天气学原理和方法--第7章--刘强--整理

第七章

第一节降水的形成与诊断

一、降水形成过程

(一)一般降水的形成过程（有三个条件）

1、水汽条件：水汽由源地水平输送到降水地区

2、垂直运动条件：水汽在降水地区辐合上升，在上升中绝热膨胀冷却凝结成云

3、云滴增长条件：云滴增长变为雨滴而下降

前两个条件决定于天气学条件，是降水的宏观过程，第三个条件主要决定于云物理条件，是降水的微观过程。云滴增长的条件主要决定于云层厚度，而云层厚度，由决定于水汽和垂直运动的条件，所以在降水预报中，通常只要分析水汽条件和垂直运动条件即可。一般任务云滴增长的过程有两种：一种是“冰晶效应”可促使云滴迅速增长而产生降水，在中高纬度，这种过程起着重要作用；另一种是云滴的碰撞合并作用，尤其是云层发展较厚时，这种过程更明显。

（二）暴雨的形成条件

凡是日降水量达到和超过50.0毫米的降水称为暴雨。

有三个普遍的主要条件，分别是充分的水汽供应、强烈的上升运动、较长的持续时间，另外还有一个地形条件，就是有利的地形条件。

1、充分的水汽供应

暴雨是在大气饱和比湿达到相当大的数值以上才形成的，700hpa

上比湿≥8克/千克（对北京来说，比湿≥5克/千克），是出现大、暴雨的必要条件；有了相当高的饱和比湿条件，还必须有充分的水汽供应，因为只靠某一地区大气柱中所含的水汽凝结下降量很小，因此必须研究水汽供应的环流形势。

2、强烈的上升运动

强烈的上升运动只有在不稳定能量释放时，才能形成，因此暴雨预报必须分析不稳定能量的储存和释放问题，研究形成暴雨的中、小尺度系统。

二、水汽方程和降水率

（一）水汽方程

水汽方程是表示水汽输送和变化的基本方程。单位时间内通过某一单位面积的水汽量，称为水汽通量。水汽方程表达式：

此式说明，一个运动的单位质量湿空气块，其比湿的变化等于凝结率及湍流扩散率之和。

单位时间内，某一体积所含水汽的变化量主要有四个方面的因素决定：水平方向上水汽的净流入量，垂直方向上水汽的净流入量，凝结量，湍流扩散。

（二）降水率

单位时间内降落在地面单位面积上的总降水量，称为降水率或降水强度。表达式：

三、水汽条件的诊断分析

（一）水汽含量主要从以下几个湿度项目分析

1、各层比湿或露点分析等压面上的比湿或露点的分布，就等于分析了湿度场的分布。

2、各层饱和程度一般用温度露点差来表示空气的饱和程度，通常以（T－T d）≤2℃的区域作为饱和区，（T－T d）≤4～5℃的区域作为湿区。在垂直剖面图上，常使用相对湿度的分布来表示空气的饱和程度，一般≥90％作为饱和区。

3、湿层厚度湿层越厚，降水越强，常在单站探空曲线及剖面图中分析湿层厚度作为降水预报的指标。

（二）可降水量

将某一地区上空整层大气的水汽全部凝结并降至地面的降水量成为该地区的可降水量。表达式：

一地区的可降水量的大小表示了该地区整层大气的水汽含量。一般一地区较大的降水，其量远远超过该地区的可降水量，因此某地区要下一场较大的降水，就必须要有足够的水汽从源地不断向该地区供应。

（三）水汽通量

源地的水汽，主要是通过大规模的水汽气流被输送到降水区的，

其输送量的大小用水汽通量表示。单位时间内，通过垂直于风向的单位面积输送的水汽量可表示为ρqV，即为水汽水平通量。通过垂直于风向的底边为单位长度，高为整层大气柱的面积上的总的水汽通量

为：

（三）水汽通量散度（公式表达）

若不考虑地形和地面摩擦的影响，且认为地面和大气层顶的垂直速度为零，则I＝－D，即整层水汽水平辐合的大小，近似的等于降水率。

另外，由于：，可见水汽通量散度由两部分组成，一部分为水汽平流（右端第一项），另一部分为风的散度（右端第二项）。

（四）水汽的局地变化

某地区水汽的变化取决于四项：比湿平流，比湿垂直输送，凝结、蒸发，湍流扩散。

总之，分析水汽条件主要是分析大气中的水汽含量及其变化、水汽通量和水汽平流等。水汽通量辐合主要决定于空气的水平辐合，因而决定于垂直运动的条件。

四、垂直运动条件的诊断分析

对垂直运动的诊断分析主要是通过分析水平风场和温压场来进

行，前者主要是利用连续方程进行诊断，后者主要是利用ω方程进行诊断。

（一）用连续方程诊断垂直运动

由第一章已知“p”坐标系中的连续方程为：

将上式由地面（p0）到某层(p)积分得：

(7.19)

式中ωp0，是地面垂直速度，下面将要进一步讨论。如果地面平坦且摩擦较小时，可以认为ωp0＝0，而上式可简化为：

(7.20)

上式的意义是p层的垂直速度，由p层以下整层的水平散度之和所决定。当水平散度之和为辐台时，p层有上升运动(ωp

若对连续方程由大气层顶(p=0)到p层积分则得；

因为在大气层顶ω0＝0，所以上式可以写成：

（7.21）其意义是p层的垂直速度也可由p层以上的水平散度之和来决定。当水平散度之和为辐散时，p层有上升运动（ωp

1、低层散度的诊断

（1）通常可用850hpa或700hpa图上的风向风速来诊断辐合上升运动的强度及降水。有以下几种降水分布型式可在日常预报中参考使用（阴影区为降水区）：

（a 风速辐合、b风向辐合）

（a 风向切变、b 冷锋式辐合与切变相结合、c 暖锋式辐合与切变）