高山增水效应及其水资源意义，本文主要内容关键词为：高山论文,水资源论文,效应论文,意义论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
我国西部天山、祁连山，深居欧亚大陆腹地，山麓周围戈壁、沙漠环抱，年降水量盆地不足50mm，天山上年降水可高达800～1000mm，相当于我国东部江淮地区的年均降水量，山上山下形成强烈的气候反差。天山顶发育永久性冰川，山间有植被、甚至原始森林覆盖，不仅构成独特的天山绿洲，而且孕育了塔里木河、伊梨河等内陆主要河流，构成了欧亚腹地最大的“水岛”和水源地。由此可见，陆地水资源空间分布除了受海陆分布的影响外，地形高低也是重要控制因素，也说明高山具有增水效应。我国是多山的国家，海拔2000m以上的国土占33％。本文从水资源角度探索高山的增水效应，旨在揭示高山的水资源地理模式，其现实意义在于探索解决内陆干旱地区严重缺水的途径。
1 高山降水现象
1.1 高山降雨量及其递增率
根据天山、帕米尔、祁连山等14座山的山顶、山麓气象站资料，山地与降水的关系（表1）。显示在一定高程范围内，随着山体增高，降水量不断增加，14个站平均年降水梯度28.12mm/100m。北方19.22mm/100m，南方37.01mm/100m；东北地区20mm/100m，西部地区20mm/100m；高山（海拔3000m以上）自然降水量一般是山前地带的2～3倍，局部甚至高达近10倍。天山最大降水带年降水高达800～1000mm，塔里木沙漠盆地年降水量仅10～20mm，二者相差50倍。西部内陆干旱地区，高山降水梯度局部高达80mm/100m。
1.2 高山云、雾、凇、雪时间长
主要山地云、雾、凇、雪情况见表1。
表1 部分山地气候分折
Table 1 Climate analysis on mountains
山顶站年均总云量6.62成，低云量4.3成，山麓站年均总云量6.32成，低云量3.14成，高下分别相差0.3成和1.16成，夏季差异分别达0.71成和1.80成。平均每上升100m，总云量增加0.05成，低云量增加0.12成。低云量比总云量多0.86成。从地理上，北方总云量高下差异0.6成，南方0.19成，北方大于南方0.41成。
用低云量作为高标准阴天的划分依据，山顶年均阴天日数76.21，山麓41.1d，多35.11d。平均每上升100m增加阴天2.27d。
山顶站年均雾日数206.9d，山麓站仅29.4d，多177.5d。平均每上升100m雾日数增加11.94d。
凇有雾凇、雨凇多种。山顶站年均雨凇日数34.6d，山麓站0.63d。平均每上升100m雨凇增加2.37d。五台山海拔2895.8m，年均雾凇108.8d。
年降雪：山顶站42.6d，山麓站11.6d，每上升100m增加降雪2.09d。山顶站平均有雪期183.7d，山麓站86.5d，高山多出97.2d，每上升100m增加有雪期6.54d。年积雪：山顶站69.0d，山麓站19.7d，每上升100m增加积雪期3.32d，北方高山则达到6.91d。
总之，高山上比山麓降水多，云雾凇雪等天气现象持续时间长。山上比山下水资源丰富。相对于周围的山麓平原、盆地、高山具有明显的增水效应。这种增水效应是指因存在高山而造成的局部区域水资源增加，否则不可能有更多的水资源。
此外，高山实际降水量大于实测降水量。从高山冰川积雪推测和高山径流推算的降水量大于实测降水量，原因是高山存在水平降水。一般山高风大。雨雪并非全是垂直降落，许多情况时风雨横扫，即所谓水平降水。常规气象观测目前不能有效监测水平降水。高山雾、凇也是水平降水的重要形式。非洲云雾包裹的高山有雾降水年总量5664mm，实际（垂直）年降水量1904mm。高山实际降水大于实测降水，意味着高山实际增水效应高于实测资料揭示的高山增水效应。
2 高山增水机理
高山水资源丰富已为人们熟知，但探讨高山增水机理目前鲜为少见。高山增水可能是非常复杂的系统和作用过程，涉及到高山水汽输送、水汽—高山—水之间的相互作用与转换过程，我们尚未完全认识与理解。
2.1 高山水汽输送充足
根据我国水汽输送高度统计，700hPa以下大气层水汽净输入量占整层的90％，且以700～850hPa大气层更为集中（表2），700～850hPa大气层的海拔高度为1500～3000m。1500～3000m海拔是我国常见山地的高度，31.3％的国土高度为1000～3000m。
表2 水汽输送高度
Table 2 Atmosphere vapor transportation with Altitude
高山降水带的高度与水汽输送高度相互应证（表3）。高山上一般存在这样一个降水带，其降水量比其上下更低或更高的地方的降水量大得多，故称最大降水带，其带高度称之最大降水高度。最大降水带一般出现在海拔2000～3000m的山腰。部分高大山脉最大降水带以上还出现另一个大降水带，由山下往山上，分别称第一最大降水带和第二大降水带（表3）。第一最大降水带一般以降雨为主，第二大降水带以降雪为主。最大降水的高度随各山脉的地理位置、气象条件而变化，降水量因地而异。高山降水带水量比山前平原一般多1～3倍，局部更高。
表3 部分高山降水带
Table 3 Most rainfall belt on mountains
2.2 高山山体增水作用
首先，高大山体强迫山前迎风气流抬升，抬升气流层厚度可达5km。若一系列高山（山脉）呈喇叭形迎风展开，还迫使气流先水平方向辐合，然后又垂向抬升。迎风坡引发垂向上升对流，导致底层暖湿气流与高空冷空气强烈混合。因对流层气温随高度增加而下降，递减率一般0.65℃/100m，山下暖湿气流逆坡上升而降温，导致水汽饱和，产生降雨、降雪，这是常见的地形降雨现象。其次，白天阳坡山地温度高于同高层气温，山体热力作用形成上坡风、谷风，也造成地形性云雨。珠穆郎玛峰地区上升气流速度可达100～200m/min，造成了许多积云，12～18时积云出现的次数是日出前的9倍，积云上升至凝结高度，导致高山带降水。还有，高山、尤其是山脉，阻碍降雨天气系统和锋面运动，使其减速缓行，甚至停止移动，形成局部地区持续性降雨。最后，冬季或夜间山顶温度低于气温，当山顶地面温度低于气流得露点时，水汽在山上地面及植物体上形成凝结或凝华，高山云雾形成雾滴，山体作为气流的冷凝器和雾栅而造成降水。因此，静态山体作用于运动气流，山体的温度变化又影响气流的热力交换，共同形成高山的山体增水作用。
2.3 高山植被增水作用
非饱和水汽经过高山上冰冷植被枝叶，很快在叶面上饱和积冰、积水，形成雾凇、雨凇。有报道，若把树上的雾凇扫下，厚度可达40～50mm，甚至100mm。五台山有记录雾架上累计最大结冰直径达597mm。山地植被对水汽的吸附与阻留作用、植物蒸腾对非饱和水汽的催化作用，使其具有显著的增雨效应。西双版纳森林可增加年降水80mm，非洲森林有1000mm的报道；日本报道，1m宽的林带每小时可从雾中捕获5升水，日本森林涵养水资源的能力达23×10[10]m[3]/a。
植被发育，尤其是森林植被，既是雨量充沛的结果，又是降水加速器。内陆高山地区植被垂直分带性体现了植被与降水相互作用关系，从山下荒漠平原沿坡上山，依次出现：干旱草地、草甸、森林草地、高山森林、高山草甸、地衣等景观带，以高山森林带空气最湿润、降水量最丰富。干旱地区山地林带高度与第一大降水带高度基本一致。
2.4 高山冰川增水作用
冰川冰的温度常年保持在0℃以下，冰川冰的温度随山高增加而降低，冰层内部温度低于表层，内部低温可达-18℃。永久性高山冰川成为高空中位置相对固定的持续性寒冷中心，暖湿气飘移经过冰川，如同遇上空调冷凝器，被冰川捕获、降温，形成雨雪降水。《祁连山现代冰川考察报告》有一段情景描述：“夏季，每座高峰都是一个湿岛，野马山（大雪山）自成一天气单位，山周围都有云，山上空的云层常常是最密和最厚，山上空的积云停住不动，其他的云层一片片移动……，8月4日老虎沟冰川上，白天雨雪竞达16次之多。
许多冰川降水观测与物质平衡计算说明高山冰川具有显著的增水作用。冰川区径流也体现了冰川增水效应。我国西部盆地地表径流深不足10mm，高山冰川区可达500～1000mm。径流模数：高山冰川区9.612×10[5]m[3]/km[2]，黄河流域8.317×10[4]m[3]/km[2]，冰川区是黄河流域的11.56倍。中国冰川总面积58615.08km[2]，冰川融水径流量563.42×10[8]m[3]，而黄河流域面积794712km[2]，年径流量仅661×10[8]m[3]。高山冰川区雪线高度4000～6000m，黄河流域主体高度只有1000～2000m。
总之，随着山体增高到3000m以上，除了山体本身的增水作用外，山地冰川又产生了特殊的冰川增水。高山上大面积高山冰川，如同冰箱、空调的冷凝器，促使水汽冷却并使之转化为高山雨、雪，往往形成1～2个高山大降水带。
综上所述，高山的增水作用主要体现在高山水汽输送充足，且水汽接近饱和状态，高山山体引发地形云雨，高山冰川的低温冷凝形成高山雨雪，高山植被导致雾凇、雨凇等，它们共同形成高山增水效应，促使水汽不断向高山聚集、滞留，高山低温促使丰沛的水汽高效地转化为高山雨雪。高山是一个良性增水系统。山体愈高大，接触与阻流浮云的机会愈多，垂向对流愈强；山上温度愈低，水汽饱和愈快，雨雪愈多；永久积雪愈多，冰川愈发育，冰川及其低温场愈强大，形成更多雨雪；降水愈丰富，空气土壤愈湿润，高山植被生长发育愈充分；森林植被愈茂密，面积愈大，捕获云雾能力愈强，高山更加湿润多雨，水土流失减少，水分涵养愈充分。总之，山体愈高大，高山增水系统发育愈充分，系统循环更加良性化，增水效应愈显著。高山特有的增水效应，是山麓平原乃至低山丘陵所不具备的。
3 探讨高山增水的水资源意义
探讨高山增水效应的理论意义在于揭示水资源的地理模式，尤其是揭示内陆地区水资源空间分布差异的实质。过去我们习惯将西部内陆干旱少雨简单地理解为深居内陆，远离海洋的缘故。如果水资源的海陆距离决定论是完全正确的话，内陆干旱地区缺水难题意味着无解，因为海陆距离人类永远不可改变。如能全面正确地认识高山增水效应，对开发、利用和保护高山水资源具有积极意义，对解决内陆干旱地区缺水难题将有新思路和新方向。当然，本文讨论的高山增水效应还是概念性模式，高山增水是否还有其他因素？山体、冰川、植被等各种增水的功效有多大？增水的条件如何？相互作用关系怎样？许多问题还需深入研究。
探讨高山增水效应的现实意义在于能否为内陆地区开发更多的水资源，从高空大气中获得更多的水资源，而不是消耗高山冰川和开采地下水获得的水资源。能否利用高山的自然增水效应，采用高山人工增水方式，获得更多的过境的云水资源？如能实现高山人工增雨，并达到预期增水效果，意味着开辟了西部缺水天上取的通道。根据高山增水效应，每一座高山都是一个天水转换通道，山愈高大，天水转换通道愈通畅。高山将是内陆水资源最便捷的开发通道，可永续开发的通道。
探讨高山增水效应还具有水资源保护的现实意义。保护山体、保护高山冰川、保护高山植被就是保护高山增水效应，保护高山就是保护高山水资源通道，就是保护水资源。内陆地区干旱水资源保护方向首先是保护高山环境，包括保护高山冰川、保护高山植被，其次是千方百计提高高山冰川储量与规模，提高高山森林蓄积量与植被覆盖面积。优先建设高山防护林，而不是优先进行沙漠植树造林。高山防护林有助于形成良性水资源循环系统，沙漠植树造林是以消耗当地珍贵的水资源为前提，不具有高山林地明显的增水效应。沙漠绿化面积愈大，需要消耗的水资源愈多，反而加速内陆干旱地区水资源恶性循环。
4 结语
山愈高大，水资源愈丰富，这是事实，但高山增水机理有待深入认识。高山的增水效应主要由3种作用形成：高大山体本身及其引发的空气流垂向对流而产生的山体增水作用，高山冰川及其低温场形成的冰川增水作用和高山植被的增水作用，他们共同形成了高山增水效应。上述3种增水作用在高山区形成良性循环系统，高山形成丰富的地形云雨，雨雪丰富，促进高山冰川与高山植被发育，高山冰川与高山植被发育又促进高山云雨更有效地转换为雨雪降水，它们相互支持，相互促进。山体愈高大，高山的增水效应愈显著，高山水资源则愈丰富，反之增水效应差，水资源愈少。
一座座高山如同一个个汽—水转换通道，借此通道可向天取水。内陆干旱地区缺水难题不会因海陆距离不变而无解，可以利用高山天然增水效应进行高山人工增水，获得更多的水资源，进行水资源永续开发。高山是上苍赐予内陆干旱地区的水资源珍珠。保护高山，包括保护山体、保护高山冰川、保护高山植被，就是保护高山水资源，保护内陆干旱地区的生命线。