”了绝大部分水汽，大约占总水汽的90%~95%以上。

根据高校教材《现代自然地理学》、《气象学与气候学》和水汽廓线可知：

受高空降温水汽冷凝析出和地球引力双重作用的影响，大气水汽有一定上界，绝大部分“聚集”、“下沉”在近地面下层。

在东南西北天上、地下6个方向上，西北内流区盆地东南西北四周都是巨型山脉，地下为地球表面，天上有地球引力和高空降温水汽冷凝析出双重作用，致使西北内流区巨型山脉对盆地内部水汽有极大的“约束作用”。

根据水汽在垂直方向的分布规律也可得出，巨型山脉对盆地内部水汽有极大的“约束作用。

”

在极限的情况下，当盆地四周山脉山脊的海拔高度达到10Km以上时，按照图5的推测，盆地底部产生的水汽将全部100%在盆地四周山脉山脊的范围内成云致雨，基本上不与外界发生水汽交换。

当然地球上不存在这样的山脉山脊与盆地，这只是便于理解本文论点、进行理论探讨而已。

由此可见，山脉山脊的海拔高度对盆地内部水汽的输送影响极大。

2.3空中水汽在纬度方向的分布规律与成因

根据自然地理学，一般情况下，纬度增加，水汽含量减小；纬度减小，水汽含量增大。

成因有二：

一是纬度增加，当地气温下降，水汽含量相应降低；其二是纬度增加，当地日照减少，水面蒸发能力降低。

因阿尔泰山脉纬度较高，其3000多米山脊线处的水汽含量与纬度较低4000~5000米山脉脊线处的水汽含量相当，对水汽的约束作用与天山山脉、昆仑山脉相当。

2.4空中水汽在水平方向的输送规律

高校教材《水文学》是这样描述水汽输送的：

表1、不同温度下饱和水汽压、饱和水汽绝对湿度的计算成果表

温度t（℃）

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

饱和水汽压E（帕）

12.8486

38.0238

103.276

259.923

611.213

1228.020

2338.919

4246.341

7384.101

绝对湿度a

（克/立方米）

0.119

0.339

0.884

2.14

4.85

9.40

17.30

30.36

51.11

绝对湿度与前列的比值

---

2.85

2.61

2.42

2.27

1.94

1.84

1.75

1.68

绝对湿度与前列的差值

---

0.220

0.545

1.256

2.71

4.55

7.90

13.06

20.75

图5、2005年11月20日海口站不同时段的水汽探空廊线、先验廊线与层析廊线

水汽输送主要有大气环流输送和涡动输送两种形式，并具有强烈的地区特点和季节变化，时而以环流输送为主，时而以涡动输送为主。

水汽输送主要集中于对流层的下半部，其中最大输送量出现在近地面层的850~900百帕左右的高度（作者注：

大致相当于平原地区1000~1500米高空），由此向上或向下，水汽输送量均迅速减小，到500~400百帕以上的高度处，水汽的输送量已很小，以致可以忽略不计[12]。

水汽的最大输送量基本都出现在离地面2公里的高度附近（无论的海滨的上海，还是高原的拉萨、内陆的乌鲁木齐）[13]。

西北盆地四周巨型山脉的高度远远大于水汽最大输送量空气层的高度，水汽水平输送过程中遇盆地四周山脉将被迫抬升，气温下降，水汽析出以降水的形式返回地表（地形雨）。

因此，根据空中水汽在水平方向的输送规律也可得出，巨型山脉对盆地内部水汽有极大的“约束作用。

”

2.5空中水汽在垂直方向的输送规律——空中水汽向上输送过程中，重力势能增大，按能量守恒定律，必须由其它形式能量转化而来。

产生于地表的水汽受地球引力的阻挡，向上输送消耗能量较大，不可能在短时间内向上爬升很大高度

向机动车和人畜向上爬坡一样，水汽向上输送比水平输送困难得多。

水汽来自于地表蒸发，高空的冷凝降水过程要消耗水汽，高层大气是水汽的汇区。

水汽向上输送过程中，重力势能大幅增加，要克服地球引力，要消耗大量能量。

例如：

来自塔里木盆地底部的蒸发水汽向上输送4000米左右才能跨越巨型山脉山脊线，每吨水汽要消耗大约mgh=3.92万千焦机械能（1吨液态水向上抽提4000米至少要耗电12千瓦时），难度很大，大部分水汽都不可能跨越巨型山脉脊线，将在低空“成云致雨”返回地表。

从水汽向上输送要消耗大量能量也可得出，巨型山脉对盆地内部水汽有极大的“约束作用。

”

2.6综合以上分析，可得出巨型山脉对大西北盆地内部的水汽有极大的“约束作用”，盆地底部蒸发的本地水汽将在盆地范围内成云致雨

塔里木盆地和柴达木盆地西面的帕米尔高原海拔在5000米左右，南面的昆仑山脉山脊和北面的天山山脉山脊海拔也在5000米左右，塔里木盆地东面的河西走廊海拔1500米左右，比塔里木盆地最低点、海拔780米左右的罗布泊也要高出700米左右；准噶尔盆地北面的阿尔泰山脉山脊在3000米以上，详见图4。

根据西北巨型山脉的高度和纬度以及水汽的分布规律和输送规律，通过以上的分析有充足的理由可以相信，西北内流区巨型盆地群四周的巨型山脉对盆地底部产生的本地水汽有极大的“约束作用”，受重力和高空冷却的双重作用，水汽总归要形成降水，巨型山脉高寒降温，水汽会在盆地四周山地遇冷形成降水（地形雨）。

3主导风向、盆地面积、盆地缺口、季节变换和北方山脉等有利于水汽在我国北方形成降水

3.1主导风向有利于柴达木盆地和塔里木盆地蒸发产生的本地水汽在当地形成降水

水汽来源于地表蒸发并且绝大部分“聚集”、“下沉”于对流层的底部，因此，本地水汽主要受低空大气环流的影响，而高层大气环流对其影响很小。

在沙漠中，流动沙丘的运动方向和速度是低空大气风力风向综合作用的结果，用其判断当地的主导风向简单直观、科学可靠。

图6为中国沙漠空间格局和沙丘运动方向图[14]，用图6判断我国北方的主导风向与实际情况相符。

虽然我国北方地处北半球西风带，但受青藏高原、帕米尔高原、阿尔泰山脉、天山山脉等高大地形的影响，低空大气环流与高空大气环流并不同步，柴达木盆地低空的主导风向为西北风，可减少柴达木盆地蒸发产生的本地水汽通过盆地缺口向外飘散；塔里木盆地低空的主导风向为东北风，也可减少塔里木盆地蒸发产生的本地水汽通过盆地缺口大规模向缺口以东飘散。

3.2我国北方主导风向“东移南下”，水汽不会大规模向蒙古国输送，主导风向“东移南下”有利于水汽在我国北方形成降水

蒙古国位于我国北方，主导风向“东移南下”，我国产生的水汽不会大规模向外蒙输送。

根据我国与蒙古国相对位置关系和西风带气流的输送规律，由我国输送到蒙古国的少量水汽，一部分在蒙古国产生降水，再次蒸发后将“东移南下”往我国输送（蒙古国南方为内流区）；另一部分可能只是外蒙上空的“过客”，途经外蒙上空后将返回我国北方。

因此，我国北方主导风向“东移南下”，有利于水汽在我国北方形成降水。

3.3巨大的盆地面积和平面尺寸有利于盆地产生的本地水汽在盆地范围内形成降水

用插入法由表1可计算得出37℃时，饱和水汽的绝对湿度为44.885克/立方米。

人的体温是37℃，假定口腔呼出气体的相对湿度为30%，则口腔呼出气体的绝对湿度为13.466克/立方米。

北方冬季室外气温为-40℃、-20℃时，相应的饱和水汽的绝对湿度为0.119、0.884克/立方米。

因此，当人在北方室外工作时，从口腔呼出的水汽瞬间凝华，有大量水汽在当地变成霜雾水，水汽变成霜雾水的比例分别为（13.466-0.119）÷13.466=99%、（13.466-0.884）÷13.466=93%。

即人体在北方室外呼出的水汽绝大部分（90%以上）在当地变成霜雾水，水汽从蒸发起始地（口腔、肺）到凝结降落地的距离不到1米。

假设北方采暖期室内温度为20℃，查表1可知饱和水汽的绝对湿度为17.30克/立方米，如果采用加湿机使室内相对湿度达到40%，则室内空气的绝对湿度为17.30*40%=6.92克/立方米。

如果室外气温为-20℃，相应的饱和水汽的绝对湿度为0.884克/立方米。

室内空气通过门窗缝隙透向室外时，瞬间有（6.92-0.884）÷6.92=87%的水汽凝结变成霜雾水。

也就是说，北方居民在室内用水使其蒸发变成水汽以后，当这部分水汽离开建筑物时，将有80%以上的水汽在当地变成霜雾水，这部分水汽从蒸发起始地（室内）到凝结降落地（室外）的距离一般不会超过100米。

在大自然中，300多平方千米水面的“湖泊效应”增加降水较明显的地域只有10Km左右[5]，沙漠地区的“绿洲增雨效应”发生在较大绿洲的下风方向[15]，登陆台风只能向陆地内部推进100～300Km，这些都说明部分水汽从蒸发起始地到凝结降落地的运行距离是非常有限的。

本地水汽来源于本地的地表蒸发且绝大部分“聚集”、“下沉”于对流层的底部，主要受低空大气环流的影响，水汽从蒸发起始地运动到凝结降落地的位移可用地表风力风向与水汽在大气中的平均停留时间相乘进行粗估。

水汽在大气中的平均停留时间为8天，按年平均风速2m/s,则8天可运行1382Km，在此期间，如果风向发生改变特别是后期风向与前期风向相反，则运动位移的绝对值将大幅减小。

因为各地的风力风向总是在不断变化，主导风向也只能说明它比其它方向的风多一些罢了，因此，水汽从蒸发起始地到凝结降落地位移的绝对值比上述计算值小得多。

以上分析说明水汽从蒸发起始地到凝结降落地的距离从不到1米至几千千米，差异很大，部分水汽的运动距离非常有限，在没有巨型山脉阻挡、特殊气流和很大风速的一般地区，大部分水汽在蒸发地下风方向1000Km以内的扇形地带形成降水，即蒸发水汽大部分在其蒸发地附近的下风方向形成降水（这里的附近是相对地球平面尺度而言）。

新疆距东部海岸线近3000Km，当地蒸发的水汽直接到达东部海洋上空才形成降水的几率不大。

因此，盆地面积对本地水汽在当地形成降水的影响很容易理解。

“如果把整个地球当作论域，那么，100%的降水是内部降水，如果论域是1平方公里的面积，几乎没有本地蒸发的水汽参加当地降水。

相对面积与内部降水比例问题是大家没有提出又十分重要的问题”。

要定量研究这一问题难度很大，这里只做定性分析。

盆地面积、盆地平面尺寸越大，本地水汽随风飘离盆地的可能性越小；反之则相反。

也就是说盆地面积越大，本地水汽越容易在盆地范围内产生降水。

例如：

据有关资料[16]，全球海洋面积占地表总面积的71%，每年蒸发产生505000Km3水汽，每年的降水量为458000Km3，即海洋蒸发的水汽中，90.7%以海洋内循环的方式返回海洋，只有9.3%以海陆大循环的方式返回海洋。

西北内流区的柴达木盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地面积分别为22万Km2、38万Km2、53万Km2，面积很大，最小的柴达木盆地也比东、中部大多数省区面积要大。

因此，可得出如下结论：

盆地四周的巨型山脉有助于盆地产生的本地水汽在盆地范围内形成降水，巨型盆地的巨大面积也有助于盆地产生的本地水汽在盆地范围内形成降水。

巨型盆地的超大面积和巨型山脉的超高海拔两者共同作用致使盆地产生的本地水汽绝大部分以降水的形式返回盆地，绝大部分水汽只能在盆地范围内进行局地水循环。

3.4盆地缺口与主导风向的相对关系有利于盆地产生的本地水汽在我国北方形成降水

盆地缺口越大，风力越强，从缺口流出的大气越多，本地水汽随风飘出盆地的可能性越大；反之则相反。

柴达木盆地与塔里木盆地之间的缺口，当对柴、塔两个盆地同时调水时，可以不考虑该缺口对水汽流失的影响。

塔里木盆地与河西走廊之间的缺口，地面海拔1500米左右，比海拔780米的盆地最低处罗布泊高700多米，对水汽有一定的约束作用；缺口宽度约70Km，与盆地四周山脉的周长相比，比例较低；盛行西风从缺口经过，肯定会带走部分

水汽。

盛行西风带走水汽对塔里木盆地而言是水汽流失，但对河西走廊形成降水有好处。