第三章-大气中的水分

第四章大气中的水分第一节蒸发与凝结第二节地表面和大气中的凝结现象第三节降水第一节蒸发与凝结一、水相变化自然界中的某些物质可以气态、液态和固态的形式存在，按照系统论的观点，每一个状态称为一个相，水的三种状态被称为水的三相。水的三相之间可以相互转化称为水的三相变化。 大气中的水汽基本集中在对流层和平流层内，该处大气的温度不但永远低于水汽的临界温度，而且还常低于水的冻结温度，因此水汽是大气中唯一能由一种相转变为另一种相的成分。1.水相变化的物理过程

从分子运动论看，水相变化是水的各相之间分子交换的过程。起初，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子多，系统中的水就有一部分变成了水汽，这就是蒸发过程，水分子落回水面的过程叫凝结过程。水的蒸发与凝结1.水相变化的物理过程

水的蒸发与凝结由于水分子不断的跑出和落回，如果继续下去，就有可能在同一时间内，跑出水面的水分子与落回水面的水分子恰好相等，这时水和水汽之间就达到两相平衡，这种平衡叫动态平衡。动态平衡时的水汽压称为饱和水汽压。2.水相变化的判据比较单位时间内跑出水面的水分子数与单位时间内落回水面的水汽分子数的大小，就能判断当时是蒸发过程还是凝结过程。但是去测算水分子数是很难的，往往用比较水汽压与当时温度下饱和水气压的办法来判断。-16-12-8-404℃8642冰水汽O

CBBA132Ke(hPa)纯水的位相平衡2.水相变化的判据-16-12-8-404℃8642冰水汽O

CBBA132Ke(hPa)纯水的位相平衡E＜e过饱和凝结E＞e空气未饱和蒸发过程E=e饱和动态平衡3.水相变化中的潜热在水相的转变过程中，还伴随着能量的转换。如蒸发需要吸收热量，这个热量就叫蒸发潜热，凝结则为凝结潜热，二者相同。常温下，水的蒸发潜热为L＝2497J，即蒸发1g水需要消耗2497J的热量；1g水冻结成冰则可释放出334.7J热量。二、饱和水汽压与蒸发面的温度的关系

蒸发面的性质（水面、冰面，溶液等）的关系

蒸发面的形状（平面、凹面、凸面）的关系概念：水汽压饱和空气饱和水汽压（一）饱和水汽压与温度的关系饱和水汽压随温度的升高而增大。它是按指数规律而增大的。两个结论1、T变E变相变2、△E高温>△E低温通常，水温在0℃时开始结冰，但是试验和对云雾的直接观测发现，有时水在0℃以下，甚至在-20℃～-30℃以下仍不结冰，处于这种状态的水称过冷却水。过冷却水与同温度下的冰面比较，饱和水汽压并不一样。在云中，冰晶和过冷却水共存的情况是很普遍的，如果当时的实际水汽压介于两者饱和水汽压之间，就会产生冰水之间的水汽转移现象。水滴会因不断蒸发而缩小，冰晶会因不断凝华而增大。这就是“冰晶效应”，该效应对降水的形成具有重要意义。（二）饱和水汽压与蒸发面性质的关系1.冰面和过冷却水面的饱和水汽压2.溶液面的饱和水汽压天然水通常是含有溶质的溶液。溶液中溶质的存在使溶液内分子间的作用力大于纯水内分子间的作用力，使水分子脱离溶液面比脱离纯水面困难。因此，同一温度下，溶液面的饱和水汽压比纯水面要小（E溶<E水），且溶液浓度愈高，饱和水汽压愈小。E凸>E平>E凹（二）饱和水汽压与蒸发面性质的关系影响蒸发速度的主要因子有这些：水源、热源、饱和差、风速与湍流扩散强度、气压。

三、影响蒸发的因素

三、影响蒸发的因素2.热源：蒸发需要消耗热量，并且如果没有热量供给，水面会降温，蒸发面会冷却，饱和水汽压降低，水汽易饱和凝结，蒸发减缓或停止。3.饱和差（E-e）：蒸发速度与饱和差成正比。严格说，此处的E应由蒸发面的温度算出，但通常以一定气温下的饱和水汽压代替。饱和差愈大，蒸发速度也愈快。1.水源：开旷水域、冰雪表面、潮湿土壤、植物蒸腾作用。没有水源就不会有蒸发（沙漠）三、影响蒸发的因素4.风速与湍流扩散：大气中的水汽垂直输送和水平 扩散能加快蒸发速度。无风时：蒸发面上的水汽单靠分子扩散，水汽压 减小得慢，饱和差小，因而蒸发缓慢。有风时：有风时，湍流加强，蒸发面上的水汽 随风和湍流迅速散步到广大的空间， 蒸发面上水汽压减小，饱和差增大， 蒸发加快四、湿度随时间的变化1、绝对湿度：在空气垂直交换不强烈的情况下，其日变化情况与气温大致相同，这叫“一高一低”型。但是，在陆地夏季，特别是在一天的中午前后，近地面有强烈的乱流作用，使近地面的大量水汽输送到高空，近地面不仅没有形成绝对湿度（水气压）的最高值，反而形成一个次低值。最高值出现在9-10时和21-22时。这叫“二高、二低”型。2、相对湿度:变化复杂，他随地理环境、天气变化而有不同。在全年绝对湿度变化不大的地区，f的变化与气温变化相反；而在季风区f与T变化一致。五、大气中水汽凝结的条件水汽由气态变为液态的过程称为凝结。水汽直接转变为固态的过程称凝华。大气中水汽凝结或凝华的一般条件是：一是有凝结核或凝华核的存在。二是大气中水汽要达到饱和或过饱和状态。（一）凝结核（二）空气中水汽的饱和或过饱和

暖水面蒸发空气的冷却大气的冷却方式主要有如下几种：（1）绝热冷却：指空气在上升过程中，因体积膨胀对外做功而导致空气本身的冷却。随着高度升高，温度降低，饱和水汽压减小，空气至一定高度就会出现过饱和状态。这一方式对于云的形成具有重要作用。（2）辐射冷却：指在晴朗无风的夜间，由于地面的辐射冷却，导致近地面层空气的降温。当空气中温度降低到露点温度以下时，水汽压就会超过饱和水汽压产生凝结。辐射雾就是水汽以这种方式凝结形成的。（4）混合冷却：在上述几种过程中，冷却通常是主要的。对形成雾来说，由于凝结出现在贴近地面的气层中，因此辐射冷却、平流冷却是主要的；对形成云来说，由于凝结是在一定高度上，因而绝热冷却就成为主要的了。

（3）平流冷却：暖湿空气流经冷的下垫面时，将热量传递给冷的地表，造成空气本身温度降低。如果暖空气与冷地面温度相差较大，暖空气降温较多，也可能产生凝结。第二节地表面和大气中的凝结物一、地面的水汽凝结物(一）露和霜1、定义：夜间，地面或地面物体因辐射冷却，使贴近地表面的空气层也随之降温。当温度降到露点之下时，空气达到饱和。当Td>0时:地面或地面物体上出现极其微小的水滴，称为露。当Td<0时:地面或地面物体上出现白色晶体结构的水汽凝华物称为霜。有时已生成的露，由于温度降至0℃以下，冻结成冰珠，称为冻露，实际上也归入霜的一类。2、形成条件晴朗无云、少云的夜晚；使得地面有利于迅速辐 射冷却微风:有利于辐射冷却在较厚的气层中进行无风：只能使近地面气层冷却，难以形成大量的 露或霜。

大风：上下层空气混合强烈，不利于辐射降温， 难以形成凝结物。3、霜与霜冻的区别霜冻：指在植物生长季节里，地面和植物表面温度下降到足以引起农作物遭受伤害或者死亡的低温。黑霜：当低温>Td时，有霜冻而无霜白霜：当低温<Td时，即有霜冻又有霜（二）雾淞和雨淞1、雾淞：

①定义：形成于树枝上、电线上或其它地面物体的迎风面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。②分类：根据雾淞形成条件和结构分类:

晶状雾淞：

T物<T过冷雾滴时，过冷雾滴蒸发后， 直接在物体表面凝华而成的冰晶。特点：结构松散，稍有震动就脱落条件：有雾、微风、T≤-15℃

粒状雾淞：

过冷却雾滴碰到冷的物体表面后迅速冻结 而成的冰晶。特点：结构紧密条件：有雾，风速较大，-2～-7℃

危害：能压断电线、树枝，影响交通、通讯。2、雨淞露雾凇崂山上的多彩雾淞（一）雾雾是悬浮于近地面空气中的大量水滴或冰晶，使水平能见度小于1千米的物理现象。如果能见度在1-10千米范围内则为轻雾。形成条件：空气中水汽充沛，有使水汽发生凝结的冷却过程和充足的凝结核。二、近地面层空气中的凝结雾的分类气团雾锋面雾冷却雾蒸发雾混合雾辐射雾平流雾上坡雾1.辐射雾辐射雾是由于地面辐射冷却使贴近地面空气层变冷而形成的。形成条件：1）充足的水汽；

2）天气晴朗少云；

3）风力微弱（1-3m/s）；

4）大气层结稳定2.平流雾暖湿空气流经冷的下垫面逐渐冷却而形成的。形成条件：1）下垫面与暖湿空气温差大；

2）暖湿空气湿度大；

3）适宜的风向与风速；

4）层结稳定。雾城市之雾（二）云1、定义：飘浮在空中的，由水滴、冰晶或过冷却水滴组成的大气中的水汽凝结物。2、形成条件1）充足的水分；2）足够的凝结核；3）要有使空气中水汽凝结的冷却过程，特别是要有使空气上升运动引起的绝热冷却过程。按温度分：冷云、暖云按成分分：冰成云、水成云、混合云按上升气流分：积状云、波状云、层状云我国于1972年出版的《中国云图》将云分成3族11属。先根据云的形态分为三类：积状、层状和波状。然后再将每一类型按云底出现的不同高度分为：低云、中云、高云。3、云的分类（1）积状云的形成

积状云是垂直发展的云块，多形成于夏季午后，具孤立分散、云底平坦和顶部凸起的外貌形态。根据云顶上升高度分为三类：淡积云、浓积云和积雨云。这三种云的形成与云梯组成与对流上升所能达到的高度有直接关系。在凝结高度之下无云形成，只有到或超过凝结高度才有积状云的形成。淡积云

当对流高度超过凝结高度，并且在0℃等温线高度之下时，形成的就是淡积云

。①积状云发展的最初阶段；②方块小，云顶高度低云水平延伸距离大于垂直 厚度；③云体由水滴组成；④云内上升速度不大，云中遄流较弱。浓积云云顶的高度在0℃等温线高度之上，而在冻结高度之下则形成浓积云。①云体高大臃肿，垂直高度小于水平延伸距离；②云体黑暗；③云顶有过冷水构成，云体下部是水滴。积雨云如果云顶高度在冻结高度之上，这是形成的则为积雨云①厚度大②云顶由冰晶组成，受高空风的影响，顶部呈砧状，有时有冰雹。在这种云的控制下往往是乌云翻滚电闪雷鸣暴雨倾盆。是一种阵性降水。热力对流形成的积状云具有明显的日变化。通常，上午多为淡积云。随着对流的增强，逐渐发展为浓积云。下午对流最旺盛，往往可发展为积雨云。傍晚对流减弱，积雨云逐渐消散，有时可以演变为伪卷云、积云性高积云和积云性层积云。如果暖湿气流运动速度快，与地形阻挡，也形成积状云。强烈发展的积雨云强烈发展的积雨云强烈发展的积雨云天气谚语馒头云，天气晴淡积云火烧乌云盖，大雨来得快积雨云清早宝塔云，下午雨倾盆2）层状云的形成层状云是均匀幕状的云层，常具有较大的水平范围，其中包括卷层云、卷云、高层云及雨层云。层状云是由于空气大规模的系统性上升运动而产生的，主要是锋面上的上升运动引起的。这种系统性的上升运动，通常水平范围大，上升速度只有0.1—1m/s，因持续时间长，能使空气上升好几千米。例如当暖空气向冷空气一侧移动时，由于二者密度不同，稳定的暖湿空气沿冷空气斜坡缓慢滑升，绝热冷却，形成层状云.毛卷云层状云---卷云:云底很高，由冰晶组成，因高空风很大，云丝平行排列，成羽毛状。密卷云层状云---卷层云:均匀成层,并能透明看到太阳和月亮的

轮廓。“日晕三更雨，月晕午时风”。层状云---高层云:浓密灰白,均匀成层,产生连性降水。层状云---雨层云：云幕,范围大能遮云蔽日,产生连续

性降水。“天上灰布云，下雨定连绵”（3）波状云的形成波状云是波浪起伏的云层，包括卷积云、高积云、层积云。云中的上升速度可达每秒几十厘米，仅次于积状云中的上升速度。当空气存在波动时，波峰处空气上升，波谷处空气下沉。空气上升处由于绝热冷却而形成云，空气下沉处则无云形成。如果在波动形成之前该处已有厚度均匀的层状云存在，则在波峰处云加厚，波谷处云减薄以至消失，从而形成厚度不大、保持一定间距的平行云条，呈一列列或一行行的波状云。波状云---卷积云：气流波动很高，白色细磷片状。由冰

晶组成。“鱼磷天，不雨也风颠”。波状云---高积云：扁园、瓦块状，在日月照射下有华或虹彩。由冰晶和过冷水滴组成。“天上鲤鱼斑，明天晒谷不用翻”“瓦块云，晒死人”

波状云---层积云：

灰白或灰色的大块云。由冰晶、过冷水滴、水滴组成。特殊云状，如堡状、絮状、悬球状、荚状等，它们的出现往往能预测天气的变化趋势。因此，了解它们的成因和特征，有助于利用它们判断未来天气。（4）特殊云状的形成（1）悬球状云是指从云底下垂的云团，多出现在积雨云的底部。有时在高积云、高层云和雨层云的底部也可以见到。当云中有大量的水滴时，如果云底附近有强烈的上升气流，将下降的水滴托住，便会形成好像悬挂在云底的云团，这就是悬球状云。堡状云底部水平，顶部则是并列着突起的小云塔，形状像远方的城堡。这种云的形成，常常是在波状云的基础上发展起来的。当波状云在逆温层下形成以后，如果逆温层不太厚，则逆温层下湍流发展时，较强的上升气流就穿过逆温层，使水汽凝结，形成具有圆弧顶部的云朵，这就是堡状云。常见的堡状云有堡状高积云和堡状层积云。（2）堡状云（3）絮状云絮状云的个体破碎，形状像棉絮团，它常是潮湿气层中的强烈湍流混合作用而形成的，主要为絮状高积云。（4）荚状云荚状云中间厚、边缘薄，云块呈豆荚状。荚状云是由局部上升气流和下降气流相汇合而形成的。当上升气流使空气绝热冷却而形成云时，如果遇到下降气流的阻挡，其边缘部分因下降气流而逐渐变薄，这样便形成荚状云。在山区，气流受到地形的影响也能形成荚状云。一、云滴增长的物理过程降水从云中来，但有云未必有降水。形成降水的关键，是云滴迅速增大到能克服空气阻力和上升气流的顶托，并在降落过程中不被蒸发掉。①过冷水滴蒸发→冰晶凝华增长②小水滴蒸发→大水滴凝结增长③暖水滴蒸发→冷水滴凝结增长第三节降水（一）凝结（凝华）增长：指水汽分子凝结（凝华）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶）增长的过程。（二）碰并增长是指两个或两个以上的水滴相碰合并而增大的过程。下降时，大水滴追上小水滴；上升时，小水滴追上大水滴，都会发生碰并，使云滴迅速增大。◆在云滴增长过程中，上述两种过程共同作用，初期以凝结（凝华）增长为主，后期则以碰并增长为主，尤其在低纬度地区的暖云降水，碰并增长更为重要。二、人工影响云雨人工降雨就是根据自然界降水的原理，人为地补充某些形成降水所必须的条件，促使云滴迅速凝结或碰并增大形成雨滴，达到降水的方法。◆冷云催化：人工增加冰晶，产生冰晶效应。方法：①＋干冰（降温→自生冰晶）；②＋人工冰核（碘化银、氯化汞等）；◆暖云催化：提供大水滴，促进凝结、碰并增长。方法：＋氯化钠、氯化钾等吸湿性物质.人工增雨火箭高炮碘化银

增雨宁夏20030406三、降水的类型（成因分类）1.对流雨：（一）形成原因分类近地面气层强烈受热上升，冷却凝结形成积雨云而降雨，常伴随雷电现象，又称热雷雨；赤道常年可见，我国夏季常见；：2.气旋雨：气旋中心气压低，空气辐合上升凝结成雨。降水范围广、时间较长；3.锋面雨：冷暖气团相遇，暖湿气流沿锋面抬升凝结成雨。降水范围广、时间长。在温带很常见；4.台风雨：可产生强度极大的降水。夏秋季常见；5.地形雨:暖湿气流沿山地迎风坡抬升冷却凝结而降水。山地迎风坡常形成多雨中心，而背风坡则由于焚风效应，降水少，成为雨影区。（二）性质分类◆连续性降水：雨或雪连续不断地下，而且比较均匀，强度变化不大，一般降水历时长、范围广，降水量往往也比较大。◆间断性降水：雨或雪时下时停，或强度有明显的大小变化，但其变化较缓慢，降水历时长短不等。◆阵性降水：雨或冰雹呈阵性下降，偶尔有阵雪。骤降骤停，或强度变化很突然，下降速度快，强度大，但往往降水历时短，范围小。如果在阵雨的同时还伴有闪电和雷鸣，便是雷阵雨。

种类

24小时降水量12小时降水量

目视特征小雨＜10.0mm＜5.0mm雨滴清晰可辨，地全湿，无积水或积水形成很慢

中雨10.0～24.95.0