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水循环知识：水循环中的大气水汽水循环是指地球上水分在不同状态（固态、液态和气态）之间不断循环的现象。
其中，气态的水分主要存在于大气中，即水汽。
在水循环中，水汽是不可或缺的一部分，起着非常重要的作用。
首先，水汽是大气中最重要的温室气体之一。
温室气体能够吸收地球表面发出的热辐射，从而使地球表面得以保持适宜的温度。
如果没有水汽在大气中的存在，地球表面的温度将降低，导致生物多样性遭受破坏，灌溉系统受损等问题。
此外，水汽还通过降水的形式将水分送回地表，并在此过程中为植物的生长和动物的生活提供必要的水源。
在降水时，水汽凝结成小水滴或冰晶，在漫长的时间里沉淀到地表上，流入河流、湖泊和地下水库中，重新进入水循环的下一环节。
除此之外，水汽作为漂浮在大气中的固体颗粒和液滴的云的主要成分，也对地球的气候和大气环境发挥着重要作用。
云对太阳辐射的反射和大气中其他分子的散射，都会影响地球的热平衡和大气的氧气含量等参数。
总之，水循环中的水汽是非常重要的一环。
它帮助维持了地球的生态平衡和生命的延续。
尤其是在当今全球气候变暖的背景下，水汽的作用更加突出。
因此，保护水资源和节约水资源已经成为人类共同的责任。
大气中的水汽滞留函数张学文（乌鲁木齐沙漠气象研究所，中国气象局, 新疆，乌鲁木齐，830002）（受科技部科技公益研究专项2004DIB3J118 资助）提要：水分从蒸发进入大气到变成雨雪再降落大约在空中滞留（存活）9天，而9天只是水汽在大气中的平均寿命。
我们应当知道在大气里现存的总水汽量中已经在大气里滞留（存活）1天、2天或者n天的水汽分别占有的百分比是多少。
描述这个问题需要引入大气中的水汽滞留函数概念。
本文阐明了水汽滞留函数的物理含义并且指出它应当是一个负指数方程。
关键词：大气中的水分循环，大气中的水汽滞留函数1. 引言就全球而论，大气中持有的水汽约为25毫米[1]，而每年的降水量（约1000毫米），是它的40倍。
大气要维持水分平衡必然要从下垫面的水分蒸发中补充1000毫米（相当于补充40次，1000毫米/25毫米）的水分。
这也说明水分从蒸发进入大气到形成雨雪而脱离大气，一年要循环40次，即大气中的水汽9天（365/40）就更新一次，即水汽蒸发进入大气在空中平均滞留9天又回到下垫面[2]。
“9天”是描述大气中的水分循环的重要参数。
但它只是个平均值，实际情况肯定有的水汽滞留时间更长或者更短。
面对大气中现存的水汽，我们可以问，它们进入大气1天、2天、…n天就离开大气的水分占了水汽总量的百分比是多少，回答这个问题显然不是求一个未知数，而是求一个未知函数，描述不同滞留时间的水汽占的百分比的函数。
文献[3]提出了分布函数概念和它在气象学中的应用问题，不同滞留时间的水汽各占多大的比例的问题实际上就是分布函数概念的一个特例。
文献[4，5]给出了在不同约束条件下利用最复杂原理（最大熵原理）求得其分布函数的思路、原理和技术。
本文就利用这种思路给出一种（可以不是一种）理论的水汽滞留函数。
2. 水汽滞留函数f(τ)本文分析某个气候阶段（例如30年）的地球大气中的水汽的总的情况。
根据前面的讨论，我们把f(τ)称为水汽滞留函数：这个函数的自变量τ是水汽在最近的一次蒸发进入大气后已经存在（滞留）的时间长度。
大气成分的平均滞留时间大气成分的平均滞留时间是指在大气中各种成分停留的平均时间长短。
这个时间长短对于大气环境的理解和气候变化的预测非常重要。
大气成分包括了主要的气体（如氮气、氧气、二氧化碳等）、水汽、臭氧、悬浮颗粒物等。
每种成分的滞留时间受到不同因素的影响，如物理、化学、生物过程等。
大气中主要的气体成分，如氮气和氧气，是与生物和地球上的其他过程不易发生反应的稳定成分。
在大气中，氮气占据78%的比例，氧气占据21%的比例。
由于氮气和氧气的化学特性相对稳定，它们的滞留时间非常长。
据科学研究，大气中的氮气滞留时间约为4000万年，而氧气滞留时间约为5000年。
二氧化碳（CO2）这样的温室气体就有着不同的情况。
二氧化碳是一种关键的大气成分，其浓度的变化直接影响着地球的气候变化。
二氧化碳的滞留时间相对较短，约为几十年至几百年。
当二氧化碳释放到大气中后，它很快被吸收和储存到海洋和陆地生态系统中。
尽管如此，由于人类活动不断增加二氧化碳的排放量，大气中的二氧化碳浓度仍在不断上升。
水汽是大气中最重要的成分之一，也是大气中最短滞留时间的成分之一。
水汽的滞留时间通常为几天至几周。
由于水的周期性蒸发和降水过程，水汽在大气中的浓度不断地变化。
水汽是大气中存在的最快移动的成分之一，它被迅速循环和重新分配到地球上不同的地区。
臭氧是大气中的另一个重要组成部分，主要在平流层中形成。
平流层臭氧的滞留时间较长，可以延续几个月至几年。
然而，对于对地球大气层低层的对流层而言，臭氧的滞留时间相对较短，只有几天至几周。
臭氧对于地球的辐射平衡和紫外线的过滤具有关键作用。
悬浮颗粒物也是大气中的重要组成部分，在大气中滞留的时间非常短。
悬浮颗粒物分为可见颗粒物和细颗粒物，包括尘埃、烟雾、颗粒物污染物等。
可见颗粒物的滞留时间约为几天至几周，而细颗粒物的滞留时间更短，只有几小时至几天。
这些颗粒物主要受到空气动力学、大气湍流和降水等因素的影响。
综上所述，大气成分的平均滞留时间是一个复杂的问题，各种成分的滞留时间长短不同。
大气湿度与水循环解析水蒸气在大气中的运动大气湿度是指大气中所含水蒸气的含量，它是水循环的重要组成部分。
水循环是指地球上水分在不同形态之间不断循环的过程，其中水蒸气在大气中的运动是水循环的一个关键环节。
本文将对大气湿度与水蒸气在大气中的运动进行解析。
一、大气湿度的定义与测量方法大气湿度是指大气中所含水蒸气的含量。
一般情况下，湿度可以用绝对湿度和相对湿度来衡量。
绝对湿度是指单位体积空气中所含水蒸气的质量，常用单位为克每立方米。
相对湿度是指单位体积空气中所含水蒸气质量与饱和水蒸气质量之比，常用百分数表示。
测量大气湿度的方法有多种，常用的有湿球温度法和干湿球测量法。
湿球温度法是通过测量湿球和干球的温度差来计算相对湿度。
干湿球测量法则是通过测量湿球和干球的温度，结合空气压力和气温等参数，利用气象学公式计算相对湿度。
二、水循环与大气湿度的关系水循环是地球上水分在不同形态之间不断循环的过程，包括蒸发、凝结、降水等多个环节。
大气湿度是水循环的重要组成部分，水蒸气在水循环中的运动也对其他环节产生影响。
当地面水体受到太阳的照射，一部分水会蒸发为水蒸气，进入大气层。
水蒸气在大气中升高时会遇到更冷的空气，水蒸气会凝结为云，形成云层。
云层中的水滴会不断凝结增大，最终形成降水，如雨、雪等。
在大气中，水蒸气的运动受到多种因素的影响，如气温、气压和风等。
温度的升高会增加空气中所能容纳的水蒸气量，因此，下垫面温暖的地区一般湿度较高。
而气压和风对水蒸气的输送和分布也有着重要的影响。
三、水蒸气在大气中的运动水蒸气在大气中的运动主要通过蒸发、凝结和降水等过程实现。
蒸发是指地表水体受到外界热量的作用，其中的水分分子获得足够的能量从液态变为气态形成水蒸气。
蒸发主要发生在海洋、湖泊、河流、植被等地表水体上。
凝结是指水蒸气在遇冷或遇到凝结核的情况下从气态转变为液态，形成云、雾等水凝结物。
云是由微小的水滴或冰晶组成的可见物质，它是水蒸气凝结的产物。
空气湿度第一节第二节第三节蒸发与蒸腾水汽凝结与大气降水退出第四节水分与农业第四章水分二 三 第一节 空气湿度（air humidity) 空气湿度的表示方法空气湿度的时空变化一 水的相变一、水的相变水汽是大气中唯一能发生相变的气体，水的三相为水汽、水、冰。
•水相变化的物理过程从分子运动学的观点看，水相变化是各相之间分子交换的过程。
•水相变化中的三种过程在水和水汽共存的系统中，存在三种过程：蒸发过程、凝结过程和动态平衡。
气象学上用空气湿度表示大气中水汽含量的多少二、空气湿度的表示方法1.水汽压(water vapour pressure)水汽压（e）：空气中水汽产生的压强。
水汽压可以直接表示空气中水汽含量的多少。
水汽压单位：百帕（hPa），毫米汞柱mmHg饱和水汽压：空气中水汽达到饱和状态时的水汽压(saturation/equilibrium vapour pressure)，用E或e表示。
s(1)物态同温度下冰面E冰<E水饱和水汽压E的影响因素云中，冰晶与过冷却水滴常常并存，若E冰<e<E水，则水滴将蒸发而逐渐缩小，冰晶将不断凝华而增大，水分子不断从水滴向冰晶转移，这就是“冰晶效应”E受物态、蒸发面形状、水溶液浓度、温度等因素影响。
凝结增长大小水滴共存(2)蒸发面形状当蒸发面曲率半径<1μm，与水分子半径相近时，蒸发面形状会影响E的大小。
(3)云中水滴大小云中水滴大小不一，曲率不同，若实际水汽压介于大小水滴的E之间时 (E大<e<E小)，小水滴因蒸发而缩小，大水滴因凝结而增大。
凝结增长(4)蒸发面浓度当蒸发面浓度的不同，也会影响E的大小。
因为浓度大的液体表面水分子占据的面积小，单位时间内逸出的水分子就少。
饱和水汽压与温度关系曲线饱和水汽压(E)温度(℃)4.饱和差（saturation deficit/deficiency)饱和差（d）：同温度下的饱和水汽压与空气中实际水汽压之差。
大气中的水汽滞留函数张学文(乌鲁木齐沙漠气象研究所,中国气象局, 新疆,乌鲁木齐,830002(受科技部科技公益研究专项2004DIB3J118 资助提要:水分从蒸发进入大气到变成雨雪再降落大约在空中滞留(存活9天,而9天只是水汽在大气中的平均寿命。
我们应当知道在大气里现存的总水汽量中已经在大气里滞留(存活1天、2天或者n天的水汽分别占有的百分比是多少。
描述这个问题需要引入大气中的水汽滞留函数概念。
本文阐明了水汽滞留函数的物理含义并且指出它应当是一个负指数方程。
关键词:大气中的水分循环,大气中的水汽滞留函数1. 引言就全球而论,大气中持有的水汽约为25毫米[1],而每年的降水量(约1000毫米,是它的40倍。
大气要维持水分平衡必然要从下垫面的水分蒸发中补充1000毫米(相当于补充40次,1000毫米/25毫米的水分。
这也说明水分从蒸发进入大气到形成雨雪而脱离大气,一年要循环40次,即大气中的水汽9天(365/40就更新一次,即水汽蒸发进入大气在空中平均滞留9天又回到下垫面[2]。
“9天”是描述大气中的水分循环的重要参数。
但它只是个平均值,实际情况肯定有的水汽滞留时间更长或者更短。
面对大气中现存的水汽,我们可以问,它们进入大气1天、2天、…n天就离开大气的水分占了水汽总量的百分比是多少,回答这个问题显然不是求一个未知数,而是求一个未知函数,描述不同滞留时间的水汽占的百分比的函数。
文献[3]提出了分布函数概念和它在气象学中的应用问题,不同滞留时间的水汽各占多大的比例的问题实际上就是分布函数概念的一个特例。
文献[4,5]给出了在不同约束条件下利用最复杂原理(最大熵原理求得其分布函数的思路、原理和技术。
本文就利用这种思路给出一种(可以不是一种理论的水汽滞留函数。
2. 水汽滞留函数f(τ本文分析某个气候阶段(例如30年的地球大气中的水汽的总的情况。
根据前面的讨论,我们把f(τ称为水汽滞留函数:这个函数的自变量τ是水汽在最近的一次蒸发进入大气后已经存在(滞留的时间长度。
而f值表示水汽滞留时间在τ±0.5这个范围(即时间的单位增加量的水汽在大气里的水汽总量中占的百分比。
f的量刚是时间的负一次方。
根据分布函数的一般定义[5],水汽滞留函数就是一种具体的分布函数。
根据文献 [4,5]的研究,我们可以在分析该分布函数涉及的物理过程是否存在随机性和应当具有的约束条件的基础上引入最复杂原理(最大熵原理,从而推求理论的分布函数。
3. 从熵原理和约束条件求水汽滞留函数要具体追踪每天蒸发的水汽在大气中的行踪是十分困难的。
但是从气候角度分析问题,不仅得到了水汽在大气中平均存在9天的知识,而且可以把天气演变过程仅仅看作是气候平均情况下的随机扰动。
而承认气候的形成中包括天气过程这个随机性也就可以引用最复杂原理(最大熵原理了。
根据 [6]的研究思路和举例,如果存在着很多地位相同的个体,每个个体就某标志值x 在同一时刻只能取一个值,但是各个个体的标志值可以不同,那么可以用一个分布函数描述具有不同的标志值的个体各有多少。
而当● 各个个体的标志值必然大于零,而且其平均值应当是常数● 如果各个个体的标志值究竟取什么数值具有随机性时,表示不同标志值各有多少的分布函数所对应的熵(复杂程度应当达到最大值。
理论分析已经得到这时的分布函数只能是负指数函数。
并且具有下面的形式:a x a e x f f -==1( (1这里的a 是标志值x 的平均值 ,而f 是标志值(变量出现在x ±0.5范围的个体的数量占的百分比。
结合水汽滞留问题,可以这样分析和引用上述结果:大气中存在很多个水汽分子,每个水汽分子就是一个个体,而每个水汽分子已经在大气中存活时间(滞留时间就是标志值(变量。
当我们承认● 水汽分子在大气中滞留的时间的平均值应当在研究的这个气候阶段是不变化的, 9天就是这个常数的值(包含了这个值必然大于零的要求。
● 各个水汽分子在大气里滞留的时间长短具有随机性的(是随机变量,也就意味着只有水汽滞留函数(分布函数的特例为负指数函数时,随机性才得到充分体现、该气候系统的复杂程度(混乱程度才是最大的(没有理由更小、熵才是最大的(体现了熵最大原理。
根据水汽滞留函数的定义和公式(1,这只要把公式(1中的变量x 改为水汽滞留时间τ,把a 理解为水汽的平均滞留时间(9天就得到了大气中水汽滞留函数的具体公式应当是991τ-=e f (2 公式(2就是根据最复杂原理(最大熵原理和对约束条件(平均值不变的分析而得到的理论公式。
它对应的图形是在大气中滞留不同时间的水汽所占有的百分比The percentage of different persisted duration ofvapor in atmosphere246810120510152025303540水汽在大气中滞留的时间 vapor persisted duration/d百分比的值 p e r c e n t a g e (%如果把公式(2从0到τ做定积分,并且用F (τ表示积分结果,自然得到]/exp[1(a F ττ--= (3公式(3的F (τ显然表示了仅在大气中存在了τ天以下(不超过τ天的水汽在总的水汽中占的百分比。
当τ取不同值时,根据公式(3计算的它们占的百分比列在表中。
在大气中滞留时间≤τ天的水汽所占的百分比The percentage of vapor persisted duration who less than τdays in atmosphereτ的值 1 2 5 10 20 30 40 百分比 10.5 19.9 42.6 67.1 89.1 96.4 98.8表1提示20%的空中水汽是最近两天才进入大气中的。
这些知识对我们分析降水量中有多少水分来自远方,有多少来自附近显然是有帮助的。
讨论● 要从目前的天气学入手计算空中的水分分别在大气中存在了多少天几乎是不可能的。
但是从气候角度分析水分循环,就容易得出水汽在大气中平均存在9天的知识。
而这也提示我们再问:蒸发进入大气的水汽中有多少是1天,2天或者n 天前蒸发的。
● 本文指出,要回答这个问题,就需要引入一个函数,我们称它为空中水汽滞留函数。
给出这个名称本身已经包含了一层含义:就地球大气总体而言,在一个气候阶段,如30年,这个描述气候状态的函数应当是稳定的。
即它不追究随天气过程而变化的特例,而仅描述长时期的平均情况。
●借助于熵气象学的研究成果和本问题中“承认水汽在空中滞留时间的平均值应当是一个大于零的常数”的假设(而且只有这一个约束和最大熵原理(最复杂原理,我们可以方便地得到这个水汽滞留函数就应当是一个的负指数函数,即公式(2。
●过去我们曾经从理论和实际数据两个方面揭露过一些有关水分的分布函数都符合负指数分布公式[7-10]。
这里的水汽滞留函数是其新的事例。
当然,它是否与实际一致尚有待实践的检验。
参考文献:[1] 王守荣,朱川海,程磊等.全球水循环与水资源.北京:气象出版社,2003年:53[2] 王守荣,朱川海,程磊等.全球水循环与水资源.北京:气象出版社,2003年:50[3] 张学文.相对分布函数和气象熵,气象学报1986,44卷,第2期:214-219[4] 张学文,马力.熵气象学.北京:气象出版社,1992年:4-66[5] 张学文.组成论.合肥:中国科学技术大学出版社,2003年第2、3、11、12章[6] 张学文.组成论.合肥:中国科学技术大学出版社,2003年第12、17章[7] 张学文.大气比湿的分布律,气象学报1987,45卷,第2期:251-253[8] 张学文,马叔红,马力.从熵原理得出的雨量时程方程,大气科学1991,15卷,第6期: 17-25[9] 张学文,杨秀松.从熵原理得出的暴雨面积和雨量的关系,高原气象1991,10卷,第3期:225-232[10] 张学文.新疆水汽压力的铅直分布规律,新疆气象2002,25卷,第4期:1-1,14The persistence function of the vapor in atmosphereZhang Xue-wenUrumuqi Institute of Desert Meteorology, CMA Urumuqi 830002, ChinaAbstract:It is 9 days long that the vaporized water persisted in atmosphere before it changes into rain or snow then get out of it,but the “9 days” is a mean duration only. We need to know how many percents of water has stayed in atmosphere for 1 day, 2 days, … , n days. To describe this question, we introduced a concept: the persistence function of vapor. In this paper the significance of the persistence function of the vapor in atmosphere was discussed, we also point out that the persistence function of vapor should be a negative exponent function.Key words: water circulation in atmosphere,the persistence function of the vapor in atmosphere附图和表的英文图:在大气中滞留不同时间的水汽所占有的百分比The percentage of different persisted duration of vapor in atmosphere表:在大气中滞留时间≤τ天的水汽所占的百分比The percentage of vapor persisted duration who less thanτdays in atmosphere。
