天河动力学研究

Sky River is the sublimation of the meteorological concept “concentrated conveyor belt of air water vapor”. It refers to the statistically long-standing and dominant conveyor channel of water vapor. Such a river plays interaction with the rivers and oceans on the earth and can be identified through statistical method. Sky River dynamics is the core research content of Sky River, and is an essential aspect of the exploratory frontier science of water vapor resource utilization. Unlike the existed meteorological study, which focuses on the transient characteristics and uncertainty of banded moisture conveyor belt, this project aims to reveal the flow dynamics of the two phases of water and vapor in the atmospheric circulation and the statistical mechanics of the long-term evolution of water vapor. The further step is to build a dynamic theory of Sky River system, providing basic theory for long-term and high-efficiency utilization of water vapor resources. The statistical kinetic theory is expected to reveal the transformation process of sky water and land water. A theory and method will be established for simulation of the long-term evolution dynamics of the sky-land coupled basin. Such theory will explain the impact of water vapor utilization on the land surface hydrological process. Summarizing, this project will build a systematic frame combining the theories, mechanisms, and methodologies found in the research, which offers a theoretical basis for long-term water vapor resource utilization on a river-basin scale.

天河是对气象学上空中水汽集中输送带概念的升华和深化，是指统计意义上长期存在的、与陆表河流和大洋存在交叉尺度相互作用的、可通过统计系综方法识别的空中水汽优势输送通道。天河动力学是天河研究的核心内容，是空中云水资源利用的探索性前沿科学问题。不同于气象学已有的针对带有显著的瞬态特征和不确定性的带状水汽输送带的研究，本项目旨在通过揭示大气环流中水气两相流动过程的(动力)驱动与长期演化的统计力学规律，形成天河动力学基本理论体系，为云水资源长期利用研究提供基本理论；揭示以三江源为代表的河流源区空-地水运动与转化过程的统计动力学规律，为云水资源的高效利用问题奠定基础；建立气陆耦合的流域长期演化动力学模拟理论与方法，以解决云水资源利用对陆表水文过程的影响问题。由理论、机理研究到方法建立，最终为流域级别长期云水资源利用提供理论基础。

空中水资源属于非常规水资源，系统和高效开发面临诸多挑战，特别是在基础理论和方法层面，尚无与水资源学内涵一致的空中水资源定义，在空中水资源量“有多少”、“从哪来”、“能开发多少”、“开发效果如何”等空中水资源开发的关键问题上仍存在诸多空白。本项目围绕空中水资源的基础理论和方法开展系统研究，在空中水资源形成机理、量化方法、开发效果评估等多方面取得了实质性研究进展。. 第一，在概念和机理层面，基于流体力学基本概念，通过抽象与云和降水物理过程密切联系的天气现象的力学本质，提出了空中水资源的基本概念，即被大气流动中流动状态不连续的特殊边界层锁定、具有发生相变转化为云和降水的动力学和热力学条件、具备降水潜力的空中水物质，从而明确了空中水资源的概念及富集条件。. 第二，在理论层面，基于大气多相流方程，推导了表征水汽在源强迫作用下的大尺度波动--耗散方程，基于特征分析得到大气多相流的特征曲面方程，以及空中水资源富集区的分布与演化控制方程，解析了空中水资源形成机理，并据此提出了空中水资源富集区识别、富集区网络构建的理论方法，从而构建了描述空中水资源形成、迁移和转化的理论框架。. 第三，在方法层面，以空中水资源的形成、迁移和转化理论为基础，系统提出了空中水资源的资源量、源解析和转化率计算方法和空中水资源开发潜力评估方法，同时，基于随机对照试验原理及统计方法，提出了空中水资源开发效果的定量评估方法，开展了空中水资源开发原理及效果评估验证试验。. 第四，在应用层面，基于空中水资源资源量、源解析和转化率计算方法，计算得到青藏高原及其典型流域的空中水资源、降水转化率、理想可增加降水量、理想可增加径流量等，解析了青藏高原典型流域空中水物质的主要输送路径及来源，明确了高原空中水资源的基本现状和可开发潜力。此外，还开展了径流变化对青藏高原典型流域水陆地生态的影响研究，为空中水资源开发的水陆生态影响研究作了初步探索。