09大气与气候

第二节大气水分和降水 第二节大气水分和降水 一 大气湿度 大气中水分含量的多少 称为湿度 即空气的干湿程度 一 湿度的表示方法 1 水汽压 指大气中水汽部分的分压力 用e表示 单位是hPa 空气中水汽含量越多 水汽压越大 2 绝对湿度 指单位体积湿空气所含有的水汽质量 又称为水汽密度 用a表示 其单位为g m3或g cm3 空气中水汽含量越多 绝对湿度就越大 由于水汽含量难以直接测量 通常以e代替a 饱和水汽压与相对湿度 3 饱和水汽压 指一定体积空气在一定温度条件下所能容纳的最大水汽量所具有的压力 用E表示 其单位与水汽压相同 饱和水汽压随温度升高而增大 随温度降低而减小 4 相对湿度 指空气中实际水汽压与同温度下的饱和水汽压之比的百分数 用f表示 即 f e E 100 相对湿度大小直接反映空气距离饱和的程度 当e不变时 气温升高饱和水汽压增大 相对湿度减小 相对湿度的测定 饱和差与露点 5 饱和差 指在一定温度下 饱和水汽压与空气中实际水汽压之差 用d表示 d E e 单位与水汽压相同 饱和差越大 说明空气中水汽含量越少 6 露点 指空气中水汽含量不变 气压保持一定时 气温下降到使空气达到饱和时的温度 用Td表示 在饱和空气中 T Td 0 而在未饱和空气中 则T Td 0 T Td差值越大 相对湿度越小 反之相对湿度越大 气温降到露点 是水汽凝结的必要条件 露点的简单测量 1 以量杯装盛自来水片刻 让水温和气温一致 2 放入温度计 慢慢加入少量冰块 观测水温的降低 3 等候片刻或继续加入多一些冰块 直至量杯外表面出现水珠 此时温度计的读数即为露点温度 二 湿度的变化与分布 1 日变化 相对湿度的日变化主要取决于气温 气温高相对湿度小 气温低相对湿度大 因为气温增高时 饱和水汽压增大比水汽压增大要快得多 气温降低时相反 因此 相对湿度最高值出现在清晨气温最低时 最低值出现在午后气温最高时 2 年变化 相对湿度的年变化 一般是冬季最大 夏季最小 但季风气候区相反 夏季大冬季小 因为夏季风来自海洋 而冬季风来自大陆 3 湿度的空间分布 相对湿度的空间分布特征取决于纬度和海陆分布状况 赤道地带终年高温多雨 而高纬度地带则全年低温 所以相对湿度都较高 80 副热带区域 相对湿度较低 约50 通常 相对湿度大陆小海洋大 在大陆 距离海洋越近 相对湿度越大 距离海洋越远 相对湿度越小 二 水相变化 二 水相变化 一 水相变化过程 1 水相变化与潜热交换 蒸发 由水变成水汽 凝结 由水汽变成水 冻结 由水变成冰 融解 由冰变成水 凝华 由水汽直接变成冰 升华 由冰直接变成水汽 水的相变过程伴随着能量转化和交换 这种能量称为潜热 能 核电站 核电站 潜热交换 由水的相变导致的热量吸收和释放过程 称为潜热交换 过程 蒸发 融解 升华 吸收潜热 凝结 冻结 凝华 释放潜热 例如 常温下 水的蒸发潜热为L 2497J 即蒸发1g水需要消耗2497J的热量 与此相反 1g水冻结成冰则可释放出334 7J热量 2 蒸发及其影响因素 当e E时 出现蒸发 当e E时 则出现凝结 蒸发量 因蒸发而消耗的水量 以水层厚度mm表示 蒸发1mm厚的水 相当于1m2面积上蒸发1000g的水量 蒸发速率 单位时间从单位面积上蒸发出来的水分质量 单位为g cm2 s 蒸发受气象因子和地理环境影响 蒸发面温度越高 蒸发越快 蒸发量越大 蒸发量变化与气温变化基本一致 即每天午后最大日出前最小 夏季大冬季小 海洋大 大陆小 3 凝结及其条件 空气中水的凝结必须具备两个条件 空气要达到饱和或过饱和状态 要有凝结核 空气达到饱和或过饱和的途径 增加空气水汽含量 如暖水面的蒸发 降低气温 大气中水的凝结主要由于空气冷却而产生 绝热冷却 云 雨产生的主要方式 辐射冷却和平流冷却 雾 露 霜等产生的主要方式 凝结核 指具有吸湿性 可作为水汽凝结核心的微粒 其含量随高度递减 陆地多海洋少 城市多乡村少 工业区最多 城市之雾1 城市之雾 城市之雾2 城市之雾 山地之雾 伦敦 三 水汽凝结现象 三 水汽凝结现象 1 地面凝结现象 露和霜 当近地面层空气冷却至露点温度以下时 水汽会凝结在地面或地面物体上 露 如果露点温度高于0 水汽凝结为液态 称为露 霜 如果露点温度低于0 水汽凝结为固态 称为霜 霜冻 是指温度下降到足以引起农作物受害或死亡的低温 露和霜的形成条件 近地面层空气湿度要大 有利于辐射冷却的天气条件 地面或地物热传导不良 2 空中凝结现象 云和雾 雾 指漂浮在近地面层 由水汽凝结 凝华 而成的小水滴或小冰晶构成的可见集合体 当能见度小于1km称为雾 1 10km的称为轻雾 雾的类型 最常见的是辐射雾和平流雾 还有蒸气雾 上坡雾和锋面雾 辐射雾 因地面辐射冷却 使近地面层空气变冷 水汽凝结而成 多出现于秋冬季节无云的夜晚 谚语有 十雾九晴 之说 平流雾 暖湿气流移到冷的下垫面上 冷却降温 水汽凝结而形成 出现范围广 云 指高悬于空中 由水汽凝结 凝华 而成的小水滴或小冰晶构成的可见集合体 云是气块上升过程绝热冷却降温 使水汽达到饱和或过饱和发生凝结而成 云的成因 对流运动 主要形成积状云 系统性上升运动 主要形成层状云 波状运动 主要形成波状云 地形作用 比较复杂 可以形成各种云 云的分类 按国际分类法 根据云的形成高度 结合云的形态特征 结构 成因 将云分为3族10属29种 卫星云图 云的类型 云的结构 积云 平底 向上发展 积雨云在13分钟内的发展 积雨云在13分钟内的发展 强烈发展的积雨云1 强烈发展的积雨云 强烈发展的积雨云2 强烈发展的积雨云 强烈发展的积雨云3 强烈发展的积雨云 层积云 层云 雨层云 高层云 高积云 卷云1 卷云 卷云2 卷云 卷云3 卷云 卷层云1 卷层云 晕 当天空中有冰晶组成的卷层云围绕在太阳或月亮的周围时 光线经过冰晶的折射和反射作用 偶而会出现一个或两个以上的彩色光环围绕在太阳或月亮的四周 呈现内红外紫的排列 有时还会见到一些彩色或白色的光斑 光弧 这种出现光圈 光斑及光弧等光学现象统称为 晕 halo 卷层云2 谚语 日晕风 月晕雨 表示已经有锋面或低气压自远方接近 是为天气转坏的前兆 卷层云 卷层云3 卷层云 卷积云 波状云1 波状云 波状云2 波状云 旗云 地形云 火山云 美国圣劳伦斯火山 UFO云 地形云 法国 荚状云 地形云 镜状云 地形云 云量 天空被云遮蔽的程度叫云量 以0 10的成数表示 云量的多少与纬度 海陆分布 大气环流等因素有关 晴天 0 4 多云 5 8 阴天 9 10 云量带赤道多云带 上升气流 热对流 云量6 纬度20 30 少云带 下沉气流 云量4 中高纬多云带 气团 锋面频繁活动 云量6 7 四 降水 指从云层中降落到地面的液态或固态水 包括雨 雪 霰 雹等 降水量 指降落到地面上的雨和融化后的雪 霰 雹等集聚在水平面上的水层厚度 单位为mm 降水强度 指单位时间内的降水量 单位为mm h或mm d 降水变率 指各年降水量的距平数与多年平均降水量的百分比 表示降水量的变化程度 Cv 距平数 平均数 100 水分条件 指降水量与实际蒸发量之差 降水量 蒸发量时 气候湿润 降水量 蒸发量时 气候干燥 一 降水的形成 降水从云中来 但有云未必有降水 形成降水的关键 是云滴迅速增大到能克服空气阻力和上升气流的顶托 并在降落过程中不被蒸发掉 1 凝结 凝华 增长 指水汽分子凝结 凝华 在云滴 冰晶 表面上 使云滴 冰晶 增长的过程 过冷水滴蒸发 冰晶凝华增长 小水滴蒸发 大水滴凝结增长 暖水滴蒸发 冷水滴凝结增长 冷云与暖云的云滴增长 由冰晶和过冷却水滴混合组成的云称为冷云或冰水混合云 其云体高度在0 等温线以上 而由不同大小 冷暖水滴组成的云则称为暖云 其云体高度在0 等温线以下 在温度相同条件下 冰面饱和水汽压小于水面饱和水汽压 水滴不断蒸发变小 而冰晶则不断凝华增大 这种过程称为冰晶效应 冰晶效应是冷云云滴增长的主要过程 而小 暖 水滴蒸发变小 大 冷 水滴凝结增大却是暖云云滴增长的主要方式 由于随着云滴半径增大 其增长速度迅速下降 所以单靠凝结 凝华 难以形成降水 2 碰并增长 是指两个或两个以上的水滴相碰合并而增大的过程 下降时 大水滴追上小水滴 上升时 小水滴追上大水滴 都会发生碰并 使云滴迅速增大 在云滴增长过程中 上述两种过程共同作用 初期以凝结 凝华 增长为主 后期则以碰并增长为主 尤其在低纬度地区的暖云降水 碰并增长更为重要 人工降水 根据自然界降水的原理 利用催化剂 促使云滴迅速凝结或碰并增大形成雨滴 达到降水的方法 冷云催化 人工增加冰晶 产生冰晶效应 方法 干冰 降温 自生冰晶 人工冰核 碘化银 氯化汞等 暖云催化 提供大水滴 促进凝结 碰并增长 方法 氯化钠 氯化钾等吸湿性物质 人工增雨 火箭 高炮 人工增雨 福州 2003 碘化银增雨 宁夏20030406 哈尔滨 20040427 防雹作业 北京 20040704 冰雹 雨量和分级 二 降水的类型 成因分类 1 对流雨 近地面气层强烈受热上升 冷却凝结形成积雨云而降雨 常伴随雷电现象 又称热雷雨 赤道常年可见 我国夏季常见 2 气旋雨 气旋中心气压低 空气辐合上升凝结成雨 降水范围广 时间较长 3 锋面雨 冷暖气团相遇 暖湿气流沿锋面抬升凝结成雨 降水范围广 时间长 在温带很常见 4 台风雨 可产生强度极大的降水 夏秋季常见 5 地形雨 暖湿气流沿山地迎风坡抬升冷却凝结而降水 山地迎风坡常形成多雨中心 而背风坡则由于焚风效应 降水少 成为雨影区 降水的类型 性质分类 连续性降水 雨或雪连续不断地下 而且比较均匀 强度变化不大 一般降水历时长 范围广 降水量往往也比较大 间断性降水 雨或雪时下时停 或强度有明显的大小变化 但其变化较缓慢 降水历时长短不等 阵性降水 雨或冰雹呈阵性下降 偶尔有阵雪 骤降骤停 或强度变化很突然 下降速度快 强度大 但往往降水历时短 范围小 如果在阵雨的同时还伴有闪电和雷鸣 便是雷阵雨 雷阵雨1 雷阵雨 雷阵雨2 雷阵雨 雷阵雨3 雷阵雨 雷阵雨4 雷阵雨 三 降水的时间变化 1 赤道型 南北纬10 以内地区 终年多雨 春分 秋分前后降水最多 而夏至 冬至期间降水较少 2 副热带型 大陆东岸降水集中在夏季 季风型或称夏雨型 大陆西岸则冬季多雨 地中海型或称冬雨型 3 温带及高纬型 内陆及东海岸夏季对流雨 西海岸秋冬气旋雨 海洋型 四 降水的空间分布 降水的空间