水汽含量

水汽含量(Q)稱之為比濕，指濕空氣中的水汽質量與濕空氣的總質量之比。

基本介紹

• 中文名：水汽含量
• 外文名：water vapor content
• 釋義：濕氣中水汽質量與濕氣總質量比
• 單位：ppm
• 學科：氣象學

概念

在氣壓一定的條件下，空氣中水汽含量越大，其冷卻到飽和時的溫度越高，即其露點溫度越高。水汽冷凝需要降溫，當水汽含量高時，降溫很容易達到飽和即不需要降溫太多，即水汽含量越高其露點溫度越高，相反當水汽含量很低時，很難達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溫度越低。

露點（Dew point），又稱露點溫度（Dew point temperature），是反映大氣中水汽含量的物理量。在氣象學中是指在固定氣壓之下，空氣中所含的氣態水達到飽和而凝結成液態水所需要降至的溫度。在這溫度時，凝結的水飄浮在空中稱為霧、而沾在固體表面上時則稱為露，因而得名露點。

假設取固定空間，取固定氣壓值，則在這個環境當中的露點溫度也就確定了，其中隱形條件：單位空間量中的氣態水達到飽和凝結成液態水的這個過程即確認在此瞬間單位空間量中的水汽含量是準確值。

不同雲天條件下水汽含量特徵及其變化分析

大氣水汽是人工影響天氣基礎條件之一，整層大氣水汽總量及其動態變化是雲水資源考察的關鍵性因素之一，一些研究利用地基微波輻射計對雲天水汽含量和雲液態水含量進行監測，研究人工增雨的最佳作業區。也有利用GPS監測水汽的結果，但針對不同雲天條件下的水汽含量特徵分析則未見。人工影響天氣主要作業對象是雲，雲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水汽監測數據分析了該站出現不同雲天條件時的水汽含量及其變化，希望能對人工影響天氣最佳作業時機及作業雲的選擇提供幫助。

GPS水汽監測簡述

地基GPS接收機的相位信號可用於計算整層大氣的水汽含量，其時間精度可達到15分鐘，而且，GPS測量大氣水汽含量的監測方法是一種絕對測量，不需要校準，並可以全天候自動進行。所以，GPS測量大氣水汽含量將會越來越多地套用到天氣、氣候、人工影響天氣等諸多領域。

空中水汽含量分析

我們選取2002年6月18日08時～28日08時每整點的GPS水汽探測資料，共有整點觀測時次241個，和該時段內屯溪站整點的雲狀觀測資料(包括晴空)，統計了各類雲天條件下或晴空時的空中水汽含量平均值、極值，見表1(在觀測時段內，共觀測到捲積雲2例，積雲性層積雲2例，層雲2例，碎層雲1例，碎雨雲3例，雨層雲3例，因樣本數較少，故在統計時捨去)。對於同一時次出現兩種或以上雲狀時，則分別記入不同雲狀樣本。

表1 晴空及不同雲天條件時空中水汽含量統計表

從表1中可以看出，當出現蔽光層積雲(Scop)和鬃積雨雲(Cb cap)兩種雲時，平均的空中水汽含量最大，分別是蔽光層積雲64.7mm、鬃積雨雲69.3mm，晴空時或出現其它雲時，空中的平均水汽含量與這兩種雲天條件相差較大。而除出現鬃積雨雲外，其它情況下空中的水汽含量變化範圍則非常大，從30～40mm，一直到60～70mm都有可能出現;出現鬃積雨雲時，水汽含量變化範圍相對較小，在62.7～72.7mm之間。

當出現蔽光層積雲(Scop)和鬃積雨雲(Cb cap)兩種雲時，產生降水的可能性最大，出現鬃積雨雲的30個樣本中，有29次產生降水，占96.7%，出現蔽光層積雲的106次樣本中，有73次產生降水，占68.9%。另外，出現透光層積雲、蔽光高積雲、碎積雲時，也可能產生降水，產生降水的比例分別為:5.9%、5.3%和3.0%。而其它雲天條件下在觀測時段內均未產生降水。

不論對於晴空還是不同的雲天條件，水汽含量都有可能出現較大值，達到60mm以上，而且對於出現低雲(淡積雲、碎積雲、濃積雲、透光層積雲、蔽光層積雲、鬃積雨雲)和中雲中的蔽光高積雲時，空中水汽含量達到60mm以上的比例均大於50%，尤其是出現蔽光層積雲和鬃積雨雲時，空中水汽含量達到60mm以上的比例則高達90%以上。說明出現低雲或蔽光高積雲時，空中的水汽含量大多數情況下可能會達到較大的值。

降水效率分析

上面我們分析了晴空和不同雲天條件時的空中水汽含量一些特徵，下面，我們再分析一下不同雲天條件下的降水效率的情況。

表2 不同雲天條件下降水量統計表

我們選取GPS探測期間，屯溪站每小時的降水資料，以整點前1h雨量和該整點後1h雨量的平均值，作為該時次所觀測到雲的降水量，例如:6月27日19～20時雨量為7.5mm，20～21時雨量為25.9mm，20時觀測到的云為Cbcap，則該時次Cbcap雨量以(7.5+25.9)/2=16.7mm計算。不同雲天條件下的降水量統計見表2(捨去了樣本數少的雲)。

表2中，對於不同的雲天條件，產生的降水量不同，每小時的平均降水量以鬃積雨雲最多，達到4.75mm，蔽光層積雲次之，為1.66mm，其它雲天條件時降水量則非常小或沒有降水。

我們以不同雲天條件下的平均降水量與此時的平均水汽含量的比值作為該雲天條件下的降水效率，鬃積雨雲和蔽光層積雲是兩種降水效率最高的雲，但都不到10%，其它雲的降水效率僅為0.1%左右或不會產生降水。可見，即便是降水效率最高的鬃積雨雲，其降水效率只有6.86%，空中90%以上的水汽均不能降落，空中雲水資源的開發潛力將是巨大的。

水汽含量變化特徵

從2002年6月18日08時～28日08時，共有整點時次241次，也即觀測樣本241個，其中整點前一小時或整點後一小時內發生降水的樣本共有85個，在這些發生降水的時次里，除6月25日07時和08時，空中水汽含量分別為58.2和57.7mm外，其餘各時次的空中水汽含量均大於60mm，可見只有空中水汽含量達到一定的數值後，才可能發生降水，這個數值一般為60mm。

圖1 水汽含量和降水量變化時間序列

圖1是觀測期間空中水汽含量和降水量時間序列圖，圖中橫坐標是時間，縱坐標是水汽含量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，每次降水發生前水汽含量值都有一個躍變，如圖中A、B、C、D、E時段，F是一個連續發生降水的過程，此時水汽含量維持在一個較高的量值上，降水前躍變不明顯，降水發生後，水汽含量呈緩慢下降趨勢。G是降水結束後，水汽含量迅速下降的過程，時間在6月25日07～11時期間，水汽含量值低於60mm而發生降水的特除情況就在該時段07:00和08:00兩個時次。

研究結論

對2002年6月18日08時到6月28日08時，GPS測得的水汽含量及降水量分析認為：

(1)晴空或不同雲天條件下，空中水汽含量是不同的，當出現蔽光層積雲和鬃積雨雲兩種雲時，平均的空中水汽含量最大，而且此時，產生降水的可能性也最大，這兩種雲應是人工增雨作業的最佳作業對象。

(2)出現低雲和中雲中的蔽光高積雲時，空中水汽含量也較大，50%以上情況下水汽含量可以達到降水的水汽含量要求，這些雲也可以作為作業對象。

(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雲，其自然降水效率只有6.86%，空中90%以上的水汽均不能降落，空中雲水資源的開發潛力將是巨大的。

(4)當水汽含量達到60mm時，可能產生降水，產生降水的可能性和降水效率因不同雲天條件而不同，這可能與當時的動力條件及雲中凝結核有關，適當改變動力條件和凝結核，應可以增加降水的發生。

(5)降水發生前，空中水汽含量將會有一個躍變，這既可以作為短時降水預報的參考，也是實施人工增雨作業的最佳時機。發生連續性降水後，空中仍有大量的水汽，此時仍可以實施人工增雨作業來增加地面降水。

水汽含量對颮線組織結構和強度的影響

颮線（squallline）是由多個活躍雷暴單體排列成線狀或帶狀的中尺度對流系統，其發生時常伴有大風、冰雹、暴雨等劇烈的災害性天氣現象。國內外對颮線系統開展過不少的研究，對颮線的發生條件、組織方式、生命史演變、雷達回波特徵、中尺度結構等方面已經有了一些認識。提出成熟階段颮線系統的概念模型，研究對颮線有觸發和組織作用的天氣系統。在對颮線分類研究的基礎上，採用觀測資料分析了對流組織形式與環境條件的關係。將我國江淮流域的線狀對流分成六類，包括無層雲的線狀系統（NS）、前部層狀雲的線狀系統（LS）、嵌入型線狀系統（EL）、後部層狀雲的線狀系統（TS）、平行層狀雲線狀系統（PS）和弓狀回波（BE），並對它們發生的環境條件和產生的天氣現象做了分析，發現不同組織類型的系統產生的天氣現象有較大的差別，其中，BE最容易產生大風和冰雹，而美國的研究也認為BE為最“危險”的一種線狀中尺度對流系統。

針對影響線狀中尺度對流系統組織形式和強度的物理機制也已經開展了大量研究。最著名的是低層風切變與蒸發形成的地面冷池的動力平衡是對流線是否維持的主要因子，但是該理論過於簡化，對可能影響對流發展的其他環境條件考慮較少，包括溫度、水汽等對系統的發生髮展應該也有重要的作用。研究發現，在保持對流有效位能（CAPE）不變的情況下，高濕或高溫會減小蒸發的降溫，使冷池的強度減弱，從而影響對流線的組織結構和強度。揭示靜力穩定度也是影響颮線強度的一個重要因子，弱靜力穩定有利於形成地面的強冷池，而冷池的強度影響上升運動的尺度和強度以及颮線的組織結構和強度。雖然這些結果揭示了影響中尺度對流系統的形式和強度的一些物理機制，但這些研究主要是理想試驗的結果，缺乏針對水汽含量及垂直分布對強對流系統影響的研究，也缺乏針對真實個例，尤其是東亞季風區的強對流個例的研究。

對2007～2010年暖季（6～9月）發生在江淮和黃淮流域對流天氣過程的統計研究發現，發生在不同水汽條件環境中的對流線的觸發和維持機制可能存在明顯的差異，冰雹和大風等天氣更容易發生在相對乾的環流背景條件下。在這種較乾的環流背景條件下，水汽的垂直分布如何影響對流的組織形態和強度呢？數值試驗可以通過改變影響中尺度對流系統的環境特徵，從而分析這些環境條件如何影響中尺度對流系統的組織結構特徵和強度。研究將通過對真實個例的數值試驗，研究環境水汽含量及垂直分布對中尺度對流系統的組織結構和強度的影響。

個例選取和試驗方案

（1）個例選取

2009年6月3～4日罕見強颮線突襲河南、安徽、江蘇（圖2），這些地區遭受了雷雨、大風等強對流天氣襲擊，河南省有42個縣市出現雷電，19個縣市出現了17ms^-1以上的短時大風，特別是河南省的商丘出現了歷史罕見的大風天氣，寧陵、永城最大風速分別達28.6ms^-1和29.1ms^-1，均為有氣象記錄以來的歷史極值。從雷達回波和地面觀測資料上來看，本次大風過程主要是由颮線所致。圖2中的大風是每3小時的常規地面觀測，從2009年6月3日14時（協調世界時，下同）至3日18時出現了20ms^-1以上的大風，並且大風在“人”字形回波的右半支[沿著系統移動的方向，左側部分命名為左半分支，右側部分命名為右半分支（下同）]附近。並且“人”字形系統的移動方向（往東南移動）垂直於右半支的伸展方向。

圖2

“人”字形回波系統的右半支的結構與一般的颮線系統類似，災害性大風的產生主要由這個“人”字形系統的右半支造成的。觀測和數值模擬研究認為中層入流和低層渦旋是地面大風形成的重要原因，降水粒子的蒸發和融化冷卻過程對降低地面溫度和產生地面強風速也有重要影響。這些研究把重點發生地面大風的形成機制上，沒有探討影響颮線的組織形式和強度的機制，研究在強颮線研究的基礎上，通過數值模擬試驗研究水汽的垂直分布對颮線發生髮展過程的影響。

（2）試驗方案

控制試驗採用WRF模式，3層嵌套，水平解析度分別為36km、12km、4km，垂直方向有28層。長波輻射採用RRTM方案，短波輻射採用Dudhia方案，陸地選取Noah方案，邊界層選取YonseiUniversity方案，36km和12km的模擬區域採用Kain-Fritsch積雲對流參數化方案而不採用微物理方案，4km的模擬區域不採用積雲對流參數化方案，只採用Morrisondouble-moment微物理方案。初始場是在NCEP/FNL再分析資料的分析基礎上，利用WRF的OBSGRID模組將地面自動站觀測資料分析到模式格點上作為初始場。模擬初始時間為6月3日00時，積分24小時。

圖3

本個例的整層可降水量較小，探空觀測為15～20mm，屬於發生在乾環境的典型颮線個例。為了研究大氣中水汽含量對線狀對流的觸發、組織類型的影響，針對水汽設計了一些試驗。根據控制試驗的結果，河南西北部和山西高原上的對流在3日09時發展的比較旺盛，12時在河南中北部觸發新的對流單體。所有的試驗都是在積分7小時後，即3日07時，修改圖3虛線框內部的水汽含量。分別修改整層水汽含量至原來的90%、110%和120%，定義為試驗MA90、MA110和MA120（表3）。修改水汽含量後再繼續積分16小時，其他設定與CTRL試驗相同。由於水汽主要集中在對流層的中下層，而且過去的研究認為颮線後側的中層乾空氣入流會加強其發展（SmullandHouze，1985，1987），因此，設計了針對不同層次水汽含量的試驗（表3），試驗過程中保持整層可降水量與相應的對照試驗（MA120和MA90）一致，在此基礎上改變不同層次的水汽含量。在MA120和MA90試驗的基礎上分別試驗中層（500～700hPa）、低層（850hPa以下）水汽對颮線觸發、演變和組織形態的影響。

表3 水汽試驗方

研究結論

2009年6月3～4日的颮線過程整層的可降水量比較小，造成災害的是地面大風，但已有的研究對濕度的影響關注不夠，通過增加和減少整層和不同層次的水汽試驗，研究了此次過程中水汽含量及其垂直分布對颮線系統的組織類型、維持、強度等的影響，以期獲得更多的水汽影響的信息。研究結果表明，水汽含量及其垂直分布對這類系統的發生髮展過程有重要的作用。有以下主要結論：

（1）整層水汽試驗表明，增加水汽有利於對流的發展，且容易造成對流的快速增長。而把整層的水汽減少10%（MA90試驗），對流的範圍和強度明顯減弱，且沒有出現雷暴大風。增加水汽越多最強地面大風越強、雷暴高壓越強。最強雷暴高壓出現的時間先於最強地面大風出現的時間。增加水汽越多發展階段冷池強度越強，成熟階段後期冷池減弱地越快。最強雷暴大風在發展階段，成熟階段大風減弱越快，成熟階段後期，對流層中上層的斜升氣流減弱，層狀雲區的後部入流減弱，不利於雷暴大風的出現和對流的維持。

（2）不同層次的水汽試驗表明，水汽的垂直分布有很顯著的影響。中層的乾空氣（即“上乾下濕”的層結）有利於線狀回波和雷暴大風的形成，對雷暴高壓的增強、地面風速的增強有重要作用，但不利於整個對流系統的長時間維持。在保持整層水汽含量不變的情況下，線狀對流易發生在中層乾、低層（特別是850hPa以下）濕的環境中。低層（700hPa以下）的水汽增加有利於對流的形成，但不易形成線狀對流，而低層水汽的減少不利於對流系統的維持、雷暴高壓和地面大風的增強。

（3）從垂直氣流、冷池強度與地面大風的分析看，儘管地面大風的形成和強度受很多動力、熱力因子影響，改變環境場中的水汽含量，會影響對流的組織形態、維持時間和強度，從而影響下沉氣流和冷池的強度和地面風速。

研究表明，水汽的垂直分布和含量影響對流系統的組織形式、垂直氣流，從而影響地面冷池和大風的形成。但是影響對流的組織類型和發展過程的因子非常複雜，只是個例研究，應開展不同環流背景條件下各影響因子對對流系統的組織類型和發展過程的研究，以獲得各種因子對對流系統的定量影響。此外，在真實個例的模擬中，各種影響中尺度系統發展的因子是相互影響的，因此，在今後的研究中，將開展理想試驗來研究東亞季風區中各個關鍵因子對颮線組織形式和地面大風形成的作用。