水汽对温度的影响

水汽对温度的影响3.1水汽分子、二氧化碳分子的结构及其吸收辐射特性3.1.1水汽分子与CO2的结构水汽分子有一种不对称陀螺（挠曲三原子）的结构，氧原子在中间，束缚角为104.45。CO2分子具有线性对称的构型，碳原子在中间而氧原子分列两边。133.1.2水汽和CO2对太阳辐射的差异 表1: 水汽二氧化碳吸收波段 图1 : 温室气体的吸收光谱 如图1，表2所示水汽是地球大气中含量最高、温室效应最强的温室气体，它不仅对天气系统的发展中产生着特别重要的影响，还影响着地气辐射的收支。水汽在红外线波段的吸收带最为强烈，能大量地吸收和放出长波辐射，因此，它可以通过改变地气系统辐射收支，影响地面和大气的温度，同时也影响大气的垂直运动。水汽的吸收带主要集中在红外区不但吸收了大约太阳能量的20%，而且能使太阳光谱发生改变，几乎覆盖了整个大气和地面长波辐射的全部波段。从图中可以看出水汽吸收作用最强的是6.3m振转带和大于12m的转动带。水汽最强和最宽也是最重要的吸收带是 6.3m带，是振动和转动能量变化产生的振转光谱。大气中还有其他形式存在的水汽（如云雾滴等），其吸收带和水汽的吸收带相对应，但也有着不同，即波段向长波方向移动。而且液态水的吸收系数比水汽的吸收大的多。14而二氧化碳主要的红外区吸收带在大于2m的红外区，相对较强的是中心位于2.7m，4.3m和15m的三个吸收带。143.1.3近百年来水汽增加的潜热量在大气层中90%以上的水汽集中在对流层，故水汽的吸收作用大部分发生在对流层，尤其是在对流层下层。大气中的水特别是水滴和冰晶构成的云层，会强烈吸收地球表面放出的长波辐射，而且云还能反射以及吸收太阳辐射，所以，大气层中水汽的存在对地球表面和空气温度有很大的作用。水汽是在大气温度在变化范围内唯一能发生相变的成分。地球表面及大气层吸收的大部分热量都被水分蒸发所消耗，由于水的性质特殊，想要将水转化为气态需要花费比较大的能量，而这种能量就储存在水汽中，当水汽冷却后储存在水汽中的潜在能量就随即释放出来。水汽的热容量和潜热特性，对地球系统的热量变化有着非常重要的调节作用。在大气能量转换、传递( 运输) 过程中主要是靠水的相变来实现的，转换过程中伴随着水汽潜热的吸收和释放，不但能引起大气湿度的变化，同时也可以引起热量的转移。对于近百年来水汽增加的潜热量，可以进行一个简单的计算15H =Ha+ Hv= MCpmt +Mg 式中: M为大气圈的总质量，约为 5. 27 1018kg; Cpm为零摄氏度时空气的定压比热容，Cpm约为1. 004kJ /( kgK) ; t为近百年来全球温度的平均升高值，大约为0. 6; Mg为近一百年来全球水汽的增量，查阅资料可得，近一百年来全球平均降水量增加了21mm，全球的年平均降雨量约为 900mm，全球降水量为57.7 万 km316; r为水汽的凝结潜热量，约为2.5 106J /kg。分别计算式中的两项:MCpmt =5. 27 1018 1. 004 0. 6= 3. 17464 1018Mg =21/90057.7 10131032. 5 106= 3. 365833 1022水汽的凝结潜热量在整个大气热容量的比重 =Mg r/(M CpT + Mg r)=0.7439。比较可知，增加的水汽量所释放的潜热量大约是大气热容量增量的 1. 06 104倍。因此，可以推断水汽的潜热量对温室效应的增强是非常大的。3.2 1951年-2010年水汽含量和全球平均气温的变化3.2.1 1951-2010年年平均温度，比湿处理和制图经数据处理可得到表2表2 1951-2010年平均温度、比湿1951-2010月平均温度、比湿年份1951195219531954195519561957195819591960比湿7.737.787.777.677.657.617.777.817.787.71温度6.366.576.586.266.326.246.616.506.476.35年份1961196219631964196519661967196819691970比湿7.707.647.677.597.587.687.647.587.717.65温度6.436.346.236.036.236.236.426.316.376.45年份1971197219731974197519761977197819791980比湿7.557.657.727.627.617.617.747.697.807.79温度6.406.496.526.336.336.306.656.566.396.89年份1981198219831984198519861987198819891990比湿7.787.737.807.737.697.707.787.797.737.85温度6.936.436.666.706.666.676.636.896.697.00年份1991199219931994199519961997199819992000比湿7.827.687.697.717.787.737.817.947.747.74温度6.946.626.466.616.916.756.827.207.007.00年份2001200220032004200520062007200820092010比湿7.827.857.877.847.937.927.917.837.917.99温度7.157.447.337.257.687.527.577.317.497.63由表2作1951-2010年折线图可得图2图2: 1951-2010年温度和湿度折线图3.22数据分析由图2可以看出来，1951-1980年全球平均温度波动比较小，在1964年温度最低，全球平均温度有所上升，但幅度比较小不明显。1981-2010年全球平均温度波动与1951-1980年的波动比较大，在1994年全球平均气温最低，而且全球平均气温明显有升温迹象，升温幅度比1951-1980年的平均气温大得多，也很为明显。看以看出来，全球变暖是真是存在的，虽然有的年份是升温，有的是降温，但从整体上来看，1951-2010年全球平均气温一直在缓慢的上升。1951-1980年全球平均比湿有着下降的趋势，而这种趋势在1978年才有所回升。其中在1972年比湿达到最低，1953-1955年，1970-1972年的比湿处于大幅度下降阶段。1981-2010年年平均比湿依然有所波动，但与1951-1980年的不同，1981-2010年的比湿整体处于上升状态。其中在1992年比湿最低，1996-1999年变化幅度比较大。从整体上来看，1951-2010年的比湿还是有所上升的状态。结论：从大的变化趋势看可以看出，1951-2010年的年平均温度和比湿都是处于上升状态。在小变化趋势来看，当湿度上升的时候，基本上温度也处于上升阶段，如表3所示。表3:温度和湿度的上升及下降年份上升的年份下降的年份温度1950年到1953年，1956年到1957年，1964年到1967年，1976年到1977年1949年到1950年，1953年到1954年,1957年到1960年1961年到1964年湿度1948年到1952年，1955年到1958年，1966年到1967年，1972年到1974年,1948年到1952年，1955年到1958年，1963年到1966年1972年到1974年从以上的分析可以得到一个简单结论，比湿和温度有一定的相关性，一般来说，当某一年的比湿有所上升的时候，相应的这一年的平均温度也会有所上升。3.3 1951-2010年冬，春，夏，秋（1,4,7,10月）温度，比湿分析3.3.1 数据处理与制图处理数据后可得表4表4 ：1951-2010年冬，春，夏，秋（1,4,7,10月）温度，比湿年份/月份一月（冬）四月（春）七月（夏）十月（秋）温度比湿温度比湿温度比湿温度比湿19515.08 7.37 5.35 7.38 8.85 8.59 6.05 7.49 19526.17 7.51 5.09 7.50 8.67 8.69 6.06 7.45 19535.87 7.40 5.60 7.55 8.99 8.67 6.24 7.42 19545.85 7.44 4.94 7.43 8.43 8.57 6.12 7.31 19556.13 7.35 4.82 7.33 8.34 8.54 6.41 7.38 19566.08 7.34 4.94 7.40 8.36 8.46 5.48 7.26 19576.05 7.37 5.24 7.50 8.61 8.67 6.47 7.48 19586.51 7.59 4.88 7.59 8.64 8.68 6.11 7.50 19596.00 7.45 5.49 7.58 8.56 8.65 6.08 7.47 19606.20 7.43 4.77 7.45 8.40 8.61 6.13 7.39 19615.81 7.38 5.22 7.55 8.75 8.57 6.36 7.37 19625.53 7.31 4.96 7.41 8.47 8.52 5.93 7.39 19635.45 7.29 4.59 7.44 8.77 8.57 5.75 7.39 19645.24 7.32 4.36 7.42 8.73 8.51 5.57 7.20 19655.62 7.21 4.78 7.30 8.29 8.41 5.87 7.36 19665.22 7.31 4.90 7.46 8.41 8.59 5.67 7.35 19675.67 7.32 5.08 7.39 8.77 8.55 6.11 7.33 19685.49 7.18 5.32 7.34 8.24 8.43 6.49 7.33 19695.64 7.38 4.87 7.51 8.46 8.59 6.45 7.43 19706.02 7.41 5.04 7.45 8.43 8.50 6.38 7.36 19715.59 7.30 5.22 7.35 8.50 8.39 6.10 7.24 19725.72 7.27 4.93 7.39 8.77 8.53 6.54 7.42 19735.99 7.47 5.36 7.54 8.72 8.59 6.19 7.37 19746.01 7.36 4.85 7.37 8.48 8.53 6.30 7.32 19755.45 7.24 5.13 7.43 8.65 8.46 6.08 7.31 19765.91 7.26 4.84 7.35 8.50 8.45 5.56 7.32 19776.80 7.46 5.22 7.51 8.94 8.60 6.17 7.43 19785.72 7.35 5.53 7.48 8.66 8.56 6.33 7.38 19796.20 7.53 5.06 7.48 8.14 8.66 6.13 7.56 19806.35 7.50 5.68 7.60 9.26 8.63 6.54 7.47 19816.20 7.41 5.61 7.54 9.08 8.65 6.54 7.45 19825.70 7.40 4.79 7.46 8.76 8.56 6.33 7.45 19836.05 7.50 5.22 7.57 8.53 8.69 6.13 7.47 19846.17 7.42 5.19 7.47 8.94 8.58 6.56 7.46 19856.31 7.34 5.29 7.50 8.75 8.48 6.05 7.40 19865.98 7.39 5.27 7.50 9.00 8.53 6.32 7.44 19875.98 7.43 5.31 7.51 9.32 8.68 6.24 7.52 19886.12 7.54 5.66 7.60 9.22 8.73 6.51 7.45 19895.18 7.26 5.37 7.50 9.13 8.63 6.49 7.45 19906.46 7.49 5.96 7.65 9.45 8.75 6.47 7.52 19916.14 7.49 5.41 7.58 9.53 8.73 6.41 7.42 19925.91 7.35 5.64 7.53 8.79 8.48 6.38 7.35 19935.59 7.33 5.26 7.47 8.79 8.63 6.41 7.39 19945.80 7.36 5.52 7.45 8.96 8.60 6.62 7.46 19955.96 7.35 5.93 7.58 9.41 8.66 6.94 7.54 19965.48 7.32 5.75 7.49 9.05 8.60 6.28 7.45 19975.18 7.29 5.52 7.51 8.91 8.71 6.97 7.61 19986.19 7.58 5.88 7.78 9.83 8.90 6.64 7.60 19995.87 7.43 5.58 7.46 9.29 8.65 6.99 7.49 20005.64 7.29 5.86 7.55 9.27 8.57 6.77 7.52 20015.91 7.35 5.49 7.58 9.54 8.72 7.11 7.64 20026.51 7.48 6.04 7.59 9.80 8.76 7.36 7.58 20036.44 7.48 6.16 7.59 9.59 8.76 7.50 7.64 20046.43 7.52 6.41 7.65 9.10 8.71 7.26 7.61 20056.93 7.59 6.35 7.63 9.84 8.83 7.72 7.71 20066.65 7.55 6.54 7.65 9.44 8.80 7.61 7.75 20076.63 7.58 6.55 7.71 9.87 8.83 7.73 7.65 20085.60 7.38 6.48 7.51 9.80 8.76 7.30 7.66 20096.59 7.48 5.84 7.61 9.98 8.79 7.76 7.73 20106.38 7.63 6.77 7.84 9.56 8.90 7.70 7.68 由表4可作图得图3，图4，图5，图6图3: 1月份温度和湿度折线图图4: 4月份温度和湿度折线图图5: 7月份温度和湿度折线图图6: 10月份温度和湿度折线图3.3.2 数据分析由图3看以看出1951-2010年1月份的比湿变化比较小，而温度变化幅度则比较明显，从小的变化趋势上当湿度上升的时候，基本上温度也处于上升阶段。而且可以从比湿的变化幅度比较小，温度变化的比较大，可以猜测，水汽含量对温度变化有很大的影响。由图4可以看出1951-2010年4月份的比湿变化依然很小，二温度的变化幅度依然比较大。温度和比湿有着明显的相关性，基本上是呈现为正相关。在1964年全球平均气温为最低。由图5可以看出1951-2010年7月份的比湿和温度相比1月份和4月份的变化幅度打了很多。而整体上的形势，和分析结果基本上与图6与图7所得的结果相同。由图6看以看出1951-2010年10月份的整体状态和7月份的数据最为相似，而且也可以得到相同的分析结果。结论：通过对图3、图4、图5、图6对比分析，看以看出，一年四季中冬季的温度比湿都是最低的，夏季则是最高的，春秋两季在处于前两者之间。虽然处于四个不同的季节，但是得到的结论近乎完全相同。即当湿度上升的时候，基本上温度也处于上升阶段；比湿的变化幅度比较小，温度变化的比较大。那么就可以的出比湿和温度有一定的相关性，一般来说，当某一时间段的比湿有所上升的时候，相应的这一时间段的平均温度也会有所上升。3.4 利用spss分析温度与比湿的相关性3.41分析1951-2010年年平均温度湿度相关性用spss分析表2的数据可以得到表5: 1951-2010年温度与比湿的相关性Correlations比湿温度比湿Pearson Correlation1 .870*Sig. (2-tailed).000N6060温度Pearson Correlation.870*1Sig. (2-tailed).000N6060*. Correlation is significant at the 0.01 level (2-tailed).由表5知，比湿与温度的相关系数为0.87，sig为0.0。即可以认为全球平均气温升高和全球平均水汽含量的变化有着密切相关性。3.4.2分析1951-2010年冬，春，夏，秋（1,4,7,10月）温度湿度相关性由表4数据分析可得表6，表7，表8，表9表6： 1月份温度湿度相关性 表7： 4月份温度湿度相关性相关性温度比湿温度Pearson 相关性1.755*显著性（双侧）.000N6060比湿Pearson 相关性.755*1显著性（双侧）.000N6060*. 在 .01 水平（双侧）上显著相关。相关性温度比湿温度Pearson 相关性1.773*显著性（双侧）.000N6060比湿Pearson 相关性.773*1显著性（双侧）.000N6060*. 在 .01 水平（双侧）上显著相关。相关性温度比湿温度Pearson 相关性1.853*显著性（双侧）.000N6060比湿Pearson