借助四大圈层的相互作用大西线调水能大幅改善大西北的气候环境Word文档格式.docx

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Abstract:

Thelithosphere,hydrosphere,atmosphereandbiosphereonthesurfaceoftheearthinteracteachother.Eachofthemhaveabigchangewillsurelyaffecttheothers.Thelarge-scalewatertransferfromtheQinghai-TibetPlateautotheNorthwestwillman-madechangetheRun-offofthehydrosphereandtheWatercycle.Andwiththehelpofthe“threeeffect”betweenthehydrosphere,aerobiologistandbiosphere,andtheconstrainttothewatervaporinthebasinbythehugemountainsaroundthedeepbasininaridareaoftheNorthwestcanrealizeavirtuouscircletotheNorthwestclimateenvironment.Withthelarge-scalewatertransferring,theaverageprecipitationcanbeexpectedtobearound500mm.Theharshenvironmentmaybetotallychanged.Thispaperisoneof6papersoftheseriesof“transferringwatertoincreaserainfall”.The7papersdemonstratedthesamepointfromtheorytofactsusingthedifferentmethods.Theycomplementandconfirmeachother,sotheargumentisinhighcredibility.

引言

有关这方面的内容，王建主编的《现代自然地理学》用144页的篇幅作了系统详细的阐述。

在《四两拨千斤，西北内流区巨型超深盆地群有极大的“调水倍增效益”》等论文中，笔者阐述了借助西北巨型超深盆地独特的地理环境，特大规模调水能彻底改变西北干旱少雨的恶劣气候，可使西北年平均降水量达到500mm左右。

这样的观点比较另类，仅用少量尚有争议的论证方法加以论证难以说服整个学术界，有必要用其它方法继续深化研究、相互印证。

如果从青藏高原向西北特大规模跨流域调水，人为有意识地改变水圈的径流和水循环，那么，西北大气圈的降水量会发生什么变化？

西北的生物圈又会发生什么变化？

整个西北的大气圈、水圈、生物圈、岩石圈四大圈层相互作用、相互影响又会发生什么变化？

上述问题的研究涉及面极其广泛，要由专门机构、专业人才进行专门研究。

作者受学术水平、客观条件和篇幅所限，本文应用水圈、大气圈、生物圈相互作用的三个效应、西北干旱地区超深盆地四周的巨型山脉对盆地内部水汽和云层的约束作用，对上述问题进行定性分析和简单的定量研究。

1湖泊效应的两个主要影响因素

湖泊效应是水圈、大气圈、生物圈相互作用的结果，是现代自然地理学的科研成果，其原理[1]请参阅《现代自然地理学》。

1.1水域面积极小时的湖泊效应

极小水域面积的湖泊，蒸发的水汽少，对周围大气环流几乎没有影响，其湖泊效应可忽略不计。

1.2水域面积几百Km2时的湖泊效应

“新安江水库于50年代末（1959——1960）建成以后，该区从一个狭窄的河流变为一个面积394Km2的水库，对湖泊及其湖泊周围气候产生了一些影响。

（1）水分平衡的变化。

根据分析，建库前（1951——1958）湖区的蒸发量为720mm，建库后（1965——1972）为775mm，建库后湖区蒸发量增加55mm。

而湖泊周围地势高处降水增加。

影响范围一般为8~9Km，最大不超过60~80Km……”[2]

黄河龙羊峡水库正常蓄水位2600m，相应的水域面积383Km2。

“青海省气象局在研究青海省湖泊气候效应的基础上，利用龙羊峡蓄水后1987年至1989年三年完整的气象资料，对地处干旱、半干旱地区的三大型水库中面积最大的龙羊峡水库的“水库效应”进行研究。

研究结果表明，龙羊峡水库的“库区效应”主要表现降雨、湿度和风频的改变。

（1）降雨：

表现在沿库10km条带内的降雨量增加38～9.5mm，增加幅度在12%～3%；

并且夜雨量占总降水量的65.1%……”[3]

从以上两例可以看出，300多Km2水域面积的湖泊对降水有明显影响的范围大约局限在离岸10Km的地域。

1.3水域面积几千Km2时的湖泊效应

青海湖流域是一个中型盆地，东为日月山、南为青海南山、西北为大通山。

青海湖地处青海湖盆地，为我国第一大湖，水域面积约4300Km2。

青海湖为天然湖泊，目前当地的年降水量和当地的自然生态环境是清楚的；

如果青海湖步罗布泊的后尘彻底干涸，当地的年降水量和当地的自然生态环境将会发生怎样的变化就只能根据一般的科学规律进行初步推测。

图1为《中国年降水量分布图》。

由图可见，年降水量等值线在青海湖附近发生了突变，湖泊效应致使当地降水量明显增大，青海湖流域年降水量介于300~400mm之间，大约在350mm左右。

如果青海湖步罗布泊的后尘彻底干涸，中国年降水量等值线在青海湖附近的突变将不复存在，估计那时在青海湖附近的50mm、100mm、150mm、200mm年降水量等值线将如图1黑色直线所示，青海湖流域的年降水量仅有100mm左右。

由此可见，青海湖使当地的降水量增大了约2.5倍，年降水量大约增加了250mm。

图2为《全国荒漠化土地现状分布图》。

由图可见，青海湖附近没有发生荒漠化现象，但离湖较远的北、东、西三个方向均发生了荒漠化现象，该片绿洲与南方大片非荒漠化国土相连，该片绿洲呈椭圆状，长轴长约500Km，短轴长约150Km，面积约8万多Km2。

如果没有青海湖和哈拉湖（面积约600Km2）的湖泊效应，当地降水量将大幅减小，估计青海湖附近的这片绿洲也难逃荒漠化的命运。

由此可见，青海湖的湖泊效应极大地改善了当地的生态环境。

《中国年降水量分布图》和《全国荒漠化土地现状分布图》清楚地表明，水域面积约4300Km2的青海湖对当地的气候和生态环境有举足轻重的作用。

洞庭湖地处两湖盆地（也称两湖平原），包括位于湖南的洞庭湖平原和位于湖北的江汉平原。

2740Km2的洞庭湖增加当地降水量的效果也较明显，详见图1~2。

虽然面积约4300Km2的青海湖增加当地降水量、改善当地生态环境的效果极其明显，但面积3583Km2的鄱阳湖、2338Km2的太湖、2069Km2的洪泽湖地处长江中下游平原，湖泊效应增加的降水量就没有青海湖那样明显，详见图1~2。

1.4水域面积极大时的湖泊效应

海洋可视作极大水域面积的湖泊，其湖泊效应的影响范围遍及全球。

1.5湖泊效应的两个主要影响因素

由前面的分析可知，影响湖泊效应的主要因素包括湖泊的水域面积和湖泊所处的地理环境。

水域面积越大，蒸发的水汽总量越多，湖泊效应的影响越大，作用范围越广，增加的降水量越多；

反之则相反。

湖泊效应除受水域面积的影响外，还与湖泊所处的地理环境有关，如四周有山的盆地效果更为明显。

由青海湖附近的气候和生态环境可以看出，当水域面积很大又处于相对有利的地理环境时，湖泊效应对当地气候和生态环境有举足轻重的作用。

2我国的治沙绿化实践、美国的灌溉实践以及绿洲效应与湖泊效应的类比

绿洲效应的原理[4]请参阅《现代自然地理学》。

我国的治沙绿化实践充分说明绿洲效应的作用巨大。

例如，经济日报的《采访手记：

“沙漠”怎样变“绿洲”》报道：

在陕西省靖边县毛乌素沙地，“靖边人植树种草防沙固沙几十年如一日。

到目前为止，全县已经完成植树造林295万亩，种草115万亩，全县林草覆盖面积达到345万亩，森林覆盖率达到了45.2%。

”“有数据显示，过去的靖边县10天里有8天是风沙天气，穿越沙漠的公路也常被流沙阻断，但从1999年以来还没出现过明显的沙尘暴天气。

2001年以后，靖边地区的平均年降水量增加了100毫米，小气候明显改善……”[5]

“灌溉后的土地，土壤湿度增大，土壤热容量增大，将会起到类似于绿洲的效果。

因此，可以说灌溉具有绿洲效应。

大规模的灌溉，甚至可以改变区域的气候。

在美国俄克拉何马、科罗拉多、内布拉斯加州62000Km2土地上的灌溉，使得这些地区初夏的降水大约增加了10%。

”“灌溉是改造沙漠的一个良好的途径。

在某些具有比较丰富的地下水或者不远的邻区具有比较丰富的水源的地区，尤其是在人类活动引起的草地退化和沙漠化的初期阶段，通过灌溉可以打破或者阻断沙漠化的恶性循环，使地面环境得以恢复。

”[6]

绿洲效应的原理、我国的治沙绿化实践和美国的灌溉实践，都充分说明沙漠化地区绿化造林对大气圈有较大的增雨作用。

绿洲的年蒸散量与湖泊的年蒸发量相差不大，都在1000mm左右，绿洲和湖泊都能增加当地的降水量，都能改善当地的生态环境。

绿洲效应和湖泊效应的原理相似，向湖泊效应一样，绿洲效应也受绿洲面积和所处地理环境的影响，当两者都处于相对有利的地位时，绿洲效应对当地气候和生态环境也有举足轻重的作用。

3沙漠化效应的简单量化分析

沙漠化效应的原理[7]请参阅《现代自然地理学》。

“Charney的模拟结果表明，在其余条件不变的情况下，如果将非洲Shahale地区的反射率从14%提高到35%（相当于过度放牧引起的沙漠化），降水量将会减少大约一半。

模拟结果表明，如果南美洲30°

S以北的森林被草地取代，降水将减少15%；

如果亚马孙流域的森林被沙漠取代，降水将减小70%，类似于非洲撒哈拉半干旱地区的水平。

”[8]

由以上模拟数据可知，从森林到沙漠，从一个极端到另一个极端，生物多样性大幅减少，地表的实际蒸发量大幅减少（沙漠无水蒸发），降水量也会大幅下降，降水量减小70%，反过来说就是地表从沙漠到森林，由一个极端到另一个极端，当地降水量可增加到原来的1÷

30%==3.33倍。

以上计算结果和青海湖流域的客观事实说明下垫面的蒸发对当地降水的影响很大。

4超深盆地四周的巨型山脉对盆地内部的水汽和云层有约束作用，即岩石圈对大气圈中的水分有约束作用，盆地底部产生的本地水汽绝大多数只能在盆地范围内成云致雨，我们可以把这种现象称为“深盆效应”

“我国有塔里木盆地、准噶尔盆地、四川盆地，柴达木盆地等著名盆地。

把盆地四周的山体也算在内，它们的总面积大约占国土面积的1/5。

如果把三面环山的东北，四面有山的两湖盆地也算在内，盆地占的面积更大。

”[9]

我国的盆地面积为科技人员认识盆地天气气候提供了舞台，气象科技人员经长期大量的气象观测和研究发现，“盆地的天气气候与周围地区有比较明显的差别”[9]。

长期在三山夹两盆的新疆从事气象科研工作的张学文研究员等曾倡导建立《盆地气象学》，在其论文《盆地气象学及其一些概念》中，阐述了盆内云、滞留云等概念以及盆地气象的一些特点，例如阐述了盆地“天气系统在这里的移动性差。

某些天气（现象）系统在盆地内部滞留的时间长。

水分（水汽、云，蒸发、降水量）在盆地内部的循环比较明显”等。

[9]

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3。

按微积分理论，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。

由图3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。

由高校教材《现代自然地理学》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。

西北内流区超深盆地四周都是巨型山脉，下面为地球表面，上面有地球引力和高空降温水汽冷凝析出双重作用，致使西北内流区超深盆地内部的水汽受到极大的“约束作用”，盆地底部产生的本地水汽绝大多数只能在盆地范围内成云致雨。

气象学按高度将云层划分为低云、中云和高云。

其中的低云，云底低于2000米，低于塔里木等西北盆地四周的山脉高度，受到盆地四周山脉的强力约束；

高云的云底高度大于6000米，大于塔里木等西北盆地四

图32005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

周的山脉高度（少数山峰除外），基本不受盆地四周山脉的约束；

中云高度介于2000米至6000米之间，受到盆地四周山脉一定程度的约束，部分云层位于盆地四周山脉高度以下，部分云层位于盆地四周山脉高度以上。

因为中低云的平均气温较高，含水量较大，而高云则相反；

低云与降水量相关密切，而高云与降水量的相关性较差[12][13]，所以说盆地四周的巨型山脉对盆地内部云层和降水有较大的约束和影响。

水汽、云层在垂直方向的分布规律和气象科技人员对盆地天气系统的长期观测和研究表明，盆地气候气象有其特殊性，盆地四周巨型山脉对盆地内部水汽和云层有“约束作用”，盆地底部产生的本地水汽绝大多数只能在盆地范围内成云致雨。

借鉴湖泊效应、绿洲效应、沙漠化效应，我们把盆地内部水分的上述现象称之为深盆效应。

之所以称为深盆效应而不是盆地效应，一是区别于社会现象中的盆地效应，二是为了表示盆地深度对该自然现象的巨大影响。

青海湖流域为盆地，两湖（湖南、湖北）类似于盆地，有了深盆效应的概念，就很容易理解青海湖和洞庭湖对当地气候环境的影响比鄱阳湖、太湖、洪泽湖大得多的客观事实。

实际上，影响湖泊效应和绿洲效应的地理环境就是深盆效应。

5湖泊效应、绿洲效应、沙漠化效应、深盆效应的区别和联系、四个效应的本质初探和它们共同作用的预测初估

5.1湖泊效应、绿洲效应、沙漠化效应、深盆效应的区别和联系

沙漠化效应是一种恶性循环，致使当地气候与生态环境更加恶劣。

湖泊效应因水域表面的蒸发使湖泊周围降水量增大，生态环境好转；

绿洲效应因绿洲地表和植被的蒸散使当地的降水量增加，生态环境好转。

湖泊效应和绿洲效应都是良性循环，致使当地气候与生态环境逐步好转。

湖泊效应和绿洲效应的作用原理相似，湖泊水域的单位面积年蒸发量与绿洲单位面积的年蒸散量也相差不大，两者的作用效果差不多。

沙漠化效应促使气候环境恶性循环，而湖泊效应和绿洲效应促使气候环境良性循环。

如果某地由恶性循环变成良性循环，由一个极端变为另一个极端，当地的气候生态环境将发生根本改变。

湖泊和绿洲蒸发的水汽中，部分在湖泊和绿洲附近成云致雨，部分在远离湖泊和绿洲的地方成云致雨，湖泊效应和绿洲效应分别增加湖泊和绿洲附近的降水量。

而位于盆地内部的湖泊和绿洲蒸发的水汽，部分在湖泊效应、绿洲效应的作用下，在湖泊和绿洲附近成云致雨；

部分在深盆效应的作用下，在远离湖泊和绿洲但仍然在盆地的范围内成云致雨；

还有一部分随风飘出盆地，在盆地以外成云致雨。

也就是说，在湖泊效应、绿洲效应、深盆效应的共同作用下，绝大多数由盆地蒸发的水汽将在盆地范围内成云致雨。

因此，可以说深盆效应有放大湖泊效应和绿洲效应的作用，使湖泊效应和绿洲效应的影响更大，作用范围更广。

5.2四个效应的本质初探

绿洲效应和湖泊效应的本质是绿洲和湖泊产生的部分水汽在附近成云致雨，沙漠化效应的本质是沙漠化地区无水可供蒸发，实际蒸发量很小，产生的水汽很少致使当地降水减少。

绿洲效应、湖泊效应和沙漠化效应的共同本质是产生的水汽多，当地的降水量大，产生的水汽少，当地的降水量小。

至于深盆效应就是将盆地范围内产生的水汽约束在盆地范围以内，岩石圈的约束作用减少了水汽随风飘出盆地的可能，使本地产生的水汽绝大部分在盆地范围内形成降水，这类似于庄稼收获时的颗粒归仓，随风飘出盆地的水汽很少。

深盆效应也遵守蒸发的水汽多，当地降水量大，蒸发的水汽少，当地降水量小的一般规律，如果盆地范围内无水可供蒸发，当地水汽很小，盆地四周岩石圈对盆地内部水汽的约束作用也就毫无意义，发挥不了应有的作用。

5.3四个效应共同作用的预测初估

由第3节可知，亚马孙河流域从森林到沙漠当地降水量将减少70%，反之，从沙漠到绿洲森林，即从沙漠化效应变为绿洲效应，当地降水量可增加到原来的3.33倍，增长的幅度很大。

由1.3节可知，青海湖和哈拉湖彻底干涸时，当地的降水量大约只有100mm；

在湖泊效应和深盆效应的共同作用下，当地的实际降水量大约为350mm，增加了250mm，增加到湖泊彻底干涸时的3.5倍。

由以上的分析可推知，由沙漠化效应走到绿洲效应和湖泊效应，再加上深盆效应，在四个效应的共同作用下，当地降水量理应为原有降水量的3.5倍左右。

6向西北特大规模调水以后，西北的年平均降水量有望达到500mm左右，西北的气候环境有望彻底改变

6.1目前西北的气候环境由沙漠化效应主导，向西北特大规模调水以后，西北的沙漠化效应将逐步减弱直至消失，湖泊效应、绿洲效应、深盆效应将主导西北的气候环境

目前西北的气候环境由沙漠化效应主导，当地气候环境恶性循环的表现：

西北地处干旱、半干旱地区，沙漠广泛分布，塔克拉玛干沙漠、吉尔班通古特沙漠、柴达木沙漠、巴丹吉林沙漠、腾格里沙漠等都位于其中，这些沙漠是整个中亚至蒙古沙漠的一部分，整个地域沙漠广泛分布，沙尘暴猖獗。

“一千多年来中国的沙漠向外扩展了一百多千米，原来的楼兰、尼雅、居延、米兰、统万等古城都已被埋在沙漠之中了”[14]，这说明千年尺度范围内，当地的气候环境呈恶化趋势。

多位气象专家的研究揭示[15][16]，半个世纪以来输入新疆的外来水汽不但没有增加反而有所下降，这说明近几十年来外来水汽对新疆气候环境的影响是负面的，不考虑内部水循环变化的话，新疆的气候环境呈恶化趋势。

向西北特大规模调水以后，新增水源用于灌溉开垦荒漠，沙漠面积将大幅减小，绿洲面积将大幅增加，将产生绿洲效应；

原来已经干涸的湖泊如罗布泊，因特大规模调水将再现水波荡漾，将产生湖泊效应；

又因为这些湖泊和绿洲地处塔里木盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地等，将产生深盆效应。

所以，特大规模调水以后，沙漠化效应将消失，湖泊效应、绿洲效应和深盆效应将主导西北的气候环境，西北的气候环境将由恶性循环变成良性循环。

6.2向西北特大规模调水以后，在湖泊效应、绿洲效应、深盆效应的共同作用下，西北的年平均降水量有望达到500mm左右，西北的气候环境有望彻底改变

柴达木盆地和塔里木盆地的气候由沙漠化效应主导，当地年平均降水量≤100mm；

青海湖盆地没有沙漠，当地气候由湖泊效应、绿洲效应和深盆效应共同主导，青海湖盆地的年均降水量在400mm左右。

以上客观事实有重要的参考价值，沙漠化效应主导的西北变成由湖泊效应、绿洲效应和深盆效应共同主导，西北的年降水量将成倍增加。

根据第5.3节的预测初估，在四个效应的共同作用下，当地降水量理应为原有降水量的3.5倍左右。

西北现状平均降水量在235mm左右[17]，所以，未来西北的平均降水量有望达到500mm左右。

7以青海湖为类比参照分析论点的可信度

青海湖为我国第一大湖，水面4583Km2，年蒸发产生40.5亿吨水汽，按此推算，青海湖水面每年的实际蒸发量为884mm。

据张学文《雨量变化调节新疆的荒漠化和绿化》介绍，新疆的绿洲农田年蒸发量在1000mm左右，所以说，沙漠绿洲蒸散产生水汽的能力与青海湖水面蒸发产生水汽的能力基本相同，甚至更大。

柴达木沙漠面积3.49万Km2，吉尔班通古特沙漠面积4.88万Km2，塔克拉玛干沙漠面积33.76万Km2，面积分别是青海湖水面的7.6倍、10.6倍、73.7倍。

当上述沙漠全部变成绿洲以后，相当于柴达木盆地中央有7.6个“青海湖”，准噶尔盆地中央有10.6个“青海湖”，塔里木盆地中央有73.7个“青海湖”。

在湖泊效应和深盆效应的共同作用下，青海湖对当地降水和生态环境产生了举足轻重的作用。

沙漠绿洲蒸散水汽的能力与青海湖水面蒸发水汽的能力基本相同，超深盆地中央的沙漠变成绿洲以后，将变成数个、数十个、近百个“青海湖”。

一个青海湖就能大幅增加当地降水量，显著改善当地生态环境，在绿洲效应和深盆效应的共同作用下，如此众多的“青海湖”大幅增加当地降水量、彻底改变当地干旱少雨的恶劣气候是可能的，本文论点可信。

8分析初估彻底改变西北干旱少雨恶劣气候环境需要的调水规模

8.1保持青海湖盆地周围生态环境的相对稳定，每年需要的调水折算水深的分析计算

据青海省水文部门几十年的水文监测和计算，青海湖多年平均入湖地表水资源量为15.26亿立方米，湖面降水量15.61亿立方米，地下水入湖补给量6.03亿立方米，而湖泊水面蒸发量高达40.5亿立方米，平均每年青海湖水量减少3.6亿立方米[18]。

按以上资料可计算得到青海湖水域年平均降水量为355mm，年平均蒸发量为942mm。

青海湖盆地也可称为青海湖流域，流域面积为29661Km2，平均每年的水量流失深度为3.6*1011÷

（29661*106