06-水汽通量與水汽通量散度

形成暴雨的必要條件之一，是要有足夠多的水分。這些水分是暴雨區(qū)已有的呢還是靠外圍流入的呢計(jì)算表明，單靠當(dāng)?shù)匾延械乃郑遣豢赡苄纬杀┯甑模ū本┐髮W(xué)地球物理系氣象教研室，1976）。因此，必須要有水汽源源不斷地輸入暴雨區(qū)。這樣，在作暴雨分析和預(yù)報(bào)時(shí)，一定要考慮水汽輸送的問題。水汽通量與水汽通量散度，就是為了定量描述水汽輸送的方向、大小以及水汽在何處集中，從而了解形成暴雨的水汽條件而引入的（文寶安，1980）。由以上說明看出，水汽通量散度最初是為著了解暴雨的條件而引入的，這從物理上也是容易理解的。近年來(lái)，國(guó)外很多氣象學(xué)家（詳見§將水汽通量散度作為強(qiáng)對(duì)流天氣的觸發(fā)因子?！焖吭诮榻B水汽通量散度之前，應(yīng)當(dāng)先介紹水汽通量。水汽通量，又稱水汽輸送量，其含義是單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)與速度矢正交的某一單位截面積的水汽質(zhì)量。它表示了水汽輸送的強(qiáng)度和方向。水汽通量有水平分量與鉛直分量?jī)煞N，下面分別進(jìn)行介紹。.水平水汽通量”/圖推導(dǎo)式用圖一般說的水汽通量，多指水平水汽通量，它是單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)與氣流方向垂直的單位截面積的水汽質(zhì)量。其方向與風(fēng)向相同，其大小可從圖中看出。若ABCD是一個(gè)與風(fēng)向正交的平面，則單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)ABCD的水汽質(zhì)量為pqV|AlAZ。p為空氣密度，q為比濕，VI表示風(fēng)速大小。在天氣分析預(yù)報(bào)中，鉛直坐標(biāo)常采用氣壓p，圖中ABCD的面積應(yīng)為AlxAp。這樣，單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位截面積的水汽質(zhì)量即為：FH=Vq：g 其單位為g-cm-ihPa-is-1。.水汽通量的計(jì)算程序編制思路我們知道，比濕（q）是氣壓（p）和露點(diǎn)（7/的函數(shù)。對(duì)于同一個(gè)等壓面來(lái)說，式中的|V|q：g應(yīng)是風(fēng)速（V）與露點(diǎn)的函數(shù)，故采用V與Td為參數(shù)，可以編制出計(jì)算FH的程序。.鉛直水汽通量”z）一般來(lái)說，水汽向上輸送，才能增厚濕層，產(chǎn)生凝結(jié)，成云致雨。因此，當(dāng)討論暴雨過程的水汽收支問題時(shí)，往往需要計(jì)算鉛直水汽通量。鉛直水汽通量，是指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)單位水平面向上輸送的水汽質(zhì)量。它的大小與鉛直速度及比濕成正比，表達(dá)式為：F=-wq：g 式中①=Ppddt，z表示鉛直坐標(biāo)為p時(shí)的鉛直速度。當(dāng)有上升運(yùn)動(dòng)時(shí)①<0，鉛直水汽通量F>0。按照鉛直水汽通量的含義，其單位是g-cm-s-i?！焖可⒍?含義與表達(dá)式從水汽通量的數(shù)值和方向，只能了解暴雨過程的水汽來(lái)源，以及這種水汽輸送和某些天氣系統(tǒng)的關(guān)系。至于暴雨究竟出現(xiàn)在何處，雨量有多大等，則與水汽通量散度的關(guān)系更為密切。從數(shù)學(xué)角度看，水汽通量與風(fēng)速V都屬于向量，且方向相同。因此，水汽通量散度的表達(dá)式、計(jì)算方法等，完全可以仿照水平散度得出。例如，當(dāng)用符號(hào)VJVq/g）表示水汽通量散度時(shí)，則有：a aV-（Vq：g）=—（uq：g）+—（vq；g） 利用水汽通ax ay量散度定義或高斯散度定理（沈永歡等，1992）還可以寫出：V(Vqg)=lim1：Vnqdl/g 或p s.0SV?(Vq：g)=-E(VqAl-g) 式中(VqAl尸g，表示長(zhǎng)度為Alp S niii niii ii邊上的水汽通量，匕表示與該邊正交的風(fēng)速分量。式與表明，某區(qū)域內(nèi)的水汽通量散度，僅由該區(qū)域周界上的水汽通量所決定，而與區(qū)域內(nèi)的水汽通量無(wú)關(guān)。在圖中，我們把面積⑸認(rèn)為是單位厚度(1hPa)的體積時(shí)，可看出水汽通量散度的意義是單位時(shí)間內(nèi)單位體積中水汽的凈流失量，其單位為g-cm-2hPa-is-1。如水汽通量散度為正［V.(Vq!g)>0］，表示有水汽流失；水汽通量散度為負(fù)［Vj(Vq^g)<0］，表示有水汽積聚。圖解釋水汽通量散度意義用圖.水汽通量散度的計(jì)算對(duì)于計(jì)算水汽通量散度的要求，一般有兩種。一種是只要求給出最后結(jié)果，另一種是要求給出最后結(jié)果和各個(gè)方向上的水汽輸送情況。關(guān)于第一種，利用前面介紹的方法即可解決，不再贅述。在揭示各個(gè)方面上水汽通量對(duì)某區(qū)域中水汽通量散度的貢獻(xiàn)時(shí)，可按以下步驟作：(1)把計(jì)算區(qū)域的邊分別采取與云區(qū)方向平行和垂直，如圖所示，平行的方向稱為縱向，垂直的方向稱為橫向。(2)計(jì)算通過各條邊的水汽通量(VnqAi)/g。⑶計(jì)算水汽通量散度。

占整個(gè)氣柱中V占整個(gè)氣柱中V?(1Vq)

pg分析表明，一般說來(lái)，在對(duì)流層下部的VJ(1Vq),的絕大部分。對(duì)流層下部水汽通量的輻合，不僅引起對(duì)流層下部出現(xiàn)凝結(jié)，而且還可通過鉛直輸送的作用，引起對(duì)流層上部出現(xiàn)凝結(jié)。.水汽通量散度與降水量在不考慮液、固態(tài)水及蒸發(fā)量的條件下，整個(gè)氣柱內(nèi)的水分收支方程為：Atf0—dppgg+Atf0V-(―Vq)dp=M 式中p表示地p0et: p0pg 0面氣壓，M表示At時(shí)段內(nèi)單位截面氣柱的凝結(jié)量。如果認(rèn)為凝結(jié)量全部落到地面，則M便等于降水量。實(shí)際上，上述假設(shè)只是近似成立。二宮光三等人(1976)以及秋山孝子(1975)指出，如果計(jì)算區(qū)域的邊長(zhǎng)為數(shù)百公里，則局地變化項(xiàng)(左端第一項(xiàng))對(duì)降水的貢獻(xiàn)很小，式可簡(jiǎn)化為：M=Atf0V-(1Vq)dp 式表示，降水p0pg量并不直接與水汽通量相聯(lián)系，而是與其散度相聯(lián)系。為了強(qiáng)調(diào)水汽通量的上述性質(zhì)，有的預(yù)報(bào)員稱其為“過路水(汽)?！薄鞂⑺可⒍茸鳛轭A(yù)報(bào)因子舉例.法國(guó)Ducrocq等的工作法國(guó)的Ducrocq等(1998，下稱TDS98)認(rèn)為，導(dǎo)致對(duì)流不穩(wěn)定釋放的中尺度抬升可能源于以下各種原因：鋒面抬升、對(duì)流外流邊界抬升、山體作用和海陸風(fēng)環(huán)流。預(yù)報(bào)的垂直速度可以用于確定一些與模式網(wǎng)格大小相當(dāng)?shù)闹谐叨忍?。另外，水汽通量輻合提供了低層抬升和被抬升空氣潮濕程度的度量?？梢怨烙?jì)出地面水汽通量輻合或地面附近一個(gè)厚度層5內(nèi)平均的水汽通量輻合(例如Beckmanp1993)，地面水汽通量輻合縮寫為MOCON，并定義為：MOCON=-VH?(rV)=-rVH?V—V-VHr 其中r為2m處水汽混合比，V是10m處風(fēng)矢量；另外，MOCONI(5/是在地面氣壓ps以上厚度為5低層水汽通量輻合的積分：pJpLpV?（rV）dinpMOCONI（5）=?_。 TDS98認(rèn)P Jp「5pdinpps為，典型的5p取50?150hPa。在大多數(shù)情況下，水汽通量輻合的水汽水平平流部分［式右邊第二項(xiàng)］與質(zhì)量輻合部分［式左邊的第一項(xiàng)］相比可以忽略。TDS98指出，可用類似于這里提供的計(jì)算方式，把一個(gè)中尺度網(wǎng)逐時(shí)觀測(cè)的10m高度上的風(fēng)矢量和2m高度上的相對(duì)濕度的中尺度分析用于計(jì)算MOCON,取代利用中尺度NWP的制作；關(guān)于這樣一種診斷方法跟預(yù)報(bào)的關(guān)聯(lián)，有人（Calas等1997）已經(jīng)進(jìn)行過估計(jì)。TDS98認(rèn)為，用水汽通量輻合代替垂直速度確認(rèn)低層抬升預(yù)報(bào)的一個(gè)好處在于使地面中尺度網(wǎng)數(shù)據(jù)分析之間的直接對(duì)比成為可能（但對(duì)這樣的比較TDS98沒有詳細(xì)描述）。另外，設(shè)計(jì)用于估計(jì)地形抬升的診斷DTS98沒有介紹，因?yàn)樗麄儾豢紤]山區(qū)的對(duì)流發(fā)展。.法國(guó)Calas等的工作Calas等（2000,下稱CDS00）也注意到，方程右端的第二項(xiàng)（水汽平流項(xiàng)）比第一項(xiàng)（輻合項(xiàng)）小一個(gè)量級(jí)，MOCON的分析場(chǎng)與輻合場(chǎng)之間幾乎沒有什么差別。因此MOCON符號(hào)與輻合場(chǎng)的符號(hào)一樣，所以正MOCON值表示低層輻合區(qū)域。CDS00還檢驗(yàn)了輻合維持、輻合加強(qiáng)或輻散減弱（即正MOCON傾向）的判據(jù)。由此，CDS00將通過個(gè)例分析來(lái)確定形成于觸發(fā)前4?2h之間，存在輻合區(qū)域內(nèi)的活躍單體百分?jǐn)?shù)。CDS00發(fā)現(xiàn)，在他們討論時(shí)段內(nèi)，大部分活躍單體（14個(gè)之中有11個(gè)）在觸發(fā)前4?2h維持輻合的區(qū)域內(nèi)形成（即在H-4、H-3和H-2有輻合）。當(dāng)綜合考慮這4次個(gè)例時(shí)，表表明此判據(jù)能夠準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出所有的個(gè)例。表在觸發(fā)前1?4h、2?4h以及1?2h,滿足MOCON及其傾向基本判據(jù)的活躍單體數(shù)目（14個(gè)之中的）和個(gè)例數(shù)目（4次之中的）MOCON及其傾向判據(jù)活躍單體和個(gè)例數(shù)目H-1到H-4H-1到H-2H-1到H-2活躍單體數(shù)個(gè)例數(shù)活躍單體數(shù)個(gè)例數(shù)活躍單體數(shù)個(gè)例數(shù)MOCON>093114103MOCON<0001000MOCON102121傾向＞0在對(duì)流觸發(fā)前4?1h或甚至H-2至H-1,輻散區(qū)內(nèi)幾乎沒有單體形成（表的第二行)，因此輻散的維持是預(yù)報(bào)沒有對(duì)流出現(xiàn)的一個(gè)指標(biāo)，該指標(biāo)非常有用。一個(gè)令人感性趣的結(jié)果是，在系統(tǒng)的線狀結(jié)構(gòu)尾隨觸發(fā)出現(xiàn)前1?3h,在MOCON場(chǎng)出現(xiàn)一個(gè)明顯的線狀結(jié)構(gòu)。.匈牙利Horvath等的工作匈牙利Horvath和Geresdi(2001,下稱HG01)在研究匈牙利的強(qiáng)對(duì)流風(fēng)暴時(shí)也用到過水汽通量輻合。HG01認(rèn)為，由于雷暴活動(dòng)需要高濕，故濕度輻合可能是描述水汽輻合線強(qiáng)度的最佳參數(shù)(Ducrocq1998)。實(shí)際上使用V-(qV)表示它。這里，q為比濕，V為水平風(fēng)矢量。.Waldstreicher的工作美國(guó)Waldstreicher(1989)認(rèn)為，濕度通量輻合(MFC)可以作為強(qiáng)對(duì)流的一個(gè)預(yù)報(bào)因子：有助于預(yù)報(bào)員識(shí)別強(qiáng)雷暴可能出現(xiàn)地區(qū)，有助于識(shí)別雷暴發(fā)展之前的低層強(qiáng)迫地區(qū)。參考文獻(xiàn)北京大學(xué)地球物理系氣象教研室，天氣分析和預(yù)報(bào)，北京：科學(xué)出版社，1976。沈永歡、梁在中、許履瑚等，實(shí)用數(shù)學(xué)手冊(cè)，北京：科學(xué)出版社，1992,p576。文寶安，水汽通量與水汽通量散度，氣象，1980,7,34?36。中央氣象局氣象科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，國(guó)外暴雨專題參考資料(內(nèi)部出版發(fā)行)，1977,69?36BeckmanS.,1993:PreliminaryresultsofastudyonNGMlow-levelmoisturefluxconvergenceandthelocationofseverethunderstorms.Preprints.17thConf.onSevereLocalStorms,138?142.StLouis,Missouri,Am.Meteor.Soc.CalasC,DucrocqV,SenesiS.,1997:Contributionofamesoscaleanalysistoconvectionnowcasting.InExt.AbstractsoftheEGS22edGeneralAssembly,Vienna,Austria.CalasC,DucrocqV,SenesiS.,2000:Mesoscaleanalysesanddiagnosticparametersfordeepconvectionnowcasting.Meteor.Appl.,7,145?161.DucrocqV,TzanosD,SenesiS.,1998:DiagnostictoolsusingamesoscaleNWPmodelfortheearlywarningofconvection.Meteor.Appl.,5,329?349.Hor