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降水的形成与诊断
东莞市气象局    2016-01-27 10:52:22

(一)一般降水的形成过程

   降水是大气中的水的相变(水汽凝聚成雨雪等)过程。从其机制来分析,某一地区降水的形成,大致有三个过程。

   首先是水汽由源地水平输送到降水地区,这就是水汽条件。

   其次是水汽在降水地区辐合上升,在上升中绝热膨胀冷却凝结成云,这就是垂直运动的条件。

   最后是云滴增长变为雨滴而下降,这就是云滴增长的条件。

   这三个降水条件中,前两个是属于降水的宏观过程,主要决定于天气学条件,下面将要详细分析。第三个条件是属于降水的微观过程,主要决定于云物理条件。

   一般认为云滴增长的过程有两种:一种是云中有冰晶和过冷却水滴同时并存,在同一温度下(以-10℃到-20℃为最有利),由于冰晶的饱和水汽压小于水滴的饱和水汽压,致使水滴蒸发并向冰晶上凝华,这种所谓的“冰晶效应”能促使云滴迅速增长而产生降水。另一种是云滴的碰撞合并作用。当云层较厚,云中含水量较大并有一定的扰动时,则有利于云滴的碰撞合并使云滴增大形成降水。上述两种过程,对不同纬度,不同季节的降水,有着不同的作用。在中高纬度,云内的“冰晶效应”起着重要作用。当云层发展很厚,云顶温度低于-10℃,云的上部具有冰晶结构(如As、Ns、Cb等)时,就会产生强烈的降水。而云层较薄,完全由水滴组成(如St、Sc等)时,则只能降毛毛雨或小雨。在低纬度和中纬度夏季,由于-10℃等温线较高,有些云往往发展不到这个高度,云中只有水滴,不含冰晶。但云层发展较厚时,云滴的碰撞就起着重要的作用,因而也能降较强的雨。

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   由上可见,云滴增长的条件,主要决定于云层厚度,而云层的厚度,又决定于水汽和垂直运动的条件。水汽供应愈充分,则云底高度愈低,上升运动愈强,则云顶高度愈高,因而云层逾厚,云滴增长愈快,降水量愈大。所以在降水预报中,通常只要分析水汽条件和垂直运动条件就够了。

  (一)暴雨形成条件

   除上述一般降水所必须满足的条件外,形成暴雨还必须满足如下的条件。

    1、充分的水汽供应

   暴雨是在大气饱和比湿达到相当大的数值以上才形成的。

   必须指出,比湿≥8g/kg只是出现大、暴雨的必要条件。但是这时并不一定都会出现大暴雨,还需要有强的上升运动。

   除了相当高的饱和比湿外,还必须有充分的水汽供应,因为只靠某一地区大气柱中所含的水汽凝结下降量很小。因此,必须研究水汽供应的环流形势。

   2、强烈的上升运动

   首先按照本文后面所讲的方法,对于一地暴雨(日降水量≥50毫米)中的垂直速度作一大概的估计。在计算时,先设地面饱和比湿为14g/kg。如果50毫米降水量在一天之内均匀下降,那么降水时的最大上升运动约为10.8毫米/秒;若50毫米降水量在5小时降完,则降水时的最大上升速度约为54厘米/秒;若50毫米降水量在1小时内降完,则降水时的最大上升速度为260厘米/秒。上面三种上升速度,反映了三种不同尺度系统的降水。第一种属于大尺度系统;第二种属于中尺度系统;第三种属于小尺度系统。实际上一般暴雨,尤其是特大暴雨都不是在一天之内均匀下降的,而是集中在一小时到几小时内降落的,所以降水时的垂直运动是很大的,是由中小天气系统所造成的。如此大的垂直运动,只有在不稳定能量释放时,才能形成。所以在考虑暴雨时,必须分析不稳定能量的储存和释放问题。为此,必须研究形成暴雨的中、小尺度系统。

   3、较长的持续时间

   降水持续时间的长短,影响着降水量的大小。降水持续时间长是暴雨(特别是连续暴雨)的重要条件。中小尺度天气系统的生命较短,一次中、小系统的活动,只能造成一地短时的暴雨。必须要有若干次中(小)尺度系统的连续影响,才能形成时间较长、雨量较大的暴雨。然而中、小尺度系统的发生、发展又是以一定的大尺度系统为背景的,也就是说,暴雨总是发生在大范围上升运动区内。因此,要讨论暴雨的持续时间,就必须讨论行星尺度系统和天气尺度系统的稳定性和重复出现的问题。副热带高压脊、长波槽、切变线、静止锋和大型冷涡等大尺度天气系统的长期稳定是造成连续性暴雨的必要前提。短波槽、低涡、气旋等天气尺度系统移速较快,但它们在某些稳定的长波型式控制下可以连接出现,造成一次又一次的暴雨过程。在特定的天气形势下,当天气尺度系统移动缓慢或停滞时,更容易形成时间集中的特大暴雨。

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