农业气象学：第4章 大气中的水分

第4章大气中的水分

4.1空气湿度及变化规律

4.2蒸发和蒸散

4.3水汽凝结

4.4降水

4.5水分循环和水分平衡

4.6水分与农业4.1空气湿度4.1.1湿度表示法4.1.2湿度变化4.1.1、湿度表示法空气湿度：表示空气潮湿程度或大气中水汽含量多少的物理量4.1.1.1水汽压（e）：空气中由水汽所产生的分压强称为水汽压。单位是百帕（hPa）mmH

g

1hpa=0.75mmHg1．饱和水汽压（E）:在一定温度下，一定体积空气中能容纳的水汽分子数是有一定限度的。如果水汽含量恰好达到该温度条件下的最大限度，这时的空气称为饱和空气，此时的水汽压为饱和水汽压。如果空气中水汽含量超过这个限度值，则称为过饱和空气2．影响因子：（1）温度：马格奴斯（Magnus）半经验公式：

其中E0为00c的饱和水气压。E0＝6.11。t是蒸发面温度ab是经验系数。纯水面上a=7.63b=241.9,纯冰面上a=9.5b=265.5

例：一气团温度为21.0c,干绝热上升400米达到饱和，求该气团的水汽压、和相对湿度。（2）蒸发面:A冰面：E水>E冰B液面：E水>E溶C蒸发体的大小E小>E大D蒸发面的温度E凸>平>凹面4.1.1.2绝对湿度（a）ｇ·m-3

：单位体积空气所含的水汽质量（水汽密度）。一定温度下，单位体积空气中能容纳的的最大水汽量（饱和水汽密度）如果水汽压e以mmHg表示则e和a在数值上相等4.1.1.3相对湿度（f）（u)(r)：实际水汽压与同温下饱和水汽压的比值

当e＜E时空气未饱和e＞E时空气过饱和e=E时空气饱和。一般空气相对湿度随温度的增加而降低4.1.1.4饱和差（d）：同温度下饱和水汽压和实际水气压之差d=E-e4.1.1.5露点温度（Td）：水汽含量不变和气压一定的条件下，通过降低温度而使空气达到饱和时的温度Td的大小可以直接表示空气中的水汽含量多少。t-Td表示空气的潮湿程度。比湿(q)：单位质量空气中所含的水汽质量称为比湿（克/克、克/千克）。公式中mw、md分别表示单位质量空气中水汽质量和干空气质量由气体状态方程()可导出下列关系表达式在讨论空气绝热运动或水汽输送时常用比湿表示空气湿度

人体对气温、湿度的感觉状况闷热比较热热适宜相对湿度空气温度相对湿度空气温度相对湿度空气温度相对湿度空气温度＞80＞2970～8029～3160～70＞3350～6018～2170～80＞3160～7030～33＜60≥354.1.2湿度变化4.1.2.1绝对湿度1日变化：两种基本型式，一种是单峰型，另一种是双峰型。单峰型：地面水源充足的季节和地区，海上、潮湿的陆上、乱流交换比较弱的秋冬季节。双峰型：内陆暖季和沙漠地区，即大陆上乱流强的季节里。2年变化：与温度年变化相似。在陆地上，最大值出现在7月，最小值出现在1月；海洋上，最大值在8月，最小值在2月。4.1.2.2相对湿度1日变化：日较差：一般陆上大于海上；内陆大于沿海；夏季大于冬季；晴天大于阴天。日变化与气温日变化相反，滨海地区例外。

2年变化：一般与气温的年变化相反，温暖季节相对湿度小，寒冷季节相对湿度大。在季风盛行地区，由于夏季有来自海洋的潮湿空气，冬季有来自大陆的干燥空气，因此湿度年变化与上述情况相反，最大值出现在夏半年的雨季或雨季之前，最小值出现在冬季。

4.2蒸发和蒸散4.2.1水面蒸发4.2.2土壤蒸发4.2.3农田蒸散4.2.1、水面蒸发蒸发速率：单位时间从单位面积上蒸发出的水量，单位是g·cm-2·d-1。蒸发量单位时间因蒸发而消耗的水层厚度单位mm

影响因素1、蒸发面温度2、饱和差3、风速大小4、气压5、蒸发面性质4.2.2、土壤蒸发土壤蒸发：土壤水分汽化并向大气扩散的过程。除和上述气象因子有关外，还和土壤结构和土壤水分含量有关。过程：过程一、下层土壤通过毛管向土表输送水分过程二、水汽通过土壤的孔隙达表层逸出土表阶段：稳高速降稳低影响：凡是影响土壤湿度的各种因子都能影响土壤水分蒸发，如地形、方位、颜色、土质、植被覆盖等。

如：紧密粒细土壤，有利于第一种过程，疏松粗粒土壤，利于第二个过程

4.2.3农田蒸散：农田蒸散

植物蒸腾与株间土壤蒸发的总和A主要特点：（1）农田蒸散不限于土壤表面的水分，还包括植物根系层土壤的水分；

（2）植物通过叶片气孔的张闭，可自行调节叶片蒸腾强度，从而影响农田蒸散；

（3）蒸腾主要在白天，而土壤蒸发则昼夜均可进行；

（4）蒸散面不仅是土面，还有叶面、茎面等植株表面。B可能蒸散：开阔地面，无平流作用，短草完全覆盖，供水充分条件下的蒸散。C影响：（1）气象因素，辐射差额、温度、湿度和风等。

（2）植物因素，植物覆盖度、植物种类、生长发育状况、气孔数目与排列、张闭程度等。

（3）土壤因素，土壤通气性、土壤含水量以及水分向土面和根系分布流动的速度等。

估算人们从考虑不同影响因子入手，提出了许多经验或半经验的估算公式。1．桑斯威特(Thornthwaite)法

D是月的天数；

L为该月的平均昼长，以小时计；t为月平均气温，

I为热指数，

i为每个月的热指数：i=(t/5)1.514t为月平均温度a为热指数的函数。a=6.75×10-7I3-7.71×10-5I2+1.792×10-2I+0.41桑斯威特法估算：资料易得，计算简单，但物理学基础不够充分，其一般适用于计算年或生长季节的蒸散量，而对于短期（小于一个月），或月平均气温低于0℃或干湿季节明显的季风区不适用。4.3水汽凝结4.3.1凝结条件4.3.2凝结物4.3.3降水4.3.1、凝结条件4.3.1.1空气的饱和或过饱和A在一定温度下增加空气中的水汽含量，使水汽压增大；(蒸发面温度明显高于气温。南方秋、冬季节清晨水面上形成的雾）B在空气中水汽含量不变的情况下，通过空气冷却，使饱和水汽压减小。（1）辐射冷却（2）接触冷却

（3）混合冷却（4）绝热冷却4.3.1.2凝结核1、吸湿性凝结核：具有很强的吸水能力，易溶于水。如海水溅沫进入空气的盐粒，工厂排出的二氧化硫、NO和烟粒等，是很活跃的凝结核。2、非吸湿性凝结核：虽不易或不溶于水，但易为水所湿润，如尘埃、岩石微粒、花粉等。凝结核促进水汽凝结的原理1、对水汽分子的吸引力大2、增大胚胎的体积3、形成溶液滴4.3.2、凝结物在条件具备时，空气中的水汽可在地面、近地层大气及自由大气中凝结，形成不同的凝结物。

4.2.3.1地面凝结物：露、霜、雾凇、雨凇1露与霜当地面或地物表面经辐射冷却，使贴地气层温度下降到露点温度以下时，如果露点在0℃以上，水汽凝结成水滴为露；在0℃以下，水汽凝华成疏松结构的白色冰晶为霜。意义：露对一些雨水稀少的干旱地区或干热天气条件下的农业生产有意义，起着一种维护植物生命，缓解旱情的作用，有利于农药利用，但也会助长植物病原菌，水果表面锈斑，重露可使秸杆和穗粒湿度增大，影响收割和脱粒。2雾凇：雾凇是附着于树枝、电线和物体的迎风面上的一种白色疏松的凝结物。雾滴附着并冻结而形成，常见于寒冷有雾的天气里。多形成于气温在-2——-20oc3雨凇：在地面、电杆、电线、树枝上形成的光滑而透明的冰层，是由过冷却雨滴降落到低于0℃的物体表面冻结而成。一般迎风面形成较多。4.3.2.2近地层水汽凝结物

雾：当近地气层的温度下降到露点温度以下，空气中的水汽凝结成小水滴或凝华成冰晶，弥漫在空气中，使能见度<1km的现象，如能见度1~10km，为轻雾。分类：

（1）辐射雾（2）平流雾(暖空气-冷地面）（3）平流辐射雾3影响：

①雾遮蔽太阳辐射，减小日照时数，削弱太阳直接辐射，抑制白天温度的增高；

②增大空气湿度，减小蒸散，限制根系吸收作用。

③雾滴沾在植物表面，可起到露的作用，妨碍植物受粉结实，利于病虫害发生。

④有利方面：寒冷季节，雾可减弱夜间地面有效辐射，减轻或免除低温危害；雾有利于茶、麻等生长，如"高山云雾出名茶"，雾可延长麻类的营养生长期，提高产量。4.3.2.3自由大气中云：水汽凝结物悬浮在自由大气中，由微小水滴、过冷却水滴、冰晶单独或混合组成。1形成条件空气的上升运动2分类：

A按高度分：

高云：>5KM

中云：2-5KM

低云：<2.5KM

B按形成：

（1）积状云由点到面空气对流形成，积云，积雨云

（2）层状云稳定空气被强迫抬升可形成层状云，雨层云，高层云，卷层云，卷云

（3）波状云由于大气波动式运动而形成波状云，层积云，高积云，卷积云4.4降水：从云中到达地面的水汽凝结物。雨、雪、霰、雹、露、（霜、雨淞、雾淞）。4.4.1降水的成因（一）降水的形成过程实际就是云中雨滴增大的过程。

4.4.1.1、凝结增长（大小、冰水）

4.4.1.2、碰并增长（1、大小运动速度不同。2、云中乱流3、水滴电荷）形成1暖云降水：暖云：指云体处于0℃等温线以下的云块。

降水过程：

抬升作用水汽上升凝结成云滴，（凝结增长），碰并大水滴。

2冷云降水：云体温度低于0度水汽在一定的条件下，以凝结核为中心，由核化作用形成初始冰晶，而后籍冰晶效应迅速形成较大的冰晶。->碰并、粘连、结淞->大雪晶，下降到0℃等温线以下时，融化，降至地面，->雨。冰晶效应：冷云中冰、水共存时水滴在冰晶上快速凝结从而使冰晶快速增大的过程。冰晶效应是冷云降水的物理基础。4.4.2种类及其表示法4.4.2.1

降水量：从大气降水降落到地面后未经蒸发、渗透和径流而在水平面上积聚的水层（或固体降水融化后）厚度，单位：毫米。4.4.2.2降水强度：单位时间内的降水量。

按降水性质：

（1）连续性降水（2）间歇性降水

（3）阵性降水（4）毛毛状降水4.4.2.3降水变率

降水距平

d：是指某地实际降水量与同期多年平均降水量之差，又称降水绝对变率平均绝对变率d：

各年距平绝对值的平均值降水相对变率D：某时期内降水距平与多年平均降水量的百分比。

降水平均相对变率D：平均距平与多年平均降水量的百分比4.4.4人工降水冷云人工降水人造冰晶法（碘化银、碘化铜、碘化铅、干冰）暖云人工降水人造大雨滴法（食盐、氯化钙、尿素、碘化银等）干燥度：一地某时段内水面可能蒸发量与同期内降水量之比

干湿区的划分：表5-3干湿区的划分指标干湿情况年降水量（mm）干燥度k湿润>800<1.00半湿润800～5001.00～1.49半干旱500～2501.50～3.49干旱<250>3.504.5

水分循环和水分平衡1、水分循环（外循环（图3-5）、内循环（图3-6））2、水分平衡（区域水分平衡、农田水分平衡）区域水分平衡：在陆地某一区域内，水分的收支状况。R=E+C＋△WR降水量E蒸发量C径流量△W有限区域内短期的水分增量3、农田水分平衡△S＝R+I＋N–T-D–E-

C△S开始与结束时段土层含水量的差值。R降水量T作物蒸腾量。E土壤水分蒸发量。N

毛管上升到该层的水量。I灌溉量。D渗漏到该层一下的水量。C地表径流。全球水分循环局地水分循环降水77蒸发84降水23蒸发16径流7水汽输送7A0R0A0-R0ECRCACC4.6水分与农业4.6.1水分的生理作用4.6.2空气湿度对植物的影响4.6.3作物的水分需求4.6.4提高水分利用率的途径4.6.1、水分的生理作用（一）水分光合作用的原料太阳光能

6CO2+6H2O-------→C6H12O6+6O2↑+282.1kJ

叶绿素（二）水分是重要的溶剂和生命的介质，与矿质营养元素传送有关（三）水分可以调节植物的体温（四）水分能维持植物细胞及组织的紧张度，是细胞活动及重量反应的前提。4.6.2、空气湿度对植物的影响可影响植物蒸腾，土壤水分蒸发，植物细胞水分平衡等太低：蒸散快，->植物萎蔫，干枯->开花授粉不良，落花落果太高：病虫流行，蒸腾下降，不利于运输，禾谷类植物籽粒发芽变质，妨碍昆虫授粉4.6..3作物水分需求作物水分平衡=水分吸收-蒸腾损耗水分的不平衡通常靠植物组织加以平衡，但大多数作物组织贮水能力有限。因此，必须精细地保持起水分的收支平衡，以避免作物水分状况过低以致伤害组织。作物水分需求的时间性水分临界期：作物不同时期对水分的敏感程度也是不一样的，对水分最敏感的时期，即由于水分的缺乏或过多，对作物产量影响最大的时期，称为某作物的水分临界期。关键期：综合考虑作物特性和当地气候条件而形成的对作物产量影响最明显的时期作物的水分逆境（1）水分亏缺：水分亏缺是指植物的水势和膨压降低到足以干扰其正常机能的情况。简单地说，水分供应不能满足作物生长发育的需要即为水分亏缺。水分亏缺对作物的影响主要表现在对细胞扩张生长、光合作用、授粉受精和结实等三个方面的影响：（2）水涝：土壤水分过多。->缺氧->涝害。水涝对植物的影响因植物种类、生育阶段、土壤类型、温度、淹水水质和持续时间等不同而有很大的差别。4.6.4提高作物的水分利用率途径（一）水分利用率（Pr）：：作物蒸腾消耗单位质量的水分所制造的干物质的重量

Pr＝Yd/EsYd

单位土地面积上收获的干物质重量。

Es单位土地面积上植物消耗于蒸腾作用的水量。其倒数称蒸腾系数Pw=Yd/EtPw

水分用率有效率。Et单位面积上消耗于蒸散的总水量（二）水分利用效率的变化规律1．随生育期的变化规律：与作物"慢-快-慢"的生长规律基本一致。2．日变化规律：晴天高于阴天，上午高于下午，峰值出现：阴天12h，晴天:9h（1）急升急降阶段上午8～9时

（2）缓升缓降阶段中午12～13时

（3）急降阶段16时以后(四)提高水分利用率的途径1农田基本建设A修筑梯田