漫話空中水

張學文

前不久，有報道稱，英國“流行建筑”公司(popularchitecture)正打算在倫敦建造一座史無前側的300層摩天塔樓——它將有1524米高，形如一根高聳入云的雪茄。塔樓中設施齊全，可容納100萬人同時居住，堪稱一座名副其實的“塔中城市”。據說該公司還提出了在陰天時從塔樓頂端的云層中采集水，經過濾之后通過管道運送到塔樓住戶家中的構想。這是人類利用空中水的又一新設想。

“地是實的，天是空的”這是人們的一般印象。可是“空”的天居然有雨、雪以至冰雹這些實實在在的東西落地，確實讓人覺得有些不可思議。天上的雨、雪、雹是從哪里來的，它何以年年有?

這個問題的答案是“天并不空”，地球地層以上還包著空氣。而這些雨、雪和冰雹都是空氣里看不見的水汽轉化來的。降雨、降雪、降雹關系著我們的生活，乃至環境是否缺水，我們要想了解、預報、影響“雨雪”的來源、運動、變化規律，自然需要探求空中水分的奧秘。

空中水概念

物質常以固體、液體、氣體三種狀態存在，對于H20這種物質，即指固態的冰、液態的水和氣態的水汽(水蒸氣)。水汽是人們肉眼看不見的，它在空中與空氣混合在一起，在水平方向，它基本上隨著空氣一起運動。

“空中水”說的就是空氣中的水，這里主要指混合在空氣中的水汽(氣態)。另外，懸浮在空中的由大量小水滴、小冰晶組成的云，雖然是顆粒狀態的液態水和固態水，但也屬于空中水。尚沒有落到地面的雨滴、雪花、冰雹是更大的顆粒狀的液態或固態水，也被歸入空中水這個概念中。所以，空中水包括了混合在空氣中的水汽和懸浮于空中的離散的顆粒水。

空中究竟有多少水?據測算，全球上空的水汽大約有13萬億噸。而我們眼睛看到的云的總含水量僅是看不見的水汽含水量的1/140。難怪一般計算空中水時都把云忽略不計。氣態的水汽固然比云里的水要多很多，但是把它們平鋪到地球上所形成的水層的厚度只有25毫米。我們知道，大氣的壓力大約與10米厚的水層相當，所以空中水僅占空氣總質量的2.5‰。這個比例雖然很小，但它絕不是微不足道的。

“勤奮”的空中水

空中水僅占大氣總質量的2.5‰，可卻是大氣里最為活躍的成分。大自然就是這樣神奇，空中水的存在使我們感到了“濕潤”，它也用五彩繽紛的云裝點了藍天。更為重要是，空中水還為地球帶來了大量的雨、雪(有的云是水汽變成雨、雪的中間環節)，并使地球滋生出了萬物。

地球的每個地方幾乎每年都有雨、雪落地。根據各地的降水資料測算，地球的多年平均降水量大約是1000毫米，即平均而言，每年天上掉下來的雨、雪可使地球表層平均積水1米深。根據物質不滅定律，這1米深的降水自然來。自于空中水的轉化。可是根據我們在前面的介紹，空中水平鋪在地表，平均厚度只有25毫米。這25毫米的大氣含水量如何才能維持每年1000毫米的降水量?

按照一般規律，不依靠貸款，只憑2.5萬元的積蓄不可能買一套時價100萬元的房子。我們如何解釋這么少的空中水卻提供了每年1000毫米的降水量?

答案就在于空中水十分“勤奮”。原來空中水并不是個孤立的，它積極參與了地球表層的水分循環。盡管每年因降水要從空中水里析出1000毫米的水分，但空中水可以依靠地球表層(海洋、冰面、陸地等)的水分蒸發而得到對應數量的補充。正是蒸發量與降水量的這種動態平衡才使得空氣里始終維持著平均厚度為25毫米左右的水汽。用1000除以25等于40，這說明每年空中水要補充、循環、更新40次。一年是365天，一年更新40次，也即空中水大約9天更新一次。

要知道地球表層的空氣是多少萬年總在空中呆著，唯有空中的水汽卻平均9天就與地表水換一次崗。沒有空中水的這份勤奮，地球就沒有那么多的雨、雪，也沒有那么多的蒸發以及那么豐富的自然景觀。

活躍的空中水還是大氣能量和溫度的積極調節者。空中水對太陽能的吸收，以及對長波輻射的作用，影響著對流層空氣的溫度分布，而云對烈日的遮蔽會直接影響到達地球的太陽輻射量。

空中水對地球表層能量活動的影響程度遠高于它在大氣中占的比例。理解空中水的存在、運動、變化和作用是廣義的水文學的重要內容。我們，把關于河流、湖泊的知識稱為陸地水文學，那么關于大氣中的水分的知識就是“空中水文學”了。

開發空中水

人們在逐步認識空中水的同時也不斷提出了一些新奇的設想，例如，能否根據空中水的情況預報降水?能否改變空中水的運行路徑，從而改變雨水的分布?能否耕云播雨?

按照專家的設想，空中的含水量越大，形成的降水量也應該越大。人們沿著這個思路分析歷史上空中的最大含水量，從而估測出當地的最大降水值。但是理論與實踐都說明，降水量與含水量的關系遠沒有這么簡單。

最近20年，由于固定的GPS(地球定位系統)可以隨時反算出當地的空中含水量，于是利用這種空中水情報幫助暴雨預報的研究工作逐步在各地展開。

眾所周知，空氣的流動必然會帶動著空氣里的水汽一起流動，要想利用本地的空中水，不僅要知道空氣中原有多少水，還要計算出流經本地的空中水量，于是專家又計算了水汽的流量。

以我國為例，根據空中各層的風速和含水量，專家計算出每年_大約有18萬億噸的水汽流經我國，每年有1萬多億噸的水汽流經新疆，水汽的流量還是相當大的。這么巨大的水汽量對降水似乎是非常有利的，于是有些人大膽提出，炸開喜馬拉雅山，以便把印度洋的濕潤空氣引入我國西北，從而改變那里的干旱狀況。

但是，理論分析不能得出水汽的流量大、降水量必然大的結論，因為降水量與水汽的流入量、流出量差值的關系更為密切，所以，開山引水汽對雨水的分布的影響遠不是臆想的那么簡單和恰如人意。

2006年，重慶大旱。一種觀點認為，是長江三峽大壩阻擋了水汽的通道。計算顯示，空中水主要在離地面6千米以下的氣層中流動。6千米以上或更高的空中，風速大而水汽少，靠近地面的地方水汽多但風速小。在地面到高空存在一個水分輸送量最大的層面，它的位置在距離地面1500米附近。長江三峽大壩的高度不到200米，何況水汽是沒有橫邊界的漫流。所以，那些認為三峽大壩改變了空中水汽輸送的說法顯然是不正確的。

空中的水汽在變成雨水之前先是變成了可以降水的云。當存在著適宜的條件時，通過人工作業，在云中播撒一些催化劑，從而使降水量有所增加的試驗早在60年前就取得初步成功。多年來，這個試驗工作在不同的國家不同程度地進行著，該項內容在我國被稱為“人工影響天氣”。盡管現在已經有衛星云圖、測雨雷達、飛機、高炮的配合，但是要區分哪些雨是自然降落的，哪些雨是人工作業的成績，依然是個難題。

空中水、降水和蒸發是在大氣的影響下互相聯系的三個環節。在關注空中水、降水的同時，我們也應關注人類活動對蒸發的影響。近幾十年來，我們在北方攔截了相當數量的入海河水用于灌溉和城市生活，黃河幾乎斷流就是其反映。我們在塔里木河上游引水灌溉使其下游的羅布泊消失，最近又實施南水北調，這些人類活動發展了農業，也使每年有數百億立方米的水分異地蒸發。這樣大量的水分異地蒸發肯定會影響空中水的補充和降水的。

開發空中水資源是個改造自然的大題目。我們對此已經有了不少想法和實踐，但是要想取得進展，依然需要我們繼續不懈的努力。

責任編輯趙菲