农业气象学4

2020年10月8日星期四农业气象学41.水相变化的物理过程2.水相变化中的蒸发潜热L=2500-2.4t2450J/gL:蒸发潜热单位：J/g冰的升华-融解潜热(334J/g)+蒸发潜热冰的升华潜热=2500+334=2834J/g一、水的相变第一节大气湿度1.绝对湿度(水汽密度)ρw(Watervapordensity)单位体积空气中所含的水汽质量，称为绝对湿度(水汽密度)。单位：kg/m3二、空气湿度的表示方法比湿：单位质量湿空气中所含的水汽质量。(用q表示；单位为g·g-1或kg·kg-1)空气密度：单位体积空气中所含的干空气和水汽质量之和。(用ρa表示；单位为kg·m-3)2.水汽压e(Watervaporpressure)空气中的水汽所产生的分压力叫水汽压。单位：Pa实际水汽压(ea,actualvaporpressure):未饱和空气的水汽压称实际水汽压，用ea表示。饱和水汽压(es,saturationvaporpressure)：空气中水汽达到饱和状态时的水汽压称为饱和水汽压。饱和水汽压(es,saturationvaporpressure)：空气中水汽达到饱和状态时的水汽压称为饱和水汽压。(es)实际水汽压ea的计算利用干湿球温度计测定干湿球温度差来计算实际水汽压。当空气未达到饱和时,湿球表面的水分就不断地蒸发,湿球温度蒸发耗热降温。当蒸发所消耗的热量与周围空气中获得的热量相平衡时,湿球温度不再下降。通风干湿表蒸发所消耗的热量ρ(ta),ρ(tw)：干湿球温度下的绝对湿度,kg/m3L:蒸发潜热，J/gesw:、ea干湿球温度下的饱和水汽压，hPaρa:空气密度，从周围空气中获得的热量Cp：空气质量热容，J/g·℃3.相对湿度RH(Relativehumidity)空气中实际水汽压与同温度下饱和水汽压的比值。例题：某日在农田植被上方，用干湿球温度表测到干球温度td=20℃,湿球温度tw=17℃,求此时农田植被上方空气的相对湿度？4.饱和差d(Saturationdeficit)在一定温度下，饱和水汽压与实际水汽压的差值称为饱和差。饱和差的大小空气中水汽距离饱和的差值。5.露点温度td(Dew-pointtemperature)当空气中水汽含量一定时，在压力不变的情况下，降低温度，使空气达到饱和时的温度，称为露点温度。例题：已知北京某年初夏ta=30℃,露点温度td=15℃,求此时空气的相对湿度？1.空气湿度的空间变化(垂直变化)大气中的水汽，随高度的增加，迅速减少。三、空气湿度的时空变化2.空气湿度的时间变化（1）水汽压的日、年变化水汽压的日变化影响近地面空气中水汽含量随时间变化的主要因素是蒸发强度和乱流强度。单峰型当温度升高时，蒸发作用增强，但，如果乱流作用不旺盛，蒸发的水多停留在低空。最高值:14-15h双峰型:乱流较强的温暖季节，由于湍流的作用，绝对湿度的日变化呈双峰型。一天中有两个最小值和最高值。水汽压的年变化水汽压的年变化与气温的年变化一致。一年中有一个最高值和一个最低值。最高值出现在7、8月；最低值出现在1、2月。(2)相对湿度的日、年变化相对湿度的日变化一日中最大值出现在凌晨。最小值出现在14-15时。相对湿度的年变化冬季最大，夏季最小。蒸发是指水分子从液态或固态水的自由面逸出而成为汽态的过程或现象。单位时间内单位面积上蒸发的水量称为蒸发速率，单位：gcm-2s-1。水面蒸发、土壤蒸发第二节蒸发与蒸腾一、蒸发1.水面蒸发影响水面蒸发的因子：（1）水源水源是蒸发的根源。水面、雪面、冰面、潮湿土壤和植被是蒸发的基本条件。（2）热源蒸发速度取决于热量供给。（3）饱和差蒸发速度与饱和差成正比，饱和差越大蒸发速度越快。（4）风速与湍流扩散（5）溶质浓度蒸发速度与溶质浓度成反比。2.土壤水分的蒸发土壤蒸发是指土壤中的水变为水气并向大气扩散的过程。土壤蒸发的两个过程：（1）蒸发直接发生在土壤表面。蒸发速度与相同条件下的水面蒸发速度几乎相同。主要受气象条件的影响。（2）水分在土壤中进行蒸发之后，水汽通过土壤的孔隙达地表后逸出土表。蒸发速度比相同条件下的水面蒸发速度小。土壤蒸发：除气象条件外，土壤含水量、土壤结构、性质、颜色、方位等。粗糙的土壤表面蒸发强于平滑的土壤表面；深色土壤比浅色土壤蒸发强；高地比谷地、凹地蒸发强；南坡比北坡强二、植物蒸腾植物体内的水分通过体表以气态水的形式向外界大气输送的过程称为蒸腾。物理过程、生理过程植物从土壤中吸收的水分，大部分通过蒸腾起到输送养分和降低体温的作用。从叶肉细胞开始向外扩散到达大气的过程与物理电学中电流、电压、电阻关系有些类似。叶片内的饱和水气压与大气中的未饱和的水汽压形成压差;相当于电压；水分叶片大气：有四种阻抗，rm、rs、rb、ra，相当于电阻；电流=电压差/电阻水汽=水汽压差/阻抗E:水汽蒸发率，kg/m2sra植物的蒸腾系数蒸腾系数：植物形成单位重量干物质时所消耗的蒸腾水量，用KT表示。植物蒸腾与植被下土壤蒸发的综合过程，称为农田蒸散。“可能蒸散”–美国学者桑斯威特提出矮小的绿色植物充分覆盖的开阔地表面上，植物对水分的输送没有或仅有微小阻力，并保持水分充分供应时的农田蒸散。ETP（PotentialEvapotranspiration)测定蒸散的仪器：渗水测量器、可能蒸散表、重量渗水测定器等。蒸散计算公式三、农田蒸散(Evapotranspiration)1.水分平衡法获取数据比较容易，误差较大2.桑斯威特法美国中西部半干旱地区多年田间试验的数据植物生理和物理机制在蒸散过程中的重要作用计算月平均可能蒸散ETP(ForestimatingmonthlyETP)算法简单，资料易得。不适合月平均气温低于零度的地区。计算短期值误差会大，长期效果会好些。3.彭曼法考虑了净辐射、空气温度、水汽压以及风速等因素，运用空气动力学和能量平衡概念，提出了自由水面的可能蒸发量的公式。运用彭曼公式估算农田可能蒸散ETP：ETP=f1E0f1:夏季0.8；冬季0.6物理意义明确，有较严密的理论依据；测量比较简单4.彭曼-蒙泰斯法蒙泰斯将输送阻抗概念引入彭曼公式，使彭曼公式既能用于有充分灌溉条件下垫面的蒸散情况，也可用于供水有限下垫面的蒸散情况。自动测量仪器、快速反应仪器以及计算机水平的迅速发展5.鲍恩比法(1926)：鲍恩比（Bowenratio)Kh=KV(大气中热量湍流交换系数与水汽湍流交换系数相同)假设下：第三节水汽凝结与大气降水一、水汽凝结的条件二、水汽凝结物三、降水1.空气中水汽达到过饱和状态一、水汽凝结的条件通过蒸发，增加空气中的水汽，使水汽压大于饱和水汽压。使含有一定量水汽的空气冷却，使饱和水汽压减小。蒸发雾空气的冷却绝热冷却：空气上升过程中，经过绝热冷却，温度降低。到达某一高度时，空气由未饱和达到过饱和而发生凝结。辐射冷却：通过辐射冷却，使空气温度降到露点温度以下而发生凝结。平流冷却：暖湿空气流经冷的下垫面时，由于热量交换，造成暖空气温度降低，就可能产生凝结。混合冷却：当温差较大，且水汽压接近饱和水汽压的两团空气水平混合后，可能达到过饱和状态。2.空气中有凝结核或凝华核凝结核：在水汽凝结过程中起核心作用的固态、液态、气态质点。吸湿性凝结核：海水浪花蒸发后遗留在空气中的盐粒、烟粒非吸湿性凝结核：尘埃、岩石微粒、花粉1.地表和地物上的水汽凝结物（1）露（dew）与霜（frost）近地面空气中的水汽，直接在地表面或地物表面上凝结或凝华形成的水滴或冰晶。夜晚或清晨，由于地面、地物表面的辐射冷却而降温，当其温度降到露点温度以下时，与辐射面接触的水汽在其表面上产生凝结。二、水汽凝结物（2）雾凇和雨凇(glaze)雾凇：水汽在树枝、电线或物体突起表面上形成的凝化物。雨凇：过冷却液态降水碰到地面物体后直接冻结而成的坚硬、光滑而透明的冰层。1)空气中有充足的水汽2)天气晴朗3)微风(1-3m/s)4)大气层结稳定2.近地层中的凝结物（辐射雾、平流雾）（1）辐射雾(radiationfog)：夜间，地面和近地面气层辐射冷却，使近地层的温度降低，当温度降至露点温度以下时，空气中的水汽凝结形成的雾，称为辐射雾。(2)平流雾(advectionfog)：平流雾是暖湿空气移动到冷的下垫面上，其下层冷却降温，水汽凝结形成雾，这种由于空气平流而形成的雾，称为平流雾。1)下垫面与暖湿空气的温差较大2)暖湿空气的湿度大3)适宜的风向(由暖向冷)和风速(2-7m/s)4)层结较稳定3.云（cloud）云是悬浮在大气中的水汽凝结物。它是由微小的水滴、过冷却水滴、冰晶单独或混合组成。形成云的主要原因是空气上升运动。云的存在和发展所必须具备的条件：1)要有使空气中水汽发生凝结的冷却过程；2)水汽达到过饱和状态；3)有凝结核；4)必须有水汽的不断输送和补充。云的外形特征千变万化，按云底距地面的高度把云分为低、中、高三种，各种云又按外形特征、结构和成因划分11类。低云-1(淡积云)低云-2(浓积云)低云-3（积雨云）低云-4（雨层云）低云-5（层积云）低云-6（层云）中云-1（高层云）中云-2（高积云）高云-1（卷云）高云-2（卷层云）高云-3（卷积云）降水是指以雨、雪、霰、雹的形势从云中降落到地面的液态或固态水。1.降水的形成云滴增大主要通过以下两种过程：凝结增长过程、云滴的碰并增长过程三、降水凝结增长过程：当云层内部存在着冰、水云滴共存，冷、暖云滴共存或大、小云滴共存的任何一种条件时，由于不同的云滴间存在饱和水汽压差，水汽从饱和水汽压大的云滴移到饱和水汽压小的云滴上，使云滴增大。云滴的碰并增长：由于云内的云滴大小不一，相应地具有不同的运动速度。大云滴下降速度比小云滴快，因而大云滴在下降过程中很快追上了小云滴，大小云滴相互碰撞而粘附起来，成为较大的云滴。在有上升气流时，当大、小云滴被上升气流向上带时，小云滴也追上大云滴与之合并，成为更大的云滴。2.降水的种类根据降水的形态，可分为雨、雪、霰、雹。（1）雨：从云中降落到地面的液态水。（2）雪：从云中降到地面的各种类型冰晶的集合物。当云层温度很低时，云中有冰晶和过冷却水同时存在，水汽从水滴表面向冰晶表面移动，在冰晶的角上凝华，形成各种形状的雪花。（3）霰：霰是白色不透明而疏松的小冰球，其直径为1-5毫米。它形成在冰晶、雪花、过冷却水滴并存的云中，是由下降的雪花与云中冰晶、过冷却水滴碰撞而迅速冻结而成的。冻结迅速，里面夹着空气:霰→呈乳白色（4）冰雹：从积雨云中降落到地面的冰块或者冰球。冰雹是由透明和不透明的冰层相间构成的。积雨云：形成时对流作用强烈厚度8000m以上，顶部温度-40℃;冰晶和雪花中部温度0~-40℃；过冷却水和冰晶下部0℃以上；水滴积雨云中，上升气流时强时弱1.当云顶的雹心(霰)降落到中部和底部时，与过冷却水和水滴碰并而包围在霰的周围，再次上升时，外围的水分被冻结形成一透明冰层；2.当上升至顶部时，云顶的冰晶雪花附着于它的外部又形成一不透明层。3.反复这种上升下降过程之后，这种透明与不透明的同心层可达十几层。直至云中上升气流再也托不住时，降到地面。3.降水的表示方法■降水量从云中降落的液态或固态水，未经蒸发、渗透和流失，在水平面上所积聚的水层深度称为降水量。单位：mm■降水强度单位时间内的降水量，称为降水强度。单位：mm/d或mm/h按降水强度的大小，雨：小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨等。降雪：小雪、中雪和大雪等。降水强度划分标准雨(mm/d)小雨10中雨10-25大雨25-30暴雨30-100大暴雨100-200特大暴雨200雪(mm/d)小雪2.5中雪2.5-5.0大雪5.01.人工影响冷云降水中纬度地区冬季–过冷却层状云。（缺乏冰晶）在过冷却云中投入干冰(固体二氧化碳)-形成一个冷区，冷区内过饱和度很大，水汽分子结合物能够存在和长大。碘化银–凝华核或冻结核四、人工降雨2.人工影响暖云降水整个云体温度〉0℃的云称为暖云。（缺乏大水滴）云中投入吸湿性核（食盐）-食盐能在低饱