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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，半封闭程度不如南海和墨西哥湾，所以也无法形成类似如东亚与北美这么大规模的气候区。四、气候系统蒸汽机模型的工作过程形象描述前面已述，水分吸收太阳辐射的能力强于大气中的其它成分，水分还是驱动大气环流的最主要的能量介质，就如同水蒸汽对于蒸汽机的作用一样。对照蒸汽机的工作过程，气候系统这台蒸汽机体量巨大，它的表面积几乎是地球的表面积，它的工作过程当然要比真实的蒸汽机复杂。（一）晒水聚能，水汽蒸发——锅炉受热，产生蒸汽气候系统蒸汽机模型的锅炉主要是热带和亚热带海洋。以东亚-长江、西南诸河-南海、西太平洋淡水循环圈为例进行说明。顺便说一点，中国中东部水汽来源主要有三个地方——西南方为印度洋和孟加拉湾，南方为南海和西太平洋，东南方为中太平洋。西南方和南方的水汽走西南通道，中太平洋水汽走东南通道。西南通道是中国主要的水汽通道，经过青藏高原与云贵高原交接处的横断山脉。目前学术界对中国水汽主要来自于孟加拉湾还是南海，存在一定的争议。但本文提出的“淡水池”概念将有助于厘清这一争议。南海就是中国东南诸河的“淡水池”（更大的范围可以指西太平洋）。中国地势总体西高东低，大部分径流东流入海，在太平洋西海岸形成近岸流，追踪近岸流发现主体流向为南海和西太平洋。南海的封闭度很高，很好地蓄纳了近岸流带来的淡水；西太平洋南边是一系列海岛，由于赤道东风往西吹，海表淡水就往西太平洋汇聚，因此也是相当稳定的淡水汇聚地。从封闭性、入海径流量、环流形势、太阳辐射量等指标衡量，西太平洋地区是全球首屈一指的“淡水池”，后面将会论证它为什么是全球气候最活跃的地区。因为南海和西太平洋蓄纳了大量淡水，偏离了海洋的平衡态。由于表面海洋上淡下咸的层级结构相对稳定，表面海水优先吸收大量的太阳辐射，升温很快，产生大量蒸汽。可是，中、东热带太平洋面积更大，吸收了更多的太阳辐射。在北太平洋无风区，虽然太阳辐射强度稍低，可是面积又更大，吸收的太阳辐射总量也不低。这两处洋面都有大量蒸发产生。无风区的水汽受到向下气流的压制，难以上升形成降水，而是向赤道辐合，加强了中、东热带太平洋的水汽量，产生大量的降水，在赤道无风区形成稳定的层级结构，吸收大量的太阳辐射，形成暖水，通过赤道暖流补给西太平洋。因此，南海和西太平洋的淡水来源主要有两种：近岸流补给和北、中、东太平洋补给。（第三种为南太平洋跨赤道补给，暂且不提）。这实际上差不多是整个赤道以北的太平洋的淡水都在尽量向西太平洋汇聚，物质和能量两方面都是。（二）释放潜热，驱动环流——热能转化为机械能做功大气直接吸收太阳辐射的能力较弱，热能的获得主要靠水汽。一方面海洋蒸发出的水汽进入大气会释放潜热，另一方面水汽在空中再次吸收太阳辐射对大气进行二次加热。赤道上空的大气受热膨胀上升产生动能，驱动大气环流，不再赘述。（三）高空受冷，形成降水——蒸汽冷凝，回流锅炉由赤道海洋上升的水汽在高空遇冷凝结成云，在赤道两侧产生大量降雨，并补给到赤道无风区，继续晒水、蒸发、释放潜热，向大气环流提供动力。动力加大到一定程度，越来越多的水汽可以输送到中纬度西风带的边缘，在这里产生降水。在夏季，北太平洋西风带的降水量非常可观，这些水分在海面以下向低纬度渗透，如同蒸汽冷凝回流锅炉重新加热一样。参考文献[1]A.M.穆罗姆采夫，谢金赞等译.太平洋水文的基本特征.科学出版社，1959年第一版作者简介：水利高级工程师，业余时间研究“为什么海水的盐度一般为3.5%”这一问题。十年磨一剑，终得海洋热力学密码——新的海水状态方程，可使许多海洋气候学难题迎刃而解。请尊重作者知识产权，引用、转载请声明。欢迎交流与合作。Em:112147158○aqq.com