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提要
本文簡要介紹了非地轉濕Q 矢量是在非地轉的基礎上，從包含非絕熱效應的“P”
坐標出發(fā)，直接通過方程各項的量級比較，對方程尺度分離后進行簡化，引入非
絕熱加熱作用的非地轉濕Q 矢量的概念，并推導出其表達式以及以非地轉濕Q 矢
量散度為唯一強迫項的非地轉方程。并將其在實際暴雨過程中應用，分析非地
轉濕Q 矢量在降水過程中的可應用性。分析發(fā)現(xiàn)非地轉濕Q 矢量散度的輻合區(qū)與
上升運動有較好的對應關系，而且與非地轉方程的垂直速度相比較能分離出較
小的尺度，對暴雨的預報起更好的指示作用。
關鍵詞：非地轉濕Q 矢量散度，濕Q 矢量，非地轉方程
1、引言
暴雨屬災害性天氣，對航空飛行的影響很大。降水使能見度減小,在雨中飛行，若速度很大
時，空中能見度會降到1--2 千米以下。在大雨中飛行時空中能見度只有幾十米；過冷雨滴會造
成飛機積冰,在有過冷雨滴的降水區(qū)中飛行，雨滴打在飛機上，會立即產(chǎn)生積冰，因為雨滴比云
滴大的多，所以積冰強度也比較大；降水產(chǎn)生的碎雨云影響飛機起飛和著陸,在降水區(qū)內(nèi)，由于
低空濕度大，很容易產(chǎn)生碎雨云，當降水停止后碎雨云消散；大雨下方最容易出現(xiàn)較強的下降
氣流,由于飛機著陸階段，處于著陸外形，加速性能和上升性能都變差，加上此時高度較低，速
度較小，如果此時飛機遇到意外的下降氣流或下?lián)舯┝鲿r，飛行員難于操縱，情況嚴重時可使
飛機失事；另外大雨和暴雨能使發(fā)動機熄火，惡化飛機的空氣動力，影響跑道的使用等。所以
尋求一種較有效的方法應用于暴雨航空天氣預報成為迫切的要求。
暴雨過程預報中，關鍵的要素是對垂直速度的預報。通常所用的方法是應用準地轉方程
進行計算，但實際應用中準地轉方程存在兩方面問題：第一、進行計算需要多層資料，需要
從地面到大氣上邊界垂直積分；第二、方程中溫度平流的拉普拉斯項和渦度平流隨高度變化項
兩項符號相反，這意味著垂直速度項為兩個相對較大項的差值，計算后產(chǎn)生的誤差較大。由
于上述原因，需要根據(jù)運動中維持熱成風平衡的觀點重新推導出另一種形式的方程。
自從Hoskin(1978)提出準地轉Q 矢量以后，Q 矢量的概念不斷得到發(fā)展和應用，Hoskin 在
準地轉Q 矢量提出的前提下導出了以準地轉Q 矢量散度為唯一強迫項的方程，適應于大尺度
系統(tǒng)和中尺度系統(tǒng)的診斷分析，Q 矢量也因此曾被Durran(1987)譽為計算垂直速度的最好工具。
隨后，Robert 等（1991）繼而把Q 矢量的概念從準地轉理論推廣到原始方程中，得到廣義Q 矢
量，但對方程組作了偏離實際大氣頗大的包辛尼斯克假定，而且所采用的修正氣壓坐標不是氣
壓常規(guī)的坐標；針對準地轉近似應用與非地轉明顯的中尺度系統(tǒng)研究時存在的缺陷，李柏等
（1997）提出了半地轉Q 矢量，并導出以半地轉Q 矢量散度為唯一強迫項的半地轉方程。但
是，以上所有的Q 矢量表達式均是建立在不考慮水汽凝結作用即不考慮非絕熱效應的前提下得
到的，可是實際大氣并非如此，因此，如果把此類的Q 矢量應用于非絕熱效應顯著的暴雨過程
時，勢必不符合實際。為了突破準地轉和包辛尼斯克以及“干”過程假定的局限，有必要在Q
矢量分析過程中考慮非絕熱效應，以便更加真實地反映系統(tǒng)的狀態(tài)和變化。因此，在非地轉Q
矢量的基礎上，從包含非絕熱效應的“P”坐標出發(fā)，直接通過方程各項的量級比較，對方程尺
度分離后進行簡化，引入考慮天氣系統(tǒng)，尤其是暴雨等降水系統(tǒng)發(fā)展的主要熱力強迫因子--非
絕熱加熱作用的非地轉濕Q 矢量的概念，并推導出其表達式以及以非地轉濕Q 矢量散度為唯一
強迫項的非地轉方程。
2、非地轉濕Q 矢量的物理機制
附一是非地轉濕Q 矢量表達式的推導過程。推導中考慮水汽，非絕熱作用的準靜力平衡，
無粘性摩擦，出發(fā)方程是ƒ 面上“p”坐標系的原始動力學方程組：
2
其中：
推導并進行量級比較。
令
為非地轉濕Q 矢量。
可以發(fā)現(xiàn)：在不考慮凝結潛熱和地轉近似條件下非地轉濕Q 矢量將完全轉化為準地轉條件
下的Q 矢量。
將地轉偏差表示為：
式（2）變?yōu)椋?br />
H
dt
d
y p
v
x
u
p
fu
dt
dv
fv
dt
du
a
a
0
（1）
p
q
C
H L
H
p
p
h R
p
RT
p
s
P
C
R
c
R
P
p
1000
1
1000
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航空翻譯 www.aviation.cn
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空管資料5(86)
