大氣中的水分課件

大氣中的水分StructureofWaterWater'suniquemolecularstructureandhydrogenbondsenableall3phasestoexistinearth'satmosphere.Sublimation&depositiondescribethenon-incrementalchangesbetweensolidandvaporphases.ClosingtheHydrologicCycleEvaporation,andtranspirationbyplants,transportsliquidwaterintoatmosphericvapor.Condensationconvertsthisgasbacktoaliquiddroplet,whichmaythenfallasprecipitationtogroundorsurfacewatersupplies.EvaporatingWaterintoAirFigure5.3ALiquidwaterexperiencesdynamicdeparturesofwatermoleculesfromitssurface,calledevaporation,togetherwitharrivalsofmoleculesfromadjacentvapor,calledcondensation.Whenairissaturated,evaporationandcondensationareinequilibrium.第一節(jié)空氣濕度

空氣濕度：空氣中水汽含量的多少或潮濕程度。濕度參量：表征空氣中水汽含量的多少和潮濕程度的物理量。濕度參量水汽壓相對濕度露點溫度飽和差比濕混合比絕對濕度一、空氣濕度參量

水汽壓（e）反映空氣中水汽含量的多少水汽含量

水汽壓e

定義：空氣中水汽的分壓強。單位：百帕(hPa)1百帕(hPa)=100帕斯卡(Pa)

飽和水汽壓（E）反映空氣的最大水汽容納能力飽和水汽壓取決于溫度（馬格奴斯半經(jīng)驗公式）定義：飽和濕空氣中水汽的分壓強。影響因子：EET

溫度

T

E

蒸發(fā)面性質(zhì)

E過冷卻水＞E冰蒸發(fā)面形狀

E凸面＞E平面＞E凹面

液體含鹽度含鹽度

E

飽和水汽壓的計算1WMO1966年推薦:Lgew=10.75947(1-T1/T)-5.02800lgT1/T+1.50475×10-4[1-10-8.2969(T/T1-1)]+4.2873×10-4[104.69455(1-T/T1)-1]+0.78614適用范圍:-49.9-49.9℃WMO1996推薦適用范圍:-45-60℃2馬格努斯公式(國家氣象局推薦使用)式中e0為0℃時的飽和水汽壓,其值為6.11hpa,t為蒸發(fā)面溫度,a和b為經(jīng)驗參數(shù),水平面a=7.45,b=237.3;平冰面a=9.5,b=265.0

相對濕度（f）定義：空氣的實際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的百分比值。反映空氣的潮濕程度

溫度不變，E不變：水汽含量

e

r

水汽含量不變，e不變：溫度

E

r

露點溫度（Td

）定義：

對于含有水汽的濕空氣，在不改變氣壓和水汽含量的情況下，降低溫度而使空氣達到飽和狀態(tài)時的溫度。EeTTTdeE（T,e）反映空氣中水汽含量的多少，水汽含量

露點溫度Td

飽和差（d

）定義：同一溫度下飽和水汽壓與實際水汽壓之差。d=E-e

反映空氣的潮濕程度。影響因子：

溫度不變，E不變：水汽含量

e

d

水汽含量不變，e不變：溫度

E

d

水汽含量、溫度

比濕（q）、混合比（S）、絕對濕度（a）比濕：濕空氣中水汽的質(zhì)量與濕空氣總質(zhì)量的比值?；旌媳龋簼窨諝庵兴馁|(zhì)量與濕空氣中干空氣質(zhì)量的比值。m水汽m干空氣S＝————比濕和混合比具有保守性絕對濕度（水汽密度）：單位體積濕空氣中水汽的質(zhì)量。a＝———m水汽V二、空氣濕度的時間變化

水汽壓的時間變化

日變化單波型（海洋型）

海洋、沿海地區(qū)、冬季大陸e時間日出前14時影響因子：蒸發(fā)強度雙波型（大陸型）

夏季內(nèi)陸、沙漠地區(qū)e時間日出前14時10時22時影響因子：蒸發(fā)強度亂流強度

年變化e時間冬季夏季影響因子：蒸發(fā)強度

相對濕度的時間變化絕大多數(shù)地區(qū)：與氣溫的日變化反相時間r夜晝T

地面水分蒸發(fā)強度

e

T

E

并且E

比e

快因此T

r

同理T

r

近海地區(qū)及其它大型水體的周圍（晴朗穩(wěn)定的天氣條件下）與氣溫的日變化同相r時間夜晝海陸風（水陸風）晝：吹海風，潮濕夜：吹陸風，干燥

日變化

年變化大多數(shù)地區(qū)：與氣溫的年變化反相T

地面水分蒸發(fā)強度

e

T

E

并且E

比e

快因此T

r

同理T

r

r時間夏季冬季季風氣候區(qū)：與氣溫的年變化同相r夏季冬季時間夏季：夏季風，來自海洋，潮濕冬季：冬季風，來自內(nèi)陸，干燥RelativeHumidityTrendsRelativehumidity(RH)indicatesairparcelproximitytosaturation.Saturationcanbeachieved,orRHincreased,byaddingmorewaterordroppingtheairtemperature.Dewpointisthetemperatureatwhichsaturationoccurs.第二節(jié)蒸發(fā)和蒸散一、水面蒸發(fā)

蒸發(fā)速率

定義：單位時間從單位面積上蒸發(fā)掉的水的質(zhì)量。

單位：g／cm2·日

日蒸發(fā)量

定義：一天中蒸發(fā)掉的水層的厚度。

單位：mm／日;1g／cm2·日＝1mm／日

道爾頓蒸發(fā)公式d＞0時，W＞0，蒸發(fā)過程d＝0時，W＝0，動態(tài)平衡d＜0時，W＜0，凝結(jié)過程

影響水面蒸發(fā)速率的因子

溫度：T

E

d

W

濕度：e

d

W

氣壓：P

W

風：風速

W

蒸發(fā)面性質(zhì)：W過冷卻水＞W(wǎng)冰

蒸發(fā)面形狀：W凸面＞W(wǎng)平面＞W(wǎng)凹面

含鹽度：含鹽度

W

二、土壤蒸發(fā)

土壤蒸發(fā)定義土壤水分汽化并向大氣擴散的過程。

土壤蒸發(fā)的兩種過程

第一種：蒸發(fā)直接發(fā)生在土壤表面。

第二種：水分在土壤中某層次進行蒸發(fā)之后，水汽通過土壤的孔隙達表層溢出土表。

影響因子土壤因子、氣象因子第三節(jié)凝結(jié)和凝結(jié)物一、凝結(jié)條件

凝結(jié)發(fā)生的條件空氣達到飽和或過飽和狀態(tài)，并有凝結(jié)核存在。

空氣的飽和或過飽和

實現(xiàn)方式：增大水汽含量：e

e＞E

降低溫度：T

T＜Td

大氣中常見的降溫過程：③混合冷卻④絕熱冷卻①輻射冷卻②接觸冷卻

凝結(jié)核

定義：

在水汽凝結(jié)過程中起凝結(jié)核心作用的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的氣溶膠質(zhì)粒。

分類：吸濕性凝結(jié)核非吸濕性凝結(jié)核二、凝結(jié)物

地面凝結(jié)物露、霜、霧凇、雨凇

露和霜：輻射冷卻的產(chǎn)物，形成在晴朗無風的夜間和清晨。露：貼地層空氣中的水汽在地面發(fā)生凝結(jié)而形成的小水滴。Td＞0℃霜：貼地層空氣中的水汽在地面發(fā)生凝華而形成的小冰晶。Td＜0℃熱容量小、導(dǎo)熱率小、粗糙的地表易形成露和霜。

霧凇∨和雨凇∽霧?。焊街跇渲拔矬w迎風面上的白色的疏松的凝結(jié)物。分類晶狀霧?。ㄐ”В┝铎F凇（小冰粒）雨?。哼^冷卻雨滴落地后凍結(jié)而形成的光滑而透明的冰層。

近地層大氣中的凝結(jié)物霧：飄浮在近地層空氣中的小水滴和小冰晶。霧的分類：濃度輕霧（靄）＝能見度1～10km

霧≡能見度＜1km組成冰霧：小冰晶水霧：小水滴成因輻射霧：輻射冷卻，晴朗微風和夜間和清晨。平流霧：接觸冷卻，冷暖空氣大規(guī)模運動時。平流輻射霧（混合霧）地形霧蒸發(fā)霧霾:又稱灰霾，霧霾，香港稱為煙霞，haze,是固體顆粒。水平能見度<1km霧1-10km輕霧或霾<10km空氣普遍渾濁現(xiàn)象,霾“霞”本身是指光線經(jīng)地平線上空的空氣分子、水汽和塵埃雜質(zhì)的散射后的色彩。因此，把塵埃或煙屑形成的一片阻礙視線的啡、灰色稱為“煙霞”也許美化了這種現(xiàn)象。為何稱煙霞?2012年從水汽含量上對霾和霧的區(qū)別相對濕度<80%霾相對濕度80%-90%霧霾混合物相對濕度>90%霧霾的成因空氣懸浮大量顆粒和氣象條件共同作用.1水平方向靜風現(xiàn)象增多2垂直方向上出現(xiàn)逆溫3空氣中懸浮顆粒增加氣象原因霾的危害我國霧霾天氣增多的原因近50年來我國霧霾天氣總體呈增加趨勢,且持續(xù)霧霾過程增加顯著.

自由大氣中的凝結(jié)物水汽凝結(jié)物懸浮在自由大氣中形成云。

定義：

分類：

發(fā)生學(xué)分類積狀云（對流云）層狀云波狀云成因

形態(tài)學(xué)分類（國際分類法）云底高度和外形特征

中國《地面氣象觀測規(guī)范》云族、云屬、云類、云目、衍生云、轉(zhuǎn)化云云族云屬學(xué)名簡寫低云1000M<H<2000M積云Cu積雨云Cb層積云Sc層云St雨層云Ns中云2000M<H<6000M高層云As高積云Ac高云H>6000M卷云Ci卷層云Cs卷積云Cc云族云屬云類學(xué)名簡寫學(xué)名簡寫低云積云Cu淡積云碎積云濃積云CuhumFeCucong積雨云Cb禿積雨云鬃積雨云CbcalvCbcap層積云Sc透光層積云蔽光層積云積云性層積云堡狀層積云莢狀層積云SctraScopSccugSccastSclent層云St層云碎層云StFs雨層云Ns雨層云碎雨云NsFn淡積云碎積云濃積云禿積雨云鬃積雨云透光層積云蔽光層積云積云性層積云堡狀層積云莢狀層積云層云碎層云雨層云碎雨云云族云屬云類學(xué)名簡寫學(xué)名簡寫中云高層云As透光高層云蔽光高層云AstraAsop高積云Ac透光高積云蔽光高積云莢狀高積云積云性高積云絮狀高積云堡狀高積云ActraAcopAclentAccugAcfloAccast透光高層云蔽光高層云透光高積云蔽光高積云莢狀高積云積云性高積云絮狀高積云堡狀高積云云族云屬云類學(xué)名簡寫學(xué)名簡寫高云卷云Ci毛卷云密卷云偽卷云鉤卷云CifilCidensCinotCiunc卷層云Cs毛卷層云勻卷層云CsfilCsncbu卷積云Cc卷積云Cc毛卷云密卷云偽卷云鉤卷云毛卷層云勻(薄幕)卷層云卷積云FormationofDew&FrostAsaircoolstoitssaturation,ordewpoint,vapormoleculesslowdownandcanadhereasdewonthegroundsurfaceorasfrostwhenairtemperaturedropsbelowfreezing.Dailytemperaturelowsoftenoccurbyradiationalcooling,formingdewatnightorearlymorning.Haze&WaterSeekingNucleiAbovethegroundsurface,coolingandslowingwatervaporcondensesuponcondensationnuclei.Hygroscopicparticlessuchassaltordustseekcondensingvapor,andcanformawetwhitehazewhenrelativehumidityisabove75%,oradrybluehazewhendrier(orwithbigparticles).CondensationNuclei:smallparticlesinaircreatedfrom/by:dustvolcanoesfactorysmokeforestfiresoceansaltsulfateparticlesfromphytoplanktoninoceannucleiaremostabundantinlowertroposphereoverurbanareas.TypesofFogRadiationFog–dewpointSteamFog–geysers,boilingwaterFrontalFog–comesfromafrontAdvectionFog–advectedoversomethingcoldUpslopeFog-self-explanatoryGroundBasedRadiationFogFogiscondensedvapordropletsatadensitythatseverelyrestrictsvisibility.Itmayformbyradiationfog,whichoccursatthegroundwhendewpointtemperatureisreachedbyradiationalcooling.Acidfogthreatenshumanshealthbecausethedropletscombinewithgaseouspollutants.AdvectionFogWarmmoistairthatmoves,oradvects,aboveacoldsurfacemaybecomecooledtoitsdewpointtemperature,creatinganadvectionfog.Thisfogoftenformsabovetheoceanduetomixingcurrents,orwhenwarmoceanairrollsintothecoolerwatersatthePacificCoastline.Condensation&MoistureSourcesFogthatisfilteredbytreebranches,orcondensationofvapordirectlyontovegetationorthegroundsurface,providesanimportantwatersourceforecologicalprocesses.EvaporationorMixingFogFogcanformbymixingwarmunsaturatedairwithcoolunsaturatedair,whichcanoccurduringevaporation.Steamfogisonexampleofthismixingprocessandoccurswhenwarmpoolsofwaterareasourceforvaporthatcondenseintothecoolerairabove.Figure6.7SteamFogUpslopeFogInitialConditionsLaterConditionsCloudGroups&TypesCloudsarewaterdropletssuspendedintheatmosphere.Cloudsaregroupedbytheirelevationashigh,middle,low,andthosethatverticallystretchacrossmanyaltitudes.Thereareseveralcloudtypesinthese4groups:Cirrus Cumulus StratusCirrocoumulus Altocumulus AltostratusCirrostratus Stratocumulus Nimbostratus Nimbus TheFreakClouds CirrusCloudsHighclouds(above6000minmiddlelatitudes)thatarethinandwispyandcomprisedmostlyoficecrystals.CirrocumulusCloudsFigure6.10Highcloudsthatareroundedpuffs,possiblyinrows,arelesscommonthancirrus.Alsocalled“cloudstreets”CirrostratusCloudsHighcloudsthatthinlycovertheentireskywithicecrystals.Lightpassingthroughthesecrystalsmayformahalo.Sundogs?AltocumulusCloudsMiddleclouds(between2000and7000minmiddlelatitudes)thatarepuffymassesofwhitewithgrayedges.Withyourhandoverhead,theyareaboutthesizeofyourfingernail.AltostratusCloudsMiddlecloudsthatcovertheentireskyandmaycreateadimlyvisibleorwaterysunanddiminishformationofshadows.NimbostratusCloudLowclouds(below2000m)withprecipitationthatreachestheground.Shreddedpartsofthesecloudsarecalledstratusfractusorscud.StratocumulusCloudsLowcloudswithroundedpatchesthatrangeincolorfromlighttodarkgray.Withyourhandextendedoverhead,theyareaboutthesizeofyourpalm.StratusCloudsLowcloudsthatresemblesafog,butdoesnotreachtheground,andcangeneratealightmistordrizzle.CumulusHumilisCloudsCloudswithverticaldevelopmentthattakeavarietyofshapes,separatedbysinkingairandbluesky.Shreddedsectionsarecalledcumulusfractus.Figure6.17CumulusCongestusCloudsFigure6.18Cloudswithverticaldevelopmentthatbecomelargerinheight,withtopstakingaraggedshapesimilartocauliflower.CumulonimbusCloudCloudswithverticaldevelopmentthathavegrownintoatoweringthunderstormcloudwithavarietyofkeyfeatures,includingtheanviltop.Figure6.18SummaryofCloudTypesTheFreakCloudsIt’simportanttoknowyourbasiccloudtypes---ithelpsidentifywhat’shappeningintheatmosphereatdifferentlevels.Thereareothercloudsthatoccurduetorarephenomena.LenticularCloudsAnunusualcloudthathasalensshapeandformsinthecrestofawave.BannerCloudAlenticularcloudthatformsdownwindofamountainpeakandisregularlyreplenishedbycondensingwatervapor.Orographic!PileusCloudAnunusualcloudthatformsaboveabuildingcumulusbydeflectedmoistwinds.MammatusCloudsAnunusualcloudthathanglikeorbs/mammaries,formedbysinkingairwithahighwatercontent.JetContrailsJetengineexhaustprovidesvaporandnucleiforcondensationtrails(contrails),whichevaporatequicklyindryair,butlingerwithhigherrelativehumidities.NacreousCloudsAtypeoffreakcloudbestviewedatwinterinthepolesandformsinthestratosphere.NoctilucentCloudsAnunusualwavycloudthatisbestviewedatthepolesandformsintheuppermesosphere.GroundbasedViewingofCloudsCloudsdirectlyoverheadwillappeartobelessdenselypackedthancloudsatthehorizonduetoviewingangles.SatelliteObservationofCloudsGeostationarysatellitesareabletoviewcloudsfromabove.Astheymoveinsynchronicitywithearth'srotation,theycanprovideregularcoverageforaregionandhelpinforecasting.PolarOrbitingSatellitesSatellitescandetectmorethanclouds,andpolarorbitsallowforloweraltitudesandmoreimageresolution.Thesesatellitestakemultiplepassesoftheearthbeforereturningtothesamelocation.GOES-8SatelliteImagingOptionsSensorsonboardthesatelliteareabletodetectvisibleandotherelectromagneticsignals,suchasinfrared,todeterminecloudheatandinferitsheight.Visible&InfraredImagesVisibleimagerycapturesallcloudsaswhite,butinfraredimagerycandistinguishdifferences.ComputerImageEnhancementInfraredimagerycanbeevaluatedandenha