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Python | 水汽通量及其散度

  • 2026-10-26 10:29:02
Python | 水汽通量及其散度
水汽通量和水汽通量散度是气象学中重要的物理量,其在研究大气水汽输送、降水形成以及区域气候变化等过程中具有关键作用。水汽通量反映了单位时间内通过某一单位面积的水汽量,而水汽通量散度则描述了单位体积内水汽的汇聚或扩散情况。

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水汽通量及其散度的表示与积分方法
(1) 水汽通量公式
在大气中,三维水汽通量向量 F 可表示为:
其中:
常用的垂直积分水汽通量(只考虑水平分量):
其中:
(2) 水汽通量散度公式
三维形式:
对于垂直积分的水平水汽通量散度:
p坐标下的垂直积分公式为:

水汽通量:表示在整个大气柱中水汽的输送能力与方向,矢量指向水汽输送方向,大小与输送强度成正比。

水汽通量散度:衡量某区域水汽的净收支。

负值(辐合):有利于降水的发生

正值(辐散):有利于干燥化

在实际应用中,通常计算1000hPa至300hPa积分的水汽通量来表示整层水汽通量,这在大部分情况下的大部分地区是适用的。但是,在地形复杂区,例如典型的青藏高原地区,从1000hPa开始积分就有问题,因为青藏高原平均海拔就超过4000米,大致对应于600hPa,包括1000hPa在内的600hPa以下部分位于地下,加之高原地区地形复杂,所以计算出的水汽通量及其散度分布十分“怪异”(图略)。因此,利用地表气压计算地表到300hPa的水汽通量和水汽通量散度十分必要!

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Python实现中的问题与解决方案
在NCL中,通常是利用dpres_plevel_Wrap函数计算气压层厚度,再与水汽通量相乘之后求和得到地表到300hPa的垂直积分。笔者根据同样的逻辑利用Python计算出的水汽通量散度在青藏高原南部和南亚部分地形复杂地区表现不佳(结果略)。
因此,本文通过掩膜,逐格点判断,只取地表到300hPa之间的数据,之外的数据设置为nan值,在垂直积分的时候忽略nan值,只对有效数据进行积分,从而实现从地表到300hPa的积分!

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代码实现与结果
代码一:计算逐日水汽通量qu/qv,此处保存为qx/qy
import os, glob, xarray as xr, numpy as npfrom metpy.constants import g# 读取数据DIR_IN  = '/ncep/pressure/'          # 原始 u/v/q 文件目录DIR_OUT = '/data/moisture_flux_daily-ncep1/'   # 输出目录os.makedirs(DIR_OUT, exist_ok=True)# 气压层(hPa)自动从文件读取def calc_and_save(year):    outfile = f'{DIR_OUT}moisture_flux_daily_{year}.nc'    if os.path.exists(outfile):        print(f'{outfile} 已存在,跳过')        return    # 读取    u = xr.open_dataset(f'{DIR_IN}uwnd.{year}.nc')['uwnd']   # (time,level,lat,lon)    v = xr.open_dataset(f'{DIR_IN}vwnd.{year}.nc')['vwnd']    q = xr.open_dataset(f'{DIR_IN}shum.{year}.nc')['shum']    # 单位换算: q 是 kg/kg    # g 取 9.81 m/s²    qx = (u * q) / g          # kg / (m · s · Pa)    qy = (v * q) / g    # 合并为 Dataset    ds = xr.Dataset({        'qx': qx,        'qy': qy    })    ds.attrs['units'] = 'kg/(m·s·Pa)'    ds.to_netcdf(outfile)    print(f'保存完成:{outfile}')# 主循环for y in range(1979, 2024):    calc_and_save(y)
代码二:垂直积分水汽通量和水汽通量散度
import os, glob, numpy as np, xarray as xrimport metpy.calc as mpcalcfrom metpy.units import unitsfrom tqdm import tqdmfrom scipy.integrate import trapezoid as trapz# 数据路径DIR_FLUX = '/data/moisture_flux_daily-ncep1/'DIR_PRES = '/ncep/surface/'DIR_OUT  = '/data/moisture_flux_daily-ncep1/'os.makedirs(DIR_OUT, exist_ok=True)# 读取并合并数据files = sorted(glob.glob(f'{DIR_FLUX}moisture_flux_daily_*.nc'))ds = xr.open_mfdataset(files, combine='nested', concat_dim='time')ds = ds.sel(time=slice('1979-01-01', '2022-12-31'))# 读入对应年份的地表气压,统一坐标pres_files = sorted(glob.glob(f'{DIR_PRES}pres.sfc.*.nc'))ps_ds = xr.open_mfdataset(pres_files, combine='nested', concat_dim='time')ps_sfc = ps_ds['pres'] / 100.0          # Pa -> hPaps_sfc = ps_sfc.rename({'lat': 'lat', 'lon': 'lon', 'time': 'time'})ps_sfc = ps_sfc.sel(time=slice('1979-01-01', '2022-12-31'))# 垂直积分:地表气压→300 hPalevel = ds['level']                     # 单位已是 hPaplev = level.values.astype(float)       # 1-D hPa# 积分函数:每格点按 ps→300 hPa 积分def integrate_surface_to_300(q, ps_arr):    """    q        : (nlev, nlat, nlon)   某变量(qx 或 qy)    ps_arr   : (nlat, nlon)         地表气压 [hPa]    return   : (nlat, nlon)         垂直积分结果    """    nlev, nlat, nlon = q.shape    plev_Pa = plev * 100.0                      # hPa → Pa    # 三维网格    plev_3d = np.broadcast_to(plev_Pa[:, None, None], (nlev, nlat, nlon))    ps_3d   = np.broadcast_to(ps_arr[None, :, :], (nlev, nlat, nlon))    # 有效层掩膜,仅保留 300–ps 之间的层    mask = (plev_3d >= 30000.0) & (plev_3d <= ps_3d * 100.0)    integral = np.full((nlat, nlon), np.nan, dtype='float32')    for j in range(nlat):        for k in range(nlon):            m = mask[:, j, k]          # 当前廓线的有效层            if m.sum() < 2:            # 至少要有 2 层才能梯形积分                continue            y = q[:, j, k][m]          # 有效值            x = plev_3d[:, j, k][m]    # 对应气压            integral[j, k] = trapz(y, x)    return integral# 预分配结果数组Qx_int_np = np.zeros((ds.sizes['time'], ds.sizes['lat'], ds.sizes['lon']), dtype='float32')Qy_int_np = np.zeros_like(Qx_int_np)# 逐日积分for i, t in enumerate(tqdm(ds['time'], desc='垂直积分')):    ps_t = ps_sfc.sel(time=t).values          # (lat, lon)    qx_t = ds['qx'].sel(time=t).values        # (level, lat, lon)    qy_t = ds['qy'].sel(time=t).values    Qx_int_np[i] = integrate_surface_to_300(qx_t, ps_t)    Qy_int_np[i] = integrate_surface_to_300(qy_t, ps_t)# 重新封装为 xarray.DataArrayQx_int = xr.DataArray(    Qx_int_np,    coords={'time': ds['time'], 'lat': ds['lat'], 'lon': ds['lon']},    dims=['time', 'lat', 'lon'],    attrs={'units': 'kg/(m·s)', 'long_name': 'vertically integrated zonal moisture flux (surface to 300 hPa)'})Qy_int = xr.DataArray(    Qy_int_np,    coords={'time': ds['time'], 'lat': ds['lat'], 'lon': ds['lon']},    dims=['time', 'lat', 'lon'],    attrs={'units': 'kg/(m·s)', 'long_name': 'vertically integrated meridional moisture flux (surface to 300 hPa)'})# 计算整层水汽通量散度dx, dy = mpcalc.lat_lon_grid_deltas(ds['lon'], ds['lat'])div_list = []for t in tqdm(ds['time'], desc='计算散度'):    qx_t = Qx_int.sel(time=t)    qy_t = Qy_int.sel(time=t)    div_t = mpcalc.divergence(        u=qx_t * units('kg/m/s'),        v=qy_t * units('kg/m/s'),        dx=dx,        dy=dy    )    div_list.append(div_t)div_da = xr.DataArray(    np.array(div_list),    coords={'time': ds['time'], 'lat': ds['lat'], 'lon': ds['lon']},    dims=['time', 'lat', 'lon'],    attrs={'units': 'kg/(m²·s)', 'long_name': 'vertically integrated moisture flux divergence (surface to 300 hPa)'})# 保存计算结果为一个nc文件out_ds = xr.Dataset({    'Qx_int': Qx_int,    'Qy_int': Qy_int,    'div_int': div_da})outfile = f'{DIR_OUT}integrated_flux_divergence_sfc-300_1979_2022.nc'out_ds.to_netcdf(outfile)print(f'已保存:{outfile}')
代码三:绘图代码
import numpy as npimport xarray as xrimport matplotlib.pyplot as pltimport cartopy.crs as ccrsimport cartopy.feature as cfeaturefrom cartopy.mpl.ticker import LongitudeFormatter, LatitudeFormatterimport cmapsimport osfrom cartopy.io.shapereader import Reader as shpreader
# ------------------------------------------------------------# 读取数据# ------------------------------------------------------------FLUX_FILE = '/data/moisture_flux_daily-ncep1/integrated_flux_divergence_sfc-300_1979_2022.nc'OUT_DIR   = '/pic/'os.makedirs(OUT_DIR, exist_ok=True)ds = xr.open_dataset(FLUX_FILE)          # Qx_int, Qy_int, div_int# ------------------------------------------------------------# 计算夏季气候态# ------------------------------------------------------------# 1979-2022 年所有 6–8 月ds_sel = ds.sel(time=slice('1979-01-01', '2022-12-31'))summer = ds_sel.sel(time=ds_sel['time.month'].isin([6, 7, 8]))comp = summer.mean(dim='time')# ------------------------------------------------------------# 绘图# ------------------------------------------------------------def plot_comp(comp, label):    fig = plt.figure(figsize=(10, 7))    ax  = plt.axes(projection=ccrs.PlateCarree())    ax.set_extent([50, 140, 5, 55], crs=ccrs.PlateCarree())    # 青藏高原边界    shp_path_TP = r'/shp/TPBoundary_new(2021).shp'    ct_TP = shpreader(shp_path_TP).geometries()    ax.add_geometries(ct_TP, ccrs.PlateCarree(),                      facecolor='none', edgecolor='m', linewidth=2.0)    # 水汽通量散度    cf = ax.contourf(comp['lon'], comp['lat'], comp['div_int'] * 1e5,                     levels=np.arange(-24, 26, 2),                     cmap=cmaps.cmp_b2r, extend='both',                     transform=ccrs.PlateCarree())    # 水汽通量    skip = 1    q = ax.quiver(comp['lon'][::skip], comp['lat'][::skip],                  comp['Qx_int'][::skip, ::skip],                  comp['Qy_int'][::skip, ::skip],                  scale=2500, color='k', width=0.003, regrid_shape=17)    ax.quiverkey(q, X=0.88, Y=1.04, U=200, angle=0,                 label='200 kg m$^{-1}$ s$^{-1}$',                 labelpos='E', color='k', labelcolor='k')    # 海岸线    ax.add_feature(cfeature.COASTLINE, linewidth=1.5,edgecolor= 'k')    # 刻度    ax.set_xticks(np.arange(50, 141, 10), crs=ccrs.PlateCarree())    ax.set_yticks(np.arange(5, 56, 10), crs=ccrs.PlateCarree())    lon_formatter = LongitudeFormatter(zero_direction_label=True)    lat_formatter = LatitudeFormatter()    ax.xaxis.set_major_formatter(lon_formatter)    ax.yaxis.set_major_formatter(lat_formatter)    ax.tick_params(labelsize=15)    # 标题、色标    plt.title(f'JJA (1979-2022) ', loc='left',              fontdict={'family': 'sans-serif', 'size': 20}, fontweight='bold')    colorbar = fig.add_axes([ax.get_position().x0,                             ax.get_position().y0 - 0.08,                             ax.get_position().width,                             0.025])    cbar = fig.colorbar(cf, cax=colorbar, orientation='horizontal', pad=0.35)    cbar.ax.tick_params(labelsize=15)    cbar.set_label('$10^{-5}$ kg m$^{-2}$ s$^{-1}$', fontsize=12, labelpad=-0.5)    plt.savefig(f'{OUT_DIR}jja_clim_moisture_flux.png', dpi=600)    plt.show()# ---------- 执行 ----------plot_comp(comp, 'Summer_Climatology')
结果如下:
从结果来看,最明显的特征是显著的南亚和东亚夏季风水汽输送过程,对应印度次大陆西部、孟加拉湾东部、青藏高原东南部和菲律宾群岛西部明显的水汽辐合大值区!此外,受大地形影响,高原上空水汽输送很弱,而从1000hPa直接积分的结果在高原上空会出现明显的水汽输送大值区,可见严格从地表开始积分的重要性!

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数据来源
  • NCEP风场和比湿数据:

    https://psl.noaa.gov/data/gridded/data.ncep.reanalysis.html

  • 青藏高原shp数据:
    https://doi.org/10.11888/Geogra.tpdc.270099

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