地球大气的成分及分布

1、地球大气的成分及分布第1页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 2.3 大气中的水汽 水汽含量虽不多，仅仅占大气成份的 0.1%-3% ，却是大气中最活跃的成份。 2.3.1 水汽的特性 来源： 大气中的水汽主要来源于江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发和植物的蒸腾。第2页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 作用： 1、在大气温度变化的范围内，它可以 凝结或凝华为水滴或冰晶，成云致雨，落 雪降雹(云、雾、露、霜、雨、雪、雾凇、雨凇、 冰雹），是天气变化中的一个重要角色。 第3页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二第4页，共38页，

2、2022年，5月20日，21点17分，星期二第5页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二第6页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二第7页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二第8页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二第9页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二第10页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二第11页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二第12页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二第13页，共38页，2022年，5月20日，21点17

3、分，星期二第14页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二第15页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 2、水汽能强烈吸收和放出长波辐 射，直接影响地面和空气的温度。 水的相变和水分循环不仅把大气圈、海 洋、陆地和生物圈紧密地联系在一起，而 且对大气运动的能量转换和变化，以及对地面 和大气温度都有重要的影响。第16页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 水汽是自然条件下，大气中唯一可以发生 相变,能以固、液、气三种相态存在的成份。 小知识：同是气态物质，却称为氧气、氩气等 称“气”，而水汽却称成“汽”？ why?总之，由于水对于地球上生命

4、的意义以及水 在地球大气条件下的三相变化，使水汽不同于其他微量气体而更具重要性。第17页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 2.3.2 大气湿度的表示法 水汽和干空气的混合气体称为湿空气。 表示湿空气中水汽含量的物理量称为 空气湿度。 测量水汽含量的物理量的最基本方法是称重法， 直接称出一定体积湿空气的水汽和干空气的质量。 最基本的大气湿度物理量是混合比r与比湿q，其他湿度参量是导出量。第18页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 空气湿度可用多个物理量表示： 一、混合比r与比湿q 设一定体积的空气中含有水汽质量mv克,干空气 的质量md克。定义混合比

5、r为水汽与干空气的质量比：即定义比湿q为水汽与湿空气的质量比：即 第19页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 上式分子分母同除以md， r和q的关系： 因大气中的r,q都小于0.4,可以认为rq，单位都是g/kg,g/g。r,q与e的关系： 单位：g/kg 单位：g/kg第20页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 二、水汽压e和饱和水汽压es 1、水汽压e 水汽压e是大气中所含水汽的分压强。 单位：hpa。显然，它是大气压强的一部分，不容易测量，因此必须通过间接计算出来。第21页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 、饱和水汽压e

6、s 假设在一个密封容器中，下部盛放纯液态水， 上部为空气，其压强为p，纯水和空气具有相同 的温度。设最初容器中的空气是干燥的，则液态水 开始蒸发，有水汽不断进入水面上方的空气中，空 气压强会因水汽的分压强e的增大而升高。 显然，当水汽压e增大到某一限度值es，气态 水和液态水就不会增加减少，水和水汽达到动态 平衡，蒸发停止。这种平衡称为相态平衡。第22页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 定义：达到相态平衡时空气中的饱和 水汽产生的水汽压称为饱和水汽压es。 当容器中的水温增加时，上方空气能容纳的水 汽也增加，即饱和水汽压es随温度增加。也就是说，饱和水汽压es表示在一定

7、温度下空气中水汽的最大容量，其值随温度的升高而增大。且es和t是一一对应关系。（见下表）第23页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二第24页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 气象上常用两种公式来表示饱和水汽压es 和温度T或(t)的关系。 克拉柏龙克劳修斯方程 利用热力学定律和态函数可以推导克拉柏龙 克劳修斯方程：对于水面上的饱和水汽压es而言：是水的汽化潜热，为热功当量，Rv为水汽的比气体常数，es6.11hpa,表示273K时的饱和水汽压。第25页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 经验公式 在精度要求不高的情况时，可采用经

8、验公式来 计算es： 式中t是摄氏温度，a和b是常数：对水面：a=7.5,b=237.3 对冰面：a=9.5,b=265.5 练习：分别求温度为-5的水面和冰面的饱和水汽压，并与表中数值比较。第26页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 由上经验公式可知， 同温度下， es水面esi冰面, 且在t=-12 时， esesi最大。 冰水饱和水汽压的不同，在云雾降水的形成发展中具有重要意义。如有名的贝吉龙过程。第27页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 三、水汽密度(v) 水汽密度表示单位体积湿空气中含有的 水汽质量，也称为绝对湿度。 在常温常压下，纯水汽

9、可以看成理想气体，由状态 方程得：e=vRv T 即 Rv=R*/Mv Mv为水的比气体常数,单位gm3第28页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 四、相对湿度f (Uw) 在一定的温度和压强下，水汽压和饱和 水汽压之比成为相对湿度。 同样， f=r/rs ， f=q/qs单位 练习2:温度为15oC的空气相对湿度为80,该空气的实际水汽压e和水汽密度v又为多少？第29页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 五、露点Td和霜点Tf 1、露点Td 对于一定质量的空气，若令其定压冷却，q,r,e 都将保持不变，而es(T)却因温度的降低而减少。 当es(T

10、)=e时，空气达到饱和。 湿空气定压降温达到饱和时的温度称为露点Td。露点虽然是温度，但露点差T Td却反映了湿度的大小： T Td越大，空气越干燥； T Td越小，空气越潮湿， T Td时，空气达到饱和。 第30页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 2、霜点Tf 对于一定质量的空气，若令其定压冷却， q,r,e都将保持不变，而esi(T)却因温度的降低而 减少。当esi(T)=e时，空气达到饱和。 如果是对于冰面饱和，则湿空气定压降温 达到饱和时的温度称为霜点Tf。 例3：温度为15oC的空气相对湿度为80,气压p 为1010hpa,该空气的Td、Tf、r、q，e，es

11、，v 又为多少？第31页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 总结各湿度参量： 第32页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 各湿度间的相互关系：v=e/ Rv Tf=e/es e=es(Td) e=esi(Tf)第33页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 2.2.2 湿空气的状态方程 上节提到，水汽和干空气组成的混合理想气体 称湿空气。 根据平均摩尔质量计算公式 湿空气的平均摩尔质量为：第34页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 上式分子分母同除md+mv,由上式可计算湿空气的比气体常数：第35页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 则湿空气的状态方程可写成： P=R Rd(1+0.608q)T 定义虚温Tv： Tv T(1+0.608q) T (1+0.608*0.622e/p) =T (1+0.378e/p) 湿空气的状态方程可以写出： 第36页，共38页，2022年，5月20日，21点17分，星期二 虚温Tv的物理意义： 湿空气因水汽的存在，它比同温度下的 干空气密度要小，如果在压强不变的条件下， 升高干空气的温度，以代替水汽对空气密度的影响，使其密度与湿空