降水成因诊断分析水汽通量水汽通量散度可降水量NoR.ppt

6 降水成因的诊断分析-水汽通量、水汽通量散度和可降水量参考书:天气分析预报物理量计算基础,刘健文,气象出版社王咏青 2010年11月南京信息工程大学1编辑ppt形成暴雨的必要条件之一，是要有足够多的水汽供应。有计算表明，单靠当地已有的水份，是不可能形成暴雨的，必须要有水汽从周边源源不断地输入到暴雨区。这样，在作暴雨分析和预报时，水汽输入是必须要考虑的问题。2编辑ppt水汽通量与水汽通量散度，是为了定量地描述水汽输送的方向、大小、积聚，从而了解形成暴雨的水汽条件而引入。近年来，国内外一些气象学家还将水汽通量散度作为强对流天气的触发因子或预报因子。3编辑ppt6.1 水汽通量水汽通量又称水汽输送量，是指单位时间内流经与速度矢正交的某一单位截面积的水汽质量。它表示水汽输送的强度和方向，有水平分量和垂直分量两种。4编辑ppt水平水汽通量（FH）定义:一般说的水汽通量，多指水平水汽通量，它是指单位时间内流经与气流方向正交的单位截面积的水汽通量。其方向与与风向相同，大小可以从6.1图中看出。5编辑ppt水平水汽通量（FH）图6.1 水平水汽通量示意图6编辑ppt7编辑ppt8编辑ppt9编辑ppt10编辑ppt11编辑ppt12编辑ppt垂直水汽通量（FZ）13编辑ppt14编辑ppt6.2 水汽通量散度15编辑ppt xy1s is 0例如，当用符号p.(Vq/g)时，则有：p (Vq/g)(uq/g)(vq/g)(6.2.1)利用水汽通量散度定义和高斯散度定理：或1 p (Vq/g)lim s Vn qdl/g p (Vq/g)(V niqi li /g)(6.2.2)(6.2.3)16编辑ppt1s i p (Vq/g)(V niqi li/g)(6.2.3)式中（Vniqili)/g 表示长度为li 边上的水汽通量，Vni 表示与该边正交的风速分量，指向外为正。17编辑ppt式（6.2.2）与（6.2.3）表明，某区域内的水汽通量散度，仅由该区域周界上的水汽通量所决定，而与区域内的通量无关。在图 6.2 中，假若把面积（S)认为是单位厚度（1hPa）的体积时，可看出水汽通量散度的意义是指单位时间内单位体积中水汽的净流失量。18编辑ppt水汽通量散度示意图19编辑ppt如水汽通量散度为正p.(Vq/g)0，表示有水汽流失；如水汽通量散度为负p.(Vq/g)0，表示有水汽积聚。20编辑ppt-1 -1 -1-1 -2-1单位:由式（6.2.1）可知：p.(Vq/g)-uq/g/L(6.2.4)考虑到 Vq/g-g.hPa.cm.s,以及 L-cm，由式（6.2.4）得：p.(Vq/g)-g.hPa.cm.s（6.2.5）21编辑ppt分析表明,一般来说，在对流层下部的p.(Vq/g)占整个大气柱中p.(Vq/g)的绝大部分。对流层下部水汽通量的辐合，不仅引起对流层下部出现凝结，而且还可通过垂直输送的作用，引起对流层一部出现凝结。22编辑ppt6.3 大气可降水量定义：大气可降水量（Precipitable Water;缩写为 PW）是指从地面直到大气顶的单位截面积大气柱中所含水汽总量全部凝结降落到地面可以产生的降水量。通常用在同面积容器中相当水量深度表示，以 cm 或 mm 为单位。23编辑pptPW计算示意图24编辑ppt积分形式的计算公式其积分形式的计算公式可按如下步骤导出：如图 3 所示，从单位截面大气柱中截出厚度为 dz 的一段气柱，其容积为 dz，其中水汽质量为：dmv=vdz（6.3.1）25编辑ppt考虑到比湿 q=v/(v+d),亦即vq/(v+d)，式（6.3.1）则可以变形为：dmv=(v+d)qdz(6.3.2)考虑到=(v+d)及 dp=-gdz，式（6.3.2）可改写为：dmv=qdz=-qdp/g(6.3.3)将式（6.3.3）对单位截面气柱从底到顶积分，即得：PW1 0 dmv 0 qdz(6.3.4)26编辑ppt或PW1 1g0p0qdp(6.3.5)其中 q(p)为比湿，它随气压 p 而变；g 为重力加速度；p0 为地面气压。用式（6.3.5）式计算出的 PW1 是单位气柱中的水汽总量，没有换算成水深。27编辑ppt在水文气象学中常常用可降水量 PW2 表示垂直气柱中的总水汽量，并换算成水深。代表单位气柱中的水汽凝结后积聚在单位气柱底面上的液态水的深度。28编辑ppt计算可降水量 PW2 的一般公式为：PW2 (iqpg w)i(6.3.6)其中 PW2 代表以换算成水深的可降水量，单位是 cm。它是把积分式（6.3.5）改变为相应的差分求和形式，再除以水的密度w 求得出的。29编辑ppt-2-3-1 -2-1 -2；PW2 的单位在式（6.3.6）中:q 为一层湿空气在平均比湿（g.kg-1）p 为层厚（hPa）；g 为重力加速度（cm.s ）w 为水的密度（g.cm ）。考虑到 1Pa=1kg.m .s ，1hPa=100kg.m .s ，30编辑ppt 2 3则由式（6.3.6）得：UP2）q kg 1 100kg m1 s 2 100cm2cm s g cm m cm(6.3.7)31编辑ppt在一般情况下，可降水量比实际的降水量约大1到2倍。但在较强的降水系统中，特别是在暴雨中，实际降水量往往显著超过可降水量。对于前者易于理解；对于后者，恰是含有大量水汽的空气不断向降水系统中辐合造成的。32编辑ppt0 q01M6.4 水汽通量散度与降水量在不考虑液、固态水及蒸发量的条件下，整个气柱内的水分收支方程为：t p0 tdp/g t p0 p (g Vq)dp M(6.4.1)式中 p0 表示地面气压，表示t 时间段内单位截面气柱的凝结量。假定凝结量全部降落到地面，则 M 便等于降水量。33编辑ppt0如果计算区域的边长为数百公里，则局地变化项（左端第一项）对降水的贡献很小，式（6.4.1）可简化为：1M t p0 p (g Vq)dp(6.4.2)上式表示，降水量并不直接与水汽通量相联系，而是与其散度相联系。为了强调水汽通量的上述性质，有的预报员称水汽通量为“过路水汽”。34编辑ppt中国降水与水汽通量散度关系实例35编辑ppt2010.07.11.08-12.08 降水实况2010.07.11.20 700hPa 水汽通量散度2010.07.11.20 500hPa 水汽通量散度2010.07.11.20 850 hPa水汽通量散度36编辑ppt2010.07.19.08-20.08 降水实况2010.07.19.20 700hPa 水汽通量散度2010.07.19.20 500hPa 水汽通量散度2010.07.19.20 850hPa 水汽通量散度37编辑ppt一述两例表明，底层850hPa的水汽通量散度与降水具有更好的关系。38编辑ppt39编辑ppt2010年7月20日20时 850hPa水汽通量散度40编辑ppt上面云南的例子亦表明，850hPa的水汽通量散度与降水具有更好的关系。41编辑ppt1 I qVu v v6.6 水汽通量及水汽通量散度的计算 计算公式及原理 水汽通量：1 g 1 1 水汽通量散度：(qV)V q qVg g g散度在地球坐标系中的计算公式：D tgx y aa:地球半径；：纬度42编辑ppt语句：div(i,j)=(u(i+1,j)-u(i-,j)/(2*dx(j)+(v(i,j+1)-v(i,j-1)/(2*dy)-v(i,j)*tan(lat(j)/a)adq(i,j)=u(i,j)*(q(i+1,j)-q(i-1,j)/(2*dx(j)+v(i,j)*(q(i,j+1)-q(i,j-1)/(2*dy)adqv(i,j)=(q(i,j)*div(i,j)+adq(i,j)43编辑ppt