水汽在大氣中含量很少，但變化很大，其變化范圍在0~4%之間，水汽絕大部分集中在低層，有一半的水汽集中在2公里以下，四分之三的水汽集中在4公里以下，10~12公里高度以下的水汽約占全部水汽總量的百分之九十九。
在干旱的沙漠地區(qū)，水汽還占不到大氣總?cè)莘e的萬分之一，即便是在熱帶的多雨地區(qū)，水汽的可占席位也不超過百分之四。但是水汽也在天氣變化中扮演著重要角色，沒有水汽，就沒有白絮遨長(zhǎng)空，晨霧漫江城；沒有水汽，風(fēng)、云、雷、電、雨、雪、冰雹等常見的天氣現(xiàn)象都將變得面目全非。水汽還對(duì)地面和空氣的溫度產(chǎn)生重要的影響；在低層大氣中，水汽是大氣中最能吸收太陽熱輻射的氣體，使大氣獲得較多的熱能；同時(shí)，水汽也是吸收地面長(zhǎng)波輻射的能手，它可以阻止地面的寶貴熱量散發(fā)向太空。夏天雷雨過后，人們感到格外涼爽，正是雨滴蒸發(fā)成水汽時(shí)吸收了空氣中一些熱量的緣故。
介紹
呈氣態(tài)的水。水汽的密度約相當(dāng)于同溫、同壓下干空氣的0.622倍，即水汽密度永遠(yuǎn)小于干空氣的密度。水汽的氣體常數(shù)（Rw）為461焦耳/千克開，定容比熱（Cv）等于716焦耳/千克·開。大氣中的水汽來源于下墊面的蒸發(fā)與蒸騰，其含量因時(shí)因地而異，按容積計(jì)算其變化范圍在0—4%之間，熱帶多雨地區(qū)可達(dá)4%以上，寒冷干燥地區(qū)幾乎近于零。其垂直分布主要集中離地面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(fā)生相變的成分，故在天氣變化中極為重要。水汽能強(qiáng)烈地吸收地面輻射，也能放射長(zhǎng)波輻射，在水相變化中不斷放出或吸收熱量，故對(duì)地面和空氣的溫度影響很大。
來源
大氣中的水汽來源于下墊面，包括水面、潮濕物體表面、植物葉面的蒸發(fā)。由于大氣溫度遠(yuǎn)低于水面的沸點(diǎn)，因而水在大氣中有相變效應(yīng)。水汽含量在大氣中變化很大，是天氣變化的主要角色，云、霧、雨、雪、霜、露等都是水汽的各種形態(tài)。水汽能強(qiáng)烈地吸收地表發(fā)出的長(zhǎng)波輻射，也能放出長(zhǎng)波輻射，水汽的蒸發(fā)和凝結(jié)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(yùn)動(dòng)和變化。
擴(kuò)散與輸送
水汽擴(kuò)散與水汽輸送，是地球上水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，是將海水、陸地水與空中水聯(lián)系在一起的紐帶。正是通過擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，使得海水和陸地水源源不斷地蒸發(fā)升入空中，并隨氣流輸送到全球各地，再凝結(jié)并以降水的形式回歸到海洋和陸地。所以水汽擴(kuò)散和輸送的方向與強(qiáng)度，直接影響到地區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)。對(duì)于地表缺水，地面橫向水交換過程比較弱的內(nèi)陸地區(qū)來說，水汽擴(kuò)散和輸送對(duì)地區(qū)水循環(huán)過程具有特別重要的意義。
水汽擴(kuò)散
所謂水汽擴(kuò)散是指，由于物質(zhì)、粒子群等的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)而擴(kuò)展于給定空間的一種不可逆現(xiàn)象。擴(kuò)散現(xiàn)象不僅存在于大氣之中，亦存在于液體分子運(yùn)動(dòng)進(jìn)程之中。在擴(kuò)散過程中伴隨著質(zhì)量轉(zhuǎn)移，還存在動(dòng)量轉(zhuǎn)移和能量轉(zhuǎn)移。這種轉(zhuǎn)移的結(jié)果，是使得質(zhì)量、動(dòng)量與能量不均的氣團(tuán)或水團(tuán)趨向一致，所以說擴(kuò)散的結(jié)果帶來混合。而且擴(kuò)散作用總是與平衡作用相聯(lián)系在一起，共同反映出水汽（或水體）的運(yùn)動(dòng)特性，以及各運(yùn)動(dòng)要素之間的內(nèi)在聯(lián)系和數(shù)量變化，所以說，擴(kuò)散理論是水文學(xué)的重要基礎(chǔ)理論。
（一）分子擴(kuò)散
分子擴(kuò)散又稱分子混合，是大氣中的水汽，各種水體中的水分子運(yùn)動(dòng)的普遍形式。蒸發(fā)過程中液面上的水分子由于熱運(yùn)動(dòng)結(jié)果，脫離水面進(jìn)入空中并向四周散逸的現(xiàn)象，就是典型的分子擴(kuò)散。由于這種現(xiàn)象難以用肉眼觀察到，可以通過在靜止的水面上瞬時(shí)加入有色溶液，觀察有色溶液在水中擴(kuò)散得到感性的認(rèn)識(shí)。在有色溶液加入之初，有色溶液集中在注入點(diǎn)，濃度分布不均，而后隨著時(shí)間t的延長(zhǎng)，有色溶液逐漸向四周展開，一定時(shí)間后便可獲得有色溶液濃度呈現(xiàn)正態(tài)分布的曲線，最終成為一均勻分布的濃度曲線。這種現(xiàn)象就是由水分子熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的分子擴(kuò)散現(xiàn)象。
擴(kuò)散過程中，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積上的擴(kuò)散物質(zhì)（E），與該斷面上的濃度梯度成比例，可用下式表示：
于一定的擴(kuò)散物質(zhì)，在一定的溫度下k為常數(shù)。
式中負(fù)號(hào)表示質(zhì)量自大向小的方向轉(zhuǎn)移或傳遞。
（二）紊動(dòng)擴(kuò)散
紊動(dòng)擴(kuò)散又稱紊動(dòng)混合，是大氣擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的主要形式。其特點(diǎn)是，由于受到外力作用影響，水分子原有的運(yùn)動(dòng)規(guī)律受到破壞，呈現(xiàn)“雜亂無章的運(yùn)動(dòng)”。運(yùn)動(dòng)中無論是速度的空間分布還是時(shí)間變化過程都沒有規(guī)律，而且引起大小不等的渦旋。這些渦旋也象分子運(yùn)動(dòng)一樣，呈現(xiàn)不規(guī)則的交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。這種渦旋運(yùn)動(dòng)又稱為湍流運(yùn)動(dòng)。通常大氣運(yùn)動(dòng)大多屬于湍流運(yùn)動(dòng)。由湍流引起的擴(kuò)散現(xiàn)象稱為湍流擴(kuò)散。
與分子擴(kuò)散一樣，大氣紊流擴(kuò)散過程中，也具有質(zhì)量轉(zhuǎn)移、動(dòng)量轉(zhuǎn)移和熱量轉(zhuǎn)移，其轉(zhuǎn)移的結(jié)果，促使質(zhì)量、動(dòng)量、熱量趨向均勻，因而亦稱紊動(dòng)混合。但與分子擴(kuò)散相比較，紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)往往是前者的數(shù)千百倍，所以紊動(dòng)擴(kuò)散作用遠(yuǎn)較分子擴(kuò)散作用為大。
根據(jù)許多學(xué)者的實(shí)驗(yàn)研究與理論分析表明，紊動(dòng)擴(kuò)散方程與分子擴(kuò)散方程具有相同的形式，因而只要把上述分子擴(kuò)散系數(shù)k，轉(zhuǎn)換成紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)D，分子擴(kuò)散方程就可應(yīng)用于紊動(dòng)擴(kuò)散。
無論是分子擴(kuò)散還是紊動(dòng)擴(kuò)散，實(shí)質(zhì)上就是物質(zhì)輸送方程或物質(zhì)平衡方程，而且可以分成恒定情況和不恒定情況。如果在一個(gè)單元空間內(nèi)，濃度不隨時(shí)間變化，即，那么就是恒定情況，反之就是不恒定情況，兩者的方程分別為：
x、Dy、Dz分別為x、y、z方向上的紊動(dòng)擴(kuò)散系數(shù)。
通過以上分析可知，水汽擴(kuò)散方程是描述大氣中水分空間分布與時(shí)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(guān)外，還要受到水分子熱運(yùn)動(dòng)過程、大氣中湍流運(yùn)動(dòng)以及水平方向上的氣流運(yùn)移的影響。所以說上述兩種擴(kuò)散現(xiàn)象經(jīng)常是相伴而生，同時(shí)存在。例如，水面蒸發(fā)時(shí)的水分子運(yùn)動(dòng)，就既有分子擴(kuò)散，又可能受紊動(dòng)擴(kuò)散的影響。不過，當(dāng)討論紊動(dòng)擴(kuò)散時(shí)，由于分子擴(kuò)散作用很小，可以忽略不計(jì)；反之，討論層流運(yùn)動(dòng)中的擴(kuò)散時(shí)，則只考慮分子擴(kuò)散。
水汽輸送
水汽輸送是指，大氣中水分因擴(kuò)散而由一地向另一地運(yùn)移，或由低空輸送到高空的過程。水汽在運(yùn)移輸送過程中，水汽的含量、運(yùn)動(dòng)方向與路線，以及輸送強(qiáng)度等隨時(shí)會(huì)發(fā)生改變，從而對(duì)沿途的降水以重大影響。
對(duì)于某一給定區(qū)域范圍上的氣柱來說，若取下界為地面，上界為對(duì)流層頂，則根據(jù)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(fā)散發(fā)量；Pi是降水量；ΔW是氣柱內(nèi)水汽變量。
對(duì)于長(zhǎng)時(shí)段ΔW→0，于是研究時(shí)段內(nèi)氣柱的降水量可用下式表示：
Pi=W1- W2+Ei （2-47）
由于區(qū)域蒸發(fā)量遠(yuǎn)小于水汽輸送量，所以區(qū)域降水量的大小，主要決定于出入該氣柱的水汽量的多少。
同時(shí)由于水汽輸送過程中，還伴隨有動(dòng)量和熱量的轉(zhuǎn)移，因而要影響沿途的氣溫、氣壓等其它氣象因子發(fā)生改變，所以水汽輸送是水循環(huán)過程的重要環(huán)節(jié)，也是影響當(dāng)?shù)靥鞖膺^程和氣候的重要原因。水汽輸送主要有大氣環(huán)流輸送和渦動(dòng)輸送兩種形式，并具有強(qiáng)烈的地區(qū)性特點(diǎn)和季節(jié)變化，時(shí)而環(huán)流輸送為主，時(shí)而以渦動(dòng)輸送為主。水汽輸送主要集中于對(duì)流層的下半部，其中最大輸送量出現(xiàn)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(jì)。
（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(dá)水汽輸送量的基本參數(shù)。
1.水汽輸送通量的概念水汽輸送通量是表示在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)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(xiàn)取一與水平面正交、又垂直于風(fēng)速的向量截面ABCD，其高為ΔZ，底邊長(zhǎng)為ΔL，風(fēng)速為v，空氣密度為ρ，比濕為q，則單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)截面積ABCD的水汽質(zhì)量為：
位時(shí)間內(nèi)通過與風(fēng)速正交的ABCD面的水汽質(zhì)量為：
取ΔL·ΔP=1，則水平方向的水汽輸送通量表達(dá)式為：
其單位為克每百帕厘米秒。
水平水汽輸送通量是一個(gè)向量，輸送方向與風(fēng)速相同，并可分解為經(jīng)向輸送和緯向輸送兩個(gè)分量。緯向輸送的水汽通量規(guī)定向東輸送為正，向西為負(fù)；經(jīng)向輸送的水汽通量，規(guī)定向北輸送為正，向南為負(fù)。
垂直輸送的水汽通量是指單位時(shí)間流經(jīng)單位水平面的水汽通量，規(guī)定向上輸送為正，向下為負(fù)，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(shí)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(gè)向量，因此，水汽通量散度的定義與計(jì)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(zhǎng)度為ΔLi邊上的水汽通量；vn表示與該邊正交的風(fēng)速分量。
表示由于水平運(yùn)動(dòng)而引起單位時(shí)間內(nèi)單位體積中水汽的任一地點(diǎn)的水汽通量散度，均可由風(fēng)和溫度資料計(jì)算出來，并可繪成等值線圖。用以表示廣大范圍內(nèi)的水汽通量散度場(chǎng)。散度為正的地區(qū)表示水汽自該地區(qū)的四周輻散，稱該地區(qū)為水汽源，在這種情況下降水比較少；反之散度為負(fù)的地區(qū)，表示四周有水汽向該地區(qū)匯集，稱該地區(qū)為水汽匯，降水比較多。例如，我國(guó)大陸東半部水汽總輸送場(chǎng)中，其主要水汽匯區(qū)與主要降水區(qū)的分布就存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。黃土高原與華北平原常年為水汽源，東南沿海地區(qū)為主要水汽匯，所以前者降水遠(yuǎn)少于后者。
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(huán)流的影響如前所述水汽輸送形式有兩種，其中環(huán)流輸送處于主導(dǎo)地位。這是和大氣環(huán)流決定著全球流場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)有關(guān)。而流場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)直接影響全球水汽的分布變化，以及水汽輸送的路徑和強(qiáng)度。因此大氣環(huán)流的任何改變，必然通過流場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)的改變而影響到水汽輸送的方向、路徑和強(qiáng)度。
2.地理緯度的影響地理緯度的影響主要表現(xiàn)為影響輻射平衡值，影響氣溫、水溫的緯向分布，進(jìn)而影響蒸發(fā)以及空中水汽含量的緯向分布，基本規(guī)律是水汽含量隨緯度的增高而減少。
3.海陸分布的影響海洋是水汽的主要源地，因而距海遠(yuǎn)近直接影響空中水汽含量的多少，這也正是我國(guó)東南沿海暖濕多雨，愈向西北內(nèi)陸腹地伸展，水循環(huán)愈弱、降水愈少的原因。
4.平均海拔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(yīng)減少，這也是青藏高原上雨量較少的重要原因；其次是那些垂直于氣流運(yùn)行方向的山脈，常常成為阻隔暖濕氣流運(yùn)移的屏障，迫使迎風(fēng)坡成為多雨區(qū)，背風(fēng)坡絕熱升溫，濕度降低，水汽含量減少，成為雨影區(qū)。
（三）我國(guó)水汽輸送基本特點(diǎn)
關(guān)于我國(guó)水汽輸送，劉國(guó)緯和崔一峰通過選用全國(guó)122個(gè)探空站及國(guó)外27個(gè)探空站的資料，并以1983年為典型年進(jìn)行了比較系統(tǒng)的分析、計(jì)算與研究，得出了如下的基本結(jié)論。
水汽第一，存在三個(gè)基本的水汽來源，三條輸出入路徑，并有明顯的季節(jié)變化。三個(gè)來源是極地氣團(tuán)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，于東南方向出境，大致呈緯向分布，冬季直達(dá)長(zhǎng)江，夏季退居黃河以北；南海氣流自廣東省、福建省沿海登陸北上，至長(zhǎng)江中下游平原偏轉(zhuǎn)，并由長(zhǎng)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(qū)，水汽流呈明顯的經(jīng)向分布，由于水汽含量豐沛，所以輸送通量值大；而孟加拉灣水汽流通常自北部灣入境，流向廣西壯族自治區(qū)、云南省，繼而折向東北 方向，并在貴陽-長(zhǎng)沙市一線與南海水汽流匯合，而后亦進(jìn)入長(zhǎng)江中下游地區(qū)，然后出海，全年中春季強(qiáng)盛，冬季限于華南沿海。
第二，水汽輸送既有大氣平均環(huán)流引起的平均輸送，并又有移動(dòng)性渦動(dòng)輸送，其中平均輸送方向基本上與風(fēng)場(chǎng)相一致。而渦動(dòng)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(qū)指向濕度小的地區(qū)。渦動(dòng)輸送的這一特點(diǎn)對(duì)于把東南沿海地區(qū)上空豐沛的水汽向內(nèi)陸腹地輸送，具有重要作用。
第三，地理位置、海陸分布與地貌上總體格局，制約了全國(guó)水汽輸送的基本態(tài)勢(shì)。青藏高原雄踞西南，決定了我國(guó)水汽輸送場(chǎng)形成南北兩支水汽流，北緯30°以北地區(qū)盛行緯向水汽輸送；30°以南具有明顯的經(jīng)向輸送。而秦嶺淮河一線成為我國(guó)南北氣流的經(jīng)常匯合的地區(qū)，是水汽流輻合帶；海陸的分布制約了我國(guó)上空濕度場(chǎng)的配置，并呈現(xiàn)由東南向西北遞減的趨勢(shì)，進(jìn)而影響我國(guó)降水的地區(qū)分布。
第四，水汽輸送場(chǎng)垂直分布存在明顯差異：在850百帕氣層上，一年四季水汽輸送場(chǎng)形勢(shì)比較復(fù)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(xiàn)緯向分布；而低層大氣中則經(jīng)向輸送比較明顯，因而自低層到高層存在經(jīng)向到緯向的順鐘向切變。
我國(guó)上空水汽的收支有如下特點(diǎn)：
1）全國(guó)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(guó)入海徑流量很接近。這些水量折合全國(guó)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(jìn)入（占總輸入量的89.1%），從東界輸出（占總輸出量的88.8%）。就不同流域而言，長(zhǎng)江流域凈輸入量最大，依次為華南、西南、東北和西北區(qū)，華北區(qū)為負(fù)值區(qū)。
3）輸入的水汽量中，經(jīng)向的輸入占55.8%，緯向的輸入占44.2%；輸出情況相反，緯向的占89.2%，經(jīng)向的僅占總輸出量的10.8%。
探測(cè)水汽
探測(cè)水汽介紹
水汽是大氣的基本參量。衛(wèi)星探測(cè)水汽含量的基本方式是用微波輻射計(jì)(如NOAA的AMSU)，近紅外和熱紅 外波段探測(cè)，而地基GPS遙感大氣水汽技能是九十年代發(fā)展起來的一種全新的大氣觀測(cè)手腕。它應(yīng)用地基高精度GPS接管機(jī)，通過測(cè)量GPS信號(hào)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。
原理和方式
GPS技能通過觀測(cè)GPS衛(wèi)星信號(hào)傳輸?shù)紾PS接管機(jī)的時(shí)間來測(cè)量接管機(jī)天線的地位，衛(wèi)星信號(hào)經(jīng)過大氣層時(shí)，要受到大氣的折射而延遲，將該延遲量作為待定參數(shù)引入到觀測(cè)模型和解算方案中，逐項(xiàng)斟酌誤差起源和肅清法子，精密的大氣延遲量（毫米級(jí)）可以與定位參數(shù)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(xiàng)延遲。通過采納雙頻技能，可以將電離層延遲幾乎完整肅清。靜力延遲與地面觀測(cè)量（氣壓）具有很好的相干，可以訂正到毫米量級(jí)。這樣就得到了毫米量級(jí)的濕項(xiàng)延遲。濕項(xiàng)延遲與水汽總量（PW）可創(chuàng)造嚴(yán)格的正比關(guān)系，準(zhǔn)確的水汽總量就求解出來。應(yīng)用麻省理工學(xué)院的GAMIT軟件進(jìn)行解算。軟件請(qǐng)求試驗(yàn)采納雙頻載波相位觀測(cè)，應(yīng)用差分法以肅清源于衛(wèi)星鐘和接管機(jī)鐘的誤差，同時(shí)可采納“軌道松弛法”，以對(duì)軌道的準(zhǔn)確度進(jìn)行修改和調(diào)解。此外還有反演方式即：應(yīng)用接管更高空之GPS衛(wèi)星發(fā)出來的訊號(hào)，強(qiáng)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。
采納載波相位觀測(cè)產(chǎn)生的重要難題是載波相位的整周未知數(shù)N0的出現(xiàn)。N0一般采納“三差法”來判斷，即不僅通過同一接收機(jī)對(duì)兩顆衛(wèi)星求差來消除接收機(jī)鐘差和同一衛(wèi)星對(duì)不同的接收機(jī)求差來消除衛(wèi)星鐘差，還通過連續(xù)觀測(cè)歷元的求差來判斷整周未知數(shù)N0。這就請(qǐng)求不同觀測(cè)歷元的衛(wèi)星仰角要有必然的變化，而在這個(gè)變化期內(nèi)（如15～30min），假設(shè)大氣特點(diǎn)或變化率堅(jiān)持定常，在觀測(cè)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(wèi)星天頂角）的映射函數(shù)而變化。這決定了GPS遙感大氣的時(shí)間辨別率。
通過地面GPS水汽遙感監(jiān)測(cè)，可以獲得很高時(shí)空辨別率、達(dá)到毫米精度的水汽資料，以補(bǔ)充探空資料在時(shí)間空間辨別率上的不足，供應(yīng)快速變化的信息。這種信息通過資料的四維同化，對(duì)改進(jìn)中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式精度，進(jìn)步預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有很好的應(yīng)用遠(yuǎn)景。而要了解GPS探測(cè)水汽的原理和方式，要了解一下大氣構(gòu)造、延時(shí)以及延時(shí)和降水的關(guān)系。
參考資料 >
【團(tuán)團(tuán)小科普】森林與氣候變化的關(guān)系.微信公眾平臺(tái).2024-03-19
什么是水汽?.福建省氣象局.2024-03-19