石大气象学与气候学课件03大气中的水分

第三章大气中的水分大气中的水分来源于地球表面的江、河、湖、海、土壤表面的蒸发以及植物的蒸腾作用的。

水分循环：地球系统水分的无止境的循环称为水分循环水循环是由太阳能驱动的庞大系统，其中，大气充当了连接海洋与大陆的重要作用。虽然任何时刻大气中的水汽含量只占地球总水量的很少一部分，但在一年内通过大气循环的绝对水量是巨大的，体积为3.8×105Km3，足以覆盖整个地球表面100厘米深的厚度。第一节蒸发和凝结

一、水相变化水的三种形态：气态（水汽）、液态（水）、固态（冰），称为水的三相。水相的相互转化就叫水相变化。1、水相变化的物理过程从分子运动论的观点来看，水相变化是水的各相之间分子交换的过程。2、水相变化的判据（1）

水和水汽两相变化和平衡的分子物理学判据：用分子数的多少来判断。

N表示单位时间内跑出水面的分子数；n为单位时间内落回水中的水汽分子数则有：N＞n蒸发（未饱和）N＝n动态平衡（饱和）N＜n凝结（过饱和）蒸发(evaporation)

概念——一定温度下由液态水（冰）转为气态水（水汽）的过程。

由蒸发消耗的水量称为蒸发量，用蒸发失去的水层厚度（mm）表示。

（1）e与E二者的对比是出现蒸发的关键

e<E出现蒸发（未饱和）；e=E水汽分子进入与逸出数相等，处于动态平衡（饱和）;e>E出现凝结（过饱和）蒸发过程示意图蒸发过程示意图蒸发尾迹（2）影响蒸发速度快慢的主要因素（三个）

①蒸发的温度—蒸发的温度愈高，蒸发愈快，相反

愈慢。

②蒸发的性质—同温度时，水面蒸发快于冰面、淡

水快于海水。

③空气湿度和风—空气湿度大的蒸发速度小于空气

干燥时，有风时大于无风。

上述影响因素中，①起决定作用，其次为风。（3）日变化和年变化——与气温相同

（4）蒸发量空间分布——因气温高低、海陆分布、

水汽量多少而不同。全球年蒸发量分布图3.2凝结（condensation）

概念——一定温度时由气态水（水汽）转为液态水（冰）的过程，由水汽直接转为冰过程称为凝华。

（1）凝结（凝华）条件

•

具有一定凝结核（凝华核）

•

增加水中的水汽e>E

•

通过空气冷却、降低E

凝结凝结尾迹冰晶（2）两相变化和平衡的饱和水汽压判据

E＞e蒸发（未饱和）E＝e动态平衡（饱和）E＜e凝结（过饱和）（3）同理可得某温度下对应的冰面上冰和水汽两相变化和平衡的判据。Es＞e升华Es＝e动态平衡Es＜e凝华3、水的位相平衡图

图3-1是根据大量经验数据绘制的水的位相平衡图。

4、水相变化中的潜热同温度下，蒸发潜热=凝结潜热；升华潜热=融解潜热+蒸发潜热二、饱和水汽压（一）饱和水汽压与温度的关系两者的关系可用克拉柏龙方程表示，根据计算得到表3-1的资料，

经与实验资料的比较看出，计算值和实验值是一致的。表明，饱和水汽压随温度的升高而增大。随着温度的升高，饱和水汽压按指数规律迅速增大。得出重要结论：空气温度的变化，对蒸发和凝结有重要影响。高温时，饱和水汽压大，空气中所能容纳的水汽含量增多，因而能使原来已处于饱和状态的蒸发面会因温度升高而变得不饱和，蒸发重新开始，相反，如果降低饱和空气的温度，就会有多余的水汽凝结出来。而且，饱和水汽压随温度的改变量，在高温时要比低温时大。所以，降低同样的温度，在高温饱和空气中形成的云要浓一些，这就是为什么暴雨总是发生在暖季。

（二）饱和水汽压与蒸发面性质的关系1、冰面小于过冷却水面小于水面的饱和水汽压。可以解释冰水共存时的水汽转移现象，即冰晶效应。2、同一温度下，溶液面的饱和水汽压比纯水面要小，而且，溶液浓度愈高，饱和水汽压愈小。（三）饱和水汽压与蒸发面形状的关系温度相同时，凸面的饱和水汽压最大，平面次之，凹面最小。而且，凸面的曲率愈大，饱和水汽压愈大，凹面的曲率愈大，饱和水汽压愈小。

三、影响蒸发的因素在静止大气中，蒸发速度仅依赖于分子扩散速度，此时，水分蒸发速度用道尔顿定律描述

W=A公式表明蒸发速度与饱和差（E-e）及分子扩散系数A成正比，，与气压P成反比。在自然的条件下，蒸发是发生在湍流大气之中，影响蒸发速度的主要因素是湍流交换，并非分子扩散。考虑到自然蒸发的实际情况，影响蒸发速度的主要因子有四个：

1、水源：是蒸发产生的基本条件。2、热源：蒸发必须消耗热量，蒸发速度决定于热量的供给。3、饱和差：蒸发速度于饱和差成正比。4、风速与湍流扩散：有风时，湍流加强，蒸发面上的水汽随风和湍流迅速散布到广大空间，蒸发面上水汽压减小，饱和差增大，蒸发加快。

显然，在影响蒸发的因子中，蒸发面的温度通常是起决定作用的因子。由于蒸发面的温度有年、日变化，所以蒸发速度也有年、日变化。

四、

湿度随时间的变化

1、绝对湿度（用水汽压表示）（1）日变化有两种类型：双峰型：主要在大陆上湍流混合较强的夏季出现。（一天有两高两低）单峰型：以海洋上、沿海地区和陆地上湍流不强的秋冬季为多见。（一天有一高一低）（2）年变化与温度年变化相似，一年有一高一低。

2、相对湿度日变化决定于气温，与气温的日变化相反，最高值出现在清晨温度最低时，最低值出现在午后温度最高时。年变化一般以冬季最大，夏季最小。

五、大气中水汽凝结的条件

水汽由气态变为液态为凝结，水汽直接转变为固态为凝华。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：促使水汽凝结的微粒叫凝结核。（二）空气中水汽达到饱和或过饱和使空气达到过饱和的途径有两种：一是通过蒸发，增加空气中的水汽，二是通过冷却作用，减小饱和水汽压。也可二者共同作用。1、暖水面的蒸发可以增大空气的湿度。2、空气的冷却：减小饱和水汽压主要靠空气冷却。空气冷却方式主要有以下四种：绝热冷却、辐射冷却、平流冷却、混合冷却。第二节地表面和大气中的凝结现象

一、

地面的水汽凝结物1、

露和霜（1）傍晚或夜间，地面或地物由于辐射冷却，使贴近地表面的空气层随之降温，当温度降到露点以下，在地面或地物的表面就出现水汽凝结，如果此时露点温度在0℃以上，形成水滴，叫露，如果露点温度在0℃以下，则凝华成白色的冰晶，叫霜。

（2）形成条件：是晴朗微风的夜晚晴朗有利于地面或地物迅速辐射冷却；微风可使辐射冷却在较厚的气层中进行，保证有足够多的水汽供应凝结。对于霜，除了辐射冷却以外，在冷平流以后或洼地上聚集冷空气时，都有利于其形成。这种霜叫平流霜或洼地霜，它们常因辐射冷却而加强，因此在洼地与山谷中产生霜的频率较大。（3）霜和霜冻的区别霜指白色固体凝结物。霜冻是指农作物生长季节里，地面和植物表面温度下降到足以引起农作物遭受伤害或死亡的低温。——是个温度有霜农作物不一定遭受霜冻；有霜冻时可以有霜出现也可没有，但有霜出现时常会释放潜热，可以缓和霜冻作用，2、雾凇和雨凇

雾凇是形成在树枝上、电线上或其他地物迎风面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。（1）晶状雾凇主要由于过冷却雾滴蒸发后，再由水汽凝华而成。晶体结构松散与霜类似。形成条件是有雾、微风或静稳以及温度低于-15℃时出现。（2）粒状雾凇是由过冷却的雾滴被风吹过，碰到冷的物体表面迅速冻结而成的。结构紧密。形成条件是风速大，气温在-2—-7℃时出现

雨凇是过冷却的雨滴降到温度低于0℃的地面或地物迎风面上冻结而成的透明的或毛玻璃状的紧密冰层雨凇破坏性很大。二、近地面层空气中的凝结——雾1、概念：雾是悬浮在近地面空气中的大量水滴或冰晶，使水平能见度小于1公里的物理现象，如果能见度在1-10公里范围内，称为轻雾。2、形成的基本条件：近地面空气中水汽充沛，有使水汽发生凝结的冷却过程和凝结核的存在。3、雾的分类用的较多的分类是辐射雾冷却雾平流雾气团雾蒸发雾上坡雾地方雾锋面雾（一）气团雾1、冷却雾（1）、

辐射雾—是由地面辐射冷却使贴地层气层变冷而形成的。形成的条件：①空气中由充足的水汽；②天气晴朗少云；③风力微弱；④大气层结稳定。特征：①有明显的日变化和年变化②与地理环境有密切的关系（2）、

平流雾—是暖湿空气流经冷的下垫面而逐渐冷却形成的。形成条件：①下垫面与暖湿空气的温差较大；②暖湿空气的湿度大；③适宜的风向和风速；④层结较稳定。特征：①日变化不明显，年变化较明显②海上平流雾持续时间长③垂直厚度大，强度比辐射雾大。2、蒸发雾（1）海洋雾（2）秋季雾3、地方性雾（1）都市雾（烟雾）（2）混合雾（二）锋面雾出现在暖锋过境前后，常伴随锋面一起移动。分为：（1）锋前雾（2）锋际雾（3）锋后雾三、空气中的凝结物——云1、云的形成条件：云主要靠潮湿空气在上升运动过程中，气块绝热膨胀降温，达到饱和而生成的。不同形式的上升运动生成不同性状的云。空气的过饱和主要是空气垂直上升所进行的绝热冷却引起的。因此，有凝结核、充足的水汽和上升运动是云形成的必要条件。大气的上升运动主要方式：（1）热力对流：地表受热不均和大气层结不稳定引起的对流上升运动。（2）动力抬升：暖湿气流受锋面、辐合气流的作用所引起的大范围上升运动。（3）大气波动：大气流经不平的地面或在逆温层以下所产生的波状运动。（4）地形抬升：大气运行中遇到地形阻挡，被迫抬升而产生的上升运动。2、

云的分类国际分类法将云分为4族10属3、各种云的形成（1）积状云的形成积状云是大气对流运动的产物，又叫对流云。积状云包括淡积云、浓积云和积雨云。发展旺盛的积云常伴有雷暴、暴雨、冰暴、龙卷等灾害性天气。积云都出现在不稳定的大气中，当大气具有潜在的不稳定能量时，气块受热力或动力作用抬升到自由对流高度后便能继续上升而形成积云。各种积云的生成和发展主要取决于大气中不稳定能量的大小。①淡积云：大气中的不稳定能量较小时只能形成淡积云，云底高度通常为500-1200米。②浓积云：当大气中具有较大的不稳定能量时，可由淡积云发展为浓积云。成熟阶段的浓积云厚度可达4000-5000米。③积雨云：积雨云形成在暖湿而具有很大不稳定能量、并有适当抬升力的大气中。发展成熟的积雨云通常产生雷电、大风、暴雨及冰暴等。（2）层状云的形成包括卷层云、高层云、层云、雨层云和碎层云。它主要是由系统性垂直上升运动、湍流混合和辐射冷却等原因所形成。①系统性垂直运动形成的层状云，通常发生在气旋或低压槽内的气流辐合区，沿锋面缓慢滑升及迎风坡上。这种上升运动一般水平范围很大，速度很小，但持续时间长，因此，层状云具有均匀、宽广和持续时间长的特征。②湍流混合形成的层状云如果混合层中的湿度较大，由于湍流混合，水汽会在逆温层下聚集起来，当降温增湿达到饱和状态后，就会形成层云、层积云和碎层云。（3）波状云的形成波状云主要由大气中的波动、湍流和辐射冷却而形成。经常观测到的波状云有卷积云、高积云和层积云。（4）特殊云状的形成

第三节降水降水——是从云中降到地面上的液态或固态水。由于云的温度、气流分布等状况的差异，降水具有不同的形态——雨、雪、霰、雹。

降水的时间分配

常用降水量、降水时间、降水强度及降水季节变化、降水变率等表示。

（1）降水量

常分日、月、年、月平均、年平均、多年平均降水量。

（2）降水时间

一次降水过程从开始到结束持续的时间，用日、时、分表示。

（3）降水强度

单位时间内的降水量。中央气象局将其分成7个等级。一、降水的形成降水的形成过程，实际上就是云滴增大为雨滴或雪花的过程，云滴的增长包含着两个过程：即云滴的凝结增长和冲并增长过程。

1、

云滴凝结（或凝华）增长云滴的凝结或凝华增长过程是指云滴依靠水汽分子在其表面上凝聚而增长的过程。（1）在云的形成和发展阶段，由于云体继续上升，绝热冷却，或云外不断有水汽输入云中，使云内空气中的水汽压大于云滴的饱和水汽压，因此云滴能够由水汽凝结或凝华而增长。

（2）必须有水汽的扩散转移过程。即当云层内存在着冰水云滴共存、冷暖云滴共存或大小云滴共存的任何一种条件时，产生水汽的扩散转移过程。使小云滴、冷的云滴不断增大。

2、云滴的冲并增长

大小云滴之间发生冲并而合并增大的过程，叫冲并增长过程。

大小云滴相互合并的现象，不仅在云滴降落中出现，在云滴随气流上升过程中也能出现。此外，云中的湍流、云滴带有不同的电荷，以及大小云滴下降后部气流的辐合等因素，都能引起云滴的合并。上述两种云滴增大过程在由云滴转化为降水的过程中始终存在，但观测表明，在云滴增长的初期，凝结或凝华增长为主，冲并为次；当云滴增大到一定程度，以重力冲并为主。这两种过程是不可分割的。

降水的形成

（1）形成条件①

e>>Ef>100%

②云滴要大，要能经历

从云到地面的下落过

程而不被蒸发掉。

③足够数量凝结核

（2）不同纬度降水形成

•低纬度——T>0，暖云降水（雨水）。

•中、高纬度——常出现冰、水共存现象。常出

现二种降水方式（雨，雨雪共存或雨、冰雹共

存或冰雹或雪）云滴增长凝结增长(冰晶效应):初期和中高纬冲并增长:后期和低纬重力冲并与含水量,大水滴大小有关75-76

链琐反应:概念:增大-破碎-再增大-再破碎过程:(临界半径300-350)

形成条件:上升气流;一定含水量;云厚

大小水滴在下降过程中

的冲并与增长降雨

冰雹峨眉雪

黄山雪

杭州雪

珠峰冰塔林雪后山村早晨3、雨和雪的形成（1）水成云（由液态水滴包括过冷却水滴所组成的云体）内如果具备了云滴增大为雨滴的条件，并使雨滴具有一定的下降速度，这时降落下来的就是雨或毛毛雨。（2）从冰成云（由冰晶组成的云）或混合云（由水滴主要是过冷却水滴和冰晶共同组成的云）中降落的冰晶或雪花，下落到0℃以上的气层内，融化以后成为雨滴降落到地面，形成降雨。（3）在混合云中，由于冰水共存使冰晶不断凝华增大，成为雪花。当云下气温低于0℃时，雪花可以一直落到地面形成降雪。如果云下气温高于0℃时，则可能出现雨夹雪。

二、

降水的类型1、按降水的性质（1）连续性降水降水时间长，强度变化大，这种降水多来自高层云和雨层云中。（2）阵性降水降水持续时间短，强度大，常突然开始和停止，降水范围小，且分布不均匀，多来自浓积云和积雨云。（3）毛毛雨

是极小的滴状液体降水，落在水面无波纹，落在地面上无湿斑，降水强度小，多来自层云或浓雾。

2、按降水强度分为小雨、中雨、大雨、暴雨、特大暴雨；小雪、中雪、大雪等。降水强度等级等级24小时强度等级（mm）小雨中雨大雨暴雨小雪中雪大雪﹤1010―24.925―49.9﹥50≤2.52.5―5.0﹥5.03、按降水的物态形状

雨、雪、霰（白色不透明的球状晶体，是过冷却水滴在冰晶周围冻结而成，松脆易碎，落地反跳，常见于降水之前，或与阵雨、阵雪同时降落。）、雹。4、按降水成因（1）

地形雨暖湿空气在前进中遇到山地阻挡，沿迎风坡向上升的过程中，绝热冷却形成的降水。（2）

对流雨因大气层结不稳定引起的热力对流运动形成的降水多由积雨云中降落，强度大、历时短，范围小，强烈时伴有强风、雷电甚至冰雹。多形成在夏季午后。

（3）气旋雨又叫锋面雨，冷暖空气相遇形成的，这种降水持续时间长，范围广，强度小，分布均匀，是中高纬度地区最重要的降水类型。（4）台风雨形成在热带海面上的低压涡旋，它将大量暖湿空气抬升，产生的降水强度大，并伴有狂风、雷电。多形成在夏秋季节，往往造成极大危害。

三、各类云的降水1、层状云的降水层状云云体比较均匀，云