第三章大气中的水分(2011级用)

2024/3/13第三章大气中的水分1第三章大气中的水分2024/3/13第三章大气中的水分2第三章大气中的水分大气中的水分，在大气温度变化的范围内，可以以气、液、固不同的形态存在于大气之中。由于水分的蒸发、凝结等过程，使得地球上的水分处于不断地循环过程中。地球上的水分循环对地－气系统的热量平衡和天气变化起着十分重要的作用。2024/3/13第三章大气中的水分3第三章大气中的水分

第一节蒸发和凝结第二节地表面和大气中的凝结现象第三节降水2024/3/13第三章大气中的水分4第一节蒸发和凝结蒸发和凝结是重要的水相变化过程。蒸发和凝结是在一定的条件下相互转换的，转换的条件是实际水汽压和饱和水汽压的差异。影响蒸发的因素大气中水汽凝结的条件2024/3/13第三章大气中的水分5第一节蒸发和凝结一、水相变化二、饱和水汽压三、影响蒸发的因素四、湿度的时间变化和分布五、大气中水汽凝结的条件第二节2024/3/13第三章大气中的水分6一、水相变化相：在几个或几组彼此性质不同的均匀部分所组成的系统中，每一个均匀的部分叫做系统的一个相。水的三相：水汽、液态水和固态水水相变化：水相的相互转化2024/3/13第三章大气中的水分7一、水相变化1、水相变化的物理过程水相变化的实质是水的各相之间分子交换的结果2、水相变化的判断

——利用饱和水汽压和实际水汽压判断

——纯水（平水面）的位相平衡图3、水相变化中的潜热2024/3/13第三章大气中的水分8根据大量经验数据绘制

水的三种状态分别存在于不同的温度和压强下

三相共存的点——三相点两相共存时的状态曲线——蒸发线、融解线、升华线三个区域——水汽、水、冰纯水（平水面）的位相平衡图2024/3/13第三章大气中的水分9二、饱和水汽压1、饱和水汽压和温度的关系饱和水汽压随温度升高而加大

——空气的饱和状态可以由温度的变化而改变随着温度的升高，饱和水汽压按指数规律迅速增大（公式）（表）饱和水汽压随温度的改变量在高温时要比低温时大

——高温饱和空气中形成的云要浓一些（例）2024/3/13第三章大气中的水分102024/3/13第三章大气中的水分11Clapeyron-Clausius方程：由上面关系，积分后，得：

水面：冰面：Magnus经验公式水面：冰面：2024/3/13第三章大气中的水分12例如：当饱和空气的温度由35℃下降到30℃时，每立方米的饱和空气中可凝结的水汽量为9.2克；而当饱和空气的温度由15℃下降到10℃时，温度同样降低了5℃，但相应的水汽凝结量仅为3.4克。2024/3/13第三章大气中的水分13二、饱和水汽压2、饱和水汽与蒸发面性质的关系1）冰面和过冷却水面的饱和水汽压冰面和过冷水面的饱和水汽压仍与温度成指数关系(公式)冰面表面的饱和水汽压小于同温度下的过冷水面的饱和水汽压（表）二者在不同温度下的差值（图）“冰晶效应”2024/3/13第三章大气中的水分142024/3/13第三章大气中的水分152024/3/13第三章大气中的水分16二、饱和水汽压2、饱和水汽与蒸发面性质的关系2）溶液面的饱和水汽压同一温度下，溶液面饱和水汽压小于纯水面溶液浓度越高，饱和水汽压越小2024/3/13第三章大气中的水分17溶液NaCl（饱和）H2SO4(50%)H2SO4(25%)与纯水的饱和水汽压之比78%32%85%2024/3/13第三章大气中的水分18二、饱和水汽压3、饱和水汽与蒸发面形状的关系（图）

在同温度下，凸面的饱和水汽压最大，平面次之，凹面最小凸面的曲率越大，饱和水汽压越大；凹面的曲率的越大，饱和水汽压越小。2024/3/13第三章大气中的水分192024/3/13第三章大气中的水分20饱和水汽压影响饱和水汽压的因素有蒸发面的温度、蒸发面的性质、蒸发面的形状。饱和水汽压的大小实质上是由水面水分子脱离水面的难易程度决定的。越容易者，表面饱和水汽压越大；反之，表面饱和水汽压越小。2024/3/13第三章大气中的水分21三、影响蒸发的因素影响蒸发的主要因子1）水源2）热源3）饱和差4）风速与湍流扩散道尔顿定律2024/3/13第三章大气中的水分22四、湿度的时间变化和分布1、日变化（图）

（1）水汽压的日变化特点（2）相对湿度的日变化特点2、年变化3、随纬度分布（表）4、随海陆分布5、随高度分布2024/3/13第三章大气中的水分23夏季大陆海洋、秋冬大陆2024/3/13第三章大气中的水分24纬度赤道35°N65°N极地附近水汽压26hPa13hPa4hPa1～2hPa2024/3/13第三章大气中的水分25五、大气中水汽凝结的条件1、空气中的水汽达到饱和或过饱和促使水汽达到过饱和状态的过程有：1）暖水面的蒸发2）空气的冷却（过程）2、凝结（华）核第二节第一节2024/3/13第三章大气中的水分26空气冷却的方式绝热冷却辐射冷却平流冷却：暖湿空气流经冷的下垫面时，将热量传递给冷的地表，造成空气本身温度的降低。混合冷却：当温差较大，且接近饱和的两团空气水平混合后，也可能产生凝结。2024/3/13第三章大气中的水分27混合冷却由水平混合而产生的凝结2024/3/13第三章大气中的水分28§3.2地表面及大气中的凝结现象一、地表面的凝结现象1、露和霜（露

霜）2、雨凇和雾凇（雨凇

雾凇）1、雾（雾）2、云（云）二、大气中的凝结现象第三节2024/3/13第三章大气中的水分29露及露的形成①露②露的形成辐射冷却有利条件③露的降水量2024/3/13第三章大气中的水分30霜及霜冻①霜和露露点温度不同冻露：露水冻结而形成“早霜”、“晚霜”、“有霜期”、“无霜期”②霜和霜冻霜，天气现象；霜冻，农业气象灾害。霜冻有辐射型、平流型、平流辐射型白霜、黑霜2024/3/13第三章大气中的水分31雾凇雾凇及其种类

我国著名的雾凇城——

吉林2024/3/13第三章大气中的水分32雨凇2024/3/13第三章大气中的水分33受冷空气和西南暖湿气流影响，2009年2月26-27日，武汉市黄陂区北部山区出现罕见雨凇天气，树枝和电线上挂上了厚厚一层冰，冰层厚度在10毫米左右。出现这样严重的雨凇天气在该区历史上是少见的。2024/3/13第三章大气中的水分34冻雨--滴雨成冰2024/3/13第三章大气中的水分352024/3/13第三章大气中的水分362024/3/13第三章大气中的水分372024/3/13第三章大气中的水分381、雾1）定义雾、轻雾、霾近地层空气中的水汽充沛3）雾的种类有使水汽凝结的冷却过程有凝结核存在2）形成雾的基本条件2024/3/13第三章大气中的水分39种类定义形成有利条件活动特点有关谚语辐射雾辐射冷却空气中有充足的水汽；天气晴朗少云；风力微弱；层结稳定范围小；时段性、季节性；地方性。“十雾九晴”“久晴大雾必阴”“久阴大雾必晴”平流雾平流冷却暖湿空气湿度大；下垫面与暖湿空气温差大适宜的风向风速；层结稳定范围大；持续时间长；海上、我国；突发性。雾的种类2024/3/13第三章大气中的水分40浙江象山半岛出现平流雾奇观：2009年11月25日上午8点半左右，浙江省象山县县城的高楼和周边农村的房屋被平流雾“托”在了云端，宛如天上人间。2024/3/13第三章大气中的水分414）雾的影响雾的危害引发交通事故引发“污闪”事故危害人体健康有利影响滋润土地，给植物生长带来必要的水分保温作用2024/3/13第三章大气中的水分422、云1）云的形成

①凝结核②空气达到饱和——绝热冷却（上升运动）：热力对流动力抬升大气波动地形抬升2）云的分类2024/3/13第三章大气中的水分43云的分类积状云层状云波状云高云族（大于6km）卷云

卷层云

卷积云

中云族（2～6km）高层云

高积云

低云族（小于2km）积云

积雨云

层云

雨层云

层积云

2024/3/13第三章大气中的水分44积云种类淡积云

浓积云

碎积云

外貌特征

底部平坦顶部凸起孤立分散

形成——对流运动有关谚语2024/3/13第三章大气中的水分45淡积云2024/3/13第三章大气中的水分46浓积云2024/3/13第三章大气中的水分47碎积云2024/3/13第三章大气中的水分48积雨云秃积雨云鬃积雨云2024/3/13第三章大气中的水分49层云2024/3/13第三章大气中的水分50雨

层

云2024/3/13第三章大气中的水分51高

层

云

(一)2024/3/13第三章大气中的水分52高层云（二）2024/3/13第三章大气中的水分53蔽光高积云2024/3/13第三章大气中的水分54透光高积云2024/3/13第三章大气中的水分55蔽光层积云2024/3/13第三章大气中的水分56透光层积云2024/3/13第三章大气中的水分57卷积云2024/3/13第三章大气中的水分58毛卷云2024/3/13第三章大气中的水分59钩卷云2024/3/13第三章大气中的水分60卷层云2024/3/13第三章大气中的水分61薄幕卷层云2024/3/13第三章大气中的水分622024/3/13第三章大气中的水分632024/3/13第三章大气中的水分642024/3/13第三章大气中的水分652024/3/13第三章大气中的水分66第三节降水

降水：是指从云中降落到地面的液态或固态水。

降水量：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，用毫米（mm）表示。2024/3/13第三章大气中的水分67第三节降水一、降水的种类二、降水的形成三、降水的分布2024/3/13第三章大气中的水分68一、降水的种类1、根据降水的形态——

雨：自云体中降落至地面的液体水滴。

雪：自云体中降落至地面的雪花形态的固体水。

霰：从云中降落至地面的不透明的球状晶体，由过冷却水在冰晶周围冻结而成，直径2～5mm。

雹：是颗粒最大的固体降水，其直径小的为几毫米，大的可达几十毫米。是由透明和不透明的冰层相间组成的固体降水，呈球形，常降自积雨云。2024/3/13第三章大气中的水分69一、降水的种类2、根据降水强度——

降水强度：单位时间内的降水量，单位是mm/h或mm/d。按降水强度的大小，雨可分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨和特大暴雨；雪可分为小雪、中雪和大雪。标准如下：2024/3/13第三章大气中的水分70一、降水的种类3、根据形成降水的上升运动特点——

对流雨：由于热力对流的原因而形成的降水。

地形雨：在地形的强迫抬升作用下，在山地的迎风坡一侧形成的降水。

气旋雨：气旋活动带来的降水。

锋面雨：

还可以将降水分为连续性降水和阵性降水等。

2024/3/13第三章大气中的水分71二、降水的形成1、云滴增长的物理过程1）云滴的凝结（或凝华）增长2）云滴的冲并增长2、各类云中降水的形成和特点1）水成云、冰成云和混合云中的降水2）层状云、积状云及波状云的降水2024/3/13第三章大气中的水分72二、降水的形成

降水的形成就是云滴增大为雨滴、雪或其他降水物的过程。1、云滴增长的物理过程1）云滴的凝结（或凝华）增长

云滴的凝结（或凝华）增长是指云中的云滴依靠水汽分子在其表面上凝结（或凝华）而增长的过程。云中的实际水汽压大于云滴表面的饱和水汽压时；当云中冷、暖云滴共存时；当大、小云滴共存时；当冰晶与过冷却云滴共存时。2024/3/13第三章大气中的水分73在云形成和发展阶段，由于云体的继续向上发展，而造成绝热冷却，或云外不断有水汽输入云中，这时云滴由于水汽的凝结（或凝华）而增长。一旦云中的水汽凝结（或凝华），云中的湿度减小，云滴周围不能维持过饱和状态，使云滴的增长以水汽的扩散转移为主。在前面介绍的几种水汽扩散的过程中，冰晶和过冷却云滴共存时产生的冰晶效应最显著，因为在相同温度下，冰、水之间的饱和水汽压的差值最大。2024/3/13第三章大气中的水分74

根据理论计算，在只有云滴的凝结（或凝华）增长时，云滴从10微米增长到250微米（相当于毛毛雨的粒径）需要24小时。而实际上，只需几个小时，云滴就可以从10微米增长到3500微米（阵雨的粒径）。2024/3/13第三章大气中的水分75二、降水的形成1、云滴增长的物理过程2）云滴的冲并增长

云滴和云滴因碰撞、合并而增长的过程。云滴相互冲并的原因有多种，如由于云中分子的不规则运动、云中空气的湍流混合、云滴带有正负不同的电荷、流体吸力等，但最重要的冲并过程是重力冲并。2024/3/13第三章大气中的水分76重力冲并在重力场中，由于大小云滴速度不同而产生的冲并现象。重力冲并增长的快慢程度与云中含水量的大小和大小云滴的相对速度成正比。2024/3/13第三章大气中的水分772024/3/13第三章大气中的水分78临界半径：云滴在下降过程中保持不破碎的最大尺度称为临界尺度，常用等体积球体的半径来表示，成为临界半径或破碎半径。“连锁反应”：云中的水滴增大——破碎——再增大——再破碎的循环往复过程。产生“连锁反应”的条件：上升气流要大于6m/s，云中的含水量要大于2g/m3，同时还要求一定的云厚。2024/3/13第三章大气中的水分792、各类云中降水的形成1）水成云、冰成云和混合云中的降水

水成云：由水滴组成的云。稳定的水成云降水：如层云、层积云和高积云等；一般不产生降水。不稳定的水成云降水：如热带地区的浓积云；热带暴雨。2024/3/13第三章大气中的水分801）水成云、冰成云和混合云中的降水

冰成云：由冰晶组成的云。主要为卷云、卷层云、卷积云。当云中的含水量相同时，冰成云比水成云更容易产生降水。原因：冰面的饱和水汽压小；具有更大的横截面积；下降