第三讲大气湿度与凝结

第三讲:大气湿度与凝结大气中的水蒸发和饱和描述大气水汽含量的方法相对湿度与露点相对湿度与人阅读：MeteorologyToday，第5和6章11、大气中的水水是大气中的重要成分。水汽是大气中唯一一种在大气自然条件下有三相变化的气体。水对许多大气过程，尤其是剧烈的天气过程起着关键作用。水的相变影响大气中的能量平衡，如蒸发导致冷却、凝结导致热量释放。水循环可以冲刷大气中的污染成分。云量会影响大气的辐射平衡。水汽的多少也影响人的舒适度。2水的分子结构两个氢氧键之间的夹角是105°，所以，水分子具有明显极性。3冰的晶体结构当水处于固体状态〔冰〕时，水分子由于分子之间强的极性固定在一起，呈正6面体晶体。这些水分子无法移动，但可以振动。一个雪片可以由许多这样的晶体组成。4水的相变固态水变成液态水，这个过程称为融化〔溶化，melting〕。从固态直接到气态的相变成为升化〔sublimation)。从液态到气态的相变相变叫蒸发(evaporation)。52、蒸发和饱和饱和指蒸发和凝结处于平衡状态，多余的水汽将打破这一平衡。茶杯如果盖上一个盖子，蒸发的水分子最终将和凝结的水分子到达平衡，这时水汽到达饱和。如果把盖子去掉，一局部水分子将向空气中逃去，平衡被破坏，更多的水分子将蒸发。6水汽压当空气中水分子产生的压力叫水汽压水汽压是大气水分含量的一种表示方法，水汽压单位是[Pa]或mb水汽压与水汽密度(ρv)和温度的关系由理想气体定律表示e=ρv·Rv·T.7分压总压力=PN2+PO2+PAr+PH20+PCO2+…总压力是1000hPa,PN2~780hPa 78%PO2~210hPa 21%PH20~10hPa 1%

分压是一个常用的表示气体含量的单位8湿空气空气是各种气体的混合体，空气=干空气+水汽湿空气密度更大?干空气〔只含氧气和氮气〕的分子量： 氮=14x2=28x0.78~22 氧=16x2=32x0.21~7合计:29水汽的分子量 氢=1x2=2 氧=16x1=16189饱和水汽压空气饱和时水汽分子产生的压力饱和需要的水汽分子数目随温度增加而增加。在同等温度下，冰面与水面的饱和水汽压不同！10Clausius-Clapeyron方程Clausius-Clapeyron曲线的重要性说明暖空气可含有更多的水汽描述了给定温度下的最大水汽含量可以用水汽压或者其他湿度单位来表示水汽量饱和水汽压与温度不是线性关系113、描述大气水汽含量的方法绝对湿度or水汽密度(ρv)比湿(q)相对湿度

(RH)露点温度(Td)实际水汽压(eorea)12绝对湿度(absolutehumidity)单位体积内的水汽质量(gm-3),取决于温度和压力,很少使用(why?)空气膨胀冷却，压缩加热体积变化，那么绝对湿度也变化13比湿

(q,specifichumidity)比湿(q)=水汽质量(kg)/空气质量(kg)空气质量=干空气+水汽当体积改变时，质量不变，所以，比湿不变，q守恒的湿度量q的变化表示空气中水汽量的变化(蒸发，凝结〕14它们的差异在于用总质量还是用干空气质量与水汽质量去比，分别称为比湿和混合比比湿和混合比15相对湿度16一些可能的误解相对湿度100%不表示空气全是水汽热天,热带室外空气中水汽含量一般小于20g/kg

35°C时饱和比湿36.8g/kg

RH=(20g/kg/36.8g/kg)•100%=53%T=-20°C,

饱和比湿0.8g/kg，假设水汽含量是0.7g/kg

RH=(0.7g/kg/0.8g/kg)•100%=90%

T=+20°C,饱和比湿8g/kg，假设水汽含量7g/kg

RH=(7g/kg/8g/kg)•100%=90%17相对湿度的例子T=14°C

比湿=6g/kg

饱和比湿=10g/kg

RH=[6g/kg/10g/kg]•100%=60%T=25°C

比湿=6g/kg

饱和比湿=20g/kg

RH=[6g/kg/20g/kg]•100%=30%18相对湿度随温度的变化19Rh的日变化白天，空气中的水汽含量实质上没有太大变化，但一天中温度变化很大，相对湿度就会有明显的日变化，因为温度改变，饱和水汽压也变了。相对湿度与温度反相关，最高一般在清晨，最低在下午。20RH随纬度的变化热带高，副热带低，极地高。请比较该图和比湿随纬度的变化！21露点温度Td露点：大气等压冷却到达饱和时的温度。如某气块中的水汽含量不变，假想由于温度的降低，相对湿度会逐渐变大。当相对湿度变为100%，即空气变得饱和时的温度称为该气块的露点温度，简称露点。露点温度可以很好地反映气块中水汽量的多少。气块的实际温度和露点温度之差，称为温度露点差，可以很好地反映相对湿度〔离饱和还有多远〕。22极地空气：温度-20C露点-20C相对湿度100%沙漠空气：温度350C露点50C相对湿度16%23露点温度二者相等,T=TdT>Td(饱和)进一步冷却，T=Td24计算相对湿度和露点Tetens公式255、相对湿度与人

人体对相对湿度的反响人体主要对相对湿度，而不是对绝对湿度有反响，其主要原因是人体的反响与水份的蒸发有关，而水份的蒸发直接与相对湿度有联系。在炎热的条件下，人主要通过汗水的蒸发来散发热量。当环境的相对湿度高时，蒸发困难，热量就散发不出去，人感觉到闷热。在冬天，环境湿度比较低，皮肤蒸发很快，容易出现皮肤干裂的现象。26凝结、雾和云露和霜的形成凝结核霾雾云各种云图2728水汽的垂直分布水汽的主要源是在地面，通过垂直运动和湍流交换送到高空，因此其浓度分布一般也向上递减。整层大气的总水汽量是各层大气水量的和，常常用多少毫米水柱高度来表示。一般变化于1–100mm之间。可以用全球大气中总的水汽量来做一个估计。大气中的水汽量是13x1012m3。按地球半径6370公里，外表积为4*3.1416*(6370000)2=509x1012m2平均水柱高度13x1012/509x1012=0.02549m=25.5mm29云中的水量虽然地球上总的降水量上很大的，这些降水都是要通过云才能形成，但云本身所有的水量是很小的。一般云中液体水的含量约0.1–0.6g/m3,平均为0.3g/m3。3公里厚度云的水量为0.3x3000=900g分配在1m2的面积上，其厚度为0.9mm301、露和霜的形成在晴朗，无风的夜晚，容易形成露和霜露和霜经常出现在植物叶子外表冬天窗户玻璃上常常可以看到结霜形成的窗花。但没有人知道它为什么会是你所见的把戏31露与霜晴空和静风时：辐射使地面降温速率比空气快地面进一步冷却如果地面温度降低到露点——发生凝结322、霾〔HAZE)如果在大气中漂浮着一层尘埃或海盐颗粒，你会发现在早晚时间，远处目标外物看得不太清楚，而在中午时就比较清楚，这就是有一层霾。霾的特点是这些颗粒还不是水滴，但它们随着相对湿度的增加会潮解，颗粒会变大；而当相对湿度减小时，颗粒会变小。当然，这些颗粒都很小。在枯燥的时候其半径约0.1µm，它对太阳光的选择散射使它有发蓝色的感觉。当湿度增大，颗粒也变大，散射光变成白色。当RH从60％变到80％，散射能力增加3倍。当大量的海盐颗粒漂浮在海面上方，那里的相对湿度又比较高，常常呈现为一层白色的霾层。相对湿度接近100%时霾可以变成雾(能见度<1km)33霾干霾–散射蓝光的小粒子，在暗背景下呈蓝色；在亮背景下呈黄色。湿霾–散射各色光的大粒子,呈白色干霾可变成湿霾343、凝结核

〔CondensationalNuclei)产生云和露的凝结过程实际上并不是一个很简单的过程，并不是只要空气到达饱和就可以了。凝结过程往往要依附于一个物体。如果水汽要在空中凝结出来，形成云或雾，它也要在空中找一个可以依附的物体，这就是凝结核。在凝结过程发生之前，空气中只有水汽分子，处于单一相态的状态。如果由于凝结，出现水滴，空气中出现另外一种相态。从单一水汽相中产生液相水滴，或在过冷却的水滴中产生固相的冰晶，并不是由原来的相态连续转变而来的。总是先在母相中产生新的凝聚相的胚胎，而后这些胚胎在适当的条件下再长大成新相的粒子，这种生成新相胚胎的过程叫做核化。35核化(NucleationorActivation)仅由单一物质分子自身结合成新相胚胎称为均质核化过程；有其它物质参与下生成新相胚胎称为异质核化过程。在空气中仅仅有水分子的情况下〔即均质核化过程〕，几个水分子可能会碰在一起，形成一个分子簇。它们也可以被认为是最初的小水滴，但它们是不稳定的，可能很快又分开了。36凝结核的作用热力学计算说明，对纯水汽的情形，只有到过饱和度到达400%以上〔即相对湿度500%以上〕，均质核化过程才能出现。因此最初的水滴需要依附在其它颗粒物上，能起这种作用的颗粒物被称为凝结核。有凝结核时的核化过程是异质核化过程。大气中有许多尘埃，气溶胶颗粒都可以起到凝结核的作用，其中吸湿性的核，如盐粒子等都很有效。凝结核越大，它形成最初的水滴也越大，以后的增长要求的过饱和度也越低。大气中的凝结核数量大约每立方米100-数千个。37云凝结核〔CCN〕对云滴形成最有利的核是半径大于0.1µm的颗粒，称为云凝结核〔CloudCondensationNuclei〕。一般大气中其浓度为100–1000个/cm3。它们的来源包括灰尘，火山，森林火灾，海水溅沫，海洋生物排放的硫化物，人类活动排放的各种颗粒物。CCN的重量很小，可以在大气中停留很长的时间。在大气污染的地区，其浓度会很高，到达106/cm3。有些凝结核是吸湿性的，它在相对湿度到达100%之前就已经潮解了，它对形成水滴特别有利。海盐在相对湿度78%就开始潮解。其他还有硫酸盐和硝酸盐的颗粒也有吸湿性。目前一个十分受到关注的问题是人类活动增加的大量CCN是否会影响到云或降水的特性。但CCN是绝对重要的。如果大气完全清洁，一个CCN都没有，大气环境将是不可思议的。38云凝结核〔CCN〕对云滴形成最有利的核是半径大于0.1µm的颗粒，称为云凝结核〔CloudCondensationNuclei〕。一般大气中其浓度为100–1000个/cm3。它们的来源包括灰尘，火山，森林火灾，海水溅沫，海洋生物排放的硫化物，人类活动排放的各种颗粒物。CCN的重量很小，可以在大气中停留很长的时间。在大气污染的地区，其浓度会很高，到达106个/cm3。有些凝结核是吸湿性的，它在相对湿度到达100%之前就已经潮解了，它对形成水滴特别一利。海盐在相对湿度78%就开始潮解。其他还有硫酸盐和硝酸盐的颗粒也有吸湿性。目前一个十分受到关注的问题是人类活动增加的大量CCN是否会影响到云或降水的特性。但CCN是绝对重要的。如果大气完全清洁，一个CCN都没有，大气环境将是不可思议的。39云凝结核〔CCN〕大于0.1µm的CCN可以成为云滴空气中CCN浓度一般100–1000/cm³吸湿CCN(RH<100%时也可以凝结生长)非吸湿CCN(只有RH>100%时才凝结生长)hygroscopichydrophobic404、雾前面的霾还没有完全变成水滴，如果相对湿度到达并超过100%，它们继续增长，就会变成一个水滴。在地面，这就是雾。随着雾滴的半径和浓度加大，能见度变到达越来越低。当能见度小于1公里时间，就是雾了。在城市或污染严重的地区去，雾滴一般比较小但浓度较高，这样能见度就更低；而在海洋上空，雾滴常常是半径大，浓度低，相对来说对能见度的影响小一些。如果空气或作为凝结核中还有酸性的污染物，雾水还可能带酸性，称为酸性雾或酸雾。雾的形成和云的形成一样：CCN，过饱和比湿。导致过饱和的过程：辐射冷却、平流、抬升冷却、混合41辐射雾〔地面和山谷〕条件:晴空、静风、低温，常出现在秋冬42平流雾暖湿空气移动到冷外表上，如果下垫面比空气冷，空气冷却至露点就形成平流雾。43平流雾出现在陡峭的海岸而非沙滩44蒸发(混合)雾冷空气移至暖水面上会出现蒸发雾。两股不饱和的空气混合可产生饱和的空气，如飞机的凝结尾巴45蒸发(混合)雾两个不饱和的气团混合产生饱和气团，并形成雾46雾的消散和人工消雾散射的太阳光加热地面，向上加热空气，暖空气中开始蒸发，空气升高与上方的冷空气混合。这时候看到雾抬升了。卫星图片显式雾的消散从最浅的边缘开始。人工消雾使雾滴变大，并沉降落下来；在过冷雾中播撒干冰，使雾中的过冷水滴转化为冰晶而下落；加热空气，使雾滴蒸发；把上层枯燥的冷空气混合到雾中，使雾滴蒸发。昂贵且效果不明显47总结：雾的成因形成雾的过程大致有二种：冷却和蒸发混合。辐射雾：在无风的晴朗夜晚，近地面由于辐射冷却，水进地面层空气饱和，并形成雾。夜晚越长，辐射冷却的时间越长，辐射雾容易形成。所以辐射雾常常出现在冬季。平流雾：这常常出现在一团潮湿和温暖的空气移动到冷的下垫面上方。暖空气被降温而到达饱和，形成雾。冬季，陆地外表温度比较低，而海水的温度比较高。当海洋上方的空气移动到陆地上方，就容易出现平流雾。平流雾也可能是海洋上方冷热二个气团相混合的结果。48上坡雾：空气被沿着山坡抬升，冷却，形成雾。在某些地区，由于地形的特点，这种雾经常出现。蒸发〔混合〕雾：冬天，你哈出一口气，就会出现白色的蒸发〔混合〕雾。这时，外面的空气很冷，嘴巴里的空气很热也很湿，但并没有出现雾。当这团热空气与外面的冷空气一混合，降温，空气就变成饱和的了，就出现雾。495、云云是由漂浮在空气中的无数小水滴，小冰晶或由二者共同组成的可见集合体。云不仅能反映当时大气运动，大气稳定度和水汽情况，而且能预示未来天气的变化，被称为天气的指示牌。云的观察一直是靠人眼睛进行的。虽然对各种云有许多记载，但想起来要对云进行分类己经是很晚的事情了。1802年，法国的Lamarck(1744-1829)第一次提出一个方案，但没有得到重视1803年，英国的LukeHoward用拉丁字来描述云的卷、层、积等特征1887年Abercromby&Hildebrandsson在Howard的根底上提出一个方案，根本上沿用至今50云的分类形成过程：积云，层云，波状云云体温度：冷云，暖云微物理结构：水云，冰云，混合云云体高度：高，中，低云Stratus-Latinfor“layer〞Cumulus-Latinfor“heap〞Cirrus-Latinfor“curlofhair〞Nimbus-Latinfor“violentrain〞51云形成条件和分类热力对流〔热力不稳定〕：积状云动力抬升〔锋面或辐合〕：层状云大气波动〔下界面不同或逆温层〕：波状云地形抬升〔强迫〕：地形云〔积、层、波〕52云的分类云分4族：低云，地面–2公里中云，2–6公里高云，6–10公里直展云，地面-18公里4族中分10属〔主要按积状和层状来分〕高云：卷云(Ci);卷层云(Cs);卷积云(Cc)中云：高层云(As)；高积云(Ac)低云：层云(St)；层积云(Sc)；雨层云(Ns)直展云：积云(Cu)；积雨云(Cb)5354

卷云具有丝缕状结构，呈白色，有晶莹光泽，阳光透过时没有阴影。由于风速较大多，卷云呈丝条状、羽毛状、钩状、片状和砧状等。由冰晶组成。云高6-13KM。卷云55卷积云云块看来很小，呈白色鳞片状，个体常排列成行，很像轻风吹过水面所引起的小波纹。当高空存在着逆温层时，在其下界附近就出现了上面是密度较小的暖空气，下面是密度较大的冷空气的界面。界面上下气流的速度不一样时，就产生空气的垂直波动，形成云。56云体均勻成层，透明或呈乳白色，透过云层时日月轮廓清楚，常有晕的现象，其高度和厚度与卷云相近。当云加厚并降低时预示天气将变化；假设无明显开展或云量减少，那么未来天气不会有显著变化。卷层云的类别有：毛卷层云和薄幕卷层云。卷层云57云块较小，最大的云块其视直径小于太阳视直径的十分之一。其形状有扁园形、瓦状、鱼鳞状、团絮状等多种形状。个体轮廓清楚，或聚集成波状或田状的排可列形式。云底高2-6公里，厚度200-700米。高积云的类别有：透光高积云；蔽光高积云；积云性高积云；絮状高积云；堡状高积云；荚状高积云。高积云58高层云是浓密灰白色或灰色、均勻成层的云体，云底高3-6公里，厚1-2公里。云中除水滴外，可有冰晶等固态水。多属锋面云系