大气中的水分

第五章大气中的水分 空气湿度蒸发与蒸散凝结和凝结物降水人工降水 第一节空气湿度 水的三态变化空气湿度参量空气湿度的变化 水汽压 绝对湿度 露点温度 相对湿度 空气湿度参量 饱和差 绝对湿度是单位容积空气中所含水汽的质量 也就是水汽的密度 千克 米 3 在空气中水汽含量和气压不变的条件下 当气温降低到使空气达到饱和时的那个温度称为露点温度 Td 简称为露点 露点温度也是表示水汽含量多少的物理量 未饱和空气Td T 饱和空气Td T 在某一温度下 饱和水汽压 E 与实际水汽压 e 之差 称为饱和差 其表达式为 d E e 大气中由水汽所产生的分压强称为水汽压 饱和空气中的水汽压称做饱和水汽压 Magnus公式 E E0 l0at b t 式中E0 6 11hPa 是0 时的饱和水汽压值 a和b是常数 湿空气中实际水汽压e与同温度下饱和水汽压E的百分比 即f e E 100 相对湿度越小 表示当时空气越干燥 当相对湿度接近于100 时 表示空气很潮湿 越接近于饱和 饱和水汽压与蒸发面的关系 饱和水汽压的大小除与温度有关外 还与蒸发面的性质与形状有关 自然界中蒸发面很多 它们具有不同的性质 如水面 冰面和溶液面 和形状 如凸面 平面和凹面 同温下 过冷却水面的饱和水汽压大于冰面的饱和水汽压 溶液面上饱和水汽压小于纯净水面的饱和水汽压同温下 凸面上饱和水汽压最大 平面次之 凹面上饱和水汽压最小 由此 凸面曲率愈大 即水滴愈小 饱和水汽压愈大 反之愈小 如图 二 空气湿度的时间变化 水汽压的日变化相对湿度的日变化水汽压的年变化相对湿度的年变化 水汽压的年变化和气温的年变化相似 最高值出现在7 8月 最低值出现在1 2月 一般情况下 相对湿度夏季最小 冬季最大 但是在季风气候地区 冬季风来自大陆 水汽特别少 夏季风来自海洋 高温而潮湿 所以相对湿度以冬季最小 而夏季最大 水汽压的日变化 水汽压的大小与蒸发的快慢有密切关系 而蒸发的快慢在水分供应一定的条件下 主要受温度控制 在海洋上或在大陆上的冬季 每天有一个最高值出现在午后 一个最低值出现在清晨 但是在大陆上的夏季 水汽压有两个最大值 一个出现在早晨9 10时 另一个出现在21 22时 在9 10时以后 对流发展旺盛 地面蒸发的水汽被上传给上层大气 使下层水汽减少 21 22时以后 对流虽然减弱 但温度已降低 蒸发也就减弱了 与这个最大值对应的是两个最小值 一个最小值发生在清晨日出前温度最低的时候 另一个发生在午后对流最强的时候 如图 相对湿度的日变化 相对湿度的大小 不但取决于水汽压 还取决于温度 气温升高时 虽然地面蒸发加快 水汽压增大 但这时饱和水汽压随温度升高而增大得更多些 使相对湿度反而减小 同样的道理 在气温降低时 水汽压减小 但是饱和水汽压随温度下降得更多些 使相对湿度反而增大 所以相对湿度在一天中有一个最大值出现在清晨 一个最低值出现在午后 在大陆内部 其日变化与气温相反 最大值出现在日出前后气温最低时 最小值出现在14 15时 如图 而沿海一带 因海陆风的影响 相对湿度日高夜低 与气温日变化一致 第二节蒸发与蒸散 水面蒸发土壤蒸发植物蒸腾农田蒸散 农业气象工作中 使用日蒸发量表征水面蒸发速度 即以一日内因蒸发而损失的水层厚度 毫米 表示 w A E e w为水面蒸发速度 A为比例常数 土壤水分的蒸发可以分为三个阶段 第一阶段 蒸发发生于土表 第二阶段 土表开始变干 土壤蒸发速度减慢 第三阶段 土内水分毛细管作用停止 蒸发发生于较深的土层中 蒸发等于水气通过于涸层向外的扩散速度 农田蒸散是指农田中植物蒸腾和株间土壤蒸发的总和 通过植物体表 主要是叶面的孔 蒸发水分的过程称为蒸腾 蒸腾作用速度主要取决于三个基本条件 小气候条件 植物的形态结构和植物的生理类型 凝结和凝结物 凝结条件 空气饱和或过饱和凝结核 凝结物 地面凝结物 近地层大气中的凝结物 自由大气中的凝结物 地面凝结物 露和霜雾凇 雨凇 晴朗无风的夜晚 地面或地物表面有效辐射强 因而迅速冷却 当其表面温度下降到露点以下时 则与辐射面接触的水气凝结 露点温度如高于0 C 凝结物为液态 即为露 露点温度如低于0 C 则凝结物为固态 即为霜 初冬或冬末 有时会从空中掉下来的液态雨滴落在树枝 电线或其它物体上时 会突然冻成一层外表光滑晶莹剔透的冰层 这就是 雨淞 在有过冷却雾的时候 特别有利于冰晶在地面物体上增长 这时在电线上 树枝上形成了白色的冰花 叫做 雾凇 近地层大气中的凝结物 雾的概念辐射雾平流雾 雾是由浮游在空中的小水滴或冰晶组成的水汽凝结物 当空气中有凝结核时 饱和空气如继续有水汽增加或继续冶却 便会发生凝结 凝结的水滴如使水平能见度降低到1千米以内时 雾就形成了 这种雾是空气因辐射冷却达到过饱和而形成的 主要发生在晴朗 微风 近地面 水汽比较充沛的夜间或早晨 早晨出现辐射雾 常预示着当天有个好天气 早晨地罩雾 尽管晒稻谷 十雾九晴 就是指的这种辐射雾 当温暖潮湿的空气流经冷的海面或陆面时 空气的低层因接触冷却达到过饱和而凝结成的雾就是平流雾 只要有适当的风向 风速 雾一旦形成 就常持续很久 自由大气中的凝结物 云的概念云的分类 云是由许多细小的水滴或冰晶组成的 有的是由小水滴或小冰晶混合在一起组成的 有时也包含一些较大的雨滴及冰 雪粒 云的底部不接触地面 并有一定厚度 低云 中云 高云 积云 中云 高云 低云 第四节降水 precipitation 降水从云中降落到地面的凝结物 固态的或液态的统称为降水一 暖云降水暖云是指云体处于00C等温线以下的云块 降水过程 在热力或动力抬升作用下 低空气层携带水汽和气溶胶质粒上升 并以气溶胶质粒为凝结核 凝结成云滴 而后通过碰并增长形成较大水滴 对暖云而言 重力碰并增长是其理论基础 连锁反应是其繁生机制 二 冷云降水冷云是指云体上部已伸展到00C等温线以上的云块 在冷云中既有过冷却水又有冰晶时称混合云 全部由冰晶组成的 称冰晶云 冷云降水过程 水汽在一定条件下 以凝结核为中心 由核化作用形成初始冰晶 而后借冰晶效应迅速形成较大的冰晶 在下降过程中凝华 碰并增长 三 降水特征量及其分析 降水量降水强度 降水量是以雨 雪 冰雹 包括雾 露 霜 融化后 未经蒸发 渗透 流失而聚积的深度 单位是毫米 单位时间的降水量称为降水强度 其时间以10min 1h或1d为单位 一 降水量和降水强度 降水强度等级表 二 降水距平和降水变率 降水是指某地实际降水量与同期多年平均降水量之差 又称降水绝对变率 降水距