[科普中國]-水汽含量

水汽含量(Q)稱之為比濕，指濕空氣中的水汽質(zhì)量與濕空氣的總質(zhì)量之比。

概念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(shí)的溫度越高，即其露點(diǎn)溫度越高。水汽冷凝需要降溫，當(dāng)水汽含量高時(shí)，降溫很容易達(dá)到飽和即不需要降溫太多，即水汽含量越高其露點(diǎn)溫度越高，相反當(dāng)水汽含量很低時(shí)，很難達(dá)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(diǎn)溫度越低。

露點(diǎn)（Dew point），又稱露點(diǎn)溫度（Dew point temperature），是反映大氣中水汽含量的物理量。在氣象學(xué)中是指在固定氣壓之下，空氣中所含的氣態(tài)水達(dá)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(shí)，凝結(jié)的水飄浮在空中稱為霧、而沾在固體表面上時(shí)則稱為露，因而得名露點(diǎn)。

假設(shè)取固定空間，取固定氣壓值，則在這個(gè)環(huán)境當(dāng)中的露點(diǎn)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(dá)到飽和凝結(jié)成液態(tài)水的這個(gè)過程即確認(rèn)在此瞬間單位空間量中的水汽含量是準(zhǔn)確值。

不同云天條件下水汽含量特征及其變化分析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(dòng)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(jì)對(duì)云天水汽含量和云液態(tài)水含量進(jìn)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(duì)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(duì)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(shí)的水汽含量及其變化，希望能對(duì)人工影響天氣最佳作業(yè)時(shí)機(jī)及作業(yè)云的選擇提供幫助。

GPS水汽監(jiān)測簡述地基GPS接收機(jī)的相位信號(hào)可用于計(jì)算整層大氣的水汽含量，其時(shí)間精度可達(dá)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(duì)測量，不需要校準(zhǔn)，并可以全天候自動(dòng)進(jìn)行。所以，GPS測量大氣水汽含量將會(huì)越來越多地應(yīng)用到天氣、氣候、人工影響天氣等諸多領(lǐng)域。

空中水汽含量分析我們選取2002年6月18日08時(shí)～28日08時(shí)每整點(diǎn)的GPS水汽探測資料，共有整點(diǎn)觀測時(shí)次241個(gè)，和該時(shí)段內(nèi)屯溪站整點(diǎn)的云狀觀測資料(包括晴空)，統(tǒng)計(jì)了各類云天條件下或晴空時(shí)的空中水汽含量平均值、極值，見表1(在觀測時(shí)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(jì)時(shí)舍去)。對(duì)于同一時(shí)次出現(xiàn)兩種或以上云狀時(shí)，則分別記入不同云狀樣本。

從表1中可以看出，當(dāng)出現(xiàn)蔽光層積云(Scop)和鬃積雨云(Cb cap)兩種云時(shí)，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(shí)或出現(xiàn)其它云時(shí)，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(shí)，水汽含量變化范圍相對(duì)較小，在62.7～72.7mm之間。

當(dāng)出現(xiàn)蔽光層積云(Scop)和鬃積雨云(Cb cap)兩種云時(shí)，產(chǎn)生降水的可能性最大，出現(xiàn)鬃積雨云的30個(gè)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(shí)，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(shí)段內(nèi)均未產(chǎn)生降水。

不論對(duì)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(dá)到60mm以上，而且對(duì)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(shí)，空中水汽含量達(dá)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(shí)，空中水汽含量達(dá)到60mm以上的比例則高達(dá)90%以上。說明出現(xiàn)低云或蔽光高積云時(shí)，空中的水汽含量大多數(shù)情況下可能會(huì)達(dá)到較大的值。

降水效率分析上面我們分析了晴空和不同云天條件時(shí)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(shí)的降水資料，以整點(diǎn)前1h雨量和該整點(diǎn)后1h雨量的平均值，作為該時(shí)次所觀測到云的降水量，例如:6月27日19～20時(shí)雨量為7.5mm，20～21時(shí)雨量為25.9mm，20時(shí)觀測到的云為Cbcap，則該時(shí)次Cbcap雨量以(7.5+25.9)/2=16.7mm計(jì)算。不同云天條件下的降水量統(tǒng)計(jì)見表2(舍去了樣本數(shù)少的云)。

表2中，對(duì)于不同的云天條件，產(chǎn)生的降水量不同，每小時(shí)的平均降水量以鬃積雨云最多，達(dá)到4.75mm，蔽光層積云次之，為1.66mm，其它云天條件時(shí)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(shí)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(huì)產(chǎn)生降水。可見，即便是降水效率最高的鬃積雨云，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。

水汽含量變化特征從2002年6月18日08時(shí)～28日08時(shí)，共有整點(diǎn)時(shí)次241次，也即觀測樣本241個(gè)，其中整點(diǎn)前一小時(shí)或整點(diǎn)后一小時(shí)內(nèi)發(fā)生降水的樣本共有85個(gè)，在這些發(fā)生降水的時(shí)次里，除6月25日07時(shí)和08時(shí)，空中水汽含量分別為58.2和57.7mm外，其余各時(shí)次的空中水汽含量均大于60mm，可見只有空中水汽含量達(dá)到一定的數(shù)值后，才可能發(fā)生降水，這個(gè)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(shí)間序列圖，圖中橫坐標(biāo)是時(shí)間，縱坐標(biāo)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(gè)躍變，如圖中A、B、C、D、E時(shí)段，F(xiàn)是一個(gè)連續(xù)發(fā)生降水的過程，此時(shí)水汽含量維持在一個(gè)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(shí)間在6月25日07～11時(shí)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(shí)段07:00和08:00兩個(gè)時(shí)次。

研究結(jié)論對(duì)2002年6月18日08時(shí)到6月28日08時(shí)，GPS測得的水汽含量及降水量分析認(rèn)為：

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

(2)出現(xiàn)低云和中云中的蔽光高積云時(shí)，空中水汽含量也較大，50%以上情況下水汽含量可以達(dá)到降水的水汽含量要求，這些云也可以作為作業(yè)對(duì)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(dāng)水汽含量達(dá)到60mm時(shí)，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(dāng)時(shí)的動(dòng)力條件及云中凝結(jié)核有關(guān)，適當(dāng)改變動(dòng)力條件和凝結(jié)核，應(yīng)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(huì)有一個(gè)躍變，這既可以作為短時(shí)降水預(yù)報(bào)的參考，也是實(shí)施人工增雨作業(yè)的最佳時(shí)機(jī)。發(fā)生連續(xù)性降水后，空中仍有大量的水汽，此時(shí)仍可以實(shí)施人工增雨作業(yè)來增加地面降水。1

水汽含量對(duì)颮線組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響颮線（squallline）是由多個(gè)活躍雷暴單體排列成線狀或帶狀的中尺度對(duì)流系統(tǒng)，其發(fā)生時(shí)常伴有大風(fēng)、冰雹、暴雨等劇烈的災(zāi)害性天氣現(xiàn)象。國內(nèi)外對(duì)颮線系統(tǒng)開展過不少的研究，對(duì)颮線的發(fā)生條件、組織方式、生命史演變、雷達(dá)回波特征、中尺度結(jié)構(gòu)等方面已經(jīng)有了一些認(rèn)識(shí)。提出成熟階段颮線系統(tǒng)的概念模型，研究對(duì)颮線有觸發(fā)和組織作用的天氣系統(tǒng)。在對(duì)颮線分類研究的基礎(chǔ)上，采用觀測資料分析了對(duì)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(duì)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(duì)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(fēng)和冰雹，而美國的研究也認(rèn)為BE為最“危險(xiǎn)”的一種線狀中尺度對(duì)流系統(tǒng)。

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

對(duì)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(jì)研究發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在不同水汽條件環(huán)境中的對(duì)流線的觸發(fā)和維持機(jī)制可能存在明顯的差異，冰雹和大風(fēng)等天氣更容易發(fā)生在相對(duì)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(duì)流的組織形態(tài)和強(qiáng)度呢？數(shù)值試驗(yàn)可以通過改變影響中尺度對(duì)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(duì)流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度。研究將通過對(duì)真實(shí)個(gè)例的數(shù)值試驗(yàn)，研究環(huán)境水汽含量及垂直分布對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的影響。

個(gè)例選取和試驗(yàn)方案**（1）**個(gè)例選取

2009年6月3～4日罕見強(qiáng)颮線突襲河南、安徽、江蘇（圖2），這些地區(qū)遭受了雷雨、大風(fēng)等強(qiáng)對(duì)流天氣襲擊，河南省有42個(gè)縣市出現(xiàn)雷電，19個(gè)縣市出現(xiàn)了17ms-1以上的短時(shí)大風(fēng)，特別是河南省的商丘出現(xiàn)了歷史罕見的大風(fēng)天氣，寧陵、永城最大風(fēng)速分別達(dá)28.6ms-1和29.1ms-1，均為有氣象記錄以來的歷史極值。從雷達(dá)回波和地面觀測資料上來看，本次大風(fēng)過程主要是由颮線所致。圖2中的大風(fēng)是每3小時(shí)的常規(guī)地面觀測，從2009年6月3日14時(shí)（協(xié)調(diào)世界時(shí)，下同）至3日18時(shí)出現(xiàn)了20ms-1以上的大風(fēng)，并且大風(fēng)在“人”字形回波的右半支[沿著系統(tǒng)移動(dòng)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(dòng)方向（往東南移動(dòng)）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(zāi)害性大風(fēng)的產(chǎn)生主要由這個(gè)“人”字形系統(tǒng)的右半支造成的。觀測和數(shù)值模擬研究認(rèn)為中層入流和低層渦旋是地面大風(fēng)形成的重要原因，降水粒子的蒸發(fā)和融化冷卻過程對(duì)降低地面溫度和產(chǎn)生地面強(qiáng)風(fēng)速也有重要影響。這些研究把重點(diǎn)發(fā)生地面大風(fēng)的形成機(jī)制上，沒有探討影響颮線的組織形式和強(qiáng)度的機(jī)制，研究在強(qiáng)颮線研究的基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬試驗(yàn)研究水汽的垂直分布對(duì)颮線發(fā)生發(fā)展過程的影響。

（2）試驗(yàn)方案

控制試驗(yàn)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(duì)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(duì)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(dòng)站觀測資料分析到模式格點(diǎn)上作為初始場。模擬初始時(shí)間為6月3日00時(shí)，積分24小時(shí)。

本個(gè)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(gè)例。為了研究大氣中水汽含量對(duì)線狀對(duì)流的觸發(fā)、組織類型的影響，針對(duì)水汽設(shè)計(jì)了一些試驗(yàn)。根據(jù)控制試驗(yàn)的結(jié)果，河南西北部和山西高原上的對(duì)流在3日09時(shí)發(fā)展的比較旺盛，12時(shí)在河南中北部觸發(fā)新的對(duì)流單體。所有的試驗(yàn)都是在積分7小時(shí)后，即3日07時(shí)，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(yàn)MA90、MA110和MA120（表3）。修改水汽含量后再繼續(xù)積分16小時(shí)，其他設(shè)置與CTRL試驗(yàn)相同。由于水汽主要集中在對(duì)流層的中下層，而且過去的研究認(rèn)為颮線后側(cè)的中層干空氣入流會(huì)加強(qiáng)其發(fā)展（SmullandHouze，1985，1987），因此，設(shè)計(jì)了針對(duì)不同層次水汽含量的試驗(yàn)（表3），試驗(yàn)過程中保持整層可降水量與相應(yīng)的對(duì)照試驗(yàn)（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(yàn)的基礎(chǔ)上分別試驗(yàn)中層（500～700hPa）、低層（850hPa以下）水汽對(duì)颮線觸發(fā)、演變和組織形態(tài)的影響。

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(zāi)害的是地面大風(fēng)，但已有的研究對(duì)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(yàn)，研究了此次過程中水汽含量及其垂直分布對(duì)颮線系統(tǒng)的組織類型、維持、強(qiáng)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(duì)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(yàn)表明，增加水汽有利于對(duì)流的發(fā)展，且容易造成對(duì)流的快速增長。而把整層的水汽減少10%（MA90試驗(yàn)），對(duì)流的范圍和強(qiáng)度明顯減弱，且沒有出現(xiàn)雷暴大風(fēng)。增加水汽越多最強(qiáng)地面大風(fēng)越強(qiáng)、雷暴高壓越強(qiáng)。最強(qiáng)雷暴高壓出現(xiàn)的時(shí)間先于最強(qiáng)地面大風(fēng)出現(xiàn)的時(shí)間。增加水汽越多發(fā)展階段冷池強(qiáng)度越強(qiáng)，成熟階段后期冷池減弱地越快。最強(qiáng)雷暴大風(fēng)在發(fā)展階段，成熟階段大風(fēng)減弱越快，成熟階段后期，對(duì)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(fēng)的出現(xiàn)和對(duì)流的維持。

（2）不同層次的水汽試驗(yàn)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(fēng)的形成，對(duì)雷暴高壓的增強(qiáng)、地面風(fēng)速的增強(qiáng)有重要作用，但不利于整個(gè)對(duì)流系統(tǒng)的長時(shí)間維持。在保持整層水汽含量不變的情況下，線狀對(duì)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(duì)流的形成，但不易形成線狀對(duì)流，而低層水汽的減少不利于對(duì)流系統(tǒng)的維持、雷暴高壓和地面大風(fēng)的增強(qiáng)。

（3）從垂直氣流、冷池強(qiáng)度與地面大風(fēng)的分析看，盡管地面大風(fēng)的形成和強(qiáng)度受很多動(dòng)力、熱力因子影響，改變環(huán)境場中的水汽含量，會(huì)影響對(duì)流的組織形態(tài)、維持時(shí)間和強(qiáng)度，從而影響下沉氣流和冷池的強(qiáng)度和地面風(fēng)速。

研究表明，水汽的垂直分布和含量影響對(duì)流系統(tǒng)的組織形式、垂直氣流，從而影響地面冷池和大風(fēng)的形成。但是影響對(duì)流的組織類型和發(fā)展過程的因子非常復(fù)雜，只是個(gè)例研究，應(yīng)開展不同環(huán)流背景條件下各影響因子對(duì)對(duì)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(duì)對(duì)流系統(tǒng)的定量影響。此外，在真實(shí)個(gè)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(yàn)來研究東亞季風(fēng)區(qū)中各個(gè)關(guān)鍵因子對(duì)颮線組織形式和地面大風(fēng)形成的作用。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

趙陽國 - 副教授 - 中國海洋大學(xué)