天气学分析诊断：第六章-降水成因的诊断分析

天气学诊断分析第六章

降水成因的诊断分析

不仅发生在沿海，而且出现在内陆;华南沿海和东南沿海的降水量极值多数由台风引起;长江中下游和淮河流域暴雨主要由6－7月梅雨锋上西南涡所引起;黄河中下游和海河流域的暴雨主要是四川移出的西南涡和青海移出的西北涡造成东北的暴雨与台风、东北冷涡、锋面有关暴雨极值与地形有关，多发于暖季中国暴雨的分布特征受以下系统的影响：西太平洋副热带高压脊线（北侧8-10纬度）100hPa青藏高压（北侧）副热带西风急流（南侧）东亚季风季节变化1、降水形成过程2、水汽方程和降水率3、水汽条件的诊断分析本章内容：1降水形成过程1.一般降水的形成过程水汽条件垂直运动条件云滴增长条件微观过程宏观过程冰晶效应碰撞合并云滴增长取决于云层厚度，云层厚度取决于水汽条件和垂直运动条件。因此，降水分析就是对水汽条件和垂直运动条件进行分析1降水形成过程1.一般降水的形成过程环流形势（1）连续暴雨的必要前提：副高脊，长波槽，切变线、静止锋、大型冷涡等长期稳定（2）影响系统：短波槽、低涡、气旋等充分的水汽供应强烈的上升运动较长的持续时间1降水形成过程2.暴雨形成条件形成暴雨的必要条件之一，是要有足够多的水汽供应。对于水汽的诊断分析是进行降水成因诊断分析的重要内容。包括对水汽含量、水汽源与汇、水汽输送条件等的诊断分析。1降水形成过程2.暴雨形成条件2水汽方程和降水率1.水汽方程表示水汽输送和变化的基本方程。（q：比湿；c：蒸发）2.降水率设I是单位时间内降落在地面单位面积上的总降水量，称为降水强度或降水率。（qs：饱和比湿）2水汽方程和降水率总降水量：2.降水率2水汽方程和降水率3水汽条件的诊断分析1.水汽含量与饱和程度（1）各层水汽含量：

各层比湿或露点3水汽条件的诊断分析1.水汽含量与饱和程度（2）各层饱和程度：在等压面上分析等（T-Td）线，用以表示空气的饱和程度。T-Td≤2℃饱和区T-Td≤4-5℃湿区在等压面上分析等RH线：

相对湿度f≥90%饱和区第17

页9095第19

页3水汽条件的诊断分析1.水汽含量与饱和程度（3）湿层厚度:

湿层即饱和层，湿层越厚，降水越强。

看物理量的垂直剖面，或单站的TlogP图第21

页状态曲线（气块）：参考线层结曲线（大气）：环境大气热力特征露压曲线（Td）第22

页第23

页（1）定义：将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称为该地区的可降水量（PW）。（单位（mm），量级101）（2）表达式：3水汽条件的诊断分析2.可降水量由于水汽绝大部分集中在对流层低层，积分上限可取至300hPa至400hPa。某地区可降水量的大小表示了该地区整层大气的水汽含量。第25

页附：可降水量计算公式推导第26

页附：可降水量计算公式推导第27

页附：可降水量计算公式推导第28

页附：可降水量计算公式推导附：可降水量计算公式推导一般情况下，可降水量比实际降水量约大1到2倍。但较强的降水系统中（暴雨），实际降水量往往显著超过可降水量。单靠大气中现存的水汽不够产生较大的降水量（在含水量较多的积雨云中，即使云中含水量全部降落（称为可能降水量），也只有10-20mm）。造成中国达到暴雨以上的气团，一般是太平洋、南海和印度洋上生成的热带海洋气团或赤道气团，非常潮湿，它们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，要下一场暴雨必须要有水汽源源不断地由云从外输入，云内水汽又不断凝结才有可能。这就需要分析水汽的输送情况。3水汽条件的诊断分析2.可降水量3.水汽通量——水汽输送定义：单位时间通过与水平风速

相垂直的单位面积的水汽量。（矢量）3水汽条件的诊断分析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.（1）水平水汽通量：平常所说的水汽输送，多数情况下是指水平水汽通量。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质量，它表征水汽的来源，水汽量的大小与天气系统之间的关系。其方向与风向相同，单位为g/(cm•hPa•s)，计算表达式为：（矢量）3水汽条件的诊断分析3.水汽通量附：水平水汽通量表达式及单位推导水平水汽通量示意图附：水平水汽通量表达式及单位推导（1）水平水汽通量：

单位为g/(cm•hPa•s)（矢量）3水汽条件的诊断分析3.水汽通量（2）垂直水汽通量：一般来说，水汽向上输送，才能增厚湿层，产生凝结，成云致雨。因此，当讨论暴雨过程的水汽收支问题时，往往需要计算垂直水汽通量。垂直水汽通量是指单位时间内流经单位水平面向上输送的水汽通量。单位为g•cm-2•s-1，表达式为：

（矢量）3水汽条件的诊断分析3.水汽通量：z坐标系下的垂直速度。当有上升运动时，w>0，垂直汽通量Fz>0从水汽通量的数值和方向，只能了解暴雨过程的水汽来源，以及这种水汽输送和某些天气系统的关系。降水过程中，水汽一面凝结降落，一面有水汽向降水区补充，实际暴雨产生前后空气中水汽含量无明显变化；暴雨预报时，不仅了解水汽的来源，还要看水汽在何处集中。水汽通量辐合中心是预报暴雨落区的一个很好的指标，然后根据水汽收支情况计算可能达到的降水强度。

3水汽条件的诊断分析3.水汽通量局限性：（1）含义：水平水汽通量散度指单位时间、单位体积内水汽的水平净流入或净流出量.（2）表达式:单位为g/(cm2•hPa•s)，量级为10-73水汽条件的诊断分析4水汽通量散度——水汽收支反映水汽通量的辐散（水汽减少）和辐合（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：

整层大气的水汽水平通量散度即为降水率。I=-D3水汽条件的诊断分析4水汽通量散度——水汽收支中国降水与水汽通量散度关系实例2010.07.11.20500hPa

水汽通量散度700hPa850hPa2010.07.11.08--12.08降水实况2010.07.19.20500hPa水汽通量散度700hPa850hPa2010.07.19.08--20.08降水实况第49

页2010年5月，江西出现两次大暴雨过程。2次大暴雨过程都有比较强水汽通量输送，输送层主要集中在500hPa以下。最强输送通道在850hPa到500hPa之间;当强水汽通量中心东移到116°E以东时，江西中部或西部上空水汽通量强度值小于8，表明有利于降水发生的水汽通道被切断，江西暴雨迅速减弱或消失。500hPa500hPa第50

页底层850hPa的水汽通量散度与降水具有更好的关系。水汽的输送集中在500hPa以下。（4）有关水汽通量散度的使用经验：1）大气中的水汽主要集中在对流层的下半部，这种计算一般只计算到500hPa等压面即可。2）暴雨落区多数都似乎水汽辐合区，一般只计算850hPa、700hPa、500hPa三层的水汽通量散度之和，有时边界层的水汽通量散度也很重要。3）低层的水汽通量散度比高层的水汽通量散度反映降水的强度更明显一些。4）水汽通量是表示水汽输送强度的物理量，代表着水汽输送的大小和方向；水汽通量散度表示水汽的源和汇，即水汽通量收支。3水汽条件的诊断分析4水汽通量散度——水汽收支1降水的形成与诊断三、水汽条件的诊断分析5水汽的局地变化由上式可看出，某地区水汽的局地变化取决于以下四项：比湿平流、比湿垂直输送、凝结、蒸发和湍流扩散1降水的形成与诊断三、水汽条件的诊断分析5水汽的局地变化（1）比湿平流：湿平流引起局地比湿增加，干平流引起局地比湿减少.（2）比湿垂直输送：一般低层湿度大于高层，因此某层上升运动将使局地比湿增加，下沉运动将使局地比湿减少.（3）凝结、蒸发：凝结时使局地比湿减少，蒸发时使局地比湿增加.1降水的形成与诊断三、水汽条件的诊断分析5水汽的局地变化（4）湍流扩散：湍流扩散在垂直方向主要使水面和下垫面蒸发的水汽向上输送到高层大气中去，一般在大型降水中不考虑。降水产生之前：降水产生之后：四项比较：各标准等压面上的高度、温度、温度露点差；风的垂直切变（热成风）；上下两层等压面上的地转风的矢量差为热成风。热成风方向与气层间平均等温线平行，背风而立，高温在右。风随高度顺转，有暖平流；逆转有冷平流。不稳定层结；逆温层（层结曲线随高度向右倾斜）等温层（层结曲线垂直于横轴）逆温、等温、递减率小的层结都是不稳定层，对天气影响较大。不稳定指数；补充：TlogP图（2）探空图上的其他信息：A指数：850hPa与500hPa温度差减去850/700/500hPa三层的温度露点差之和A值越大越不稳定（各地区指标不同）K指数：大小与雷雨天气有关系：值越大，大气越不稳定K<20无雷雨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指数：用于预报局地对流性天气（有锋面或逆温时不能使用）SI>+3不大可能出现雷暴天气0<SI<+3有发生阵雨的可能性-3<SI<0可能有雷暴-6<SI<-3可能有强雷暴SI<-6可能有龙卷Cape指数（强CAPE范围能较好反映暴雨产生的大致区域）Cape代表由层结曲线和状态曲线相交的正面积区，体现了不稳定能量的大小。值越大，越不稳定CIN对流抑制有效位能CIN正比于TlogP图上底部层结曲线和状态曲线相交的负面积区，其体现了阻止对流发生的能量大小研究表明，一定的对流抑制能量有利于闪电的发生。产生强对流需要一定的CIN数（如几十～一百左右），太小不利于能量累计，太大对流无法发展。SSI简化的沙氏指数一般情况下，SSI≥0；SSI越小，大气越不稳定TCL（抬升凝结高度能显示出大气的稳定度）低的抬升凝结高度有利于龙卷的发生，抬升凝结高度大于1200ｍ会大大降低龙卷的发生概率LFC（自由对流高度）气块由稳定状态转入不稳定状态的高度，即在此高度以上，大气不稳定ZH（0度层位势高度）适中的0℃层高度有利