饱和水汽压课件

气象学与气候学第一节气象学与气候学的研究对象一.

气象学的研究对象气象学是专门研究大气现象和过程，探讨其演变规律和变化，并直接或间接用之于指导生产实践为人类服务的科学。所谓气象就是指太阳辐射穿过大气圈到达下垫面时大气中所发生的一切物理（化学）现象和过程。通俗地讲，就是指发生在天空中的风、云、雨、雪、霜、露、虹、晕、雷电等一切大气的物理现象。其研究对象就是“气象”。□气象学的领域很广，其基本内容是：①把大气当作研究的物质客体来探讨其特性和状态，如大气的组成、范围、结构、温度、湿度、压强和密度等等。③研究导致大气现象发生、发展的能量来源、性质及其转化。④探讨如何应用这些规律，通过一定措施，为预测和改善大气环境服务（如人工影响天气、人工降水、消雾、防雹等），使之能更适合于人类的生活和生产的需要。②研究大气现象的本质，从而能解释大气现象，寻求控制其发生、发展和变化的规律。第一节气象学与气候学的研究对象所谓气候则是指在太阳辐射、大气环流、下垫面性质（海陆、平原、高山）和人类活动长时间相互作用下，在某一时段内大量天气过程的综合。不仅包括该地多年来经常发生的天气状况，而且包括某些年份偶尔出现的极端天气状况。二.

气候学的研究对象气候学，是研究气候的特征、形成、变化及气候与人类活动的关系和进行气候预报和气候应用服务的科学。其研究对象是地球上的“气候”。第一节气象学与气候学的研究对象与气象、气候密切相关的一个概念是天气。三者之间既有联系又有区别。气象，是指太阳辐射穿过大气圈到达下垫面时大气中所发生的一切物化学现象和过程；天气，是某一地区在某一瞬时或某一短时间内大气中的大气状态和大气现象的综合；气候，则是指某地某时段内在太阳辐射、大气环流、下垫面性质和人类活动在长时间相互作用下的大量天气过程的综合。天气变化快，且变化周期短；气候变化慢，且变化周期较长。决定天气变化的主要是大气系统，而影响气候变化的则是包含大气圈、水圈、冰雪圈、陆地表面和生物圈五个子系统在内的整个气候系统。第一节气象学与气候学的研究对象盖氏的气候定义，指出了气候的四个基本特征：一是气候的物质基础是气候系统而不仅是大气系统；二是气候是一个历史概念，与特定的时段相联系；三是气候是特定时段内气候系统各属性的平均统计特征；四是气候发生于一定下垫面之上而带有地方性。第一节气象学与气候学的研究对象盖特斯（Gates）气候定义：某地的气候状态，即该地气候系统全部成分在任一特定时段内的平均统计特征。现代气候学已不再是气象学或地理学的一个分支的经典气候学，而是一门由大气科学、海洋学、地球物理和地球化学、地理学、地质学、冰川学、天文学、生物学等相关科学相互渗透而形成的交叉科学。第一节气象学与气候学的研究对象第二节气候系统概述气候系统：是一个包括大气圈、水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈在内的，能够决定气候形成、气候分布和气候变化的统一的物理系统。第二节气候系统概述太阳辐射是气候系统的能源。而气候系统中，大气圈是主体部分，也是最可变的部分。水圈、陆地表面、冰雪圈和生物圈都可视为大气圈的下垫面。一、大气的组成杂质水汽干洁空气第二节气候系统概述大气是由多种气体混合组成的气体及浮悬其中的液态和固态杂质所组成。1.干洁空气干洁空气，是指大气中除水汽和杂质之外的整个混合气体。其主要成分是氮、氧、氩，三者合占干洁空气总体积的99.96％、质量的99.95%，其它气体含量甚微。第二节气候系统概述由于大气中存在着空气的垂直运动、水平运动、湍流运动和分子扩散，使不同高度、不同地区的空气得以进行交换和混合，因而从地面开始，向上直到90km处，干洁空气主要成分的比例基本保持不变。故可把90km以下的干洁空气当成分子量为28.97的“单一成分”来处理。90km以上氧和氮已有不同程度的离解，呈原子态。第二节气候系统概述

氧（O2）氧来自水的离解和光化学反应，以及植物的呼吸。氧是一切生命所必须，同时也决定着有机物质的燃烧、腐败及分解过程。第二节气候系统概述

氮（N2）氮来自地球形成过程中的火山喷发。氮具有化学惰性，在水中的溶解度很低，因此，大部分保留在大气中。大气中的氮能够冲淡氧，使氧不致太浓，氧化作用不致过于激烈。氮是生命体的基础。氮可作为化肥原料或直接通过豆科植物的根瘤菌固定到土壤中，成为植物体内不可缺少的养料。第二节气候系统概述

二氧化碳（CO2）CO2来自燃烧、氧化、大陆生物圈的作用、海洋的作用以及矿泉和火山喷发等。CO2集中分布于大气底20km的一薄层，浓度为0.02-0.04%之间。其含量随时间和空间变化而变化，一般是底层多高层少，冬季多夏季少，夜间多白天少，阴天多晴天少，城市多乡村少。近年业由于工业化，大量燃烧矿物燃料，大气中二氧化碳含量与年俱增。第二节气候系统概述CO2是植物光合作用不可缺少的原料，同时也是红外辐射的吸收剂，能透过太阳短波辐射而强烈吸收和放射长波辐射，对地面起保温作用，形成温室效应。当其含量达到0.2%-0.5%时，则对生物有害。第二节气候系统概述

臭氧（O3）O3主要是在太阳紫外线辐射作用下，氧分子分解为氧原子后再和另外的氧分子结合而成；低层大气有机物的氧化和雷雨、闪电作用也能形成臭氧。第二节气候系统概述大气中O3含量很少，且随高度而变化。近地面很少，距地5-10km处含量开始渐增，20-30km处浓度最大，形成明显的臭氧层。第二节气候系统概述O3能大量吸收太阳紫外线，使臭氧层增暖，影响大气温度的垂直分布，从而对地球大气环流和气候的形成起着重要的作用。同时它还形成一个“臭氧保护层”，使得到达地表的对生物有杀伤力的短波辐射（波长小于0.3μm）大大降低了强度。从而保护着地表生物和人类。观测表明，近年来大气平流层中的臭氧有减少的现象，尤以南极为最。据研究这与在制冷工业中人为排放氟氯烃的破坏作用有关。第二节气候系统概述2.水汽大气中的水汽来自江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发和植物的蒸腾，并借助空气垂直交换向上输送。大气圈中水汽的来源：第二节气候系统概述一般情况是夏季多于冬季。低纬度暖水洋面和森林地区的低空水汽含量最大，按体积来说可占大气的4％，而在高纬度寒冷干燥的陆面上，其含量则极少，可低于0.01％。水汽含量随时间、空间和气象条件而变化：第二节气候系统概述垂直方向上，空气中水汽含量随高度的增加而减少。观测证明，在1.5-2km高度上，空气中水汽含量已减少为地面的一半；在5km高度，减少为地面的1/10；再向上含量更少。大气中水汽的主要作用：①水汽的三相变化，产生云、雾、雨、雪、霜、霰等一系列大气现象，影响天气变化。②大量水汽凝结物以云雾形式悬浮空中，影响视程。③水汽及其凝结物吸收和放射长波辐射，反射太阳辐射，使地面和大气保持一定的温度。④潜热作用能转换和输送热量，影响各地的天气和气候。第二节气候系统概述3.杂质地面扬尘、烟灰、粉尘、有机尘、海水飞溅进入大气的盐粒、火山喷发的灰烬、流星燃烧陨石碎屑以及来自太空的宇宙尘埃等。来源：大气中悬浮着各种固体微粒和液体微粒，统称气溶胶粒子。杂质主要集中在大气底层。随高度增加而减少，陆上多于海域，城市多于乡村，冬季多于夏季。含量随时间、空间和天气条件而变化：第二节气候系统概述主要作用：①促进水汽凝结和升华，吸收部分太阳辐射和阻挡地面辐射，影响地面和大气温度。②散射、反射、折射太阳光，产生各种大气光学现象。③与液体微粒聚集在一起，形成气溶胶，污染空气，减低大气透明度，影响视程。④成为水汽凝结的核心，对云、雾的形成起重要作。第二节气候系统概述

大气污染概念：人类活动产生的有害气体和烟尘，使局部甚至全球范围的大气成分发生了对生物体有害的变化，称为大气污染。主要大气污染物：SO2，NOx，CO，CO2，H2S，HC等。主要污染物源：工厂废气、汽车尾气、家庭炉灶和人们生活中排出的废气，以及农药化肥施用等。第二节气候系统概述二、大气的结构大气密度随高度增加而减小，到700-800km高度处，空气分子之间的距离可达数百米远，但即使再向上，大气密度也不会减少到零的程度。大气圈与星际空间之间很难用一个“分界面”截然分开。目前只能通过物理分析，确定一个最大高度来说明大气圈的垂直范围。1.大气上界第二节气候系统概述第二节气候系统概述课后作业：低层大气由哪些成分混合组成？试分析其分布特点和气象气候意义。最大高度的划定因着眼点不同而异。一是着眼于大气中出现的某些物理现象。根据观测资料，极光是大气中出现高度最高的现象，可出现在1200km的高度上，据此大气上界定为1200km。这种根据在大气中才有，而星际空间没有的物理现象确定的大气上界，称为大气的物理上界。另一种是着眼于大气密度，用接近于星际的气体密度的高度来估计大气的上界。按照人造卫星探测资料推算，这个上界大约在2000-3000km高度上。第二节气候系统概述2.大气垂直分层观测证明，大气在垂直方向上的物理性质有显著差异。根据温度、成分、电荷等物理性质，同时考虑到大气的垂直运动等情况，可将大气分为五层。对流层平流层中间层暖层第二节气候系统概述

对流层对流层是大气圈的最底层，其厚度随纬度、季节而变化，低纬大于高纬，夏季大于冬季。对流层的质量最大，水汽最多，集中了大气质量的四分之三和几乎全部的水汽和杂质，是天气变化最主要、最复杂的一层，对人类活动和地球生物影响最大，与自然地理环境关系最密切。——概述第二节气候系统概述

对流层①气温随高度的升高而降低——三大特征对流层大气主要依靠吸收地面和长波辐射而增热，一般情况下，愈近地面空气受热愈多，气温愈高，离地面愈远，气温就愈低。但气温随高度而降低的幅度，在不同地区、不同季节、不同高度上不一致，平均而言，每上升100米，气温下降约0.65℃，称为气温直减率，也叫气温垂直梯度。第二节气候系统概述②具有剧烈的对流运动由于受地面加热不均匀的影响，产生铅直对流运动。对流运动的强度因纬度和季节而不同，一般情况下低纬度较强，高纬度较弱；夏季较强，冬季较弱。对流使高低层空气进行得以交换和混合，地面的热量、水汽、杂质等向上输送，促进云雨的生成。第二节气候系统概述③气象要素水平分布不均匀地表性质差异明显，而对流层受地表影响大，因此，温度、湿度等水平分布不均匀，从而经常发生大规模的水平运动，冷暖气流交绥频繁。第二节气候系统概述

对流层①下层（摩擦层或行星边界层）——分层（按气流和天气现象分布特点）范围一般是自地面到1-2km高度，夏季高于冬季，白昼高于夜晚。大风和扰动强烈的天气高于平稳天气。大气受地面摩擦和热力的影响最大，湍流交换作用强，水汽和微尘含量较多，各种气象要素都有明显的日变化。第二节气候系统概述②中层边界层以上到6km以下为中层。气流受地面磨擦影响很小，称自由大气层。云和降水多发生在此层。③上层6km以上至对流层顶为上层。气温常年低于0℃，水汽含量很少，云由冰晶和过冷却水滴组成，风速较大。中纬和热带地区，常出现风速大于30m/s的强风带，即急流。第二节气候系统概述

对流层顶介于对流层和平流层之间有一个厚度为数百米到1～2km的过渡层，称为对流层顶。主要特征是：气温随高度的增加突然降低缓慢，或者几乎不变，成为上下等温；对流运动微弱，对垂直气流有阻挡作用，水汽、尘埃等多集聚其下，使能见度变弱；对流层顶的气温随纬度变化与地面相反，赤道地区上空平均为-83℃，极地地区约为-53℃。对流层顶的高度随纬度、季节和气团性质而异。第二节气候系统概述

平流层对流层顶到55km左右为平流层。平流层下部气温随着高度不变或微有上升，故又称为同温层；大约到30km以上，气温随高度增加而显著升高，55km高度上可达-3℃。平流层的气温分布特征是和它受地面温度影响很小，特别是存在着大量臭氧能够直接吸收太阳辐射有关。虽然30km以上臭氧的含量已逐渐减少，但这里紫外线辐射很强烈，故温度随高度增加得以迅速增高，造成显著的暖层。平流层内气流比较平稳，空气的垂直混合作用显著减弱。第二节气候系统概述平流层中水汽含量极少，大多数时间天空晴朗。有时对流层中发展旺盛的积雨云、锋面云系、台风云系可伸展到平流层下部。在高纬度20km以上高度，有时在早、晚可观测到贝母云（又称珍珠云）。平流层中的微尘远较对流层中少，但是当火山猛烈爆发时，火山尘可到达平流层，影响能见度和气温。第二节气候系统概述2006年8月南极上空的贝母云第二节气候系统概述第二节气候系统概述2004年南极上空的贝母云第二节气候系统概述南北两极的冬季，当距离地面10至50公里的平流层温度低于零下80摄氏度时，平流层中微细的冰结晶就会反射日落的余晖而形成贝母云，而极地山顶上升的气流偶然也会形成贝母云。

中间层平流层顶到85km左右为中间层。其特点是气温随高度增加而迅速下降，至顶部可降到-113℃～-83℃，其原因是几乎没有臭氧吸收太阳紫外辐射，而氮和氧等气体所能直接吸收的波长更短的太阳辐射大部分又被上层大气所吸收。垂直运动强烈，故又称为上部对流层。第二节气候系统概述中间层内水汽含量更极少，几乎没有云层出现，仅在高纬地区的75～90km高度，有时能看到一种薄而带银白色的夜光云，但其出现机会很少。这种夜光云，一般认为由流星物质汇集而形成。60～90km高度上，有一个只有白天才出现的电离层，叫做D层。第二节气候系统概述

波兰天文爱好者2006年7月14日拍摄到的夜光云第二节气候系统概述

暖层暖层又称热成层或热层，位于中间层顶至800km高空。气温随高度增加而迅速增高，原因是波长小于0.175μm的太阳紫外辐射都被大气物质（主要是原子氧）所吸收的缘故。其增温程度与太阳活动有关，太阳活动加强时，温度随高度增加很快升高，500km处气温可增至2000K；当太阳活动减弱时，温度随高度的增加增温较慢，500km处的温度也只有500K。第二节气候系统概述暖层中空气处于高度电离状态，但程度不均匀。最强的有两区，即E层（约位于90～130km）和F层（约位于160～350km）。F层在白天还分为F1和F2两区。据研究，高层大气（在60km以上）由于受到强太阳辐射，迫使气体原子电离，产生带电离子和自由电子，使高层大气中能够产生电流和磁场，并可反射无线电波，从这一特征来说，这种高层大气又可称为电离层，正是由于高层大气电离层的存在，人们才可以收听到很远地方的无线电台的广播。第二节气候系统概述高纬度地区的晴夜，热层中可以出现彩色的极光。可能是由于太阳发出的高速带电粒子使高层稀薄的空气分子或原子激发后发出的光。这些高速带电粒子在地球磁场的作用下，向南北两极移动，所以极光常出现在高纬度地区上空。第二节气候系统概述大气的一般特性大气的一般特性

外层外层，即大气的最高层，又称散逸层。该层空气极其稀薄，质点之间的距离很大，气温随高度增加而升高。因温度高，空气粒子运动速度很大，又因距地心较远，地心引力较小，所以这一层的主要特点是大气粒子经常散逸至星际空间，本层是大气圈与星际空间的过渡地带。第二节气候系统概述第二节气候系统概述在气象学上，大气的物理性状主要以气象要素和空气状态方程来表征。气象要素是指表示大气属性和大气现象的物理量，如气温、气压、湿度、风向、风速、云量、降水量、能见度等。空气状态常用密度、体积、压强、温度表示。对一定质量的空气，其P、V、T之间存在函数关系。例如，一小团空气从地面上升时，随着高度的增大，其受到的压力减小，随之发生体积膨胀增大，因膨胀时做功，消耗了内能，气温乃降低。第三节大气的物理性状大气的一般特性(1)气温表示空气冷热程度的物理量，称为气温。一定容积内，一定质量的空气，其温度的高低只与气体分子运动的平均动能有关。即这一动能与绝对温度T成正比。因此，空气冷热的程度，实质上是空气分子平均动能的表现。当空气获得热量时，其分子运动的平均速度增大，平均动能增加，气温也就升高。反之当空气失去热量时，其分子运动平均速度减小，平均动能随之减少，气温也就降低。1、主要气象要素大气的一般特性摄氏温标（Celsius），是一种世界上普遍使用的温标，符号为℃，由瑞典天文学家摄尔维斯1742年提出。摄尔维斯把标准大气压下水的冰点定为一百度，沸点定为零度，其间分成一百等分，一等分为一度。因使用很不方便，第二年就颠倒过来使用。1954年的第十届国际度量衡大会特将此温标命名为“摄氏温标”，以表彰摄氏的贡献。

气温的单位大气的一般特性华氏温标（Fahrenheit，符号为℉）：1714年，德国人华伦海发现液体金属水银比酒精更适宜制造温度计，发明了水银温度计，创立了第一个温度标准——华氏温标，使温度计第一次有了统一标准。华氏最初选定冰和盐混合物凝固时为0度，用酒精温度计分度，而概略的将人体温度定为100度。后来选用水沸点和冰点这两个恒定温度作固定点，用水银温度计进行分度，把两个温度点之间分成180格，每格定为1华氏度。华氏温标至今只有美国、英国仍在使用。大气的一般特性符号为K，由英国物理学家开尔文（原名WilliamThomson）1848年创立，也称热力学温标。开氏温标不以水的冰点作为零度，而是以理论上所说的分子热运动将完全停止时的温度作为零度。其分度法与摄氏温标相同，即绝对温标上相差1K时，摄氏温标上也相差1℃；故绝对温标上水冰点定为273.15K，沸点定为373.15K。

开氏温标大气的一般特性摄氏温度与华氏温度的换算式：

5（F-50º）=9(C-10º)

C=5/9(F-32)

F=9/5(C+32)摄氏温度与开氏温度的换算式：

℃＝K-273.15大气的一般特性（2）气压气压，是指大气的压强，是空气的分子运动与地球重力场综合作用的结果。P=F/AF=MgP=Mg/AFA大气的一般特性静止大气中任意高度上的气压值等于其单位面积上所承受的大气柱的重量。当空气有垂直加速运动时，气压值与单位面积上承受的大气柱重量就有一定的差值，但在一般情况下，空气的垂直运动加速度是很小的，这种差别可以忽略不计。大气的一般特性一般情况下气压值用水银气压表测量，所以气压单位曾经用毫米水银柱高度（mmHg）表示，现在通用百帕（hPa）来表示。当选定温度为0℃，纬度为45°的海平面作为标准时，海平面气压为1013.25hPa，相当于760mm的水银柱高度，称此压强为1个大气压。大气的一般特性(3)空气湿度表示大气中水汽量多少的物理量称大气湿度。大气湿度状况与云雾、降水等关系密切。大气湿度常用下述物理量表示：

水汽压和饱和水汽压

相对湿度

饱和差

绝对湿度

比湿

水汽混合比

露点大气的一般特性

水汽压和饱和水汽压水汽压，即大气中水汽部分所产生的分压力,用e表示，单位是百帕（hPa）。大气中水汽含量越多，水汽压越大。饱和水汽压，即一定体积空气在一定温度条件下所能容纳的最大水汽量所具有的压力，用E表示。饱和水汽压随温度升高而增大。大气的一般特性

相对湿度相对湿度，即空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压之比的百分数，用f表示。相对湿度直接反映空气距离饱和的程度。当其接近100％时，表明当时空气接近于饱和。当水汽压不变时，气温升高，饱和水汽压增大，相对湿度会减小。大气的一般特性

饱和差在一定温度下，饱和水汽压与实际空气中水汽压之差称为饱和差，用d表示。即d=E-e，d表示实际空气距离饱和的程度。在研究水面蒸发时常用到d，它能反映水分子的蒸发能力。大气的一般特性

绝对湿度绝对湿度，即单位体积湿空气所含有的水汽质量，也称水汽密度，用a表示，单位是g/m3或g/cm3。空气中水汽含量越多，绝对湿度越大。绝对湿度不能直接测量，需根据气温和水汽压来推算，在应用上没有水汽压方便。大气的一般特性

比湿在一团湿空气中，水汽的质量与该团空气总质量的比值，称比湿（q）。其单位是g/g，即表示每一克湿空气中含有多少克的水汽。也有用每千克质量湿空气中所含水汽质量的克数表示的即g/kg。大气的一般特性

水汽混合比一团湿空气中，水汽质量与干空气质量的比值称水汽混合比（γ）。大气的一般特性

露点空气中水汽含量不变，气压保持一定时，空气冷却达到饱和时的温度，称露点温度，简称露点，用td表示。气压一定时，露点的高低只与空气中的水汽含量有关，水汽含量愈多，露点愈高，所以露点也是反映空气中水汽含量的物理量。在实际大气中，空气经常处于未饱和状态，露点温度常比气温低（td＜t）。因此，根据t和td

的差值，可以大致判断空气距离饱和的程度。气温降到露点，是水汽凝结的必要条件。大气的一般特性(4)降水降水是指从天空降落到地面的液态或固态水，包括雨、毛毛雨、雪、雨夹雪、霰、冰粒和冰雹等。降水量指降水落至地面后（固态降水则需经融化后），未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的深度，降水量以毫米（mm）为单位。大气的一般特性在高纬度地区冬季降雪多，还需测量雪深和雪压。雪深是从积雪表面到地面的垂直深度，以厘米（cm）为单位。当雪深超过5cm时，则需观测雪压。雪压是单位面积上的积雪重量，以g/cm2为单位。降水量是表征某地气候干湿状态的重要要素，雪深和雪压还反映当地的寒冷程度。大气的一般特性（5）风空气的水平运动称为风。风是一个表示气流运动的物理量。它不仅有数值的大小（风速），还具有方向（风向）。因此风是向量。大气的一般特性风向是指风的来向。地面风向用16方位表示，高空风向常用方位度数表示，即以0°（或360°）表示正北，90°表示正东，180°表示正南，270°表示正西。在16方位中，每相邻方位