《空中水文学初探》一书的前言

张学文，2025 04 15

最近得知《空中水概论》一书正式出版（气象出版社），由于2010年气象出版社已经经有《空中水文学初探》一书出版，这样关于空中水这个主题就有两本书了。

最近我在科学网博客中贴了《空中水概论》一书的前言 https://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=2024&do=blog&id=1481788  ，现在也借此机会把《空中水文学初探》一书的“前言”也贴此。

前言

水是生物赖以存在的必要条件，也是地球表层最活跃的成分。水分也是对人类活动的影响大，随机性也非常大的自然因素。关于地球的水的知识，笼统地称为水文学。其中的地球表面以下的水分的知识属于地下水文学（水文地质学），关于地球表面的水分的知识一般直接称为水文学（陆地水文学、海洋学等）。笔者建议把空中的水（水汽、云、降落中的雨、雪、雹等）的存在、运动、变化、作用的系统性知识称为空中水文学（大气水文学）。

    过去有“水文气象学”这个名称，它似乎是气象学与水文学的交叉科学。但是多年来，在这个名称下的具体知识框架一直含糊不清。目前本书的做法是把气象领域（大气）的水分知识组织起来，形成一个主体性、系统性的空中水知识框架，并且把它与地球表面的、地下的水文学并列。作者认为，这样的知识结构的定位比较清晰。

    空中水仅是空气质量的千分之几，它一般混合于空气中，并且随空气一起运动。在这种认识下，知道了大气环流，也就知道了空中水的运动；仅在水分饱凝结变成雨滴雪花、冰雹后，它们才脱离空气变成雨雪而降落到地面；另外，地面水分蒸发时水分才有相对于空气的向上的运动。所以在大气是主角的背景下，关于空中水的知识固然得到了特别的关注，但是它们在大气环流的爱护下，反而丧失了作为一门学科而独立存在的地位。提出空中水文学这个名称本身，就是呼吁用独立的视角看待空中水，建立空中水的独立的知识体系。

    如何建立一个知识体系？作者认为，这涉及下面的七点：

l 有较统一的研究对象、领域；

l 有适用于该领域的通用性比较强又比较精确的概念；

l 有研究这些对象的若干仪器、手段和方法；

l 发现了较丰富的客观事实、现象；

l 通过归纳、分析与推理得到了若干规律；

l 有若干应用事例和一些预言（成功的和还没有兑现的）；

l 在社会上得到了一定程度的传播。

空中水文学有明确的研究领域，如果适当地吸收气象学中对空中水的知识、数据、概念、原理、方法和技术，并且创立对它有特殊意义的基本概念，建立独立的空中水知识体系，未尝是不可能的。

笔者在空中水问题方面有过长期思考与探索，愚者千虑也有一得，回顾过去自己写的文章中涉及空中水分的占了很大的比例。这其中，作者也尝试把分布函数概念、复杂程度概念和熵最大原理等应用于这个领域。在这样的背景下，作者写就了《空中水文学初探》。本书固然不足以构成一个空中水文学知识体系，但是它提出了问题，概括了有关空中水的一些新的观点、概念、方法。

过去我们看惯了介绍经典知识的教科书，但是在创新成为时代强音的今天，我们需要有勇气探索新领域、新问题，我们需要在新的视角下、在新的概念下获得新的认识。第一部电视机肯定是最蹩脚的电视机，但是它却是今天所有电视机的起点，这第一本关于空中水文学的书，肯定是最蹩脚的空中水文学的著作。但是作者希望这成为一个新的知识体系的起点。在此，作者也热忱希望它的读者能参加进来，成为它的开拓者。

在提出空中水文学这个学科应当独立存在以后，本书讨论了几个比较具体的问题

l 空中究竟有多少水分问题。就此作者提出空中水资源可能是目前公认值的6倍的论点。而这个问题涉及的知识点是水分观测技术、水分子的聚合体问题、一般气象知识分析等。

l 空中水是否被动地随着空气运动问题。作者提出温度、气压的空间分布的不均匀可以引发水汽对空气的相对运动。这个认识不同于多年来气象学认定的水分输送量的计算公式的绝对地位，也为理解降水提出了新视角。这里涉及的知识主要是关于不均匀气体中的统计力学。

l 水滴（云滴）形成的基本物理过程是当前公认的那样吗？周少祥教授提出过去公认的凝结模型是违反热力学第二定律的。他提出需要考虑云滴的辐射能量的作用，重新认识云滴的形成过程。

l 降水预报问题是气象学里最头疼的问题，也是社会对气象学的重要期盼。降水的维持时间、笼罩面积和降水量的关系被水文界称为“降水时面深”问题。我们这里把它作为分布函数概念、最大熵原理、波尔兹曼统计理论的一种应用来对待，这涉及了统计物理、概率论等知识点。对气象学和水文学，这是新知识，它被我们称为降水统计力学。

l 从气候角度认识不同地点的蒸发量与不同地点的降水量的定量关系问题。这里借助新引入的水分扩散函数和水分辐合函数概念，巧妙地利用质量守恒原理把不同地点的蒸发与降水联系了起来。它为具体计算各地的水分（蒸发、降水）的来龙去脉提供了思路。

l 对于空中水文学的一般知识框架,提出了一个提纲。

    希望本书对空中水知识的系统化有所促进。作者也借此机会呼吁：气象与水文专业的中专和高等学校的学生应当有专门的空中水的课程和教材；国家还应当有空中水研究室、研究所。作者期待这类图书的编写，期待这些课程和研究机构的设置。

    本书第6章由周少祥教授执笔，张学文负责其余部分和统稿。

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