地球大气的成分及分布

地球大气的成分及分布第一页，共三十八页，2022年，8月28日

2.3

大气中的水汽

水汽含量虽不多，仅仅占大气成份的0.1%--3%，却是大气中最活跃的成份。2.3.1水汽的特性

来源：大气中的水汽主要来源于江、河、湖、海及潮湿物体表面的水分蒸发和植物的蒸腾。第二页，共三十八页，2022年，8月28日

作用：1、在大气温度变化的范围内，它可以凝结或凝华为水滴或冰晶，成云致雨，落雪降雹(云、雾、露、霜、雨、雪、雾凇、雨凇、冰雹…），是天气变化中的一个重要角色。

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第四页，共三十八页，2022年，8月28日

第五页，共三十八页，2022年，8月28日

第六页，共三十八页，2022年，8月28日第七页，共三十八页，2022年，8月28日

第八页，共三十八页，2022年，8月28日

第九页，共三十八页，2022年，8月28日

第十页，共三十八页，2022年，8月28日

第十一页，共三十八页，2022年，8月28日

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第十三页，共三十八页，2022年，8月28日

第十四页，共三十八页，2022年，8月28日第十五页，共三十八页，2022年，8月28日2、水汽能强烈吸收和放出长波辐射，直接影响地面和空气的温度。

水的相变和水分循环不仅把大气圈、海洋、陆地和生物圈紧密地联系在一起，而且对大气运动的能量转换和变化，以及对地面和大气温度都有重要的影响。第十六页，共三十八页，2022年，8月28日

水汽是自然条件下，大气中唯一可以发生相变,能以固、液、气三种相态存在的成份。

小知识：同是气态物质，却称为氧气、氩气等称“气”，而水汽却称成“汽”？why?

总之，由于水对于地球上生命的意义以及水在地球大气条件下的三相变化，使水汽不同于其他微量气体而更具重要性。第十七页，共三十八页，2022年，8月28日

2.3.2大气湿度的表示法

水汽和干空气的混合气体称为湿空气。

表示湿空气中水汽含量的物理量称为

空气湿度。测量水汽含量的物理量的最基本方法是称重法，直接称出一定体积湿空气的水汽和干空气的质量。最基本的大气湿度物理量是混合比r与比湿q，其他湿度参量是导出量。第十八页，共三十八页，2022年，8月28日

空气湿度可用多个物理量表示：一、混合比r与比湿q

设一定体积的空气中含有水汽质量mv克,干空气的质量md克。

定义混合比r为水汽与干空气的质量比：

即

定义比湿q为水汽与湿空气的质量比：即

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上式分子分母同除以md，r和q的关系：

因大气中的r,q都小于0.4,可以认为r≈q，单位都是g/kg,g/g。r,q与e的关系：单位：g/kg

单位：g/kg第二十页，共三十八页，2022年，8月28日

二、水汽压e和饱和水汽压es1、水汽压e

水汽压e是大气中所含水汽的分压强。单位：hpa。

显然，它是大气压强的一部分，不容易测量，因此必须通过间接计算出来。第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日

２、饱和水汽压es

假设在一个密封容器中，下部盛放纯液态水，上部为空气，其压强为p，纯水和空气具有相同的温度。设最初容器中的空气是干燥的，则液态水开始蒸发，有水汽不断进入水面上方的空气中，空气压强会因水汽的分压强e的增大而升高。

显然，当水汽压e增大到某一限度值es，气态水和液态水就不会增加减少，水和水汽达到动态平衡，蒸发停止。这种平衡称为相态平衡。第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日

定义：达到相态平衡时空气中的饱和水汽产生的水汽压称为饱和水汽压es。

当容器中的水温增加时，上方空气能容纳的水汽也增加，即饱和水汽压es随温度增加。

也就是说，饱和水汽压es表示在一定温度下空气中水汽的最大容量，其值随温度的升高而增大。且es和t是一一对应关系。（见下表）第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日

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气象上常用两种公式来表示饱和水汽压es和温度T或(t)的关系。

克拉柏龙—克劳修斯方程

利用热力学定律和态函数可以推导克拉柏龙—克劳修斯方程：

对于水面上的饱和水汽压es而言：Ｌ是水的汽化潜热，Ａ为热功当量，Rv为水汽的比气体常数，es０＝6.11hpa,表示Ｔ＝273K时的饱和水汽压。第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日

经验公式

在精度要求不高的情况时，可采用经验公式来计算es：

式中t是摄氏温度，a和b是常数：对水面：a=7.5,b=237.3对冰面：a=9.5,b=265.5

练习１：分别求温度为-5°的水面和冰面的饱和水汽压，并与表中数值比较。第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日

由上经验公式可知，

同温度下，

es水面>esi冰面,

且在t=-12℃时，es－esi最大。

冰水饱和水汽压的不同，在云雾降水的形成发展中具有重要意义。如有名的贝吉龙过程。第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日

三、水汽密度(ρv)

水汽密度表示单位体积湿空气中含有的水汽质量，也称为绝对湿度。

在常温常压下，纯水汽可以看成理想气体，由状态方程得：

e=ρvRvT

即

Rv=R*/Mv

Mv为水的比气体常数,单位g／m3第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日

四、相对湿度f(Uw)

在一定的温度和压强下，水汽压和饱和水汽压之比成为相对湿度。

同样，f=r/rs，

f=q/qs单位％

练习2:温度为15oC的空气相对湿度为80％,该空气的实际水汽压e和水汽密度ρv又为多少？第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日

五、露点Td和霜点Tf1、露点Td

对于一定质量的空气，若令其定压冷却，q,r,e都将保持不变，而es(T)却因温度的降低而减少。当es(T)=e时，空气达到饱和。湿空气定压降温达到饱和时的温度称为露点Td。

露点虽然是温度，但露点差T–Td却反映了湿度的大小：

T–Td越大，空气越干燥；

T–Td越小，空气越潮湿，

T–Td＝０时，空气达到饱和。

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2、霜点Tf

对于一定质量的空气，若令其定压冷却，q,r,e都将保持不变，而esi(T)却因温度的降低而减少。当esi(T)=e时，空气达到饱和。

如果是对于冰面饱和，则湿空气定压降温达到饱和时的温度称为霜点Tf。

例3：温度为15oC的空气相对湿度为80％,气压p为1010hpa,该空气的Td、Tf、r、q，e，es，ρv

又为多少？第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日

总结各湿度参量：

第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日

各湿度间的相互关系：ρv=e/RvTf=e/ese=es(Td)e=esi(Tf)第三十三页，共三十八页，2022年，8月28日

2.2.2湿空气的状态方程

上节提到，水汽和干空气组成的混合理想气体称湿空气。

根据平均摩尔质量计算公式

湿空气的平均摩尔质量为：第三十四页，共三十八页，2022年，8月28日

上式分子分母同除md+mv,由上式可计算湿空气的比气体常数：第三十五页，共三十八页，2022年，8月28日

则湿空气的状态方程可写成：

P=ρRＴ＝ρRd(1+0.608q)T定义虚温Tv：

Tv＝T(1+0.608q)＝T(1+0.608*0.622e/p)=T(1+0.378e/p)湿空气的状态方程可以写出：

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虚温Tv的物理意义：

湿空气因水汽的存在，它比同温度下的干空气密度要小，如果在压强不变的条件下，升高干空气的温度，以代替水汽