水汽方程

物理意義：在不考慮液態(tài)水和固態(tài)水向體積內(nèi)輸送的情況下，水分質(zhì)量守恒可知水汽變化量決定于四個(gè)因子：比濕平流，比濕垂直輸送，凝結(jié)、蒸發(fā)和湍流擴(kuò)散。

（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(dòng)將使局地比濕增加，下沉運(yùn)動(dòng)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。

（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。

水汽探測(cè)水汽介紹

水汽是大氣的基本參量。衛(wèi)星探測(cè)水汽含量的基本方式是用微波輻射計(jì)(如NOAA的AMSU)，近紅外和熱紅外波段探測(cè),而地基GPS遙感大氣水汽技能是九十年代發(fā)展起來(lái)的一種全新的大氣觀測(cè)手腕。它應(yīng)用地基高精度GPS接管機(jī)，通過(guò)測(cè)量GPS信號(hào)在大氣中濕延遲量的大小來(lái)遙感大氣中水汽總量。下面首先介紹一下其原理。

水汽原理和方式

GPS技能通過(guò)觀測(cè)GPS衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)紾PS接管機(jī)的時(shí)間來(lái)測(cè)量接管機(jī)天線的地位，衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過(guò)大氣層時(shí)，要受到大氣的折射而延遲，將該延遲量作為待定參數(shù)引入到觀測(cè)模型和解算方案中，逐項(xiàng)斟酌誤差起源和肅清法子，精密的大氣延遲量（毫米級(jí)）可以與定位參數(shù)一同求解出來(lái)。大氣延遲量可劃分為電離層延遲、靜力延遲和濕項(xiàng)延遲。通過(guò)采納雙頻技能，可以將電離層延遲幾乎完整肅清。靜力延遲與地面觀測(cè)量（氣壓）具有很好的相干，可以訂正到毫米量級(jí)。這樣就得到了毫米量級(jí)的濕項(xiàng)延遲。濕項(xiàng)延遲與水汽總量（PW）可創(chuàng)造嚴(yán)格的正比關(guān)系，準(zhǔn)確的水汽總量就求解出來(lái)。應(yīng)用MIT的GAMIT軟件進(jìn)行解算。軟件請(qǐng)求試驗(yàn)采納雙頻載波相位觀測(cè)，應(yīng)用差分法以肅清源于衛(wèi)星鐘和接管機(jī)鐘的誤差，同時(shí)可采納“軌道松弛法”，以對(duì)軌道的準(zhǔn)確度進(jìn)行修改和調(diào)解。此外還有反演方式即：應(yīng)用接管更高空之GPS衛(wèi)星發(fā)出來(lái)的訊號(hào)，強(qiáng)度與路徑的變化，反推出電離層電漿密度的三維空間散播“照片”，以及大氣的水汽的三維空間散播。

采納載波相位觀測(cè)產(chǎn)生的重要難題是載波相位的整周未知數(shù)N0的出現(xiàn)。N0一般采納“三差法”來(lái)判斷，即不僅通過(guò)同一接管機(jī)對(duì)兩顆衛(wèi)星求差來(lái)肅清接管機(jī)鐘差和同一衛(wèi)星對(duì)不同的接管機(jī)求差來(lái)肅清衛(wèi)星鐘差，還通過(guò)繼續(xù)觀測(cè)歷元的求差來(lái)判斷整周未知數(shù)N0。這就請(qǐng)求不同觀測(cè)歷元的衛(wèi)星仰角要有必然的變化，而在這個(gè)變化期內(nèi)（如15～30min），假設(shè)大氣特點(diǎn)或變化率堅(jiān)持定常，在觀測(cè)站局地上空水平均一或球面分層均一，大氣延遲未知量大致遵守secθ（θ為衛(wèi)星天頂角）的映射函數(shù)而變化。這決定了GPS遙感大氣的時(shí)間辨別率。

通過(guò)地面GPS水汽遙感監(jiān)測(cè)，可以獲得很高時(shí)空辨別率、達(dá)到毫米精度的水汽資料，以補(bǔ)充探空資料在時(shí)間空間辨別率上的不足，供應(yīng)快速變化的信息。這種信息通過(guò)資料的四維同化，對(duì)改進(jìn)中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式精度，進(jìn)步預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有很好的應(yīng)用遠(yuǎn)景。而要了解GPS探測(cè)水汽的原理和方式，要了解一下大氣構(gòu)造、延時(shí)以及延時(shí)和降水的關(guān)系。

水汽輸送是指，大氣中水分因擴(kuò)散而由一地向另一地運(yùn)移，或由低空輸送到高空的過(guò)程。水汽在運(yùn)移輸送過(guò)程中，水汽的含量、運(yùn)動(dòng)方向與路線，以及輸送強(qiáng)度等隨時(shí)會(huì)發(fā)生改變，從而對(duì)沿途的降水以重大影響。

對(duì)于某一給定區(qū)域范圍上的氣柱來(lái)說(shuō)，若取下界為地面，上界為對(duì)流層頂，則根據(jù)水量平衡原理，可建立該氣柱的大氣水分平衡式：

(W1 Ei)-(W2 Pi)=ΔW （2-46）

式中，W1是流入氣柱的水汽量；W2是流出氣柱的水汽量； Ei是蒸發(fā)散發(fā)量；Pi是降水量；ΔW是氣柱內(nèi)水汽變量。

對(duì)于長(zhǎng)時(shí)段ΔW→0，于是研究時(shí)段內(nèi)氣柱的降水量可用下式表示：

Pi=W1-　W2 Ei （2-47）

由于區(qū)域蒸發(fā)量遠(yuǎn)小于水汽輸送量，所以區(qū)域降水量的大小，主要決定于出入該氣柱的水汽量的多少。

同時(shí)由于水汽輸送過(guò)程中，還伴隨有動(dòng)量和熱量的轉(zhuǎn)移，因而要影響沿途的氣溫、氣壓等其它氣象因子發(fā)生改變，所以水汽輸送是水循環(huán)過(guò)程的重要環(huán)節(jié)，也是影響當(dāng)?shù)靥鞖膺^(guò)程和氣候的重要原因。水汽輸送主要有大氣環(huán)流輸送和渦動(dòng)輸送兩種形式，并具有強(qiáng)烈的地區(qū)性特點(diǎn)和季節(jié)變化，時(shí)而環(huán)流輸送為主，時(shí)而以渦動(dòng)輸送為主。水汽輸送主要集中于對(duì)流層的下半部，其中最大輸送量出現(xiàn)在近地面層的850—900百帕左右的高度，由此向上或向下，水汽輸送量均迅速減小，到500—400百帕以上的高度處，水汽的輸送量已很小，以致可以忽略不計(jì)。

（一）水汽輸送通量與水汽通量散度

水汽輸送通量與水汽通量散度是用來(lái)定量表達(dá)水汽輸送量的基本參數(shù)。

1.水汽輸送通量的概念水汽輸送通量是表示在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)某一單位面積的水汽量。水汽通量有水平輸送通量和垂直輸送通量之分。通常說(shuō)的水汽輸送主要是指水平方向的水汽輸送。現(xiàn)取一與水平面正交、又垂直于風(fēng)速的矢量截面ABCD，其高為ΔZ，底邊長(zhǎng)為ΔL，風(fēng)速為v，空氣密度為ρ，比濕為q，則單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)截面積ABCD的水汽質(zhì)量為：

位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與風(fēng)速正交的ABCD面的水汽質(zhì)量為：

取ΔL·ΔP=1，則水平方向的水汽輸送通量表達(dá)式為：

其單位為克每百帕厘米秒。

水平水汽輸送通量是一個(gè)向量，輸送方向與風(fēng)速相同，并可分解為經(jīng)向輸送和緯向輸送兩個(gè)分量。緯向輸送的水汽通量規(guī)定向東輸送為正，向西為負(fù)；經(jīng)向輸送的水汽通量，規(guī)定向北輸送為正，向南為負(fù)。

垂直輸送的水汽通量是指單位時(shí)間流經(jīng)單位水平面的水汽通量，規(guī)定向上輸送為正，向下為負(fù)，其單位為克每平方厘米秒。

2.水汽通量散度水汽通量散度是指單位時(shí)間匯入單位體積或從該體積輻散出的水汽量，單位為克每百帕平方厘米秒。它和水汽通量一樣，也是一個(gè)向量，因此，水汽通量散度的定義與計(jì)算公式，完全可以仿照水平散度給出，即：

式中，（qvnΔL）i/q表示通過(guò)長(zhǎng)度為ΔLi邊上的水汽通量；vn表示與該邊正交的風(fēng)速分量。

表示由于水平運(yùn)動(dòng)而引起單位時(shí)間內(nèi)單位體積中水汽的

任一地點(diǎn)的水汽通量散度，均可由風(fēng)和溫度資料計(jì)算出來(lái)，并可繪成等值線圖。用以表示廣大范圍內(nèi)的水汽通量散度場(chǎng)。散度為正的地區(qū)表示水汽自該地區(qū)的四周輻散，稱(chēng)該地區(qū)為水汽源，在這種情況下降水比較少；反之散度為負(fù)的地區(qū)，表示四周有水汽向該地區(qū)匯集，稱(chēng)該地區(qū)為水汽匯，降水比較多。例如，我國(guó)大陸東半部水汽總輸送場(chǎng)中，其主要水汽耦合區(qū)與主要降水區(qū)的分布就存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。黃土高原與華北平原常年為水汽源，東南沿海地區(qū)為主要水汽耦合區(qū)，所以前者降水遠(yuǎn)少于后者。

水汽

（二）影響水汽輸送的主要因素

影響水汽含量與水汽輸送的因素很多，主要因素如下。

1.大氣環(huán)流的影響如前所述水汽輸送形式有兩種，其中環(huán)流輸送處于主導(dǎo)地位。這是和大氣環(huán)流決定著全球流場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)有關(guān)。而流場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)直接影響全球水汽的分布變化，以及水汽輸送的路徑和強(qiáng)度。因此大氣環(huán)流的任何改變，必然通過(guò)流場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)的改變而影響到水汽輸送的方向、路徑和強(qiáng)度。

2.地理緯度的影響地理緯度的影響主要表現(xiàn)為影響輻射平衡值，影響氣溫、水溫的緯向分布，進(jìn)而影響蒸發(fā)以及空中水汽含量的緯向分布，基本規(guī)律是水汽含量隨緯度的增高而減少。

3.海陸分布的影響海洋是水汽的主要源地，因而距海遠(yuǎn)近直接影響空中水汽含量的多少，這也正是我國(guó)東南沿海暖濕多雨，愈向西北內(nèi)陸腹地伸展，水循環(huán)愈弱、降水愈少的原因。

4.海拔高度與地形屏障作用的影響這一影響包括兩方面：其一是隨著地表海拔高度的增加，近地層濕空氣層逐步變薄，水汽含量相應(yīng)減少，這也是青藏高原上雨量較少的重要原因；其次是那些垂直于氣流運(yùn)行方向的山脈，常常成為阻隔暖濕氣流運(yùn)移的屏障，迫使迎風(fēng)坡成為多雨區(qū)，背風(fēng)坡絕熱升溫，濕度降低，水汽含量減少，成為雨影區(qū)。

（三）我國(guó)水汽輸送基本特點(diǎn)

關(guān)于我國(guó)水汽輸送，劉國(guó)緯和崔一峰通過(guò)選用全國(guó)122個(gè)探空站及國(guó)外27個(gè)探空站的資料，并以1983年為典型年進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析、計(jì)算與研究，得出了如下的基本結(jié)論。

第一，存在三個(gè)基本的水汽來(lái)源，三條輸出入路徑，并有明顯的季節(jié)變化。三個(gè)來(lái)源是極地氣團(tuán)的西北水汽流、南海水汽流及孟加拉灣水汽流。西北水汽流自西北方向入境，于東南方向出境，大致呈緯向分布，冬季直達(dá)長(zhǎng)江，夏季退居黃河以北；南海氣流自廣東、福建沿海登陸北上，至長(zhǎng)江中下游地區(qū)偏轉(zhuǎn)，并由長(zhǎng)江口附近出境，夏季可深入華北平原，冬季退縮到北緯25°以南地區(qū)，水汽流呈明顯的經(jīng)向分布，由于水汽含量豐沛，所以輸送通量值大；而孟加拉灣水汽流通常自北部灣入境，流向廣西、云南，繼而折向東北方向，并在貴陽(yáng)-長(zhǎng)沙一線與南海水汽流匯合，而后亦進(jìn)入長(zhǎng)江中下游地區(qū)，然后出海，全年中春季強(qiáng)盛，冬季限于華南沿海。

第二，水汽輸送既有大氣平均環(huán)流引起的平均輸送，又有移動(dòng)性渦動(dòng)輸送，其中平均輸送方向基本上與風(fēng)場(chǎng)相一致。而渦動(dòng)輸送方向大體上與濕度梯度方向相一致，即從濕度大的地區(qū)指向濕度小的地區(qū)。渦動(dòng)輸送的這一特點(diǎn)對(duì)于把東南沿海地區(qū)上空豐沛的水汽向內(nèi)陸腹地輸送，具有重要作用。

第三，地理位置、海陸分布與地貌上總體格局，制約了全國(guó)水汽輸送的基本態(tài)勢(shì)。青藏高原雄踞西南，決定了我國(guó)水汽輸送場(chǎng)形成南北兩支水汽流，北緯30°以北地區(qū)盛行緯向水汽輸送；30°以南具有明顯的經(jīng)向輸送。而秦嶺-淮河一線成為我國(guó)南北氣流的經(jīng)常匯合的地區(qū)，是水汽流輻合帶；海陸的分布制約了我國(guó)上空濕度場(chǎng)的配置，并呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢(shì)，進(jìn)而影響我國(guó)降水的地區(qū)分布。

第四，水汽輸送場(chǎng)垂直分布存在明顯差異：在850百帕氣層上，一年四季水汽輸送場(chǎng)形勢(shì)比較復(fù)雜；在700百帕氣層上，在淮河流域以北盛行西北水汽流，淮河以南盛行西南水汽流，兩股水汽流在北緯30°—35°一帶匯合后東流入海；在500百帕高度上，一年四季水汽輸送呈現(xiàn)緯向分布；而低層大氣中則經(jīng)向輸送比較明顯，因而自低層到高層存在經(jīng)向到緯向的順鐘向切變。

我國(guó)上空水汽的收支有如下特點(diǎn)：

1）全國(guó)年輸入水汽總量為15023.2×109米3，總輸出量為12362.7×109米3，凈輸入量為2660.5×109米3，與全國(guó)入海徑流量很接近。這些水量折合全國(guó)平均水深為279.4毫米。

2）從四方邊界來(lái)說(shuō)，水汽主要從南部和西部邊境進(jìn)入（占總輸入量的89.1%），從東界輸出（占總輸出量的88.8%）。就不同流域而言，長(zhǎng)江流域凈輸入量最大，依次為華南、西南、東北和西北區(qū)，華北區(qū)為負(fù)值區(qū)。

3）輸入的水汽量中，經(jīng)向的輸入占55.8%，緯向的輸入占44.2%；輸出情況相反，緯向的占89.2%，經(jīng)向的僅占總輸出量的10.8%。

呈氣態(tài)的水。水汽的密度約相當(dāng)于同溫、同壓下干空氣的0.622倍，即水汽密度永遠(yuǎn)小于干空氣的密度。水汽的氣體常數(shù)（Rw）為461焦耳/千克·開(kāi)，定容比熱（Cv）等于716焦耳/千克·開(kāi)。大氣中的水汽來(lái)源于下墊面的蒸發(fā)與蒸騰，其含量因時(shí)因地而異，按容積計(jì)算其變化范圍在0—4%之間，熱帶多雨地區(qū)可達(dá)4%以上，寒冷干燥地區(qū)幾乎近于零。其垂直分布主要集中離地面2—3公里的氣層中，高度愈高，水汽愈少。水汽是大氣中唯一能發(fā)生相變的成分，故在天氣變化中極為重要。水汽能強(qiáng)烈地吸收地面輻射，也能放射長(zhǎng)波輻射，在水相變化中不斷放出或吸收熱量，故對(duì)地面和空氣的溫度影響很大。