第三章大气中的水分

1、第一节第一节 蒸发和凝结蒸发和凝结本节重点：本节重点： 1.1.水的三相变化的基本知识，水的三相变化的基本知识， 2.2.三相变化中实际水气压与饱和水汽压的三相变化中实际水气压与饱和水汽压的关系关系e eE(E(蒸发蒸发) )，e=E(e=E(饱和饱和) )，e eE(E(凝结凝结) )。 第三章第三章 大气中的水分大气中的水分一、一、 水相变化水相变化 水的三相有：固态、液态、气态；三者之间的变水的三相有：固态、液态、气态；三者之间的变化要靠蒸发、凝结来实现。化要靠蒸发、凝结来实现。干空气干空气+ +水汽水汽干空气干空气水汽水汽=+水汽是大气中唯一能由一种相转变为另一种相水汽是大气中唯一能由

2、一种相转变为另一种相的成分。这种水相的相互转化就称为水相变化。的成分。这种水相的相互转化就称为水相变化。1.水相变化物理过程水相变化物理过程 蒸发过程：蒸发过程：系统中的水汽浓度不大，单位时系统中的水汽浓度不大，单位时间内跑出水面的水分子比落回水中的水汽分间内跑出水面的水分子比落回水中的水汽分子多，系统中的水就有一部分变成了水汽，子多，系统中的水就有一部分变成了水汽，该过程称之为蒸发过程。该过程称之为蒸发过程。动态平衡动态平衡: : 在同一时间内就有可能跑出水面的在同一时间内就有可能跑出水面的水分子与落回水中的水汽分子恰好相等，系统水分子与落回水中的水汽分子恰好相等，系统内的水量和水汽分子含量

3、都不再改变，即水和内的水量和水汽分子含量都不再改变，即水和水汽之间达到了两相平衡。水汽之间达到了两相平衡。饱和水汽压饱和水汽压：动态平衡时的水汽称为饱和水：动态平衡时的水汽称为饱和水汽，当时的水汽压称为饱和水汽压。汽，当时的水汽压称为饱和水汽压。 假设假设N N为单位时间内跑出水面的水分子数为单位时间内跑出水面的水分子数 , , n n为单位时间内落回水中的水汽分子数，则得为单位时间内落回水中的水汽分子数，则得到水和水汽两相变化和平衡的分子物理学判到水和水汽两相变化和平衡的分子物理学判据，即据，即 N Nn n蒸发（未饱和）蒸发（未饱和） N=nN=n动态平衡（饱和）动态平衡（饱和） N Nn

4、 n凝结（过饱和）凝结（过饱和） 但在气象工作中不测量但在气象工作中不测量N N和和n n，所以不能直，所以不能直接应用以上判据。接应用以上判据。 由水汽的气体状态方程由水汽的气体状态方程 e =wRwTe =wRwT可知，在可知，在温度一定时，水汽温度一定时，水汽e e与水汽密度与水汽密度w w 成正比，成正比，而而ww与与n n成正比，所以成正比，所以e e和和n n之间也成正比。之间也成正比。2.水相变化的判据水相变化的判据 在某一温度下，水和水汽达到动态平衡在某一温度下，水和水汽达到动态平衡时，两相变化和平衡时的饱水汽和压判据：时，两相变化和平衡时的饱水汽和压判据： E Ee e蒸发（

5、未饱和）蒸发（未饱和） E=eE=e动态平衡（饱和）动态平衡（饱和） E Ee e凝结（过饱和）凝结（过饱和） 若若EsEs为某一温度下对应的冰面上的饱和为某一温度下对应的冰面上的饱和水汽压，与以上类似也可得到冰和水汽两相水汽压，与以上类似也可得到冰和水汽两相变化和平衡的判据变化和平衡的判据 EsEse e 升华升华 Es=e Es=e 动态平衡动态平衡 EsEse e 凝华凝华 说明了水相说明了水相变化是可以由实变化是可以由实测的水汽压值测的水汽压值e e与与同温度下的饱和同温度下的饱和水汽压值水汽压值E E（或（或E Es s）之间的比较来判之间的比较来判定的。定的。二、二、 饱和水汽压饱

6、和水汽压 （一）、饱和水汽压与温度的关系（一）、饱和水汽压与温度的关系(1)(1)随温度的升高而增加随温度的升高而增加呈指数关系呈指数关系原原因：水温升高时，水分子的平均动能变大，因：水温升高时，水分子的平均动能变大，单位时间内逃离水面的分子增多，空气中的单位时间内逃离水面的分子增多，空气中的水汽分子也因增加了温度而增加了动能，只水汽分子也因增加了温度而增加了动能，只有当水面上空水汽分子的密度比低温是增大有当水面上空水汽分子的密度比低温是增大时分子落回水面的机会才能增多，才有可能时分子落回水面的机会才能增多，才有可能达到动态平衡。达到动态平衡。 (2)(2) E E与温度的关系对蒸发和凝结的意

7、义与温度的关系对蒸发和凝结的意义 高温时饱和水汽压大，空间能容纳的水高温时饱和水汽压大，空间能容纳的水汽量多，因此原来已处于饱和状态的空气会汽量多，因此原来已处于饱和状态的空气会因温度升高变得不饱和（由因温度升高变得不饱和（由e=Ee=E变为变为eE)eE)蒸蒸发重行出现。发重行出现。 降低饱和空气的温度，（降低饱和空气的温度，（e=Ee=E变为变为e eE E）原空间已有的水汽便容纳不了了，多余的水原空间已有的水汽便容纳不了了，多余的水汽会凝结出来。汽会凝结出来。 (3)E(3)E随温度升高而增大的程度，高温时比低随温度升高而增大的程度，高温时比低温时要大得多。温时要大得多。饱和空气饱和空气

8、2525C C3030C C 饱和水气压需增加饱和水气压需增加10.76hp10.76hp1010C C1515C C 饱和水气压只需饱和水气压只需增加增加4.77hp4.77hp （二）饱和水汽压与蒸发面性质的关系（二）饱和水汽压与蒸发面性质的关系 一定温度下E(E(冰）冰） E(E(冷水）冷水）E(E(冰）冰） e e E(E(冷水）冷水）E(冰） e 凝华e E(冷水） 蒸发e大大少少1 1、冰面与过冷却面的关系、冰面与过冷却面的关系 2 2、溶液面的饱和水汽压、溶液面的饱和水汽压 在T一定的情况下，有E(E(浓）浓）EE（纯）（纯）当E(E(浓浓) e E) e E（纯）（纯）时，时，

9、也存在着水分转移的问题，则溶液颗粒越溶液颗粒越来越大，纯水越来越小。来越大，纯水越来越小。 （三）、饱和水汽压与蒸发面形状的关系（三）、饱和水汽压与蒸发面形状的关系当存在 E( (大）大） e E( e E(小）小）的情况时，大水滴达到饱和而凝结，小水滴未达到饱和而蒸发。这种大小水滴共存时的水汽转移现象，叫这种大小水滴共存时的水汽转移现象，叫凝结增长。凝结增长。大水滴的曲率小小水滴的曲率大E( (大）大） E( E(小）小）三、三、 蒸发的因素蒸发的因素 l水源水源l热源热源l饱和差饱和差l 风速与湍流扩散风速与湍流扩散影响水面蒸发速率的因子影响水面蒸发速率的因子四、四、 湿度随时间的变化湿度

10、随时间的变化 0 4 8 12 16 20 24 h0 4 8 12 16 20 24 he双峰型双峰型1.1.水汽压的日变化水汽压的日变化 最高值最高值 最低值最低值9 9 10 10 日出前、午日出前、午后后21212222原因：原因：湍流带走的水汽湍流带走的水汽与蒸发增加的水汽的多与蒸发增加的水汽的多少比较少比较四、四、 湿度随时间的变化湿度随时间的变化 1.1.水汽压的日变化水汽压的日变化 0 4 8 12 16 20 24 h0 4 8 12 16 20 24 he单峰型单峰型海洋、沿海、湍流不强海洋、沿海、湍流不强的秋冬季的秋冬季与温度的变化一致与温度的变化一致四、四、 湿度随时间的变化湿度随时间的变化 2.2.相对湿度日变化相对湿度日变化 气温升高，e要增大气温升高，E增大得更多温度升高，f反而减小日变化0 4 8 12 16 20 24 h0 4 8 12 16 20 24 h 日变化：最大值出现在清日变化：最大值出现在清晨，最小值出现在午后晨，最小值出现在午后 年变化：最大值出现在冬年变化：最大值出现在冬季，最小值出现在夏季季，最小值出现在夏季五、五、 大气中的水汽凝结条件大气中的水汽凝结条件凝结的条凝结的条件件凝结核凝结核空气中的水空气中的水汽达到饱和汽达到饱和或过饱和或过饱和增加水汽（如暖水面增加水汽（如暖水面的蒸发）的蒸发）冷却冷却绝热冷却