天氣學(xué)診斷分析第六章

降水成因的診斷分析

不僅發(fā)生在沿海，而且出現(xiàn)在內(nèi)陸;華南沿海和東南沿海的降水量極值多數(shù)由臺風(fēng)引起;長江中下游和淮河流域暴雨主要由6－7月梅雨鋒上西南渦所引起;黃河中下游和海河流域的暴雨主要是四川移出的西南渦和青海移出的西北渦造成東北的暴雨與臺風(fēng)、東北冷渦、鋒面有關(guān)暴雨極值與地形有關(guān)，多發(fā)于暖季中國暴雨的分布特征受以下系統(tǒng)的影響：西太平洋副熱帶高壓脊線（北側(cè)8-10緯度）100hPa青藏高壓（北側(cè)）副熱帶西風(fēng)急流（南側(cè)）東亞季風(fēng)季節(jié)變化1、降水形成過程2、水汽方程和降水率3、水汽條件的診斷分析本章內(nèi)容：1降水形成過程1.一般降水的形成過程水汽條件垂直運(yùn)動條件云滴增長條件微觀過程宏觀過程冰晶效應(yīng)碰撞合并云滴增長取決于云層厚度，云層厚度取決于水汽條件和垂直運(yùn)動條件。因此，降水分析就是對水汽條件和垂直運(yùn)動條件進(jìn)行分析1降水形成過程1.一般降水的形成過程環(huán)流形勢（1）連續(xù)暴雨的必要前提：副高脊，長波槽，切變線、靜止鋒、大型冷渦等長期穩(wěn)定（2）影響系統(tǒng)：短波槽、低渦、氣旋等充分的水汽供應(yīng)強(qiáng)烈的上升運(yùn)動較長的持續(xù)時(shí)間1降水形成過程2.暴雨形成條件形成暴雨的必要條件之一，是要有足夠多的水汽供應(yīng)。對于水汽的診斷分析是進(jìn)行降水成因診斷分析的重要內(nèi)容。包括對水汽含量、水汽源與匯、水汽輸送條件等的診斷分析。1降水形成過程2.暴雨形成條件2水汽方程和降水率1.水汽方程表示水汽輸送和變化的基本方程。（q：比濕；c：蒸發(fā)）2.降水率設(shè)I是單位時(shí)間內(nèi)降落在地面單位面積上的總降水量，稱為降水強(qiáng)度或降水率。（qs：飽和比濕）2水汽方程和降水率總降水量：2.降水率2水汽方程和降水率3水汽條件的診斷分析1.水汽含量與飽和程度（1）各層水汽含量：

各層比濕或露點(diǎn)3水汽條件的診斷分析1.水汽含量與飽和程度（2）各層飽和程度：在等壓面上分析等（T-Td）線，用以表示空氣的飽和程度。T-Td≤2℃飽和區(qū)T-Td≤4-5℃濕區(qū)在等壓面上分析等RH線：

相對濕度f≥90%飽和區(qū)第17

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頁3水汽條件的診斷分析1.水汽含量與飽和程度（3）濕層厚度:

濕層即飽和層，濕層越厚，降水越強(qiáng)。

看物理量的垂直剖面，或單站的TlogP圖第21

頁狀態(tài)曲線（氣塊）：參考線層結(jié)曲線（大氣）：環(huán)境大氣熱力特征露壓曲線（Td）第22

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頁（1）定義：將一地區(qū)上空整層大氣的水汽全部凝結(jié)并降至地面的降水量稱為該地區(qū)的可降水量（PW）。（單位（mm），量級101）（2）表達(dá)式：3水汽條件的診斷分析2.可降水量由于水汽絕大部分集中在對流層低層，積分上限可取至300hPa至400hPa。某地區(qū)可降水量的大小表示了該地區(qū)整層大氣的水汽含量。第25

頁附：可降水量計(jì)算公式推導(dǎo)第26

頁附：可降水量計(jì)算公式推導(dǎo)第27

頁附：可降水量計(jì)算公式推導(dǎo)第28

頁附：可降水量計(jì)算公式推導(dǎo)附：可降水量計(jì)算公式推導(dǎo)一般情況下，可降水量比實(shí)際降水量約大1到2倍。但較強(qiáng)的降水系統(tǒng)中（暴雨），實(shí)際降水量往往顯著超過可降水量。單靠大氣中現(xiàn)存的水汽不夠產(chǎn)生較大的降水量（在含水量較多的積雨云中，即使云中含水量全部降落（稱為可能降水量），也只有10-20mm）。造成中國達(dá)到暴雨以上的氣團(tuán)，一般是太平洋、南海和印度洋上生成的熱帶海洋氣團(tuán)或赤道氣團(tuán)，非常潮濕，它們最大的可能降水量也只有50mm，而一次暴雨往往一天能下100-200mm，因此，要下一場暴雨必須要有水汽源源不斷地由云從外輸入，云內(nèi)水汽又不斷凝結(jié)才有可能。這就需要分析水汽的輸送情況。3水汽條件的診斷分析2.可降水量3.水汽通量——水汽輸送定義：單位時(shí)間通過與水平風(fēng)速

相垂直的單位面積的水汽量。（矢量）3水汽條件的診斷分析它表示水汽輸送的強(qiáng)度和方向，有水平分量和垂直分量兩種.（1）水平水汽通量：平常所說的水汽輸送，多數(shù)情況下是指水平水汽通量。它是指單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)與氣流方向正交的單位截面積的水汽質(zhì)量，它表征水汽的來源，水汽量的大小與天氣系統(tǒng)之間的關(guān)系。其方向與風(fēng)向相同，單位為g/(cm?hPa?s)，計(jì)算表達(dá)式為：（矢量）3水汽條件的診斷分析3.水汽通量附：水平水汽通量表達(dá)式及單位推導(dǎo)水平水汽通量示意圖附：水平水汽通量表達(dá)式及單位推導(dǎo)（1）水平水汽通量：

單位為g/(cm?hPa?s)（矢量）3水汽條件的診斷分析3.水汽通量（2）垂直水汽通量：一般來說，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)算垂直水汽通量。垂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通量。單位為g?cm-2?s-1，表達(dá)式為：

（矢量）3水汽條件的診斷分析3.水汽通量：z坐標(biāo)系下的垂直速度。當(dāng)有上升運(yùn)動時(shí)，w>0，垂直汽通量Fz>0從水汽通量的數(shù)值和方向，只能了解暴雨過程的水汽來源，以及這種水汽輸送和某些天氣系統(tǒng)的關(guān)系。降水過程中，水汽一面凝結(jié)降落，一面有水汽向降水區(qū)補(bǔ)充，實(shí)際暴雨產(chǎn)生前后空氣中水汽含量無明顯變化；暴雨預(yù)報(bào)時(shí)，不僅了解水汽的來源，還要看水汽在何處集中。水汽通量輻合中心是預(yù)報(bào)暴雨落區(qū)的一個(gè)很好的指標(biāo)，然后根據(jù)水汽收支情況計(jì)算可能達(dá)到的降水強(qiáng)度。

3水汽條件的診斷分析3.水汽通量局限性：（1）含義：水平水汽通量散度指單位時(shí)間、單位體積內(nèi)水汽的水平凈流入或凈流出量.（2）表達(dá)式:單位為g/(cm2?hPa?s)，量級為10-73水汽條件的診斷分析4水汽通量散度——水汽收支反映水汽通量的輻散（水汽減少）和輻合（水汽增加）水汽通量水汽通量散度水汽通量水汽通量散度（3）降水率：

整層大氣的水汽水平通量散度即為降水率。I=-D3水汽條件的診斷分析4水汽通量散度——水汽收支中國降水與水汽通量散度關(guān)系實(shí)例2010.07.11.20500hPa

水汽通量散度700hPa850hPa2010.07.11.08--12.08降水實(shí)況2010.07.19.20500hPa水汽通量散度700hPa850hPa2010.07.19.08--20.08降水實(shí)況第49

頁2010年5月，江西出現(xiàn)兩次大暴雨過程。2次大暴雨過程都有比較強(qiáng)水汽通量輸送，輸送層主要集中在500hPa以下。最強(qiáng)輸送通道在850hPa到500hPa之間;當(dāng)強(qiáng)水汽通量中心東移到116°E以東時(shí)，江西中部或西部上空水汽通量強(qiáng)度值小于8，表明有利于降水發(fā)生的水汽通道被切斷，江西暴雨迅速減弱或消失。500hPa500hPa第50

頁底層850hPa的水汽通量散度與降水具有更好的關(guān)系。水汽的輸送集中在500hPa以下。（4）有關(guān)水汽通量散度的使用經(jīng)驗(yàn)：1）大氣中的水汽主要集中在對流層的下半部，這種計(jì)算一般只計(jì)算到500hPa等壓面即可。2）暴雨落區(qū)多數(shù)都似乎水汽輻合區(qū)，一般只計(jì)算850hPa、700hPa、500hPa三層的水汽通量散度之和，有時(shí)邊界層的水汽通量散度也很重要。3）低層的水汽通量散度比高層的水汽通量散度反映降水的強(qiáng)度更明顯一些。4）水汽通量是表示水汽輸送強(qiáng)度的物理量，代表著水汽輸送的大小和方向；水汽通量散度表示水汽的源和匯，即水汽通量收支。3水汽條件的診斷分析4水汽通量散度——水汽收支1降水的形成與診斷三、水汽條件的診斷分析5水汽的局地變化由上式可看出，某地區(qū)水汽的局地變化取決于以下四項(xiàng)：比濕平流、比濕垂直輸送、凝結(jié)、蒸發(fā)和湍流擴(kuò)散1降水的形成與診斷三、水汽條件的診斷分析5水汽的局地變化（1）比濕平流：濕平流引起局地比濕增加，干平流引起局地比濕減少.（2）比濕垂直輸送：一般低層濕度大于高層，因此某層上升運(yùn)動將使局地比濕增加，下沉運(yùn)動將使局地比濕減少.（3）凝結(jié)、蒸發(fā)：凝結(jié)時(shí)使局地比濕減少，蒸發(fā)時(shí)使局地比濕增加.1降水的形成與診斷三、水汽條件的診斷分析5水汽的局地變化（4）湍流擴(kuò)散：湍流擴(kuò)散在垂直方向主要使水面和下墊面蒸發(fā)的水汽向上輸送到高層大氣中去，一般在大型降水中不考慮。降水產(chǎn)生之前：降水產(chǎn)生之后：四項(xiàng)比較：各標(biāo)準(zhǔn)等壓面上的高度、溫度、溫度露點(diǎn)差；風(fēng)的垂直切變（熱成風(fēng)）；上下兩層等壓面上的地轉(zhuǎn)風(fēng)的矢量差為熱成風(fēng)。熱成風(fēng)方向與氣層間平均等溫線平行，背風(fēng)而立，高溫在右。風(fēng)隨高度順轉(zhuǎn)，有暖平流；逆轉(zhuǎn)有冷平流。不穩(wěn)定層結(jié)；逆溫層（層結(jié)曲線隨高度向右傾斜）等溫層（層結(jié)曲線垂直于橫軸）逆溫、等溫、遞減率小的層結(jié)都是不穩(wěn)定層，對天氣影響較大。不穩(wěn)定指數(shù)；補(bǔ)充：TlogP圖（2）探空圖上的其他信息：A指數(shù)：850hPa與500hPa溫度差減去850/700/500hPa三層的溫度露點(diǎn)差之和A值越大越不穩(wěn)定（各地區(qū)指標(biāo)不同）K指數(shù)：大小與雷雨天氣有關(guān)系：值越大，大氣越不穩(wěn)定K<20無雷雨20<K<25可能有孤立雷雨25<K<30可能有零星雷雨30<K<35可能有分散雷雨K>35可能有成片的雷雨SI指數(shù)：用于預(yù)報(bào)局地對流性天氣（有鋒面或逆溫時(shí)不能使用）SI>+3不大可能出現(xiàn)雷暴天氣0<SI<+3有發(fā)生陣雨的可能性-3<SI<0可能有雷暴-6<SI<-3可能有強(qiáng)雷暴SI<-6可能有龍卷Cape指數(shù)（強(qiáng)CAPE范圍能較好反映暴雨產(chǎn)生的大致區(qū)域）Cape代表由層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線相交的正面積區(qū)，體現(xiàn)了不穩(wěn)定能量的大小。值越大，越不穩(wěn)定CIN對流抑制有效位能CIN正比于TlogP圖上底部層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線相交的負(fù)面積區(qū)，其體現(xiàn)了阻止對流發(fā)生的能量大小研究表明，一定的對流抑制能量有利于閃電的發(fā)生。產(chǎn)生強(qiáng)對流需要一定的CIN數(shù)（如幾十～一百左右），太小不利于能量累計(jì)，太大對流無法發(fā)展。SSI簡化的沙氏指數(shù)一般情況下，SSI≥0；SSI越小，大氣越不穩(wěn)定TCL（抬升凝結(jié)高度能顯示出大氣的穩(wěn)定度）低的抬升凝結(jié)高度有利于龍卷的發(fā)生，抬升凝結(jié)高度大于1200ｍ會大大降低龍卷的發(fā)生概率LFC（自由對流高度）氣塊由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)入不穩(wěn)定狀態(tài)的高度，即在此高度以上，大氣不穩(wěn)定ZH（0度層位勢高度）適中的0℃層高度有利