第三章大氣中的水分(2011級用)

2024/3/13第三章大氣中的水分1第三章大氣中的水分2024/3/13第三章大氣中的水分2第三章大氣中的水分大氣中的水分，在大氣溫度變化的范圍內，可以以氣、液、固不同的形態(tài)存在于大氣之中。由于水分的蒸發(fā)、凝結等過程，使得地球上的水分處于不斷地循環(huán)過程中。地球上的水分循環(huán)對地－氣系統(tǒng)的熱量平衡和天氣變化起著十分重要的作用。2024/3/13第三章大氣中的水分3第三章大氣中的水分

第一節(jié)蒸發(fā)和凝結第二節(jié)地表面和大氣中的凝結現象第三節(jié)降水2024/3/13第三章大氣中的水分4第一節(jié)蒸發(fā)和凝結蒸發(fā)和凝結是重要的水相變化過程。蒸發(fā)和凝結是在一定的條件下相互轉換的，轉換的條件是實際水汽壓和飽和水汽壓的差異。影響蒸發(fā)的因素大氣中水汽凝結的條件2024/3/13第三章大氣中的水分5第一節(jié)蒸發(fā)和凝結一、水相變化二、飽和水汽壓三、影響蒸發(fā)的因素四、濕度的時間變化和分布五、大氣中水汽凝結的條件第二節(jié)2024/3/13第三章大氣中的水分6一、水相變化相：在幾個或幾組彼此性質不同的均勻部分所組成的系統(tǒng)中，每一個均勻的部分叫做系統(tǒng)的一個相。水的三相：水汽、液態(tài)水和固態(tài)水水相變化：水相的相互轉化2024/3/13第三章大氣中的水分7一、水相變化1、水相變化的物理過程水相變化的實質是水的各相之間分子交換的結果2、水相變化的判斷

——利用飽和水汽壓和實際水汽壓判斷

——純水（平水面）的位相平衡圖3、水相變化中的潛熱2024/3/13第三章大氣中的水分8根據大量經驗數據繪制

水的三種狀態(tài)分別存在于不同的溫度和壓強下

三相共存的點——三相點兩相共存時的狀態(tài)曲線——蒸發(fā)線、融解線、升華線三個區(qū)域——水汽、水、冰純水（平水面）的位相平衡圖2024/3/13第三章大氣中的水分9二、飽和水汽壓1、飽和水汽壓和溫度的關系飽和水汽壓隨溫度升高而加大

——空氣的飽和狀態(tài)可以由溫度的變化而改變隨著溫度的升高，飽和水汽壓按指數規(guī)律迅速增大（公式）（表）飽和水汽壓隨溫度的改變量在高溫時要比低溫時大

——高溫飽和空氣中形成的云要濃一些（例）2024/3/13第三章大氣中的水分102024/3/13第三章大氣中的水分11Clapeyron-Clausius方程：由上面關系，積分后，得：

水面：冰面：Magnus經驗公式水面：冰面：2024/3/13第三章大氣中的水分12例如：當飽和空氣的溫度由35℃下降到30℃時，每立方米的飽和空氣中可凝結的水汽量為9.2克；而當飽和空氣的溫度由15℃下降到10℃時，溫度同樣降低了5℃，但相應的水汽凝結量僅為3.4克。2024/3/13第三章大氣中的水分13二、飽和水汽壓2、飽和水汽與蒸發(fā)面性質的關系1）冰面和過冷卻水面的飽和水汽壓冰面和過冷水面的飽和水汽壓仍與溫度成指數關系(公式)冰面表面的飽和水汽壓小于同溫度下的過冷水面的飽和水汽壓（表）二者在不同溫度下的差值（圖）“冰晶效應”2024/3/13第三章大氣中的水分142024/3/13第三章大氣中的水分152024/3/13第三章大氣中的水分16二、飽和水汽壓2、飽和水汽與蒸發(fā)面性質的關系2）溶液面的飽和水汽壓同一溫度下，溶液面飽和水汽壓小于純水面溶液濃度越高，飽和水汽壓越小2024/3/13第三章大氣中的水分17溶液NaCl（飽和）H2SO4(50%)H2SO4(25%)與純水的飽和水汽壓之比78%32%85%2024/3/13第三章大氣中的水分18二、飽和水汽壓3、飽和水汽與蒸發(fā)面形狀的關系（圖）

在同溫度下，凸面的飽和水汽壓最大，平面次之，凹面最小凸面的曲率越大，飽和水汽壓越大；凹面的曲率的越大，飽和水汽壓越小。2024/3/13第三章大氣中的水分192024/3/13第三章大氣中的水分20飽和水汽壓影響飽和水汽壓的因素有蒸發(fā)面的溫度、蒸發(fā)面的性質、蒸發(fā)面的形狀。飽和水汽壓的大小實質上是由水面水分子脫離水面的難易程度決定的。越容易者，表面飽和水汽壓越大；反之，表面飽和水汽壓越小。2024/3/13第三章大氣中的水分21三、影響蒸發(fā)的因素影響蒸發(fā)的主要因子1）水源2）熱源3）飽和差4）風速與湍流擴散道爾頓定律2024/3/13第三章大氣中的水分22四、濕度的時間變化和分布1、日變化（圖）

（1）水汽壓的日變化特點（2）相對濕度的日變化特點2、年變化3、隨緯度分布（表）4、隨海陸分布5、隨高度分布2024/3/13第三章大氣中的水分23夏季大陸海洋、秋冬大陸2024/3/13第三章大氣中的水分24緯度赤道35°N65°N極地附近水汽壓26hPa13hPa4hPa1～2hPa2024/3/13第三章大氣中的水分25五、大氣中水汽凝結的條件1、空氣中的水汽達到飽和或過飽和促使水汽達到過飽和狀態(tài)的過程有：1）暖水面的蒸發(fā)2）空氣的冷卻（過程）2、凝結（華）核第二節(jié)第一節(jié)2024/3/13第三章大氣中的水分26空氣冷卻的方式絕熱冷卻輻射冷卻平流冷卻：暖濕空氣流經冷的下墊面時，將熱量傳遞給冷的地表，造成空氣本身溫度的降低?；旌侠鋮s：當溫差較大，且接近飽和的兩團空氣水平混合后，也可能產生凝結。2024/3/13第三章大氣中的水分27混合冷卻由水平混合而產生的凝結2024/3/13第三章大氣中的水分28§3.2地表面及大氣中的凝結現象一、地表面的凝結現象1、露和霜（露

霜）2、雨凇和霧凇（雨凇

霧?。?、霧（霧）2、云（云）二、大氣中的凝結現象第三節(jié)2024/3/13第三章大氣中的水分29露及露的形成①露②露的形成輻射冷卻有利條件③露的降水量2024/3/13第三章大氣中的水分30霜及霜凍①霜和露露點溫度不同凍露：露水凍結而形成“早霜”、“晚霜”、“有霜期”、“無霜期”②霜和霜凍霜，天氣現象；霜凍，農業(yè)氣象災害。霜凍有輻射型、平流型、平流輻射型白霜、黑霜2024/3/13第三章大氣中的水分31霧凇霧凇及其種類

我國著名的霧凇城——

吉林2024/3/13第三章大氣中的水分32雨凇2024/3/13第三章大氣中的水分33受冷空氣和西南暖濕氣流影響，2009年2月26-27日，武漢市黃陂區(qū)北部山區(qū)出現罕見雨凇天氣，樹枝和電線上掛上了厚厚一層冰，冰層厚度在10毫米左右。出現這樣嚴重的雨凇天氣在該區(qū)歷史上是少見的。2024/3/13第三章大氣中的水分34凍雨--滴雨成冰2024/3/13第三章大氣中的水分352024/3/13第三章大氣中的水分362024/3/13第三章大氣中的水分372024/3/13第三章大氣中的水分381、霧1）定義霧、輕霧、霾近地層空氣中的水汽充沛3）霧的種類有使水汽凝結的冷卻過程有凝結核存在2）形成霧的基本條件2024/3/13第三章大氣中的水分39種類定義形成有利條件活動特點有關諺語輻射霧輻射冷卻空氣中有充足的水汽；天氣晴朗少云；風力微弱；層結穩(wěn)定范圍??；時段性、季節(jié)性；地方性。“十霧九晴”“久晴大霧必陰”“久陰大霧必晴”平流霧平流冷卻暖濕空氣濕度大；下墊面與暖濕空氣溫差大適宜的風向風速；層結穩(wěn)定范圍大；持續(xù)時間長；海上、我國；突發(fā)性。霧的種類2024/3/13第三章大氣中的水分40浙江象山半島出現平流霧奇觀：2009年11月25日上午8點半左右，浙江省象山縣縣城的高樓和周邊農村的房屋被平流霧“托”在了云端，宛如天上人間。2024/3/13第三章大氣中的水分414）霧的影響霧的危害引發(fā)交通事故引發(fā)“污閃”事故危害人體健康有利影響滋潤土地，給植物生長帶來必要的水分保溫作用2024/3/13第三章大氣中的水分422、云1）云的形成

①凝結核②空氣達到飽和——絕熱冷卻（上升運動）：熱力對流動力抬升大氣波動地形抬升2）云的分類2024/3/13第三章大氣中的水分43云的分類積狀云層狀云波狀云高云族（大于6km）卷云

卷層云

卷積云

中云族（2～6km）高層云

高積云

低云族（小于2km）積云

積雨云

層云

雨層云

層積云

2024/3/13第三章大氣中的水分44積云種類淡積云

濃積云

碎積云

外貌特征

底部平坦頂部凸起孤立分散

形成——對流運動有關諺語2024/3/13第三章大氣中的水分45淡積云2024/3/13第三章大氣中的水分46濃積云2024/3/13第三章大氣中的水分47碎積云2024/3/13第三章大氣中的水分48積雨云禿積雨云鬃積雨云2024/3/13第三章大氣中的水分49層云2024/3/13第三章大氣中的水分50雨

層

云2024/3/13第三章大氣中的水分51高

層

云

(一)2024/3/13第三章大氣中的水分52高層云（二）2024/3/13第三章大氣中的水分53蔽光高積云2024/3/13第三章大氣中的水分54透光高積云2024/3/13第三章大氣中的水分55蔽光層積云2024/3/13第三章大氣中的水分56透光層積云2024/3/13第三章大氣中的水分57卷積云2024/3/13第三章大氣中的水分58毛卷云2024/3/13第三章大氣中的水分59鉤卷云2024/3/13第三章大氣中的水分60卷層云2024/3/13第三章大氣中的水分61薄幕卷層云2024/3/13第三章大氣中的水分622024/3/13第三章大氣中的水分632024/3/13第三章大氣中的水分642024/3/13第三章大氣中的水分652024/3/13第三章大氣中的水分66第三節(jié)降水

降水：是指從云中降落到地面的液態(tài)或固態(tài)水。

降水量：降水落至地面后（固態(tài)降水則需經融化后），未經蒸發(fā)、滲透、流失而在水平面上積聚的深度，用毫米（mm）表示。2024/3/13第三章大氣中的水分67第三節(jié)降水一、降水的種類二、降水的形成三、降水的分布2024/3/13第三章大氣中的水分68一、降水的種類1、根據降水的形態(tài)——

雨：自云體中降落至地面的液體水滴。

雪：自云體中降落至地面的雪花形態(tài)的固體水。

霰：從云中降落至地面的不透明的球狀晶體，由過冷卻水在冰晶周圍凍結而成，直徑2～5mm。

雹：是顆粒最大的固體降水，其直徑小的為幾毫米，大的可達幾十毫米。是由透明和不透明的冰層相間組成的固體降水，呈球形，常降自積雨云。2024/3/13第三章大氣中的水分69一、降水的種類2、根據降水強度——

降水強度：單位時間內的降水量，單位是mm/h或mm/d。按降水強度的大小，雨可分為小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨；雪可分為小雪、中雪和大雪。標準如下：2024/3/13第三章大氣中的水分70一、降水的種類3、根據形成降水的上升運動特點——

對流雨：由于熱力對流的原因而形成的降水。

地形雨：在地形的強迫抬升作用下，在山地的迎風坡一側形成的降水。

氣旋雨：氣旋活動帶來的降水。

鋒面雨：

還可以將降水分為連續(xù)性降水和陣性降水等。

2024/3/13第三章大氣中的水分71二、降水的形成1、云滴增長的物理過程1）云滴的凝結（或凝華）增長2）云滴的沖并增長2、各類云中降水的形成和特點1）水成云、冰成云和混合云中的降水2）層狀云、積狀云及波狀云的降水2024/3/13第三章大氣中的水分72二、降水的形成

降水的形成就是云滴增大為雨滴、雪或其他降水物的過程。1、云滴增長的物理過程1）云滴的凝結（或凝華）增長

云滴的凝結（或凝華）增長是指云中的云滴依靠水汽分子在其表面上凝結（或凝華）而增長的過程。云中的實際水汽壓大于云滴表面的飽和水汽壓時；當云中冷、暖云滴共存時；當大、小云滴共存時；當冰晶與過冷卻云滴共存時。2024/3/13第三章大氣中的水分73在云形成和發(fā)展階段，由于云體的繼續(xù)向上發(fā)展，而造成絕熱冷卻，或云外不斷有水汽輸入云中，這時云滴由于水汽的凝結（或凝華）而增長。一旦云中的水汽凝結（或凝華），云中的濕度減小，云滴周圍不能維持過飽和狀態(tài)，使云滴的增長以水汽的擴散轉移為主。在前面介紹的幾種水汽擴散的過程中，冰晶和過冷卻云滴共存時產生的冰晶效應最顯著，因為在相同溫度下，冰、水之間的飽和水汽壓的差值最大。2024/3/13第三章大氣中的水分74

根據理論計算，在只有云滴的凝結（或凝華）增長時，云滴從10微米增長到250微米（相當于毛毛雨的粒徑）需要24小時。而實際上，只需幾個小時，云滴就可以從10微米增長到3500微米（陣雨的粒徑）。2024/3/13第三章大氣中的水分75二、降水的形成1、云滴增長的物理過程2）云滴的沖并增長

云滴和云滴因碰撞、合并而增長的過程。云滴相互沖并的原因有多種，如由于云中分子的不規(guī)則運動、云中空氣的湍流混合、云滴帶有正負不同的電荷、流體吸力等，但最重要的沖并過程是重力沖并。2024/3/13第三章大氣中的水分76重力沖并在重力場中，由于大小云滴速度不同而產生的沖并現象。重力沖并增長的快慢程度與云中含水量的大小和大小云滴的相對速度成正比。2024/3/13第三章大氣中的水分772024/3/13第三章大氣中的水分78臨界半徑：云滴在下降過程中保持不破碎的最大尺度稱為臨界尺度，常用等體積球體的半徑來表示，成為臨界半徑或破碎半徑?！斑B鎖反應”：云中的水滴增大——破碎——再增大——再破碎的循環(huán)往復過程。產生“連鎖反應”的條件：上升氣流要大于6m/s，云中的含水量要大于2g/m3，同時還要求一定的云厚。2024/3/13第三章大氣中的水分792、各類云中降水的形成1）水成云、冰成云和混合云中的降水

水成云：由水滴組成的云。穩(wěn)定的水成云降水：如層云、層積云和高積云等；一般不產生降水。不穩(wěn)定的水成云降水：如熱帶地區(qū)的濃積云；熱帶暴雨。2024/3/13第三章大氣中的水分801）水成云、冰成云和混合云中的降水

冰成云：由冰晶組成的云。主要為卷云、卷層云、卷積云。當云中的含水量相同時，冰成云比水成云更容易產生降水。原因：冰面的飽和水汽壓小；具有更大的橫截面積；下降