气象学-大气中的水

Waterintheatmosphere一、水相变化的分子物理过程二、水相变化和水相平衡的判据

1．分子物理学判据

2.饱和水汽压判据第一节水相变化

根据：e=ρwRT

温度一定时：

e∝ρw→ρw∝n→e∝n

当水面出现动态平衡时:e=E→n=N→E∝N因此：当e>E时，空气凝结(空气过饱和)

当e=E时，空气平衡(空气饱和)

当e<E时，空气蒸发(空气未饱和)3.水相变化中的潜热

1）凝结潜热与蒸发潜热

L=（2500-2.4t）×103（J/kg）

（3.2）当t=0℃时，有L=2.5×106J/kg。一般L取2.5×106J/kg.

在同温度下，凝结潜热与蒸发潜热相等。

2）升华潜热与凝华潜热融解潜热为3.34×105J/kg。所以，若以Ls表示升华潜热，则：

Ls=（2.5×106+3.34×105）J/kg=2.8×106J/kg第二节蒸发和凝结

一、影响蒸发的因素水源热源

风速与湍流扩散气压饱和差（d）道尔顿定律二、土壤蒸发第一阶段主要受气象因子影响，蒸发速率和水面蒸发接近第二阶段受水分从土壤下层向上转移速度的影响第三阶段受水汽从下层土壤向表层扩散速度的影响。三、植物蒸腾蒸散（Evapotranspiration)Evapotranspiration

：Vaporizationofwaterthroughdirectevaporationfromwetsurfacesandthereleaseofwatervaporbyvegetation.蒸散：植物蒸腾与土壤蒸发的总和称为蒸散。测定仪器：渗水测量仪、可能蒸散表、重量渗水测定器、漂浮渗水测定器等计算公式：波文比(Bowen)—能量平衡法

Bowen于1926年提出出了感热通量密度H与潜热通量密度LE之比值β的概念，并将此称为波文比（Bowenratio)

大气中热量湍流交换系数与水汽湍流交换系数相等即：在假设条件下有关系式：式中γ为湿度常数，根据能量平衡公式：得出实际蒸散所消耗的热量，即潜热通量密度LE：单位：W/m2四、湿度随时间的变化

五、大气中水汽凝结的条件

1.凝结（华）核2.空气中水汽达到饱和或过饱和状态

促使空气达到饱和状态的过程：

1）暖水面蒸发2）空气的冷却

绝热冷却（云）：指空气在上升过程中，因体积膨胀对外做功而导致空气本身的冷却。辐射冷却（露、霜、雾）：指在晴朗无风的夜间，由于地面的辐射冷却，导致近地面层空气的降温。平流冷却（雾）：暖湿空气流经冷的下垫面时，将热量传递给冷的地表，造成空气本身温度降低。混合冷却：当温差较大，且接近饱和的两团空气水平混合后，也可能产生凝结。第三节地表面和大气中的凝结现象

一、地面的水汽凝结物

1、露和霜(dewandfrost)

霜冻：指在植物生长季节里，地面和植物表面温度下降到足以引起农作物遭受伤害或者死亡的低温。黑霜：当温度>Td时，有霜冻而无霜白霜：当温度<Td时，即有霜冻又有霜露是如何形成的？2、雾淞和雨凇

(freezingfogandblackice)晶状雾凇

气温约为-15℃左右,有雾、微风的天气条件下，空气中过饱和冷却水可在物体表面上直接凝华生成。粒状雾凇

当气温为-7~-2℃，有雾、风速较大的天气条件下，风将过冷却雾滴吹到冷的地物表面上冻结而形成。雾淞雨凇

雾淞崂山上的多彩雾淞1.雾（fog）雾:是悬浮于近地面空气中的大量水滴或冰晶，使水平能见度小于1km的物理现象。如果能见度在1-10km范围内，则称为轻雾。二、近地面层空气中的凝结

1）辐射雾(radiationfog)

①空气中有充足的水汽；②天气晴朗少云；

③风力微弱（1—3m/s）；④大气层结稳定。

2）平流雾(advectionfog)

①下垫面与暖湿空气的温差较大；

②暖湿空气的湿度大；

③适宜的风向（由暖向冷）和风速（2—7m/s）；

④层结较稳定。

辐射雾（地面和山谷）条件:晴空，静风，低温常出现在秋冬平流雾热空气移到冷表面形成夏天：太平洋沿岸蒸发雾冷空气移至暖水面上会出现蒸发雾。两团不饱和的空气混合可产生饱和的空气2.云（cloud)1、云的形成条件和分类

（1）热力对流（积状云）指地表受热不均和大气层结不稳定引起的对流上升运动。

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（2）动力抬升（层状云）

指暖湿气流受锋面、辐合气流的作用所引起的大范围上升运动。层云雨层云高层云卷云1卷云卷云2卷云卷云3卷云卷层云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★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）。

（3）大气波动（波状云）指大气流经不平的地面或在逆温层以下所产生的波状运动。波状云2波状云（4）地形抬升（积状云、波状云和层状云）

指大气运行中遇地形阻挡，被迫抬升而产生的上升运动。这种运动形成的云既有，通常称之为地形云。旗云（地形云）火山云美国圣劳伦斯火山UFO云

（地形云）法国镜状云（地形云）斗笠云云族出现高度/㎞云属极地温带热带高云3～45～136～18中云2～42～72～18

低云地面～2直展云云的国际分类卷云Ci卷积云Cc卷层云（Cs）高积云(Ac)高层云(As)层积云（Sc）雨层云（Ns）层云（St）积云（Cu）积雨云（Cb）云的国内分类2.各种云的形成（1）积状云的形成积状云是垂直发展的云块，主要包括淡积云、浓积云和积雨云。

积状云多形成于夏季午后，具孤立分散、云底平坦和顶部凸起的外貌形态。积云降水机制（2）层状云的形成

层状云是均匀幕状的云层，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。

层状云是由于空气大规模的系统性上升运动而产生的，主要是锋面上的上升运动引起的。

（3）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。当空气存在波动时，波峰处空气上升，波谷处空气下沉。

形成波动的原因主要有：

a.大气中存在着空气密度和气流速度不同的界面，在此界面上引起波动。

b.气流越山而形成的波动（称地形波或背风波）。

条件：

有波动的气流

有充足的水汽和凝结核

特点：波状云常以一定间距的平行云条出现，此时表示空气层比较稳定,天气少。大气波动形成的云（4）特殊云状的形成堡状、絮状、悬球状、荚状等悬球状云堡状层积云Sccast堡状云：云体细长，底部水平，顶部并列突起，是由于气流突破稳定气层而形成的。

“天上云城堡，地下雷雨鸣”絮状云：边缘破碎，是由于潮湿气流不稳定且有强烈的湍流混合而致。

“朝有破絮云，午后雷雨临”★卫星云图第三节降水(precipitation)一、云滴增长的物理过程

1、云滴凝结（或凝华）增长

2、云滴的冲并增长冰晶降水过程的几种可能情况吸附液态水滴成为大的冰晶大的冰晶碰撞而破碎成小的冰晶冰晶碰撞站在一起形成雪片二、降水的表示方法降水量降水强度指单位时间内的降水量。单位为mm/分，mm/小时。5.1降水变率降水的绝对变率：某一时期的实际降水量与多年同期平均降水量之差（ΔR）。

它表示降水量的变动程度。降水相对变率：降水绝对变率与多年同期平均降水量的比值。

相对变率越小，表示降水越稳定，

相对变率越大，表示降水变动大。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期降水总次数的百分比。降水保证率：指高与（低于）某界限降水量的频率总和。1.降水变率的计算降水变率是衡量一个地方逐年降水量的变动情况。降水变率大，说明某些年份出现水涝，而有些年份却出现干旱；降水变率小，说明逐年降水量较为恒定。降水变率有绝对变率和相对变率两种。降水绝对变率：某地逐年降水量与同期多年平均降水量之绝对偏差的平均值。计算式为：△R为降水量绝对变率；Ri为逐年降水量；为多年平均降水量；为降水量距平的绝对值；n为资料年数。

计算变率前，先用算术平均法求出多年平均降水量。如北京市1954—1977年历年降水量资料见表8，经统计，多年平均降水量为633.7mm，绝对变率为184.8mm。1)降水绝对变率2)降水相对变率如果比较不同地区的降水变动状况，需用相对变率，计算公式如下：把公式用于上述例子中，便得该时段内北京市降水相对变率为29％。2.降水保证率的统计

降水保证率:降水高于（或低于）某一界限值的所有频率的总和。表示降水达到某一界限值可靠程度的大小。保证率的统计方法1)从统计数列中排出最大值和最小值，了解数列范围。北京市l954—1977年的降水资料中，年降水量最多为1115.7mm（1956年），最少261.8mm（1965年）2)确定组距和组数。统计降水保证率时，一般取组距为l00mm，也可按研究目的而定。组数随组距和数列变动范围而定。如取组距为l00mm，则上列中组数为l0。各组上下限填入表9内。3)统计各组出现的次数（频数），再求出频率分别填入表内。4)按年降水量组由大而小方向依次累加频率，即得各组降水量的保证率。由表9中可见，北京市年降水量600mm以下的保证率为69％，900mm以上的保证率只有19％。

地形抬升作用——地形雨三、降水的成因和种类/ReadNews.asp?NewsID=669热对流作用——对流雨气旋活动——气旋雨台风活动——台风雨

四、人工影响云雨冷云原理:人工产生冰晶，改变云微结构的稳定性。

方法: