农林气象学 第三章大气水分

水分与农林业生产第三章水分Moistureintheatmosphere本章内容

空气湿度

蒸发和蒸腾

水汽凝结

降水2024/6/31第一节空气湿度

空气湿度：表示空气中水汽含量多少或潮湿程度的物理量。主要有以下几种表示方法：

水是植物的生活因子。有收无收在于水，收多收少在于肥。大气中的水分来自于江河湖海、潮湿土壤及含有水分的地物表面的蒸发和植物的蒸腾，悬浮在大气中的水分称为空气湿度，落向地面的水分称为降水。2024/6/32一、空气湿度的表示方法1.水汽压（e）

反映空气中水汽含量的多少，水汽含量越多,水汽压e越大。

空气中水汽所产生的分压强。

单位：百帕(hPa)、毫米汞柱（mmHg）

2024/6/33定义：

在一定的温度条件下，一定体积的空气所能容纳的水汽分子的数量是有一定限度的，如果水汽含量恰好达到此限度，就称为饱和空气，饱和空气中水汽所产生的压力，就称为饱和水汽压。饱和水汽压与温度的关系用马格奴斯半经验公式表示:

a、b为常数，E0为0℃时纯水面的饱和水汽压6.11hPa,对于纯水面，a＝7.63，b＝241.9。

2.饱和水汽压（E）2024/6/34

温度：T

E

影响因子：EET图3-1饱和水汽压随温度的变化2024/6/35蒸发面性质：

E水＞E冰液体的浓度：浓度越大

E越小蒸发面形状：

E凸面＞E平面＞E凹面图3.2饱和水汽压与蒸发面的关系2024/6/36单位体积空气中所含的水汽质量称为绝对湿度，又称水汽密度，单位g/m3

。即：3.绝对湿度（a）它是直接表示空气中水汽绝对含量的物理量。绝对湿度不易测得，常通过测定水汽压、温度计算出来。2024/6/374.相对湿度（r）空气的实际水汽压（e)与同温度下的饱和水汽压(E)的百分比。反映空气的相对潮湿程度

当温度不变时，E不变：水汽含量

e

r

当水汽含量不变时，e不变：温度

E

r

2024/6/38

关于r的几点讨论：（1）0r1（2）r=100%时，表示空气中水汽已饱和。（3）当e变化不大时，即空气中水汽含量一定时，

t,E,则

r

t,E,则r

即可通过降低空气的温度，使其达到饱和。2024/6/395.露点温度（td）

当空气中的水汽含量不变且气压一定时，降低温度使空气达到饱和，此时的气温称为露点温度。与气温单位相同。EeTttdeE（t,e）如t=10℃,e=8.72hPa,降低温度到5℃时（E=8.72hpa）则5℃是10℃的露点温度。

露点温度下的饱和水汽压就是实际水汽压。

图3.3

饱和水汽压与温度的关系2024/6/310

6.饱和差（d）：同一温度下饱和水汽压与实际水汽压之差。d=E-e

反映空气的潮湿的相对程度。

当温度不变时，即E不变：水汽含量

、

e

、d

当水汽含量不变时，即e不变：温度

、

E

、

d

对未饱和空气，相对湿度相同时，饱和差是否相同？2024/6/311例1：已知r＝30％，td＝15℃，求饱和差d。解：（1）（2）d＝E－e（3）d＝39.77（hPa）2024/6/312二、空气湿度的变化（一）绝对湿度随时间的变化1.日变化：单波型（海洋型）

海洋、沿海地区、冬季大陆a时间日出前14时双波型（大陆型）

夏季内陆、沙漠地区a时间日出前14时8-9时20-21时

对流、乱流较强的季节和地区对流乱流弱，或水分充足的地区2024/6/3132.年变化：a时间冬季夏季

一般与气温的年变化一致。最大值陆地出现在7月份，沿海出现在8月份，最小值陆地出现在1月份，沿海出现在2月份。绝对湿度的年变化还与降水的季节分布有关。2024/6/314（二）相对湿度随时间的变化与气温的日变化相反。时间r夜昼T

地面水分蒸发

e

，由于E随温度变化比e

快，因此T

r

。近海地区及其它大型水体的周围（晴朗稳定的天气条件下）与气温的日变化相同。r时间夜昼海陆风（水陆风）昼：吹海风，潮湿夜：吹陆风，干燥1.日变化：2024/6/3152.年变化：与气温的年变化相反T

地面水分蒸发

e

，E随温度变化比e

快，因此T

r

同理T

r

。r时间夏季冬季季风气候区：与气温的年变化相同。r夏季冬季时间夏季:夏季风,来自海洋,潮湿冬季:冬季风,来自内陆,干燥

2024/6/316第二节蒸发和蒸腾

蒸发速率：单位时间从单位面积上蒸发掉的水的质量。单位：g／cm2·日

日蒸发量：一天中蒸发掉的水层厚度。单位：mm／日;

1g／cm2·日＝10mm／日

气象观测中，蒸发量的大小是以某段时间内自然水面因蒸发而消耗掉的水层厚度来表示。2024/6/317一、水面蒸发

1.影响水面蒸发的因子：

温度

W

湿度

W

气压

W

风速

W

蒸发面性质：W水＞W冰蒸发面形状：W凸面＞W平面＞W凹面溶液浓度：浓度

W

2024/6/318上式中：W----水面蒸发速度(g·cm-2·d-1或mm·d-1）k----与风速有关的比例系数P----当时的大气压力E----水面温度下的饱和水汽压e----贴近水面空气的实际水汽压道尔顿蒸发定律：2.水面蒸发速率的大小2024/6/319二、土壤蒸发1.定义：土壤水分汽化并向大气扩散的过程。

●蒸发直接发生在土壤表面。●下层土壤通过毛细管向土表输送水分，水汽通过土壤的孔隙达表层逸出土表。

2024/6/320粗糙的土表蒸发＞平滑的；深色＞浅色方位：南坡＞北坡

土壤含水量的大小和土壤的性质、结构等因子，即土壤水分向上输送的条件，称土壤的供水能力。2.影响土壤蒸发的因素

气象因子包括辐射、温度、湿度、风等,称为大气蒸发力

土壤因子2024/6/321土壤表层变干，蒸发面下降，气象条件的影响减小。3.土壤蒸发的三个阶段及抑制土壤蒸发的措施●第一阶段：土壤表层饱和，蒸发主要发生在土壤表层，此时土壤蒸发速度接近水面蒸发速度，主要受气象因子的影响。●第二阶段：此阶段可通过浅锄地来减小土壤蒸发。此阶段可通过镇压以减小土壤孔隙度和透气性的方法来达到保墒的目的。2024/6/322干土层加厚,主要受土壤条件的影响.●第三阶段:

此时，地表干土层已经很厚，必须采取灌溉才能满足植物对水分的需要。

除上述不同土壤蒸发阶段的保墒措施外，目前广泛采用的地膜覆盖、土壤保水剂、土壤蒸发抑制剂等都具有良好的保墒效果。2024/6/323三、植物蒸腾

1.概念：植物体内的水分通过体表（主要是叶片表面）汽化进入大气的过程，称为蒸腾。蒸腾既是物理过程，又是生理过程。

蒸腾主要是通过叶片气孔实现的，水汽分子由气孔扩散到大气中要克服两种阻力，即气孔阻力和空气片流副层的阻力。蒸腾系数：指合成1克干物质蒸腾消耗的水分克数。蒸腾系数的大小反映作物对水分需求的程度，也反映作物对水分的利用效率。

2024/6/324表3-1各种作物的蒸腾系数

作物蒸腾系数作物蒸腾系数小麦450～600向日葵500～600玉米250～300马铃薯300～600水稻500～800谷子124～271棉花300～600糜子268-341亚麻400～500蔬菜500～8002024/6/325

植物蒸腾是一个生物物理过程，主要起输送养分和维持体温的作用.蒸腾作用除受气象因子的影响和土壤因子影响外，还与植物的形态结构及生理类型有关。3.蒸腾的作用四、蒸散1.定义：植物蒸腾与土壤蒸发的总和。农田中的蒸散量即作物的实际耗水量。2.影响蒸腾的因子2024/6/326

农田蒸散不限于土壤表面的水分，还包括植物根系层土壤的水分；植物通过叶片气孔的开闭，可自行调节叶片蒸腾强度，从而影响农田蒸散；蒸腾主要在白天，而土壤蒸发则昼夜均可进行；蒸散面不仅是土面，还有叶面、茎面等植株表面。

2.影响蒸散的因子

气象因素：辐射差额、温度、湿度和风等；

植物因素：植物覆盖度、植物种类、生长发育状况、气孔数目与排列、张闭程度等；2024/6/327

土壤因素：土壤通气性、土壤含水量以及水分向土面和根系分布流动的速度等。3.估算：

◆桑斯威特(Thornthwaite)法资料易得，计算简单，但物理学基础不够充分，其一般适用于计算年或生长季节的蒸散量，而对于短期（小于一个月），或月平均气温低于0℃或干湿季节明显的季风区不适用。2024/6/328◆彭曼(Penman)法

综合考虑热量平衡方程、空气动力学方程及一些经验关系式：

彭曼公式：计算的是开阔自由水面可能蒸发量，将它乘上一定的系数能得出草地、裸地或农田的最大可能蒸散量。⑴可能蒸散（ET0）：一个开阔平坦的地表上，在无平流热的干扰下，其上生长着旺盛且完全覆盖地面的矮草，充分供水条件下的水分蒸散量。2024/6/329⑵需水量（ETm）：指在一定气候条件下充分给水时，受植物的发育与生理所规定的蒸散量。等于或小于可能蒸散。⑶实际蒸散量（ETa）＝蒸发量＋植物蒸腾量⑷蒸散量的计算主要应用于作物需水量及灌溉方面。

ET0＝fE0；

ETm=kcET0

灌溉量＝需水量－实际蒸散量2024/6/330式中，S：根层土壤实际含水量；Sw：根层土壤萎蔫系数；S*：根层土壤田间持水量。

当土壤水分充足时，ETa＝ETm；土壤水分不足时，ETa＝ksETm。f为地区系数（如西北干旱区0.85）,kc为作物系数，ks为土壤水分胁迫系数。2024/6/331

一、大气中水汽凝结的条件

有凝结核或凝华核的存在大气中水汽要达到过饱和状态(2)降低空气温度。空气的冷却（改变E）的方式有以下几种：

第三节水汽凝结空气中水汽达到过饱和的途径有两种：

(1)增加大气中的水汽含量，如暖水面蒸发(改变e)；2024/6/332

平流冷却：也称接触冷却，形成平流雾。混合冷却：温差大、接近饱和的两团空气混合后，会使混合后空气的平均水汽压大于混合后气团的饱和水汽压。绝热冷却：对云和降水的形成有重要作用。

辐射冷却：形成露、霜、雾。

二、水汽凝结物（一）地面的水汽凝结物2024/6/333形成条件：

a天气条件：晴朗、微风。

b温度条件：td＞0℃形成露，td＜0℃，形成霜。1.露和霜

与农业生产的关系2.雾凇和雨凇概念：

雾凇：是形成于树枝上、电线上或其它地物迎风面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。2024/6/334雨凇：是形成在地面或地物迎风面上的透明的或毛玻璃状的紧密冰层。

雾凇与霜的区别：形成的时间不同；形成地点不同；形成时的天气条件不同。－7～2℃时，过冷却水滴冻结成粒状雾凇，－15℃左右时，空气中的过饱和水汽凝华成晶状雾凇。2024/6/335雾凇似霜非霜，似冰非冰，迎风怒放，千姿百态。2024/6/336哈尔滨雾凇美如画2024/6/337雾凇2024/6/338泰山雾凇2024/6/339雨凇使岩石、大地、房顶、林木都结满了晶莹剔透的冰层，让万物骤然间凝聚成冰的世界.2024/6/340雨淞犹有花枝悄2024/6/341雨淞2024/6/342雨淞2024/6/343美丽的冰棱镜2024/6/344（二）近地气层中的水汽凝结物—雾

1.概念：悬浮于近地面气层中的大量水滴或冰晶，使水平能见度小于1km的物理现象。1－10km称作轻雾。2.形成条件：近地气层水汽充沛；有使水汽发生凝结（凝华）的冷却过程；有较多的凝结核或凝华核。3.分类：根据形成的天气条件和冷却过程不同雾分为：辐射雾、平流雾和混合雾。2024/6/345

辐射雾：是由地面辐射冷却使贴地气层变冷而形成的，日出后消散。“十雾九晴”即指辐射雾。河面雾、山腰雾、井雾等都属于辐射雾。

范围小、危害小、形成于夜间。有明显的地方性。平流雾：是暖湿空气流经冷的下垫面而逐渐冷却形成。

范围大、危害重、昼夜均可形成。寒冷季节沿海地区最为常见。混合物：平流冷却和辐射冷却同时发生形成的雾。4.与农业生产的关系削弱光合作用；加重病虫害。2024/6/346(三)自由大气中的水汽凝结物－云1.概念：悬浮在大气中的微小水滴或冰晶。通常由水滴、过冷却水、冰晶单独或混合组成。2.云的形成条件①凝结核；②空气中水汽过饱和③云的存在和发展还必须有上升气流不断补充水汽(引起空气上升的原因很多：地面增热产生的热力对流、冷暖气团相遇时在波状界面上滑升、空气越山时的地形抬升等。）2024/6/3474.分类：国际上根据云高、云状、云的结构和成因把云分为三族、十属、二十九种。3.形成原因

空气的上升运动是云形成和发展的主要原因。2024/6/3482024/6/349图3.1积状云的形成5.各种云的形成

⑴积状云的形成：空气对流上升，垂直发展的云块。分为淡积云、浓积云和积雨云

。2024/6/350⑵层状云的形成：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。⑶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。

图3.2波状云的形成2024/6/351⑷特殊云状的形成：如堡状、絮状、悬球状、荚状等。图3.3

堡状云的形成2024/6/352淡积云2024/6/353淡积云2024/6/354浓积云2024/6/355积雨云2024/6/356卷云2024/6/357钩卷云2024/6/358高层云2024/6/359层云2024/6/360透光卷积云2024/6/361透光高积云2024/6/362透光层积云2024/6/363堡状云2024/6/364荚状云龙卷风2024/6/365第四节降水

一、降水的成因

1.云滴增长的物理过程

云滴：半径小于100um的水滴雨滴：半径大于100um的水滴，标准雨滴半径为1000um。⑴云滴凝结(或凝华)增长

冰水共存、大小水滴共存、冷暖共存云滴。2024/6/366

图3-4大小水滴在下落过程中的冲并水汽会从饱和水汽压大的云滴移向饱和水汽压小的云滴，促使某些云滴增长。⑵云滴的冲并增长

三、降水的种类

根据降水的形态，把降水分为雨、雪、霰、雹等。2024/6/367（一）雨降落到地面的液态降水称为雨，按其性质分为：1.连续性降水：多为雨层云，时间长，尺度中等。2.阵性降水：一般为积雨云降水，时间短，强度大。3.毛毛雨：多为层云和层积云降水。（二）雪定义：从云中降落到地面的各种冰晶的集合物。2024/6/368思考题：雪花为什么是六角形的？(三)霰(四)雹四、降水的表示方法1.降水量降水的概念：从云中降到地面上的液态或固态水。常见的降水形式有雨、雪、霰、冰雹等。描述物理量：降水量、降水强度。2024/6/3692.降水强度单位时间内的降水量称为降水强度，以mm·d-1或mm·h－1。降水等级24h降水量（mm）降水等级24h降水量（mm）小雨0.0～10.0特大暴雨＞200.0中雨10.1～25.0小雪≤2.4大雨25.1～50.0中雪2.5～5.0暴雨50.1～100.0大雪＞5.0大暴雨100.1～200.0表3.1降水等级的划分2024/6/3703.降水变率⑴绝对变率：也称作降水距平，指某地某时期的降水量与同期多年平均降水量之差。⑵平均距平⑶相对变率：绝对变率与该时期多年平均降水量的百分比。2024/6/371⑷平均相对变率⑸降水保证率降水频率：某界限降水量在一定时期内出现的次数与该时期降水总次数的百分比。降水保证率：高于（低于）某界限降水量的频率总和，它表示某一界限降水量出现的可靠程度的大小。2024/6/372五、降水的分布

1.全球降水的分布有三个主要特点：

①赤道附近降水多，两极地区降水少。②回归线附近，大陆内部和西岸降水少，东岸降水多。③中纬度，大陆内部降水少，沿海地区降水多。

2.影响因子：大气的运动、气团和锋带的活动以及海陆分布。①空气温度对大气最大水汽含量的限制；②纬向的水汽输送主要是由大气平流造成的；2024/6/373③海陆分布：海洋使得中纬度的风暴增加了纬向分布的降水平均值；④山区的分布对局地盛行风的影响，也制约着降水分布。六、人工降水：冷云、暖云的人工降水

冷云是由过冷却水滴（温度低于0℃）组成的云体。由于层结稳定，云滴难以增长为雨滴的主要原因是云中缺乏冰晶。通常在云中撒药的部位是；干冰、碘化银等应撒在云中过冷却水滴区内。2024/6/374

存在问题：人工降水工作中，正确地选择云系，并根据云的情况选用药品和确定撒药的部位，是十分重要的。一般说来，对低而厚的云（如农积云、积雨云等