水汽含量水汽含量對颮線組織結(jié)構(gòu)和強度的影響

颮線（squallline）是由多個活躍雷暴單體排列成線狀或帶狀的中尺度對流系統(tǒng)，其發(fā)生時常伴有大風、冰雹、暴雨等劇烈的災害性天氣現(xiàn)象。國內(nèi)外對颮線系統(tǒng)開展過不少的研究，對颮線的發(fā)生條件、組織方式、生命史演變、雷達回波特征、中尺度結(jié)構(gòu)等方面已經(jīng)有了一些認識。提出成熟階段颮線系統(tǒng)的概念模型，研究對颮線有觸發(fā)和組織作用的天氣系統(tǒng)。在對颮線分類研究的基礎(chǔ)上，采用觀測資料分析了對流組織形式與環(huán)境條件的關(guān)系。將我國江淮流域的線狀對流分成六類，包括無層云的線狀系統(tǒng)（NS）、前部層狀云的線狀系統(tǒng)（LS）、嵌入型線狀系統(tǒng)（EL）、后部層狀云的線狀系統(tǒng)（TS）、平行層狀云線狀系統(tǒng)（PS）和弓狀回波（BE），并對它們發(fā)生的環(huán)境條件和產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象做了分析，發(fā)現(xiàn)不同組織類型的系統(tǒng)產(chǎn)生的天氣現(xiàn)象有較大的差別，其中，BE最容易產(chǎn)生大風和冰雹，而美國的研究也認為BE為最“危險”的一種線狀中尺度對流系統(tǒng)。

針對影響線狀中尺度對流系統(tǒng)組織形式和強度的物理機制也已經(jīng)開展了大量研究。最著名的是低層風切變與蒸發(fā)形成的地面冷池的動力平衡是對流線是否維持的主要因子，但是該理論過于簡化，對可能影響對流發(fā)展的其他環(huán)境條件考慮較少，包括溫度、水汽等對系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展應該也有重要的作用。研究發(fā)現(xiàn)，在保持對流有效位能（CAPE）不變的情況下，高濕或高溫會減小蒸發(fā)的降溫，使冷池的強度減弱，從而影響對流線的組織結(jié)構(gòu)和強度。揭示靜力穩(wěn)定度也是影響颮線強度的一個重要因子，弱靜力穩(wěn)定有利于形成地面的強冷池，而冷池的強度影響上升運動的尺度和強度以及颮線的組織結(jié)構(gòu)和強度。雖然這些結(jié)果揭示了影響中尺度對流系統(tǒng)的形式和強度的一些物理機制，但這些研究主要是理想試驗的結(jié)果，缺乏針對水汽含量及垂直分布對強對流系統(tǒng)影響的研究，也缺乏針對真實個例，尤其是東亞季風區(qū)的強對流個例的研究。

對2007～2010年暖季（6～9月）發(fā)生在江淮和黃淮流域?qū)α魈鞖膺^程的統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在不同水汽條件環(huán)境中的對流線的觸發(fā)和維持機制可能存在明顯的差異，冰雹和大風等天氣更容易發(fā)生在相對干的環(huán)流背景條件下。在這種較干的環(huán)流背景條件下，水汽的垂直分布如何影響對流的組織形態(tài)和強度呢？數(shù)值試驗可以通過改變影響中尺度對流系統(tǒng)的環(huán)境特征，從而分析這些環(huán)境條件如何影響中尺度對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)特征和強度。研究將通過對真實個例的數(shù)值試驗，研究環(huán)境水汽含量及垂直分布對中尺度對流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和強度的影響。

水汽含量個例選取和試驗方案

（1）個例選取

2009年6月3～4日罕見強颮線突襲河南、安徽、江蘇（圖2），這些地區(qū)遭受了雷雨、大風等強對流天氣襲擊，河南省有42個縣市出現(xiàn)雷電，19個縣市出現(xiàn)了17ms^-1以上的短時大風，特別是河南省的商丘出現(xiàn)了歷史罕見的大風天氣，寧陵、永城最大風速分別達28.6ms^-1和29.1ms^-1，均為有氣象記錄以來的歷史極值。從雷達回波和地面觀測資料上來看，本次大風過程主要是由颮線所致。圖2中的大風是每3小時的常規(guī)地面觀測，從2009年6月3日14時（協(xié)調(diào)世界時，下同）至3日18時出現(xiàn)了20ms^-1以上的大風，并且大風在“人”字形回波的右半支[沿著系統(tǒng)移動的方向，左側(cè)部分命名為左半分支，右側(cè)部分命名為右半分支（下同）]附近。并且“人”字形系統(tǒng)的移動方向（往東南移動）垂直于右半支的伸展方向。

“人”字形回波系統(tǒng)的右半支的結(jié)構(gòu)與一般的颮線系統(tǒng)類似，災害性大風的產(chǎn)生主要由這個“人”字形系統(tǒng)的右半支造成的。觀測和數(shù)值模擬研究認為中層入流和低層渦旋是地面大風形成的重要原因，降水粒子的蒸發(fā)和融化冷卻過程對降低地面溫度和產(chǎn)生地面強風速也有重要影響。這些研究把重點發(fā)生地面大風的形成機制上，沒有探討影響颮線的組織形式和強度的機制，研究在強颮線研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬試驗研究水汽的垂直分布對颮線發(fā)生發(fā)展過程的影響。

（2）試驗方案

控制試驗采用WRF模式，3層嵌套，水平分辨率分別為36km、12km、4km，垂直方向有28層。長波輻射采用RRTM方案，短波輻射采用Dudhia方案，陸地選取Noah方案，邊界層選取YonseiUniversity方案，36km和12km的模擬區(qū)域采用Kain-Fritsch積云對流參數(shù)化方案而不采用微物理方案，4km的模擬區(qū)域不采用積云對流參數(shù)化方案，只采用Morrisondouble-moment微物理方案。初始場是在NCEP/FNL再分析資料的分析基礎(chǔ)上，利用WRF的OBSGRID模塊將地面自動站觀測資料分析到模式格點上作為初始場。模擬初始時間為6月3日00時，積分24小時。

本個例的整層可降水量較小，探空觀測為15～20mm，屬于發(fā)生在干環(huán)境的典型颮線個例。為了研究大氣中水汽含量對線狀對流的觸發(fā)、組織類型的影響，針對水汽設(shè)計了一些試驗。根據(jù)控制試驗的結(jié)果，河南西北部和山西高原上的對流在3日09時發(fā)展的比較旺盛，12時在河南中北部觸發(fā)新的對流單體。所有的試驗都是在積分7小時后，即3日07時，修改圖3虛線框內(nèi)部的水汽含量。分別修改整層水汽含量至原來的90%、110%和120%，定義為試驗MA90、MA110和MA120（表3）。修改水汽含量后再繼續(xù)積分16小時，其他設(shè)置與CTRL試驗相同。由于水汽主要集中在對流層的中下層，而且過去的研究認為颮線后側(cè)的中層干空氣入流會加強其發(fā)展（SmullandHouze，1985，1987），因此，設(shè)計了針對不同層次水汽含量的試驗（表3），試驗過程中保持整層可降水量與相應的對照試驗（MA120和MA90）一致，在此基礎(chǔ)上改變不同層次的水汽含量。在MA120和MA90試驗的基礎(chǔ)上分別試驗中層（500～700hPa）、低層（850hPa以下）水汽對颮線觸發(fā)、演變和組織形態(tài)的影響。

水汽含量研究結(jié)論

2009年6月3～4日的颮線過程整層的可降水量比較小，造成災害的是地面大風，但已有的研究對濕度的影響關(guān)注不夠，通過增加和減少整層和不同層次的水汽試驗，研究了此次過程中水汽含量及其垂直分布對颮線系統(tǒng)的組織類型、維持、強度等的影響，以期獲得更多的水汽影響的信息。研究結(jié)果表明，水汽含量及其垂直分布對這類系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程有重要的作用。有以下主要結(jié)論：

（1）整層水汽試驗表明，增加水汽有利于對流的發(fā)展，且容易造成對流的快速增長。而把整層的水汽減少10%（MA90試驗），對流的范圍和強度明顯減弱，且沒有出現(xiàn)雷暴大風。增加水汽越多最強地面大風越強、雷暴高壓越強。最強雷暴高壓出現(xiàn)的時間先于最強地面大風出現(xiàn)的時間。增加水汽越多發(fā)展階段冷池強度越強，成熟階段后期冷池減弱地越快。最強雷暴大風在發(fā)展階段，成熟階段大風減弱越快，成熟階段后期，對流層中上層的斜升氣流減弱，層狀云區(qū)的后部入流減弱，不利于雷暴大風的出現(xiàn)和對流的維持。

（2）不同層次的水汽試驗表明，水汽的垂直分布有很顯著的影響。中層的干空氣（即“上干下濕”的層結(jié)）有利于線狀回波和雷暴大風的形成，對雷暴高壓的增強、地面風速的增強有重要作用，但不利于整個對流系統(tǒng)的長時間維持。在保持整層水汽含量不變的情況下，線狀對流易發(fā)生在中層干、低層（特別是850hPa以下）濕的環(huán)境中。低層（700hPa以下）的水汽增加有利于對流的形成，但不易形成線狀對流，而低層水汽的減少不利于對流系統(tǒng)的維持、雷暴高壓和地面大風的增強。

（3）從垂直氣流、冷池強度與地面大風的分析看，盡管地面大風的形成和強度受很多動力、熱力因子影響，改變環(huán)境場中的水汽含量，會影響對流的組織形態(tài)、維持時間和強度，從而影響下沉氣流和冷池的強度和地面風速。

研究表明，水汽的垂直分布和含量影響對流系統(tǒng)的組織形式、垂直氣流，從而影響地面冷池和大風的形成。但是影響對流的組織類型和發(fā)展過程的因子非常復雜，只是個例研究，應開展不同環(huán)流背景條件下各影響因子對對流系統(tǒng)的組織類型和發(fā)展過程的研究，以獲得各種因子對對流系統(tǒng)的定量影響。此外，在真實個例的模擬中，各種影響中尺度系統(tǒng)發(fā)展的因子是相互影響的，因此，在今后的研究中，將開展理想試驗來研究東亞季風區(qū)中各個關(guān)鍵因子對颮線組織形式和地面大風形成的作用。

大氣水汽是人工影響天氣基礎(chǔ)條件之一，整層大氣水汽總量及其動態(tài)變化是云水資源考察的關(guān)鍵性因素之一，一些研究利用地基微波輻射計對云天水汽含量和云液態(tài)水含量進行監(jiān)測，研究人工增雨的最佳作業(yè)區(qū)。也有利用GPS監(jiān)測水汽的結(jié)果，但針對不同云天條件下的水汽含量特征分析則未見。人工影響天氣主要作業(yè)對象是云，云的研究最近年來一直受到高度重視，研究利用2002年6月18日～28日安徽屯溪站(58531)GPS水汽監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了該站出現(xiàn)不同云天條件時的水汽含量及其變化，希望能對人工影響天氣最佳作業(yè)時機及作業(yè)云的選擇提供幫助。

水汽含量GPS水汽監(jiān)測簡述

地基GPS接收機的相位信號可用于計算整層大氣的水汽含量，其時間精度可達到15分鐘，而且，GPS測量大氣水汽含量的監(jiān)測方法是一種絕對測量，不需要校準，并可以全天候自動進行。所以，GPS測量大氣水汽含量將會越來越多地應用到天氣、氣候、人工影響天氣等諸多領(lǐng)域。

水汽含量空中水汽含量分析

我們選取2002年6月18日08時～28日08時每整點的GPS水汽探測資料，共有整點觀測時次241個，和該時段內(nèi)屯溪站整點的云狀觀測資料(包括晴空)，統(tǒng)計了各類云天條件下或晴空時的空中水汽含量平均值、極值，見表1(在觀測時段內(nèi)，共觀測到卷積云2例，積云性層積云2例，層云2例，碎層云1例，碎雨云3例，雨層云3例，因樣本數(shù)較少，故在統(tǒng)計時舍去)。對于同一時次出現(xiàn)兩種或以上云狀時，則分別記入不同云狀樣本。

從表1中可以看出，當出現(xiàn)蔽光層積云(Scop)和鬃積雨云(Cb cap)兩種云時，平均的空中水汽含量最大，分別是蔽光層積云64.7mm、鬃積雨云69.3mm，晴空時或出現(xiàn)其它云時，空中的平均水汽含量與這兩種云天條件相差較大。而除出現(xiàn)鬃積雨云外，其它情況下空中的水汽含量變化范圍則非常大，從30～40mm，一直到60～70mm都有可能出現(xiàn);出現(xiàn)鬃積雨云時，水汽含量變化范圍相對較小，在62.7～72.7mm之間。

當出現(xiàn)蔽光層積云(Scop)和鬃積雨云(Cb cap)兩種云時，產(chǎn)生降水的可能性最大，出現(xiàn)鬃積雨云的30個樣本中，有29次產(chǎn)生降水，占96.7%，出現(xiàn)蔽光層積云的106次樣本中，有73次產(chǎn)生降水，占68.9%。另外，出現(xiàn)透光層積云、蔽光高積云、碎積云時，也可能產(chǎn)生降水，產(chǎn)生降水的比例分別為:5.9%、5.3%和3.0%。而其它云天條件下在觀測時段內(nèi)均未產(chǎn)生降水。

不論對于晴空還是不同的云天條件，水汽含量都有可能出現(xiàn)較大值，達到60mm以上，而且對于出現(xiàn)低云(淡積云、碎積云、濃積云、透光層積云、蔽光層積云、鬃積雨云)和中云中的蔽光高積云時，空中水汽含量達到60mm以上的比例均大于50%，尤其是出現(xiàn)蔽光層積云和鬃積雨云時，空中水汽含量達到60mm以上的比例則高達90%以上。說明出現(xiàn)低云或蔽光高積云時，空中的水汽含量大多數(shù)情況下可能會達到較大的值。

水汽含量降水效率分析

上面我們分析了晴空和不同云天條件時的空中水汽含量一些特征，下面，我們再分析一下不同云天條件下的降水效率的情況。

我們選取GPS探測期間，屯溪站每小時的降水資料，以整點前1h雨量和該整點后1h雨量的平均值，作為該時次所觀測到云的降水量，例如:6月27日19～20時雨量為7.5mm，20～21時雨量為25.9mm，20時觀測到的云為Cbcap，則該時次Cbcap雨量以(7.5 25.9)/2=16.7mm計算。不同云天條件下的降水量統(tǒng)計見表2(舍去了樣本數(shù)少的云)。

表2中，對于不同的云天條件，產(chǎn)生的降水量不同，每小時的平均降水量以鬃積雨云最多，達到4.75mm，蔽光層積云次之，為1.66mm，其它云天條件時降水量則非常小或沒有降水。

我們以不同云天條件下的平均降水量與此時的平均水汽含量的比值作為該云天條件下的降水效率，鬃積雨云和蔽光層積云是兩種降水效率最高的云，但都不到10%，其它云的降水效率僅為0.1%左右或不會產(chǎn)生降水?？梢姡幢闶墙邓首罡叩淖追e雨云，其降水效率只有6.86%，空中90%以上的水汽均不能降落，空中云水資源的開發(fā)潛力將是巨大的。

水汽含量水汽含量變化特征

從2002年6月18日08時～28日08時，共有整點時次241次，也即觀測樣本241個，其中整點前一小時或整點后一小時內(nèi)發(fā)生降水的樣本共有85個，在這些發(fā)生降水的時次里，除6月25日07時和08時，空中水汽含量分別為58.2和57.7mm外，其余各時次的空中水汽含量均大于60mm，可見只有空中水汽含量達到一定的數(shù)值后，才可能發(fā)生降水，這個數(shù)值一般為60mm。

圖1是觀測期間空中水汽含量和降水量時間序列圖，圖中橫坐標是時間，縱坐標是水汽含量V(單位mm)或降水量R(單位0.1mm)，V是水汽含量變化曲線，R是降水量變化曲線。

在水汽含量變化序列曲線圖上，每次降水發(fā)生前水汽含量值都有一個躍變，如圖中A、B、C、D、E時段，F(xiàn)是一個連續(xù)發(fā)生降水的過程，此時水汽含量維持在一個較高的量值上，降水前躍變不明顯，降水發(fā)生后，水汽含量呈緩慢下降趨勢。G是降水結(jié)束后，水汽含量迅速下降的過程，時間在6月25日07～11時期間，水汽含量值低于60mm而發(fā)生降水的特除情況就在該時段07:00和08:00兩個時次。

水汽含量研究結(jié)論

對2002年6月18日08時到6月28日08時，GPS測得的水汽含量及降水量分析認為：

(1)晴空或不同云天條件下，空中水汽含量是不同的，當出現(xiàn)蔽光層積云和鬃積雨云兩種云時，平均的空中水汽含量最大，而且此時，產(chǎn)生降水的可能性也最大，這兩種云應是人工增雨作業(yè)的最佳作業(yè)對象。

(2)出現(xiàn)低云和中云中的蔽光高積云時，空中水汽含量也較大，50%以上情況下水汽含量可以達到降水的水汽含量要求，這些云也可以作為作業(yè)對象。

(3)降水效率是自然降水量與空中水汽含量的比值，即便是降水效率最高的鬃積雨云，其自然降水效率只有6.86%，空中90%以上的水汽均不能降落，空中云水資源的開發(fā)潛力將是巨大的。

(4)當水汽含量達到60mm時，可能產(chǎn)生降水，產(chǎn)生降水的可能性和降水效率因不同云天條件而不同，這可能與當時的動力條件及云中凝結(jié)核有關(guān)，適當改變動力條件和凝結(jié)核，應可以增加降水的發(fā)生。

(5)降水發(fā)生前，空中水汽含量將會有一個躍變，這既可以作為短時降水預報的參考，也是實施人工增雨作業(yè)的最佳時機。發(fā)生連續(xù)性降水后，空中仍有大量的水汽，此時仍可以實施人工增雨作業(yè)來增加地面降水。

在氣壓一定的條件下，空氣中水汽含量越大，其冷卻到飽和時的溫度越高，即其露點溫度越高。水汽冷凝需要降溫，當水汽含量高時，降溫很容易達到飽和即不需要降溫太多，即水汽含量越高其露點溫度越高，相反當水汽含量很低時，很難達到飽和使其冷凝為水，因此降溫的幅度要大，故水汽含量越低起露點溫度越低。

露點（Dew point），又稱露點溫度（Dew point temperature），是反映大氣中水汽含量的物理量。在氣象學中是指在固定氣壓之下，空氣中所含的氣態(tài)水達到飽和而凝結(jié)成液態(tài)水所需要降至的溫度。在這溫度時，凝結(jié)的水飄浮在空中稱為霧、而沾在固體表面上時則稱為露，因而得名露點。

假設(shè)取固定空間，取固定氣壓值，則在這個環(huán)境當中的露點溫度也就確定了，其中隱形條件：單位空間量中的氣態(tài)水達到飽和凝結(jié)成液態(tài)水的這個過程即確認在此瞬間單位空間量中的水汽含量是準確值。

水汽探測水汽介紹

水汽是大氣的基本參量。衛(wèi)星探測水汽含量的基本方式是用微波輻射計(如NOAA的AMSU)，近紅外和熱紅外波段探測,而地基GPS遙感大氣水汽技能是九十年代發(fā)展起來的一種全新的大氣觀測手腕。它應用地基高精度GPS接管機，通過測量GPS信號在大氣中濕延遲量的大小來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技能通過觀測GPS衛(wèi)星信號傳輸?shù)紾PS接管機的時間來測量接管機天線的地位，衛(wèi)星信號經(jīng)過大氣層時，要受到大氣的折射而延遲，將該延遲量作為待定參數(shù)引入到觀測模型和解算方案中，逐項斟酌誤差起源和肅清法子，精密的大氣延遲量（毫米級）可以與定位參數(shù)一同求解出來。大氣延遲量可劃分為電離層延遲、靜力延遲和濕項延遲。通過采納雙頻技能，可以將電離層延遲幾乎完整肅清。靜力延遲與地面觀測量（氣壓）具有很好的相干，可以訂正到毫米量級。這樣就得到了毫米量級的濕項延遲。濕項延遲與水汽總量（PW）可創(chuàng)造嚴格的正比關(guān)系，準確的水汽總量就求解出來。應用MIT的GAMIT軟件進行解算。軟件請求試驗采納雙頻載波相位觀測，應用差分法以肅清源于衛(wèi)星鐘和接管機鐘的誤差，同時可采納“軌道松弛法”，以對軌道的準確度進行修改和調(diào)解。此外還有反演方式即：應用接管更高空之GPS衛(wèi)星發(fā)出來的訊號，強度與路徑的變化，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”來判斷，即不僅通過同一接管機對兩顆衛(wèi)星求差來肅清接管機鐘差和同一衛(wèi)星對不同的接管機求差來肅清衛(wèi)星鐘差，還通過繼續(xù)觀測歷元的求差來判斷整周未知數(shù)N0。這就請求不同觀測歷元的衛(wèi)星仰角要有必然的變化，而在這個變化期內(nèi)（如15～30min），假設(shè)大氣特點或變化率堅持定常，在觀測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遙感大氣的時間辨別率。

通過地面GPS水汽遙感監(jiān)測，可以獲得很高時空辨別率、達到毫米精度的水汽資料，以補充探空資料在時間空間辨別率上的不足，供應快速變化的信息。這種信息通過資料的四維同化，對改進中尺度數(shù)值預報模式精度，進步預報準確率有很好的應用遠景。而要了解GPS探測水汽的原理和方式，要了解一下大氣構(gòu)造、延時以及延時和降水的關(guān)系。

水汽輸送是指，大氣中水分因擴散而由一地向另一地運移，或由低空輸送到高空的過程。水汽在運移輸送過程中，水汽的含量、運動方向與路線，以及輸送強度等隨時會發(fā)生改變，從而對沿途的降水以重大影響。

對于某一給定區(qū)域范圍上的氣柱來說，若取下界為地面，上界為對流層頂，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。

對于長時段ΔW→0，于是研究時段內(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。

同時由于水汽輸送過程中，還伴隨有動量和熱量的轉(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)過程的重要環(huán)節(jié)，也是影響當?shù)靥鞖膺^程和氣候的重要原因。水汽輸送主要有大氣環(huán)流輸送和渦動輸送兩種形式，并具有強烈的地區(qū)性特點和季節(jié)變化，時而環(huán)流輸送為主，時而以渦動輸送為主。水汽輸送主要集中于對流層的下半部，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。

（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定量表達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。通常說的水汽輸送主要是指水平方向的水汽輸送?，F(xiàn)取一與水平面正交、又垂直于風速的矢量截面ABCD，其高為ΔZ，底邊長為ΔL，風速為v，空氣密度為ρ，比濕為q，則單位時間內(nèi)流經(jīng)截面積ABCD的水汽質(zhì)量為：

位時間內(nèi)通過與風速正交的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式為：

其單位為克每百帕厘米秒。

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

垂直輸送的水汽通量是指單位時間流經(jīng)單位水平面的水汽通量，規(guī)定向上輸送為正，向下為負，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，也是一個向量，因此，水汽通量散度的定義與計算公式，完全可以仿照水平散度給出，即：

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

表示由于水平運動而引起單位時間內(nèi)單位體積中水汽的

任一地點的水汽通量散度，均可由風和溫度資料計算出來，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。散度為正的地區(qū)表示水汽自該地區(qū)的四周輻散，稱該地區(qū)為水汽源，在這種情況下降水比較少；反之散度為負的地區(qū)，表示四周有水汽向該地區(qū)匯集，稱該地區(qū)為水汽匯，降水比較多。例如，我國大陸東半部水汽總輸送場中，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應關(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)流輸送處于主導地位。這是和大氣環(huán)流決定著全球流場和風速場有關(guān)。而流場和風速場直接影響全球水汽的分布變化，以及水汽輸送的路徑和強度。因此大氣環(huán)流的任何改變，必然通過流場和風速場的改變而影響到水汽輸送的方向、路徑和強度。

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，因而距海遠近直接影響空中水汽含量的多少，這也正是我國東南沿海暖濕多雨，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行方向的山脈，常常成為阻隔暖濕氣流運移的屏障，迫使迎風坡成為多雨區(qū)，背風坡絕熱升溫，濕度降低，水汽含量減少，成為雨影區(qū)。

（三）我國水汽輸送基本特點

關(guān)于我國水汽輸送，劉國緯和崔一峰通過選用全國122個探空站及國外27個探空站的資料，并以1983年為典型年進行了比較系統(tǒng)的分析、計算與研究，得出了如下的基本結(jié)論。

第一，存在三個基本的水汽來源，三條輸出入路徑，并有明顯的季節(jié)變化。三個來源是極地氣團的西北水汽流、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，冬季直達長江，夏季退居黃河以北；南海氣流自廣東、福建沿海登陸北上，至長江中下游地區(qū)偏轉(zhuǎn)，并由長江口附近出境，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-長沙一線與南海水汽流匯合，而后亦進入長江中下游地區(qū)，然后出海，全年中春季強盛，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，又有移動性渦動輸送，其中平均輸送方向基本上與風場相一致。而渦動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)。渦動輸送的這一特點對于把東南沿海地區(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，制約了全國水汽輸送的基本態(tài)勢。青藏高原雄踞西南，決定了我國水汽輸送場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上空濕度場的配置，并呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢，進而影響我國降水的地區(qū)分布。

第四，水汽輸送場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形勢比較復雜；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。

我國上空水汽的收支有如下特點：

1）全國年輸入水汽總量為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，與全國入海徑流量很接近。這些水量折合全國平均水深為279.4毫米。

2）從四方邊界來說，水汽主要從南部和西部邊境進入（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。水汽的密度約相當于同溫、同壓下干空氣的0.622倍，即水汽密度永遠小于干空氣的密度。水汽的氣體常數(shù)（Rw）為461焦耳/千克·開，定容比熱（Cv）等于716焦耳/千克·開。大氣中的水汽來源于下墊面的蒸發(fā)與蒸騰，其含量因時因地而異，按容積計算其變化范圍在0—4%之間，熱帶多雨地區(qū)可達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。水汽能強烈地吸收地面輻射，也能放射長波輻射，在水相變化中不斷放出或吸收熱量，故對地面和空氣的溫度影響很大。