降水

一种自然现象

降水(外文名:Precipitation)是指大气中任何一种形式的水的降落,例如雨、雪、雨夹雪、冰雹 。降水代表了水蒸气从空气中以固体或液体形式重新分布到地球表面的过程。与水文循环的其他阶段相比,降水相对容易测量。 气流上升过程中产生动力冷却是形成降水的主要条件,而气流中的水汽含量及冷却程度则决定着降水强度和降水量的大小 。

降水受空气湿度、位置、地形等因素影响 ,同时也受 人类活动 、全球变暖 等其他因素影响。降水可按物理特征分类,如液态降水和固态降水;可按降水量分类,如小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨等;也可根据气流上升的特点分类,如对流雨、地形雨、锋面雨等。

降水是水文循环的重要环节,是地球上陆地各种水体的直接或间接的补给源,同时也是地表径流的本源,亦是地下水的主要补给来源。因此,降水量和降水特征对各种水体的水文特征和水文规律具有决定性的影响。 此外,不同地方的降水量存在着很大不同,对生物的分布和种类有着重要的影响。 观测降水量的方法主要有仪器观测、雷达观测、气象 云图 等 。

成因

降水的形成主要是由于地面暖湿气团在各种因素的影响下升入高空,在上升过程中产生动力冷却使温度下降,当温度达到 露点 (即空气中水汽达到饱和时的温度)以下时,气团中的水汽便 凝结 成水滴或 冰晶 ,这就形成云;云中的水滴或冰晶由于水汽继续凝结及相互碰撞合并,不断凝聚增大,当其重量超过上升气流顶托力时,在重力作用下就形成降水。由此可知,形成降水的条件有三个:①要有充足的水汽;②要使气块能够抬升并冷却凝结;③要有较多的凝结核。

人工降水

人工降水就是根据自然降水形成的原理,人为补充某些形成降水的必需条件,促进云滴迅速凝结并与其他云滴碰撞合并而增大形成降水。对于不同的云,需采用不同的 催化 方法。

基本要素

降水的基本要素体现降水的特征,主要要素有降水量、降水历时与降水时间、降水强度、降水面积和暴雨中心。

降水量指在一定时段内降落在一定面积上的总水量。如日(或月,年)降水量,指在一日(或月,年)内降在某一面积上的总水量。次降水量指降水开始至结束时连续一次降水的总量。降水量可以平方米。或亿平方米,表示,但通常以降水深度表示,即在一定时段内降落在单位水平面积上的水深,以毫米计。各种水文资料中的降水量,除特别注明者外,均指降水深度。

降水历时是指一场自始至终连续降水所经历的时间。降水时间是人为规定的。对某一降水量而言,人们为了便于比较各地的降水量,而指定一定时段降水量作标准。如最大一日降水量,三日降水量,七日降水量等,这里一日,三日,七日即为降水时间。但在降水时间内,并不一定是连续不断地降水。

单位时间内的降水量称为降水强度或雨率、雨强,以毫米/分钟,毫米/小时或毫米/天计。降水强度一般有时段平均降水强度与瞬时降水强度之分。

降水笼罩的水平投影面积称为降水面积,以平方千米计。一次降水笼罩的面积可小于 流域面积 ,也可大于流域面积。

暴雨集中较小的局部地区,称为暴雨中心。在一次的降水过程中,暴雨中心可能会移动。

影响因素

影响降水的形成主要是影响空气中的水分含量,其影响因素主要包括空气湿度 、地理位置 、 气象因素 、 大气环流 和地形因素 。

空气湿度

空气湿度主要与地区蒸发量有关,地区温度越高,蒸发量越大,越容易形成降水。如: 赤道 地区海洋表面的温度高,导致蒸发的水分大,盛行风将湿度大的空气吹过赤道地区上空;由于陆地热空气的上升,温度开始下降,空气的持水能力也在下降(冷空气的持水能力小于暖空气),空气中的 蒸汽 以降水的形式释放出来,因而赤道部分地区降水丰沛。

地理位置

低纬度地区气温高,蒸发量大,大气中水气含量多,降水多;地球上60%以上的降水集中在南北纬30°之间的地区,并向两极逐渐递减。沿海地区大气中水气含量多,其降水量一般比同 纬度 内陆地区多。

地形

在地理位置和 气象因素 相同的情况下,山地降水比平原多 ,因为高山迫使空气上升,并去除湿润空气中的水分。随着高度抬升,空气开始变冷,形成云,然后形成降水,且降水主要在 迎风坡 。如:北美 西海岸新区 靠近海岸的西山坡降水丰沛,背离 盛行风 的背风坡则降水较少。

气象因素

影响降水的气象因素包括温度、湿度、气压、风向、风力、云量、 能见度 、降水量、日照、辐射等 ,这些因素主要通过影响空气中的含水量来影响降水的形成。如台风雨是 热带 海洋上的风暴(台风)经过大陆带来的降水,对流雨是由于空气对流而形成的降水 。

大气环流

大气环流通过引导不同性质的 气团 活动、锋、气旋和反气旋的产生和移动来影响气候的形成。如: 赤道 地区常年受低压控制,以 上升气流 为主,导致该地区降水充沛;相反, 副热带 地区受高压控制,以 下沉气流 为主,因此降水较少,形成 沙漠气候 。

季风环流 和三圈环流通过不同季节的风向变化和气压带、风带的影响,对大陆东岸和西岸的气候产生重要影响。如: 热带季风气候 在夏季由于气压带风带偏转,从海洋吹来的风带来大量水汽,导致降水增多;而 地中海气候 则受到中纬西风和副高交替控制,冬季西风带来水汽,导致温和多雨,夏季则相反。

海洋暖流经过的地区,因气温升高,使得地面上 气团 不稳定,有利于降水;寒流经过的地区,因气温降低,不利于降水。

降水分类

根据物理特征分类

液态降水

液态降水即降水以液态的形态降落到地面,可直接对径流产生一系列影响 ,如: 毛毛雨 、雨、 雷阵雨 、 冻雨 、阵雨等 。

固态降水

固态降水即降水以固态的形态降落到地面,需融化后,从固态变为液态才能对径流产生影响 ,如:雪、雹、 等 。

液态固态混合型降水

液态固态混合型降水即降水以固液态的形态降落到地面,如雨夹雪等。

根据降水量分类

表格参考资料:

根据形成特征分类

对流雨

由于近地面气层强烈受热,造成不稳定的对流运动,使气块强烈上升,气温急剧下降,水汽迅速达到 过饱和 而产生降水,称其为对流雨。对流雨常以暴雨形式出现,并伴随 雷电 现象,故又称 热雷雨 。从全球范围来说, 赤道 地区全年以对流雨为主, 中国 通常只见于夏季。

地形雨

暖湿气流 运动中受到较高的山地阻碍被迫抬升而绝热冷却,当达到 凝结 高度时,便产生凝结降水,也就是地形雨。地形雨多发生在山地的 迎风坡 。在背风的一侧,因越过山顶的 气流 中水汽含量已大为减少,加之气流越山下沉而绝热增温,以致气温增高,所以背风一侧降水很少,形成雨影区。

锋面雨

当两种 物理性质 不同的 气团 相接触时,暖湿气流交界面上升而绝热冷却,达到凝结高度时便产生降水,称其为锋面雨。锋面雨一般具有雨区广、持续时间长的特点。在 温带 地区,包括 中国 绝大部分地区,锋面雨占有重要地位。

气旋雨

当一地区气压低于四周气压时,四周气流就要向该处汇集形成降水,称其为气旋雨。气旋雨可分为非锋面雨和锋面雨两种,非锋面气旋雨是 气流 向低压辐合而引起气流上升所致,锋面气旋雨是由锋面上气旋波 所产生的。

降水分布特征

全球降水分布特征

降水量的分布降水昼的空间分布受多种因素的制约,如地理 纬度 、海陆位置、 大气环流 、天气系统和地形等 。地球上最干旱的地区之一是 智利 的 阿塔卡马沙漠 (Atacama Desert),平均年降水量只有0.05厘米;而 印度 的毛辛拉姆(Mawsynram)则是世界上最湿的地方,平均年降水量为1200厘米。 根据降水量的纬度分布,可将全球划分为以下四个降水带。

赤道 多 雨带 ,指赤道及其两侧地带是全球降水最多的地带,年降水量一般为2000-3000 毫米;在一年内, 春分 和 秋分 附近降水量最多, 夏至 和 冬至 附近降水量较少。

亚热带 少雨带 ,地处南北纬15°-30°之间。这个地带因受 副热带高气压带 带控制,以 下沉气流 占优势,是全球降水最稀少带。大陆两岸和大陆内部降水最少,年雨量一般不足500 毫米,不少地方仅为100-300 毫米,是全球 荒漠 相对集中分布的地带。不过,该降水带并非到处都少雨,因受地理位置、 季风环流 和地形等因素影响,某些地区降水很丰富。例如, 喜马拉雅山脉 南坡 印度 的 乞拉朋齐 年均降水量高达12665毫米。

中纬多 雨带 ,该带锋面、气旋活动频繁,所以年降水量多于 亚热带 ,一般在500-1000 毫米。大陆东岸还受到季风影响, 夏季风 来自海洋,使局部地区降水特别丰富。例如,智利西海岸年降水量达3000-5000毫米。

高纬少雨带 ,该带因 纬度 高、气温低,使得蒸发极小,故降水量偏少,全年降水量一般不超过300毫米。

中国降水分布特征

中国幅员广大,各地区自然地理有很大区别。年降水量、24小时降水量和1小时降水量在全国各地的分布很不均匀,具有明显的地区特点。 年降水量总体上呈现出东南地区多, 西北 少的特点,主要原因在于距离的海洋远近与受 夏季风 的影响程度不同;影响 中原地区 的夏季风有两支,一支是来自低纬度 太平洋 的 东南季风 ,另一支是来自 赤道 附近的 印度洋 的 西南季风 。季节降水量各地分布不均匀,主要原因在于季风因锋面移动产生的 雨带 推移现象; 南方地区 雨季开始早而结束晚,雨季较长; 北方地区 雨季开始晚而结束早,雨季较短。

注:表格参考资料

观测方法

仪器观测

观测降水的仪器主要有雨量器、自记雨量计(包括称重式自记雨量计、虹吸式自记雨量计及翻斗式自记雨量计)两大类,部分仪器可通过机械发条装置或平衡锤系统记录全部降水量的重量,还能记录雪、冰雹及雨雪混合降水。翻斗式雨量计是由感应器及信号记录器组成的遥测雨量仪器,通过雨水积累达到一定量后翻斗倾倒,遥测液体降水量、降水强度、降水起止时间,记录降雨量,同时将降雨量转换为开关形式的数字信息量输出,以满足信息传输、处理、记录和显示等需要,适用于气象台、水文站、农林、国防等有关部门。

雷达探测

气象雷达 是利用雨、云、雪等对 无线电 的反射现象来发现目标的。用于水文方面的雷达,有效范围一般是40-200千米。雷达的回波可在雷达显示器上显示出来。不同形状的回波反映着不同性质的天气系统、云和降水等。根据雷达探测到的降水回波位置、移动方向、移动速度和变化趋势等资料,即可预报出探测范围内的降水量、降水强度及降水开始和终止时刻。

气象卫星云图

气象 卫星 按其运行轨道分为极轨卫星和 地球 静止卫星 。地球静止卫星发回的高分辨数字云图资料有两种,一种是 可见光 云图;另一种是红外云图。可见光云图的亮度反映云的 反照率 。反照率强的云,云图上的亮度大,颜色较白;反照率弱的云,亮度弱,色调灰暗。红外云图能反映 云顶 的温度和高度,云层的温度越高,云层的高度越低,发出的红外辐射就越强。在卫星云图上,一些天气系统也可以根据特征云形分辨出来。

用卫星资料估计降水的方法很多,投入水文业务应用的是利用 地球 静止卫星 短时间间隔的 云图 图像资料,再用某种模型估算。这种方法可以引入 人机交互 系统,自动进行数据采集、云图识别、降水量计算、雨区移动预测等工作。

在水文年鉴中,一般都按站给出逐日降水量(使用日降水量资料,应注意查明其日分界)。此外,还有年内各种历时的最大降水量的统计成果。在汛期降水量摘录表中,会给出较详细的降水过程的资料。

其他影响因素

除了影响降水形成的因素外,还存在其他改变 下垫面 属性从而影响降水的因素,如森林覆盖、 人类活动 、全球变暖 以及城市 热岛效应 。

森林

森林 表面能 阻止下层湿热空气的运动,减低 气流 运行的速度,促使湿空气聚集在森林的上空,而有利于降水;同时,森林能增加地面起伏产生热力差异,因而增加空气垂直运动的速度,使气流上升,引起降水。但在 植被 茂密的地区,由于枝叶的截留,使得雨水不能全部到达地面,从而减少该地区的降水量。

人类活动

主要是人为的生产活动,改变了流域的 下垫面 条件,引起气候的变化,增强或削弱内陆水分循环而引起降水量的变化。

全球变暖

全球变暖是指 地球 表面温度上升的现象,是由于大气 温室效应 不断累积,导致 地气 系统吸收与发射的能量不平衡,能量不断在地气系统中累积,从而导致温度上升,造成 全球气候变暖 。 全球变暖影响全球降雨量模式,给北欧、 加拿大 和 俄罗斯 北部带来更多降水;但减少了 撒哈拉沙漠 南部非洲、印度北部和东南亚的降水,降水的减少使得整个流域的 水资源 日趋匮乏,地下水位下降,泉流量减小。

城市热岛效应

城市 热岛效应 指的是因为城市温度比周围农村高,较暖的城市空气就会上升,四周较冷的空气则吹向城市。当大范围的气压 梯度 较小时,空气由四周向城中的浅低压区吹送,形成一种特殊的辐合风场。 由于 城市化 , 下垫面 不透水面增加,雨水无法下渗,径流量加大,洪峰数量增加;再加上在城市兴建和扩展过程中,人为明显改变地表状况,区域辐射平衡被破坏,整体气温升高,蒸发加剧,从而导致该地区的降水量增加。

参考资料