天气学第七章(丁)1

本章主要内容：（1）分析暴雨形成的物理过程及其诊断方法;（2）影响我国大范围降水的环流形势及天气过程;（3）形成暴雨的各种天气尺度系统等。第七章大型降水天气过程主要讲述章节：§7.1降水的形成与诊断§7.2大范围降水的环流特征§7.3降水的天气尺度系统本章重点：降水和暴雨的形成机制；我国大型降水过程的特征本章难点：降水的形成与诊断；降水的天气尺度系统概述1大型降水含义大型降水主要是指范围广大的降水，降水区可达天气尺度大小，包括连续性和阵性的大范围雨雪及夏季暴雨。24小时雨量（mm)0.10.1~1010~2525~5050~100100~200=200等级微量小雨中雨大雨暴雨大暴雨特大暴雨2降水的分级3降水的影响利弊4我国各地降水气候概况（1）各地雨量年雨量分布极不均匀，从东南沿海向西北内陆减少（2）我国绝大多数雨量集中在夏季，有明显的雨季、干季之分雨季：即连阴雨期，夏季水汽充沛，降水量多，故夏季的连阴雨期一般称为雨季。全球年降水量分布雨季发生的时段：云贵高原5月下旬~10月下旬青藏高原北部6月中旬~10月下旬华南沿海雨季4月中~10月中旬长江流域6月上旬~9月初华北、东北雨季7月中旬~8月底雨季发生的特点：雨季一般出现在夏半年，降水分布不均匀，东南部雨季出现早，结束晚，雨季中有相对干期5东亚环流的季节变化与我国雨带活动雨带：一次降水过程中，降水量相对集中的地带；侯（旬）内平均降水量相对集中的地区（1）与系统有关的雨带活动区域：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）（2）东亚季风季节变化与雨带位置5月中旬-8月下旬，雨带从南往北移5月中旬-6月上旬华南前汛期15ºN6月中旬-7月上旬江淮梅雨20-25ºN7月中旬—8月下旬华北东北雨季30ºN华南进入后汛期8月下旬—10月上旬雨带从北往南移9月中—10月上旬淮河秋雨期，雨量小20ºN雨带两次北跳三次停滞（3）中国暴雨的分布特征•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•暴雨极值与地形有关，多发于暖季§7.1降水的形成与诊断一、降水形成过程送宏观过程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。2暴雨形成条件充分的水汽供应;强烈的上升运动较长的持续时间较长的持续时间与系统的稳定有关，因此要研究环流形势的稳定情况连续暴雨的前提：副高脊，长波槽，切变线、静止锋、大型冷涡等长期稳定在稳定的形势下天气尺度系统（短波槽、低涡、气旋等）的多次影响二、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比湿q体积δxδyδz所含水汽质量ρqδxδyδz单位时间内该体积所含水汽的变化量为)(zyxqt在不考虑液态水和固态水向体积内输送的情况下，水分质量守恒可知水汽变化量决定于四个因子：水平、垂直方向净流入，蒸发凝结和湍流扩散（1）水平方向上水汽的净流入量zyxqvyqux)()(水平方向水汽净流入量为其中,为水汽通量散度.)()(qvyqux（2）垂直方向上水汽的净流入量为（3）凝结量单位时间内，单位质量空气凝结率为C，则在单位时间内，体积δxδyδz中的凝结量为ρcδxδyδz.此值凝结时为正，蒸发时为负.zyxqwz)(（4）湍流扩散湍流扩散率：单位时间，单位质量空气块由湍流扩散引起的水汽输送量d，则单位时间内体积δxδyδz内湍流扩散所引起的水汽输送量为ρdδxδyδz22zqKdqzyxzqKzyxczyxqwzzyxqvyzyxquxzyxqtq22)()()()(22)()()()(zqKcqwzqvyquxqtq水汽方程（7.1）将（7.1）式拆开以连续方程代入则得水汽方程的另一形式:0Vdivdtd22zqKcdtdqq（7.2）22)()()()(zqKcqwzqvyquxqtq讨论：（1）如果没有凝结或蒸发，且湍流扩散也很小，可以忽略不计，则这表示空气质块的比湿保持不变（2）a.蒸发c0增加b.凝结c0减少0dtdq0dtdq0dtdq2降水率设I是单位时间内降落在地面单位面积上的降水量，称为降水强度或降水率。dpdtdqgIdzdtdqIqqdtdqdzdtdqIpsss00001,021001ttpsdpdtdtdqgW3凝结函数pdtdEEdtdqqdtdppdtdEEdtdqqpEqpEqssssss11111lnln622.0lnln622.0在一段时间内的降水量：)(112222LqTRcTRcLRpTqdtdqpRTdtdTcdtdqLpdtdTTRLdtdqqdtdTTRLdtdEEswpwpsspswssw(7.7)(7.8)(7.9)(7.10)FdtdqLqTRcTRcLRpTqFsswpwps)(22F为凝结函数F0当有上升运动时有凝结dpdtgFWptt0210对降水量W的讨论（1）F0（2）F是由温度，饱和比湿和气压等常规资料组成，可以观测得到，计算出来。不足：（1）忽略了乱流的影响，使计算量偏大（2）垂直速度的计算有误差三、水汽条件的诊断分析1水汽含量（1）各层比湿或露点（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等压面图上：T-Td≤2℃饱和区T-Td≤4-5℃湿区垂直剖面图：相对湿度f≥90%饱和区（3）湿层厚度湿层即饱和层，湿层越厚，降水越强。dpqgdzq0012可降水量（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。（2）表达式：3水汽通量（1）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.（2）表达式:底边为单位长度，高为单位百帕的水汽通量为VqVVqg1水汽通量水汽通量散度4水汽通量散度（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:辐散辐合（3）降水率：整层大气的水汽水平通量散度近似为降水率。I=-DhVq00hhVqVq22)()()()(zqKcqwzqvyquxqtqVqgqVgVqg111比湿平流风的散度P坐标下的水汽通量散度：Vqg15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22zqKczqwqVtqq（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.（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。四、垂直运动条件的诊断分析主要通过分析水平风场和温压场来判断垂直运动1用连续方程诊断垂直运动公式推导：“P”坐标系中的连续方程为)(yvxup（1）从下往上积分：讨论：dpyvxudpyvxupppppp000)()(0,0)(0,0)(00ppppppdpyvxudpyvxu（2）从大气层顶（p=0）向下积分讨论：dpyvxudpyvxuppp000)()(0,0)(0,0)(00ppppdpyvxudpyvxu（3）补偿原理（整层积分）高层辐散低层辐合，P层有上升运动高层辐合低层辐散，P层有下沉运动0)(000000pppdppdpyvxu低层散度的诊断①用850、700百帕上的风向风速来诊断辐合上升运动的强度及降水②用低层变压场来判断垂直运动变压风：两边取散度得：在正变压中心有辐散下沉运动，负变压中心有辐合上升运动，中心数值愈大，愈显著。高层散度的诊断简化的涡度方程)(100vVtfVdivVdivfvVt注意：a.高层多半是带状波动流型b.与降水相联系的高空槽脊主要是短波讨论：a.槽前脊后，有正相对涡度平流，高层辐散，有上升运动b.槽后脊前，有负相对涡度平流，高层辐合，中层有下沉运动VfVdiv012用ω方程诊断垂直运动（用某一层上的温压场）dtdQpcRpVfVpfApggg222)(绝对涡度平流随高度变化非决热加热的拉普拉斯温度平流的拉普拉斯pyVpyyVpyyVpyVpxVpxxVpxxVpxVpyVpyVypxVpxVxpVypVxpVggggggggggggggg2222222222222（1）热成风对相对涡度的平流pVpyyVpxxVpVpyxVpyyVpxxVpyVxVggggggggg22222222222)(2pVfpVggg2pVfpVpVfxpuypvfxpuypvypxfxpyfpyvpxupVgggggggggggggg22222222)()(1)(1)()(gTggggggggggggVfApyyVpxxVpVfApyyVpxxVpVfpVffVpfA2222)(212212212有下沉运动有上升运动,0,0gTgTVV000gTgggVTVV讨论:在日常分析预报中，可根据等高线的形势大致估计涡度的分布，从而按（7.27）式判断垂直运动.000gTgggVTVV（2）非绝热加热的作用加热有上升运动冷却有下沉运动dtdQpcRAp232在非绝热加热作用中，以凝结潜热释放为主。满足潜热释放的条件为:①摩擦层中有水汽通量的净辐合；②有其他原因造成的上升运动；③空气近于饱和，例如规定T-Td≤4℃.降水对上升运动的反馈作用在数值预报中，称为加热函