水汽

呈氣態的水。水汽的密度約相當於同溫、同壓下干空氣的0.622倍，即水汽密度永遠小於干空氣的密度。水汽的氣體常數（Rw）為461焦耳/千克·開，定容比熱（Cv）等於716焦耳/千克·開。大氣中的水汽來源於下墊面的蒸發與蒸騰，其含量因時因地而異，按容積計算其變化範圍在0—4%之間，熱帶多雨地區可達4%以上，寒冷乾燥地區幾乎近於零。其垂直分佈主要集中離地面2—3公里的氣層中，高度愈高，水汽愈少。水汽是大氣中唯一能發生相變的成分，故在天氣變化中極為重要。水汽能強烈地吸收地面輻射，也能放射長波輻射，在水相變化中不斷放出或吸收熱量，故對地面和空氣的溫度影響很大。

大氣中的水汽來源於下墊面，包括水面、潮濕物體表面、植物葉面的蒸發。由於大氣溫度遠低於水面的沸點，因而水在大氣中有相變效應。水汽含量在大氣中變化很大，是天氣變化的主要角色，雲、霧、雨、雪、霜、露等都是水汽的各種形態。水汽能強烈地吸收地表發出的長波輻射，也能放出長波輻射，水汽的蒸發和凝結又能吸收和放出潛熱，這都直接影響到地面和空氣的溫度，影響到大氣的運動和變化。

水汽擴散與水汽輸送，是地球上水循環過程的重要環節，是將海水、陸地水與空中水聯繫在一起的紐帶。正是通過擴散運動，使得海水和陸地水源源不斷地蒸發升入空中，並隨氣流輸送到全球各地，再凝結並以降水的形式回歸到海洋和陸地。所以水汽擴散和輸送的方向與強度，直接影響到地區水循環系統。對於地表缺水，地面橫向水交換過程比較弱的內陸地區來說，水汽擴散和輸送對地區水循環過程具有特別重要的意義。

所謂水汽擴散是指，由於物質、粒子群等的隨機運動而擴展於給定空間的一種不可逆現象。擴散現象不僅存在於大氣之中，亦存在於液體分子運動進程之中。在擴散過程中伴隨著質量轉移，還存在動量轉移和熱量轉移。這種轉移的結果，是使得質量、動量與能量不均的氣團或水團趨向一致，所以說擴散的結果帶來混合。而且擴散作用總是與平衡作用相聯繫在一起，共同反映出水汽（或水體）的運動特性，以及各運動要素之間的內在聯繫和數量變化，所以說，擴散理論是水文學的重要基礎理論。

（一）分子擴散

分子擴散又稱分子混合，是大氣中的水汽，各種水體中的水分子運動的普遍形式。蒸發過程中液面上的水分子由於熱運動結果，脫離水面進入空中並向四周散逸的現象，就是典型的分子擴散。由於這種現象難以用肉眼觀察到，可以通過在靜止的水面上瞬時加入有色溶液，觀察有色溶液在水中擴散得到感性的認識。在有色溶液加入之初，有色溶液集中在注入點，濃度分佈不均，而後隨著時間t的延長，有色溶液逐漸向四周展開，一定時間后便可獲得有色溶液濃度呈現正態分佈的曲線，最終成為一均勻分佈的濃度曲線。這種現象就是由水分子熱運動而產生的分子擴散現象。

擴散過程中，單位時間內通過單位面積上的擴散物質（E），與該斷面上的濃度梯度成比例，可用下式表示：

於一定的擴散物質，在一定的溫度下k為常數。

式中負號表示質量自大向小的方向轉移或傳遞。

（二）紊動擴散

紊動擴散又稱紊動混合，是大氣擴散運動的主要形式。其特點是，由於受到外力作用影響，水分子原有的運動規律受到破壞，呈現“雜亂無章的運動”。運動中無論是速度的空間分佈還是時間變化過程都沒有規律，而且引起大小不等的渦旋。這些渦旋也象分子運動一樣，呈現不規則的交錯運動。這種渦旋運動又稱為湍流運動。通常大氣運動大多屬於湍流運動。由湍流引起的擴散現象稱為湍流擴散。

與分子擴散一樣，大氣紊流擴散過程中，也具有質量轉移、動量轉移和熱量轉移，其轉移的結果，促使質量、動量、熱量趨向均勻，因而亦稱紊動混合。但與分子擴散相比較，紊動擴散係數往往是前者的數千百倍，所以紊動擴散作用遠較分子擴散作用為大。

根據許多學者的實驗研究與理論分析表明，紊動擴散方程與分子擴散方程具有相同的形式，因而只要把上述分子擴散係數k，轉換成紊動擴散係數D，分子擴散方程就可應用於紊動擴散。

無論是分子擴散還是紊動擴散，實質上就是物質輸送方程或物質平衡方程，而且可以分成恆定情況和不恆定情況。如果在一個單元空間內，濃度不隨時間變化，即，那麼就是恆定情況，反之就是不恆定情況，兩者的方程分別為：

x、Dy、Dz分別為x、y、z方向上的紊動擴散係數。

通過以上分析可知，水汽擴散方程是描述大氣中水分空間分佈與時間變化的基本方程之一。空中水汽含量的變化，除了與大氣中比濕的大小有關外，還要受到水分子熱運動過程、大氣中湍流運動以及水平方向上的氣流運移的影響。所以說上述兩種擴散現象經常是相伴而生，同時存在。例如，水面蒸發時的水分子運動，就既有分子擴散，又可能受紊動擴散的影響。不過，當討論紊動擴散時，由於分子擴散作用很小，可以忽略不計；反之，討論層流運動中的擴散時，則只考慮分子擴散。

水汽輸送是指，大氣中水分因擴散而由一地向另一地運移，或由低空輸送到高空的過程。水汽在運移輸送過程中，水汽的含量、運動方向與路線，以及輸送強度等隨時會發生改變，從而對沿途的降水以重大影響。

對於某一給定區域範圍上的氣柱來說，若取下界為地面，上界為對流層頂，則根據水量平衡原理，可建立該氣柱的大氣水分平衡式：

(W1+Ei)-(W2+Pi)=ΔW （2-46）

式中，W1是流入氣柱的水汽量；W2是流出氣柱的水汽量； Ei是蒸發散發量；Pi是降水量；ΔW是氣柱內水汽變數。

對於長時段ΔW→0，於是研究時段內氣柱的降水量可用下式表示：

Pi=W1-　W2+Ei （2-47）

由於區域蒸發量遠小於水汽輸送量，所以區域降水量的大小，主要決定於出入該氣柱的水汽量的多少。

同時由於水汽輸送過程中，還伴隨有動量和熱量的轉移，因而要影響沿途的氣溫、氣壓等其它氣象因子發生改變，所以水汽輸送是水循環過程的重要環節，也是影響當地天氣過程和氣候的重要原因。水汽輸送主要有大氣環流輸送和渦動輸送兩種形式，並具有強烈的地區性特點和季節變化，時而環流輸送為主，時而以渦動輸送為主。水汽輸送主要集中於對流層的下半部，其中最大輸送量出現在近地面層的850—900百帕左右的高度，由此向上或向下，水汽輸送量均迅速減小，到500—400百帕以上的高度處，水汽的輸送量已很小，以致可以忽略不計。

（一）水汽輸送通量與水汽通量散度

水汽輸送通量與水汽通量散度是用來定量表達水汽輸送量的基本參數。

1.水汽輸送通量的概念水汽輸送通量是表示在單位時間內流經某一單位面積的水汽量。水汽通量有水平輸送通量和垂直輸送通量之分。通常說的水汽輸送主要是指水平方向的水汽輸送。現取一與水平面正交、又垂直於風速的矢量截面ABCD，其高為ΔZ，底邊長為ΔL，風速為v，空氣密度為ρ，比濕為q，則單位時間內流經截面積ABCD的水汽質量為：

位時間內通過與風速正交的ABCD面的水汽質量為：

取ΔL·ΔP=1，則水平方向的水汽輸送通量表達式為：

其單位為克每百帕厘米秒。

水平水汽輸送通量是一個向量，輸送方向與風速相同，並可分解為經向輸送和緯向輸送兩個分量。緯向輸送的水汽通量規定向東輸送為正，向西為負；經向輸送的水汽通量，規定向北輸送為正，向南為負。

垂直輸送的水汽通量是指單位時間流經單位水平面的水汽通量，規定向上輸送為正，向下為負，其單位為克每平方厘米秒。

2.水汽通量散度水汽通量散度是指單位時間匯入單位體積或從該體積輻散出的水汽量，單位為克每百帕平方厘米秒。它和水汽通量一樣，也是一個向量，因此，水汽通量散度的定義與計算公式，完全可以仿照水平散度給出，即：

式中，（qvnΔL）i/q表示通過長度為ΔLi邊上的水汽通量；vn表示與該邊正交的風速分量。

表示由於水平運動而引起單位時間內單位體積中水汽的

任一地點的水汽通量散度，均可由風和溫度資料計算出來，並可繪成等值線圖。用以表示廣大範圍內的水汽通量散度場。散度為正的地區表示水汽自該地區的四周輻散，稱該地區為水汽源，在這種情況下降水比較少；反之散度為負的地區，表示四周有水汽向該地區彙集，稱該地區為水汽匯，降水比較多。例如，我國大陸東半部水汽總輸送場中，其主要水汽耦合區與主要降水區的分佈就存在良好的對應關係。黃土高原與華北平原常年為水汽源，東南沿海地區為主要水汽耦合區，所以前者降水遠少於後者。

水汽

（二）影響水汽輸送的主要因素

影響水汽含量與水汽輸送的因素很多，主要因素如下。

1.大氣環流的影響如前所述水汽輸送形式有兩種，其中環流輸送處於主導地位。這是和大氣環流決定著全球流場和風速場有關。而流場和風速場直接影響全球水汽的分佈變化，以及水汽輸送的路徑和強度。因此大氣環流的任何改變，必然通過流場和風速場的改變而影響到水汽輸送的方向、路徑和強度。

2.地理緯度的影響地理緯度的影響主要表現為影響輻射平衡值，影響氣溫、水溫的緯向分佈，進而影響蒸發以及空中水汽含量的緯向分佈，基本規律是水汽含量隨緯度的增高而減少。

3.海陸分佈的影響海洋是水汽的主要源地，因而距海遠近直接影響空中水汽含量的多少，這也正是我國東南沿海暖濕多雨，愈向西北內陸腹地伸展，水循環愈弱、降水愈少的原因。

4.海拔高度與地形屏障作用的影響這一影響包括兩方面：其一是隨著地表海拔高度的增加，近地層濕空氣層逐步變薄，水汽含量相應減少，這也是青藏高原上雨量較少的重要原因；其次是那些垂直於氣流運行方向的山脈，常常成為阻隔暖濕氣流運移的屏障，迫使迎風坡成為多雨區，背風坡絕熱升溫，濕度降低，水汽含量減少，成為雨影區。

（三）我國水汽輸送基本特點

關於我國水汽輸送，劉國緯和崔一峰通過選用全國122個探空站及國外27個探空站的資料，並以1983年為典型年進行了比較系統的分析、計算與研究，得出了如下的基本結論。

第一，存在三個基本的水汽來源，三條輸出入路徑，並有明顯的季節變化。三個來源是極地氣團的西北水汽流、南海水汽流及孟加拉灣水汽流。西北水汽流自西北方向入境，於東南方向出境，大致呈緯向分佈，冬季直達長江，夏季退居黃河以北；南海氣流自廣東、福建沿海登陸北上，至長江中下游地區偏轉，並由長江口附近出境，夏季可深入華北平原，冬季退縮到北緯25°以南地區，水汽流呈明顯的經向分佈，由於水汽含量豐沛，所以輸送通量值大；而孟加拉灣水汽流通常自北部灣入境，流向廣西、雲南，繼而折向東北 方向，並在貴陽-長沙一線與南海水汽流匯合，而後亦進入長江中下游地區，然後出海，全年中春季強盛，冬季限於華南沿海。

第二，水汽輸送既有大氣平均環流引起的平均輸送，又有移動性渦動輸送，其中平均輸送方向基本上與風場相一致。而渦動輸送方向大體上與濕度梯度方向相一致，即從濕度大的地區指向濕度小的地區。渦動輸送的這一特點對於把東南沿海地區上空豐沛的水汽向內陸腹地輸送，具有重要作用。

第三，地理位置、海陸分佈與地貌上總體格局，制約了全國水汽輸送的基本態勢。青藏高原雄踞西南，決定了我國水汽輸送場形成南北兩支水汽流，北緯30°以北地區盛行緯向水汽輸送；30°以南具有明顯的經向輸送。而秦嶺-淮河一線成為我國南北氣流的經常匯合的地區，是水汽流輻合帶；海陸的分佈制約了我國上空濕度場的配置，並呈現由東南向西北遞減的趨勢，進而影響我國降水的地區分佈。

第四，水汽輸送場垂直分佈存在明顯差異：在850百帕氣層上，一年四季水汽輸送場形勢比較複雜；在700百帕氣層上，在淮河流域以北盛行西北水汽流，淮河以南盛行西南水汽流，兩股水汽流在北緯30°—35°一帶匯合后東流入海；在500百帕高度上，一年四季水汽輸送呈現緯向分佈；而低層大氣中則經向輸送比較明顯，因而自低層到高層存在經向到緯向的順鐘向切變。

我國上空水汽的收支有如下特點：

1）全國年輸入水汽總量為15023.2×109米3，總輸出量為12362.7×109米3，凈輸入量為2660.5×109米3，與全國入海徑流量很接近。這些水量摺合全國平均水深為279.4毫米。

2）從四方邊界來說，水汽主要從南部和西部邊境進入（佔總輸入量的89.1%），從東界輸出（佔總輸出量的88.8%）。就不同流域而言，長江流域凈輸入量最大，依次為華南、西南、東北和西北區，華北區為負值區。

3）輸入的水汽量中，經向的輸入佔55.8%，緯向的輸入佔44.2%；輸出情況相反，緯向的佔89.2%，經向的僅佔總輸出量的10.8%。

水汽是大氣的基本參量。衛星探測水汽含量的基本方式是用微波輻射計(如NOAA的AMSU)，近紅外和熱紅 外波段探測，而地基GPS遙感大氣水汽技能是九十年代發展起來的一種全新的大氣觀測手腕。它應用地基高精度GPS接管機，通過測量GPS信號在大氣中濕延遲量的大小來遙感大氣中水汽總量。下面首先介紹一下其原理。

GPS技能通過觀測GPS衛星信號傳輸到GPS接管機的時間來測量接管機天線的地位，衛星信號經過大氣層時，要受到大氣的折射而延遲，將該延遲量作為待定參數引入到觀測模型和解算方案中，逐項斟酌誤差起源和肅清法子，精密的大氣延遲量（毫米級）可以與定位參數一同求解出來。大氣延遲量可劃分為電離層延遲、靜力延遲和濕項延遲。通過採納雙頻技能，可以將電離層延遲幾乎完整肅清。靜力延遲與地面觀測量（氣壓）具有很好的相干，可以訂正到毫米量級。這樣就得到了毫米量級的濕項延遲。濕項延遲與水汽總量（PW）可創造嚴格的正比關係，準確的水汽總量就求解出來。應用MIT的GAMIT軟體進行解算。軟體請求試驗採納雙頻載波相位觀測，應用差分法以肅清源於衛星鐘和接管機鐘的誤差，同時可採納“軌道鬆弛法”，以對軌道的準確度進行修改和調解。此外還有反演方式即：應用接管更高空之GPS衛星發出來的訊號，強度與路徑的變化，反推出電離層電漿密度的三維空間散播“照片”，以及大氣的水汽的三維空間散播。

採納載波相位觀測產生的重要難題是載波相位的整周未知數N0的出現。N0一般採納“三差法”來判斷，即不僅通過同一接管機對兩顆衛星求差來肅清接管機鐘差和同一衛星對不同的接管機求差來肅清衛星鐘差，還通過繼續觀測曆元的求差來判斷整周未知數N0。這就請求不同觀測曆元的衛星仰角要有必然的變化，而在這個變化期內（如15～30min），假設大氣特點或變化率堅持定常，在觀測站局地上空水平均一或球面分層均一，大氣延遲未知量大致遵守secθ（θ為衛星天頂角）的映射函數而變化。這決定了GPS遙感大氣的時間辨別率。

通過地面GPS水汽遙感監測，可以獲得很高時空辨別率、達到毫米精度的水汽資料，以補充探空資料在時間空間辨別率上的不足，供應快速變化的信息。這種信息通過資料的四維同化，對改進中尺度數值預報模式精度，進步預報準確率有很好的應用遠景。而要了解GPS探測水汽的原理和方式，要了解一下大氣構造、延時以及延時和降水的關係。