降水(外文名:Precipitation)是指大氣中任何一種形式的水的降落,例如雨、雪、雨夾雪、冰雹。降水代表了水蒸氣從空氣中以固體或液體形式重新分布到地球表面的過程。與水文循環的其他階段相比,降水相對容易測量。氣流上升過程中產生動力冷卻是形成降水的主要條件,而氣流中的水汽含量及冷卻程度則決定著降水強度和降水量的大小。
降水受空氣濕度、位置、地形等因素影響,同時也受人類活動、全球變暖等其他因素影響。降水可按物理特征分類,如液態降水和固態降水;可按降水量分類,如小雨、中雨、大雨等;也可根據氣流上升的特點分類,如對流雨、地形雨、鋒面雨等。
降水是水文循環的重要環節,是地球上陸地各種水體的直接或間接的補給源,同時也是地表徑流的本源,亦是地下水的主要補給來源。因此,降水量和降水特征對各種水體的水文特征和水文規律具有決定性的影響。此外,不同地方的降水量存在著很大不同,對生物的分布和種類有著重要的影響。觀測降水量的方法主要有儀器觀測、雷達觀測、氣象云圖等。
成因
降水的形成主要是由于地面暖濕氣團在各種因素的影響下升入高空,在上升過程中產生動力冷卻使溫度下降,當溫度達到露點(即空氣中水汽達到飽和時的溫度)以下時,氣團中的水汽便凝結成水滴或冰晶,這就形成云;云中的水滴或冰晶由于水汽繼續凝結及相互碰撞合并,不斷凝聚增大,當其重量超過上升氣流頂托力時,在重力作用下就形成降水。由此可知,形成降水的條件有三個:①要有充足的水汽;②要使氣塊能夠抬升并冷卻凝結;③要有較多的凝結核。
人工降水
人工降水就是根據自然降水形成的原理,人為補充某些形成降水的必需條件,促進云滴迅速凝結并與其他云滴碰撞合并而增大形成降水。對于不同的云,需采用不同的催化方法。
基本要素
降水的基本要素體現降水的特征,主要要素有降水量、降水歷時與降水時間、降水強度、降水面積和暴雨中心。
降水量指在一定時段內降落在一定面積上的總水量。如日(或月,年)降水量,指在一日(或月,年)內降在某一面積上的總水量。次降水量指降水開始至結束時連續一次降水的總量。降水量可以平方米。或億平方米,表示,但通常以降水深度表示,即在一定時段內降落在單位水平面積上的水深,以毫米計。各種水文資料中的降水量,除特別注明者外,均指降水深度。
降水歷時是指一場自始至終連續降水所經歷的時間。降水時間是人為規定的。對某一降水量而言,人們為了便于比較各地的降水量,而指定一定時段降水量作標準。如最大一日降水量,三日降水量,七日降水量等,這里一日,三日,七日即為降水時間。但在降水時間內,并不一定是連續不斷地降水。
單位時間內的降水量稱為降水強度或雨率、雨強,以毫米/分鐘,毫米/小時或毫米/天計。降水強度一般有時段平均降水強度與瞬時降水強度之分。
降水籠罩的水平投影面積稱為降水面積,以平方千米計。一次降水籠罩的面積可小于流域面積,也可大于流域面積。
暴雨集中較小的局部地區,稱為暴雨中心。在一次的降水過程中,暴雨中心可能會移動。
影響因素
影響降水的形成主要是影響空氣中的水分含量,其影響因素主要包括空氣濕度、地理位置、氣象因素、大氣環流和地形因素。
空氣濕度
空氣濕度主要與地區蒸發量有關,地區溫度越高,蒸發量越大,越容易形成降水。如:赤道地區海洋表面的溫度高,導致蒸發的水分大,盛行風將濕度大的空氣吹過赤道地區上空;由于陸地熱空氣的上升,溫度開始下降,空氣的持水能力也在下降(冷空氣的持水能力小于暖空氣),空氣中的蒸汽以降水的形式釋放出來,因而赤道部分地區降水豐沛。
地理位置
低緯度地區氣溫高,蒸發量大,大氣中水氣含量多,降水多;地球上60%以上的降水集中在南北緯30°之間的地區,并向兩極逐漸遞減。沿海地區大氣中水氣含量多,其降水量一般比同緯度內陸地區多。
地形
在地理位置和氣象因素相同的情況下,山地降水比平原多,因為高山迫使空氣上升,并去除濕潤空氣中的水分。隨著高度抬升,空氣開始變冷,形成云,然后形成降水,且降水主要在迎風坡。如:北美西海岸新區靠近海岸的西山坡降水豐沛,背離盛行風的背風坡則降水較少。
氣象因素
影響降水的氣象因素包括溫度、濕度、氣壓、風向、風力、云量、能見度、降水量、日照、輻射等,這些因素主要通過影響空氣中的含水量來影響降水的形成。如臺風雨是熱帶海洋上的風暴(臺風)經過大陸帶來的降水,對流雨是由于空氣對流而形成的降水。
大氣環流
大氣環流通過引導不同性質的氣團活動、鋒、氣旋和反氣旋的產生和移動來影響氣候的形成。如:赤道地區常年受低壓控制,以上升氣流為主,導致該地區降水充沛;相反,副熱帶地區受高壓控制,以下沉氣流為主,因此降水較少,形成沙漠氣候。
季風環流和三圈環流通過不同季節的風向變化和氣壓帶、風帶的影響,對大陸東岸和西岸的氣候產生重要影響。如:熱帶季風氣候在夏季由于氣壓帶風帶偏轉,從海洋吹來的風帶來大量水汽,導致降水增多;而地中海氣候則受到中緯西風和副高交替控制,冬季西風帶來水汽,導致溫和多雨,夏季則相反。
海洋暖流經過的地區,因氣溫升高,使得地面上氣團不穩定,有利于降水;寒流經過的地區,因氣溫降低,不利于降水。
降水分類
根據物理特征分類
液態降水
液態降水即降水以液態的形態降落到地面,可直接對徑流產生一系列影響,如:毛毛雨、雨、雷陣雨、凍雨、陣雨等。
固態降水
固態降水即降水以固態的形態降落到地面,需融化后,從固態變為液態才能對徑流產生影響,如:雪、雹、等。
液態固態混合型降水
液態固態混合型降水即降水以固液態的形態降落到地面,如雨夾雪等。
根據降水量分類
表格參考資料:
根據形成特征分類
對流雨
由于近地面氣層強烈受熱,造成不穩定的對流運動,使氣塊強烈上升,氣溫急劇下降,水汽迅速達到過飽和而產生降水,稱其為對流雨。對流雨常以暴雨形式出現,并伴隨雷電現象,故又稱熱雷雨。從全球范圍來說,赤道地區全年以對流雨為主,中國通常只見于夏季。
地形雨
暖濕氣流運動中受到較高的山地阻礙被迫抬升而絕熱冷卻,當達到凝結高度時,便產生凝結降水,也就是地形雨。地形雨多發生在山地的迎風坡。在背風的一側,因越過山頂的氣流中水汽含量已大為減少,加之氣流越山下沉而絕熱增溫,以致氣溫增高,所以背風一側降水很少,形成雨影區。
鋒面雨
當兩種物理性質不同的氣團相接觸時,暖濕氣流交界面上升而絕熱冷卻,達到凝結高度時便產生降水,稱其為鋒面雨。鋒面雨一般具有雨區廣、持續時間長的特點。在溫帶地區,包括中國絕大部分地區,鋒面雨占有重要地位。
氣旋雨
當一地區氣壓低于四周氣壓時,四周氣流就要向該處匯集形成降水,稱其為氣旋雨。氣旋雨可分為非鋒面雨和鋒面雨兩種,非鋒面氣旋雨是氣流向低壓輻合而引起氣流上升所致,鋒面氣旋雨是由鋒面上氣旋波所產生的。
降水分布特征
全球降水分布特征
降水量的分布降水晝的空間分布受多種因素的制約,如地理緯度、海陸位置、大氣環流、天氣系統和地形等。地球上最干旱的地區之一是智利的阿塔卡馬沙漠(Atacama Desert),平均年降水量只有0.05厘米;而印度的毛辛拉姆(Mawsynram)則是世界上最濕的地方,平均年降水量為1200厘米。根據降水量的緯度分布,可將全球劃分為以下四個降水帶。
赤道多雨帶,指赤道及其兩側地帶是全球降水最多的地帶,年降水量一般為2000-3000 毫米;在一年內,春分和秋分附近降水量最多,夏至和冬至附近降水量較少。
亞熱帶少雨帶,地處南北緯15°-30°之間。這個地帶因受副熱帶高氣壓帶帶控制,以下沉氣流占優勢,是全球降水最稀少帶。大陸兩岸和大陸內部降水最少,年雨量一般不足500 毫米,不少地方僅為100-300 毫米,是全球荒漠相對集中分布的地帶。不過,該降水帶并非到處都少雨,因受地理位置、季風環流和地形等因素影響,某些地區降水很豐富。例如,喜馬拉雅山脈南坡印度的乞拉朋齊年均降水量高達12665毫米。
中緯多雨帶,該帶鋒面、氣旋活動頻繁,所以年降水量多于亞熱帶,一般在500-1000 毫米。大陸東岸還受到季風影響,夏季風來自海洋,使局部地區降水特別豐富。例如,智利西海岸年降水量達3000-5000毫米。
高緯少雨帶,該帶因緯度高、氣溫低,使得蒸發極小,故降水量偏少,全年降水量一般不超過300毫米。
中國降水分布特征
中國幅員廣大,各地區自然地理有很大區別。年降水量、24小時降水量和1小時降水量在全國各地的分布很不均勻,具有明顯的地區特點。年降水量總體上呈現出東南地區多,西北少的特點,主要原因在于距離的海洋遠近與受夏季風的影響程度不同;影響中原地區的夏季風有兩支,一支是來自低緯度太平洋的東南季風,另一支是來自赤道附近的印度洋的西南季風。季節降水量各地分布不均勻,主要原因在于季風因鋒面移動產生的雨帶推移現象;南方地區雨季開始早而結束晚,雨季較長;北方地區雨季開始晚而結束早,雨季較短。
注:表格參考資料
觀測方法
儀器觀測
觀測降水的儀器主要有雨量器、自記雨量計(包括稱重式自記雨量計、虹吸式自記雨量計及翻斗式自記雨量計)兩大類。翻斗式雨量計通過雨水積累達到一定量后翻斗傾倒,記錄降雨量并輸出數字信息,適用于氣象臺、水文站等。
雷達探測
氣象雷達是利用雨、云、雪等對無線電的反射現象來發現目標的。用于水文方面的雷達,有效范圍一般是40-200千米。雷達的回波可在雷達顯示器上顯示出來。不同形狀的回波反映著不同性質的天氣系統、云和降水等。根據雷達探測到的降水回波位置、移動方向、移動速度和變化趨勢等資料,即可預報出探測范圍內的降水量、降水強度及降水開始和終止時刻。
氣象衛星云圖
氣象衛星按其運行軌道分為極軌衛星和地球靜止衛星。地球靜止衛星發回的高分辨數字云圖資料有兩種,一種是可見光云圖;另一種是紅外云圖。可見光云圖的亮度反映云的反照率。反照率強的云,云圖上的亮度大,顏色較白;反照率弱的云,亮度弱,色調灰暗。紅外云圖能反映云頂的溫度和高度,云層的溫度越高,云層的高度越低,發出的紅外輻射就越強。在衛星云圖上,一些天氣系統也可以根據特征云形分辨出來。
用衛星資料估計降水的方法很多,投入水文業務應用的是利用地球靜止衛星短時間間隔的云圖圖像資料,再用某種模型估算。這種方法可以引入人機交互系統,自動進行數據采集、云圖識別、降水量計算、雨區移動預測等工作。
在水文年鑒中,一般都按站給出逐日降水量(使用日降水量資料,應注意查明其日分界)。此外,還有年內各種歷時的最大降水量的統計成果。在汛期降水量摘錄表中,會給出較詳細的降水過程的資料。
其他影響因素
除了影響降水形成的因素外,還存在其他改變下墊面屬性從而影響降水的因素,如森林覆蓋、人類活動、全球變暖以及城市熱島效應。
森林
森林表面能阻止下層濕熱空氣的運動,減低氣流運行的速度,促使濕空氣聚集在森林的上空,而有利于降水;同時,森林能增加地面起伏產生熱力差異,因而增加空氣垂直運動的速度,使氣流上升,引起降水。但在植被茂密的地區,由于枝葉的截留,使得雨水不能全部到達地面,從而減少該地區的降水量。
人類活動
主要是人為的生產活動,改變了流域的下墊面條件,引起氣候的變化,增強或削弱內陸水分循環而引起降水量的變化。
全球變暖
全球變暖是指地球表面溫度上升的現象,是由于大氣溫室效應不斷累積,導致地氣系統吸收與發射的能量不平衡,能量不斷在地氣系統中累積,從而導致溫度上升,造成全球氣候變暖。全球變暖影響全球降雨量模式,給北歐、加拿大和俄羅斯北部帶來更多降水;但減少了撒哈拉沙漠南部非洲、印度北部和東南亞的降水,降水的減少使得整個流域的水資源日趨匱乏,地下水位下降,泉流量減小。
城市熱島效應
城市熱島效應指的是因為城市溫度比周圍農村高,較暖的城市空氣就會上升,四周較冷的空氣則吹向城市。當大范圍的氣壓梯度較小時,空氣由四周向城中的淺低壓區吹送,形成一種特殊的輻合風場。由于城市化,下墊面不透水面增加,雨水無法下滲,徑流量加大,洪峰數量增加;再加上在城市興建和擴展過程中,人為明顯改變地表狀況,區域輻射平衡被破壞,整體氣溫升高,蒸發加劇,從而導致該地區的降水量增加。
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