戴新刚
惊叹: 水汽蒸发难题的新进展
2022-2-25 16:44
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   能量和水分循环是地球气候系统中最基本的物理过程,其中地表水分蒸发或蒸散发(evapotranspiration)是水分循环的关键一环。然而,在气象学中度量大气下垫面的水汽蒸发或蒸散发一直是个世界性难题,真实世界的水汽蒸发率无法直接观测,气象站或水文站在蒸发皿中观测到的蒸发并不能代表之。为此,科学家们想出各种各样的办法近似计算或估计地表蒸发量,如结合站点观测记录和卫星遥感数据,或使用高分辨率水文模式等,具体计算依据热力学理论或地表物质及能量平衡关系等。例如,对埃及尼罗河上纳赛尔水库蒸发量的估计,不同学者用不同数据方法的计算结果之间差异较大。而在一个著名的陆面过程模式中,地表蒸发率被定义为潜在蒸发和水汽通量二者中的小者,其估计的地表蒸发量明显偏小,大约是欧洲中期天气预报中心(ECMWF)最新再分析资料ERA5的一半,接近其他学者估计的1/3。巧合的是,2022年Nature期刊刚刚发表的加州理工学院学者对2003-2019年全球地表蒸散发趋势估计的论文被作者撤稿,原因是发现对全球降水量的统计方法不当。该文是依据地表水分物质平衡,将蒸散发量作为一个降水与径流等量的余差来计算。显然这种算法对误差极为敏感,复杂地表降水量观测分布不均匀性及降水本身时空分布的极端不均匀性都成为其估计的不确定性来源之一。

   水汽相变过程是气候模式中不确定性的重要来源之一。最近,看到周少祥教授的博客中提到对大气中水汽凝结潜热计算的质疑后,查看了1968年一外国学者对蒸发现象的光谱观测结果,即水汽蒸发或凝结过程中发现有额外光谱带出现。这类研究最早可以追溯到20世纪初,直到2010年上海大学尚有人在研究这一问题。对这些文献中印象最深的是:“水汽相变在等温条件下发生,那么热量是如何传输出去的 ? ”。就在周教授哀叹气候科学中无人理会这些发现时,今天突然在科学网首页看到麻省理工学院陈刚教授研究组发在网上的最新研究成果“Photomolecular Effect Leading to Water Evaporation Exceeding Thermal Limit”,认为这种“Photomolecular Effect”(光分子效应 or 辐射分子效应?)可以使得蒸发率超过传统热力学估计极限。这意味着,如果在气候模式中考虑这一效应,气候系统中的水份循环速率可能加快,对于气候暖化背景下旱涝或极端降水事件的计算机模拟水平有望得到一定程度的提高,期待该成果能尽快用于改进气候模式中水汽蒸发或凝结热力学过程的数学表示,以减少气候模拟的不确定性。



参考文献

https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/2201/2201.10385.pdf

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