文档介绍：第五章湿度场分析
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水汽通量有时又称为水汽输送量。它是表示水汽输送强度的物理量。其定义是:在单位时间内流经某一单位面积的水汽质量。按其含义,水汽输送应包括两种方式,即水平输送和垂直输送。我们一般所说的水汽输送是指水平输送vq/g。为了推导出它的单位和理解其物理意义,我们取一个既垂直于地面又垂直于风速矢量的截面积ABCD,,底边长为DL,设空气在单位时间内由ABCD面流到A'B'C'D',此时空气体积为又设r为空气密度,q为比湿,则在此体积内所含的水汽量为
()
考虑到气象上的****惯用法和资料情况(多数都是各等压面上的资料),将垂直高度坐标Z变换成气压坐标P,即DZ=-DP/rg,将此代入()式并取绝对值得到:
()
上式中各物理量的单位为:g~m/s2,V~m/s,q~g/kg,P~hPa=kg/(cm·s2),L~cm。故水汽通量的单位是g/s。根据水汽通量的定义,若截面积的高取1 hPa,底边长为1cm,并考虑水汽输送的方向,则此时水平水汽通量的表达式为:
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计算时,g、风速、比湿q的单位如上面所述,这样计算得出的水汽通量的为单位应为
g/(s·hPa·cm)。
风的方向即为水汽输送的方向。
关于水汽的垂直输送,一般较少单独应用,多在水汽平衡中计算,它的表达式可写为
-ωq/g ()
式中ω=dp/dt。按类似方法可把垂直输送的单位化为g/(),即单位时间内通过水平的单位面积的水汽输送量(克数)。
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上节讲的水汽通量的数值和方向只能表示水汽的来源,在做降水成因分析,尤其是作暴雨成因分析及其预报时,特别需要进一步考虑从各个方向输送来的水汽能否在某地集中起来。表示这种输送来的水汽集中程度的物理量就是水汽通量散度。它的意义是在单位时间内,单位体积(底面积1cm2,高1hPa)内汇合进来或辐散出去的水汽质量。
水平方向的水汽通量散度A的表达式为
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若A>0,则水汽通量是辐散的(该区域内水汽是减少的);若A<0,则水汽通量是辐合的(该区域内水汽是增加的)。水汽通量散度的单位为g/(s·cm2·h0Pa)。
在具体计算时为了单位的一致,必须将网格距(△x,△y)化为厘米。
水汽通量散度也可以写成
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上式右边第一项表示水汽的水平平流,第二项表示由于风场辐合(辐散)引起的水汽通量辐合(辐散)。这就是说,即使在水平方向上q是均匀分布的,仍可出现水汽通量辐合。一些暴雨个例研究指出,在暴雨区散度项是主要的,平流项的作用较小。这说明风场的辐合对暴雨的生成起很大作用,而单凭水汽的水平平流,不能生成暴雨或使暴雨持续。
若采用()式进行计算,则用在天气图网格点上的具体计算公式为
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式中各网格点上的q值可由()式求得,地图放大因子mij可根据第一章的有关公式求得。
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前面我们讲过,水汽通量散度是表示水汽能否在某地集中起来的物理量。由于各层的水汽通量散度不同,即有的层次辐合,有的层次辐散,某一时段内气柱内的水汽究竟是增加,还是减少,这就需要对整个气柱内各层的水汽通量散度进行垂直积分,来计算气柱内的水汽净辐合