3第三章大气中的水分

1第三章大气中的水分3.1蒸发凝结3.2地面和大气中的凝结物3.3大气降水2本章要点大气降水是水循环的重要环节，实际上是一种特殊的水、气、地之间物质与能量的交换，它使地球生命充满活力。3湿度（humidity）概念—空气潮湿程度或水汽含量多少的物理量。（1）水汽压（e）和饱和水汽压（E）（2）绝对湿度（a）（3）相对湿度（f）（4）饱和差（d）（5）比湿（q）和混合比（γ）（6）露点（td）4（1）水汽压（e）（water-vapourpressure）和饱和水汽压（E）（saturationwatervapourpressure）·大气中水汽本身具有的压力叫水汽压。单位：mm、hpa·饱和湿空气中的水汽压叫饱和水汽压(也叫最大水压）。单位：hpa5饱和水汽压（E）与温度（t）按指数规律变化。①温度高E值大，温度低E值小。②降低相同温度，温度高的饱和空气被凝结的水汽多，相反则少。③温度低的未饱和空气，只要降低较少温度，空气很快出现饱和。例：庐山山上湿润，山下干燥。6（2）绝对湿度（a）（absolutehumidity）概念—单位体积空气中所含的水汽质量（即水汽密度）。单位：g/cm3，g/m3。7（3）相对湿度（f）（relationhumidity）概念——空气中的实际水汽压(e)与同温度下的饱和水汽压(E)之比。单位：％相互关系式：f=e/E×100%8（4）饱和差（d）－也叫湿度差（saturatedodds）概念—在当时气温下应有的饱和水汽压（E）与实际水汽压（e）之差。单位：hpa，mm饱和差表示实际空气距离饱和的程度。表达式：d＝E－ed＞0空气远离饱和状态d＝0（E＝e）空气达饱和d＜0空气达过饱和9（5）比湿（q）和混合比（γ）概念：一团湿空气中，水汽的质量与该团空气的总质量比值叫比湿。单位：g/g，g/kg表达式q=mw/（md+mw）式中：mw－湿空气质量，md－干空气质量。10（6）露点（Td）（dew－point）概念—当空气中水汽含量不变且气压一定时，气温降低到使空气刚好达到饱和时的温度。单位：℃ºK①要使空气达到饱和出现露点，首先是降低气温。②增加水汽含量，使空气出现饱和达到露点。饱和水汽压变化曲线（露点定义）11水相变化•物理过程:•判据:蒸发Ee饱和E=e凝结Ee潜热:12饱和水汽压•饱和水汽压与温度:E=E0108.5t/(273+t)增温时E指数规律增大(原因)饱和水汽压随温度改变的量,高温时大于低温.表3.1•饱和水汽压与蒸发面性质冰面(小)和过冷却水:冰晶效应.图3.2溶液面(小)和纯水•饱和水汽压与蒸发面形状:图3.3凝结增长:E小eE大133.1蒸发(evaporation)概念——一定温度下由液态水（冰）转为气态水（水汽）的过程。由蒸发消耗的水量称为蒸发量，用蒸发失去的水层厚度（mm）表示。（1）e与E二者的对比是出现蒸发的关键eE出现蒸发（未饱和）；e=E水汽分子进入与逸出数相等，处于动态平衡（饱和）;eE出现凝结（过饱和）14蒸发过程示意图蒸发过程示意图蒸发尾迹15（2）影响蒸发速度快慢的主要因素（三个）水源①蒸发的温度—蒸发的温度愈高，蒸发愈快，相反愈慢。②蒸发的性质—同温度时，水面蒸发快于冰面、淡水快于海水。③空气湿度和风—空气湿度大的蒸发速度小于空气干燥时，有风时大于无风。上述影响因素中，①起决定作用，其次为风（3）日变化和年变化——与气温相同（4）蒸发量空间分布——因气温高低、海陆分布、水汽量多少而不同。16全球年蒸发量分布图17凝结（condensation）概念——一定温度时由气态水（水汽）转为液态水（冰）的过程，由水汽直接转为冰过程称为凝华。（1）凝结（凝华）条件•具有一定凝结核（凝华核）•增加水中的水汽eE•通过空气冷却、降低E18凝结凝结尾迹冰晶19（2）凝结（凝华）途径①暖水面蒸发使空气中水汽量增加例：秋冬季节水面上腾起的雾②四种空气冷却方式•绝热冷却——热空气作绝热上升运动，是大气中云形成的主要方式。如：山地降温等•辐射冷却——晴朗无风夜晚，地面辐射冷却至td以下。如：辐射雾•平流冷却——暖空气平流到冷却地表上•混合冷却——接近饱和的两个温差较大气块（团）发生水平混合.66图3.7上述凝结方式中以冷却为主。雾一主要是辐射冷却、平流冷却，云——主要是绝热冷却。大气凝结现象发生在地面和空中。203.2地面凝结物地面凝结物类型——露、霜、雾凇、雨凇地面凝结物一般直接依附在地面物体上（草、树、通讯设施等）。露（dew）概念——t0℃由水汽凝结而成的水滴①形成条件——晴朗微风的夜晚（辐射冷却形成）②凝结量——温带0.1—0.3mm（平均1mm），是干旱地带（埃及、阿拉伯、撒哈拉等沙漠)植物维持生命的主要源泉。21霜和霜冻、霜期•霜（frost）概念——t0℃，水汽直接凝华成细小的白色固体（冰晶）凝结物。形成条件——晴朗微风的夜晚（地表辐射冷却，地表之上聚集冷气流二种方式形成）。22•霜冻——农作物生长季节中（白天T0℃，夜晚T0℃）地表温度下降足以使农作物遭受伤害或死亡的低温（有白霜和黑霜之分）。可采取熏烟、浇水、复盖薄膜等办法预防。•霜期初霜日——入冬后第一次出现的霜日终霜日——冬季后最末一次出现的霜日无霜期（生长期）——终霜日的持续期霜期长短因纬度、高度、局部地形而不同，且无霜期随纬度增加而递减。23•露、霜差异共同点——天气条件均为晴朗微风的夜晚不同点——温度要求一个在0℃以上，一个在0℃以下露、霜常被人们作为“晴天”的预兆（露水起晴天、霜重见晴天）。24霜、霜冻露珠、露水25雾凇（freezingfog）概念——积聚在地面物体（树、电线杆等）迎风面上针状或粒状的白色松散微小固体（冰晶）凝结物。据形成条件、结构分为两类。①晶状雾凇由物体表面晶体吸附过冷却雾滴蒸发出来的水汽而形成的雾凇。•形成条件——有雾、微风或静风及t低于-15℃。•结构——松散、稍有震动就会脱落。26②粒状雾凇概念——由风将过冷却雾滴吹至冷物体表迅速冻结而成，雾滴仍保持原形状（呈粒状）。•形成条件——风速,Ｔ=-2℃—-7℃•结构——紧密，能折断树枝、电线。27雨凇（glaze）概念——在接触的物体表面形成的光滑而透明的冰层。•形成条件——T0℃，过冷却雨滴或毛毛雨雨滴。•结构——紧密，能折断树枝、电线。•分布区域——山地区域或湖区多见。•灾害雾凇和雨凇属灾害性天气。对通讯、交通、农业生产等有较大影响（损失）（如，压断电线、折损树木）。28雾凇松花江江面上的树挂黑龙江镜泊湖封冻期29空中凝结物空中凝结物类型——雾、云雾直接悬浮在近地表大气层内，云则形成空中一定高度上。两者仅是形成高度的差别（如—山上的浓雾，山下见到则是云）（1）雾（fog）概念——悬浮于近地表空气中的大量水滴或冰晶，使水平能见度小于1km的物理现象称为雾。悬浮于近地表空气的大量细小干燥尘粒（烟粒、灰尘），使水平能见度小于1km的空气混浊现象称霾。城市或污染严重的大工业区可见此现象。30•作用——可增加土壤水分，减少植物蒸腾、补偿植物干季时的缺水现象。•能见距离——一般200—500m，薄雾500—1000m，浓雾仅数十米。影响和危害城市、海上、高速交通。•形成条件——主要取决于空气冷却过程。一般为以下4种，其中前2种为最常见。31加里福尼亚海边薄雾(A.Straller,1983）雾中的珠穆朗玛峰雾涌山乡（杨桦等，2000）32四姑娘山薄雾（杨桦等，2000）四姑娘山雾景（杨桦等，2000）台湾雪霸国家公园——观雾游憩区33①辐射雾概念——地面辐射冷却形成的雾•形成条件——空气湿度大，晴朗少云，夜晚或早晨，微风（1m/s—3m/s）、气层稳定。•形成季节——秋、冬季•著名区域——四川盆地（例：重庆冬季80%为辐射雾）②平流雾概念——暖湿空气平流到冷地表（或海面）形成的雾。•形成条件——暖空气湿度大，与接触地表间温差大，适宜风向和风速（2m/s—7m/s）及气层稳定。•形成季节、时间——春、夏季，一天中的任何时候。但海上四季可见。•形成区域——沿海大陆34辐射雾顶上看到的目标物雨层云（气象学教程，1973）雨层云（陆忠汉等，1984）35（2）云（cloud）云是空中凝结物。不同高度、不同形态的云是水圈水分循环的必经之路。武夷山云海庐山云雾线36衡山日出云海黄山日出普陀山日落37①云状分类3族10属云系主要由积状云、层状云、波状云三类组成。•积状云形成方式——由热力对流、冷锋面对流、地形抬升等形成。•特征——云块孤立分散，呈白色菜花状。一般，积云出现晴好天气，积雨云出现雷阵雨或冰雹天气。积状云的形成（张莞莹，1996）38形成方式——因暖空气（空气密度小）势力大于冷空气而向冷空气（空气密度大）一侧移动，并稳定滑行在冷空气上方绝热冷却形成。一般层状云出现预示着3—5天的系统性降水天气即将来临。•特征——云系移动速度很慢（1m/s—0.1m/s），持续时间长，云层覆盖面广。•层状云系统性层状云的形成（张莞莹，1996）39形成方式——上升气流区形成云，下沉气流区无云，而形成波状云。天气——它的出现预示天气现象稳定少变（或晴天不变，或阴雨天大风不变）。特征——云块类似瓦块状、鱼鳞状，云的厚度不大（一般几十米—几百米，有时也达1000—2000米）。波状云40特殊云•72-74悬球云•堡状云絮状云41②云量带分布赤道多云带：赤道地区气温高、水汽来源充沛，全年以上升气流为主，是全球的高云量带，平均云量约为6。纬度20-30°少云带：全年以下沉气流为主，空气下沉绝热增温、十分干燥，是全球天空相对明净的少云带，平均云量4左右，荒漠地带不足2。中纬度多云带：该带内气团活动频繁，冷暖空气常在此形成锋面，是全球的高云量带，平均云量为6.5-7。423.3大气降水3.3.1降水的形成3.3.2降水类型3.3.3降水的时间分配3.3.4降水的地理分布433.3.1降水的形成（1）形成条件①eEf100%②云滴要大，要能经历从云到地面的下落过程而不被蒸发掉。③足够数量凝结核（2）不同纬度降水形成•低纬度——T0，暖云降水（雨水）。•中、高纬度——常出现冰、水共存现象。常出现二种降水方式（雨，雨雪共存或雨、冰雹共存或冰雹或雪）441、云滴凝结（凝华）增长：指水汽分子凝结（凝华）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶）增长的过程。①过冷水滴蒸发→冰晶凝华增长②小水滴蒸发→大水滴凝结增长③暖水滴蒸发→冷水滴凝结增长④纯水滴蒸发→溶液水滴凝结增长452、云滴冲并增长两个或两个以上的水滴相碰合并而增大的过程。下降时，大水滴追上小水滴；上升时，小水滴追上大水滴，都会发生碰并，使云滴迅速增大。46云滴增长•凝结增长(冰晶效应):初期和中高纬•冲并增长:后期和低纬重力冲并与含水量,大水滴大小有关75-76链琐反应:概念:增大-破碎-再增大-再破碎过程:(临界半径300-350)形成条件:上升气流;一定含水量;云厚时间性:47大小水滴在下降过程中的冲并与增长降雨48冰雹49峨眉雪黄山雪杭州雪50珠峰冰塔林雪后山村早晨51雨和雪的形成•1、雨的形成•由液态水滴（包括过冷却水滴）所组成的云体称为水成云。水成云内如果具备了云滴增大为雨滴的条件，并使雨滴具有一定的下降速度，这时降落下来的就是雨或毛毛雨。由冰晶组成的云体称为冰成云，而由水滴（主要是过冷却水滴）和冰晶共同组成的云称为混合云。从冰成云或混合云中降下的冰晶或雪花，下落到0℃以上的气层内，融化以后也成为雨滴下落到地面，形成降雨。52•2、雪的形成•在混合云中，由于冰水共存使冰晶不断凝华增大，成为雪花。当云下气温低于0℃时，雪花可以一直落到地面而形成降雪。如果云下气温高于0℃时，则可能出现雨夹雪。雪花的形状极多，有星状、柱状、片状等等，但基本形状是六角形。雪花之所以多呈六角形，花样之所以繁多，是因为冰的分子以六角形为最多，对于六角形片状冰晶来说，由于它的面上、边上和角上的曲率不同，相应地具有不同的饱和水汽压，其中角上的饱和水汽压最大，边上次之，平面上最小。在实有水汽压相同的情