中科大气象原理与气候学讲义04大气中的水分

第四章大气中的水分第一节蒸发一、水面蒸发水面蒸发的物理本质液体中的水分不停的运动着，当液面上的一些速度很大分子能克服液体的内聚力时，就能脱离液面而跑到空气中去，这些分子由于受到液面分子的吸引力及互相碰撞，有一部分又返回液面中来，当脱离液面的分子数多于返回液面的分子数时，即为蒸发过程；相反，若返回液面的分子数多于脱离液面的分子数时，为凝结过程；当脱离液面和返回液面的分子数相等时，即为饱和状态，此时蒸发量为零。2、蒸发耗热（L）概念：一克水蒸发为同温度下的水汽所消耗的热量。表达式：L＝2500－2.39t3、水面蒸发的影响因素温度：温度越高，蒸发越快空气饱和度：空气饱和度越大，蒸发越快气压：气压越高，蒸发越慢风速：风速越大，蒸发越快蒸发面性质：在条件相同的情况下，水面的大于雪和冰面的蒸发面形状：蒸发面形状越凸，蒸发越快二、土壤水分蒸发1、土壤水分蒸发三阶段第一阶段：土壤经降水或灌溉后，完全处于饱和状态，蒸发主要发生在地表，蒸发所减少的水分在土壤毛细管力的作用下，不断由下层输送水分补充地表。第二阶段：地表干旱，下层土壤含水量逐渐减少，蒸发面降低，蒸发的水汽通过干地层孔隙进入大气。第三阶段：土壤含水量低于植物发生萎蔫时的含水量，土壤水分的毛细管运动已经停止，只能以气态水的形式从地下通过干土层向大气扩散。2、影响因素气象因素和土壤湿度：第一阶段气象因素影响较大，土壤湿度越大，蒸发越快土壤性质：砂土＞壤土＞粘土，土壤结构不良、耕作粗放、地表不平、大颗粒多，则蒸发快，反之则小土壤表面状况：粗糙的土壤表面＞平滑的土壤表面，深色土表>浅色土表，植被覆盖下的土壤蒸发弱地形：高地蒸发强坡地方位：南坡＞北坡三、植物蒸腾概念：植物体内的水分通过体表以气态水的形式向外界大气输送的过程。蒸腾系数：植物形成单位重量干物质，所消耗的水量。阻抗公式E=k（eS-ea）/(ra+rs)

eS、ea分别蒸发面与空气的水汽压，ra、rs分别为空气和叶子阻力，K为气孔充分张开时rs为1或2s/cm；植物蒸腾所消耗的水分，用蒸腾系数来表示。蒸腾系数是作物形成一克干物质所消耗的水量，即：

KT=Tu（水）/rd（干物质）

四、蒸散

蒸散为蒸发和蒸腾之和。

（一）蒸发与单纯土面蒸发的区别

1．蒸散不仅限于土面水分的蒸发，还包括植物根层的水分。

2．植物通过叶面气孔的张开和关闭，可以调节植物的蒸腾。

3．蒸腾作用主要在白天进行，而蒸发日夜都在进行。

4．蒸散中的蒸发面，不仅是土壤表面，而且还包括植物的叶面。

（二）影响蒸散的因素

1．土壤水分与土壤毛细管传导特性

2．辐射差额

3．植物因素第二节空气湿度一、表示空气温度的方法（一）水汽压和饱和水汽压水汽压（e）:大气中水汽所产生的分压强饱和水汽压（E）：空气达饱和时的水汽压饱和水汽压的影响因素：温度：随其增大而增大物态：水面的大于冰面的蒸发面形状：凸面大于平面大于凹面液体的浓度：随其增大而减小（二）绝对湿度（a）：单位容积空气中的水汽含量。（三）相对湿度（r）：空气中实际水汽与同温度下饱和水汽压百分比。（四）饱和差（d）：某一温度下的饱和水汽压与同温度下的实际水汽压之差（五）露点（Td）：当空气中水汽含量不变且气压一定时，降低温度，使未饱和空气达饱和时具有的温度，称之露点。二、空气湿度的日变化和年变化（一）绝对湿度的日变化类型有两种：单波型：绝对湿度最大值出现在午后14、15时，最小值出现在日出前后双波型：绝对湿度在一天中有两个最大值分别在8、9时和20、21时，两个最小值分别出现在日出前和午后14、15时（二）绝对湿度的年变化其变化一般与气温的年变化一致（三）相对湿度的日变化内陆地区：其日变化与气温日变化成反比；近海地区：其日变化与气温日变化成正比（四）相对温度的年变化一般来说，其年变化与气温年变化相反，但我则不然。三、空气湿度的垂直分布在对流层中，绝对湿度随高度升高而减小，相对湿度随高度升高可能增加也可减小第三节凝结与凝华一、水汽凝结条件（一）空气中的水汽达到饱和或过饱和增大水汽压减小饱和水汽压大气中常见的降温过程有：辐射冷却接触冷却混合冷却绝热冷却（二）凝结核1、大气中存在的液态、固态、或气态的微粒，能使水汽凝结，是水汽凝结的核心2、分类：吸湿性和非吸湿性两种3、促进凝结的原因：凝结核能促进凝结的主要原因，是凝结核吸附水汽分子的能力比水汽分子之间的相互并合力要强。同时，凝结核的存在使水滴半径增大、曲率减小，从而使饱和水汽压减小，容易发生凝结。二、水汽凝结物按水汽凝结现象发生的高度不同，可分为两类：（一）地表面或物体表面的水汽凝结现象1、露和霜当空气由于地面冷却而降温达到露点时，空气达到饱和，继续降温，其多余的水汽就会在地面或地面物体上凝结。若地面温度高于0C，则凝结物为水滴，称为露。若地面温度低于0C，则凝结物为疏松结构的白色冰晶，称为霜。形成露和霜的有利大气条件是晴朗微风的夜晚。原因：因为无云或少云的夜晚，地面有效辐射大，地面降温剧烈。微风有利于地面充分辐射冷却。完全平静无风时，只能使最贴近地面的一层空气冷却，难于生成大量的露。风过大，低层冷空气和高层较暖空气容易发生强烈混合，使低层空气不能达到足够的冷却程度，因而不利露、霜的形成。2、雾淞和雨淞－树桂和冻雨雾淞是白色松脆晶体结构的凝华物，在寒冷有雾的天气里，微小的雾滴悬于空气中，在风的作用下，附着在物体如电线、电杆和树枝等的迎风面上。分类：根据雾淞形成的条件和结构，可将雾淞分为两类：晶状雾淞，当地面物体的温度低于过冷却雾滴和空气温度时，近地面空气中的水汽凝华在物体上形成晶状雾淞。在有雾、微风的严冬，有利于晶状雾淞的形成。粒状雾淞，由过冷却雾滴碰到冷的物体表面后，迅速冻结而成。粒状雾淞多出现在浓雾、风大的严冬日子里。雨淞是过冷却雨滴降落到低于0℃的物体表面冻结而成，是透明的外表光滑或略有突起的紧密冰层。雨淞凝结在电线、树枝等物体上，当冰层较厚时常压断电线和树枝，对交通运输、电讯及农林业生产都有很大影响。如1977年10月26～29日，从辽宁到河北北部遭受了严重的雨獭灾害。（二）近地气层中的水汽凝结现象当近地面层的空气温度降到露点以下时，空气中的水汽凝结成水滴，悬浮在大气中，使水平能见度降低到1km以下的天气现象，称为雾。按其形成原因，可将雾分为下列几种：（1）辐射雾。由于地面辐射冷却，使近地面层的空气相应地变冷。当近地层空气冷却到露点或露点以下时，水汽就会凝结成雾，称为辐射雾。（2）平流雾。当暖湿空气移到冷下垫面上时形成平流雾。（3）蒸发雾。当水面温度高于空气温度时，从暖水面向冷空气蒸发而形成。（4）山坡雾。因暖湿空气沿山坡抬升，绝热膨胀而冷却形成。（三）云的形成条件和分类云是降水的基础，是地球上水分循环的中间环节，并且云的发生发展总伴随着能量的交换。云的形状千变万化，一定的云状常伴随着一定的天气出现，因而云对于天气变化具有一定的指示意义。1、云的形成条件大气中，凝结的重要条件是，要有凝结核的存在，及空气达到过饱和。对于云的形成来说，其过饱和主要是由空气垂直上升所进行的绝热冷却引起的。上升运动的形式和规模不同，形成的云的状态、高度、厚度也不同。大气的上升运动主要有如下四种方式：（1）热力对流指地表受热不均和大气层结不稳定引起的对流上升运动。由对流运动所形成的云多属积状云。（2）动力抬升指暖湿气流受锋面、辐合气流的作用所引起的大范围上升运动。这种运动形成的云主要是层状云。（3）大气波动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。由大气波动产生的云主要属于波状云。（4）地形抬升指大气运行中遇地形阻挡，被迫治升而产生的上升运动。这种运动形成的云既有积状云．也有波状云和层状云，通常称之为地形云。2、分类：按云底高度把云分成高云（＞6000m）、中云（2000～6000m）及低云（＜2000m族），然后按云的形态划分为11类，如下表所列。云的分类云族类别拉丁文学名缩写高云卷云Ci卷层云Cs卷积云Cc中云高积云Ac高层云As低云层积云Sc层云St雨层云Ns碎雨云Fn积云Cu积雨云Cb（1）高云族：包括卷云、卷层云和卷积云三类，其云底高度一般在6000m以上。高云是由微小的冰晶组成，通常不能遮住阳光，白天有高云时，地面物体无影卷云（Ci）：卷云具有纤维状结构，常呈丝状或片状，分散地飘浮在空中。卷云通常为白色，并带有丝一般的光泽。卷云的种类很多，云丝薄而分散，纤维结构清晰的，称为毛卷云；云丝密集，聚合成片的，称为密卷云；云丝平行排列，而且上端有钩或小云团的，称为钩卷云；伪卷云是由积雨云的顶部脱离主体后而成，所以云体大而厚密。多见于积雨云崩析消散过程中，天气由雨转晴。卷层云（Cs）：呈乳白色的云幕，透过它能清楚地看出日月的轮廓，而且经常有日晕或月晕出现。其中云幕薄而均匀，看不出明显结构的，称为薄幕卷层云；云幕的厚度比较均匀，云的丝缕结构明显的，称为毛卷层云。卷积云（Cc）：白色鳞片状的小云块，这些云块常常成群地出现在天空，看起来很像微风拂过水面时引起的小波纹。卷积云常由卷云和卷层云蜕变而成。（2）中云族：包括高积云和高层云两类，其云底高度通常在2000～6000m之间。高层云由水滴和冰晶混合组成。高积云有时和高层云一样，有时只有水滴构成。中云比高云浓密得多，厚的能遮住阳光，有时还可能降雨雪。高积云（Ac）：白色或灰白色的薄云片或扁平的云块。这些云片或云块有时是孤立分散的，有时又聚合成层，成层的高积云中，云块常沿一个或两个方向有秩序地排列着。高积云可同时出现在不同的高度上，透过高积云看日月时，常有内紫外红的彩色花环。高积云可分透光高积云、蔽光高积云、荚状高积云、积云性高积云、絮状高积云、堡状高积云等。高层云（AS）：呈淡灰色的云幕，看起来比卷层云厚而且浓密，出现时常布满全天。其中，云层较薄，厚度较均匀，透过它可以辨别日月位置，但其轮廓模糊不清，好像隔着一层毛玻璃似的称为透光高层云；云层比较厚，云底阴暗，能完全遮蔽日月，或云层的厚度不均匀，出现明暗相间的条纹，称为蔽光高层云。蔽光高层云有时可降小雨或雪。（3）低云族：包括层积云、层云、雨层云、碎雨云、积云和积雨云6类，其云底高度一般在2000m以下。层积云、层云、碎雨云和积云主要是由水滴组成。雨层云和积雨云经常由水滴和冰晶共同组成。低云都可以有降水，但只有雨层云和积雨云才有大量降水。层积云（Sc）：灰色或灰白色的云片、云块或云条。同高积云相比，这些云块的个体都比较大，结构比较松散，厚的部分比较阴暗。厚的层积云可降间歇性的的小雨或小雪。层积云中，云块之间有明显的缝隙，透过缝隙可见蓝天或上面云层的，称为透光层积云；云块彼此密接，布满全天，犹如波涛汹涌的海面的，称蔽光层积云；由积云或积雨云衰退后衍展而成的扁平云块，称为积云性层积云；在平坦的天体上有云塔突起的，称堡状层积云；云形似豆荚，中间厚，边缘薄的，称荚状层积云。层云（St）：低而均匀的灰白云幕，像雾，但不与地面相接，它的厚度不大，由极小的水滴组成，仅能降毛毛雨或粒雪。雨层云(Ns)叫：呈低而均匀的云幕，水平范围很大，常常遮蔽全天。由于其厚度很大，能完全遮蔽日月，故云底阴暗。雨层云有连续性降水或有雨幡（从云中落下的雨滴或雪花，在到达地面以前就被蒸发掉了）。碎雨云（Fn）：低而破碎，随风飘移，形状多变，云体呈灰色或灰白色，常会出现在降水云层的下面。积云（Cu）：底平顶凸，孤立分散，云体铅直向上发展。根据其发展的程度，可将积云分为三种：淡积云是云体扁平。个体不大，底部平坦，顶部呈圆弧形隆起，往往孤立分散在天空；浓积云比淡积云高大，顶部圆弧形重叠，像菜花，底部阴暗；碎积云的云体破碎，中部稍有凸起，形状多。积雨云（Cb)：垂直发展极盛，个体庞大，像耸立的高山，常伴有雷阵雨和大风。在积雨云刚形成时，云顶的圆弧形轮廓已模糊不清，但尚未向外展开，这种积雨云称为秃积雨云；当积雨云和云顶向外展开像铁砧时．称为砧状积雨云。第四节降水从云中降到地面的液态或固态水，称为降水。降水的形成过程就是云滴增大的过程。云滴增大的方式有两种，一种是水汽在云滴上不断凝结或凝华而增大，一种是云滴之间互相合并而增大。一、各类云的降水不同的云，由于其水平范围、云高、云厚、云中含水量、云中温度和升降气流等情况不同，因而降水的形态、强度、性质也随之而有差异。(一)层状云的降水层状云一般包括高层云、层积云、雨层云和卷层云。卷层云是冰晶组成的，由于冰面饱和水汽压小于同温度下水面饱和水汽压，使冰晶可以在较小的相对湿度（可以小于100％)情况下增大。但是，因卷层云中含水量较小，云底又高，所以除了在冬季高纬度地区的卷云可以降微雪以外，卷层云一般是不降水的。雨层云和高层云经常是混合云，所以云滴的凝华增大和冲并增大作用都存在，雨层云棚高层云的降水与云厚和云高有密切关系。云厚时，冰水共存的层次也厚，有利于冰晶的凝华增大，而且云滴在云中冲并增大的路程也长，因此有利于云滴的增大。云底高度低时，云滴离开云体降落到地面的路程短，不容易被蒸发掉，这就有利于形成降水。所以对雨层云和高层云来说，云愈厚、愈低．降水就愈强t而层云比高层云的降水入得多，也主要是这个缘故。由于层状云人体比较均匀，云中气流也比较稳定，所以层状云的降水是连续性的，持续时间长。降水强度变化小。(二)积状云的降水积状云一般包括谈积云、浓积云和积雨云。淡积云由于云薄，云中含水量少，而且水滴又小，所以一般不降水。浓积云是否降水则随地区而异。在中高纬度地区，浓积云很少降水。在低纬度地区，因为有丰富的水汽相强烈的对流、浓积云的厚度、云中含水量和水滴都较大，虽然云中没有冰晶存在，但水滴之间冲并作用显著．故可降较大的阵雨。积雨云是冰水共存的混合云，云的厚度相云中含水量都很大，云中升降气流强，因此云滴的凝华增长和冲并作用均很强烈，致使积雨云能降大的阵雨、阵雪，有时还可下冰雹。积状云的降水是阵性的。这是因为，一方面它的云体水平范围与垂直伸展的尺度差不多，也就是说它的水平范围小，经过一个地方用人了多少时间．因而降水的起止很突然。另一方面是由于积状云中，升降气流多变化，上升气流强时，降水物被“托住”降落不下来。当上升气流减弱或出现下沉气流时，降水物骤然落下，也使降水具有阵性。(三)波状云的降水波状云由于含水量较小，厚度不均匀，所以降水强度较小，往往时降时停，具有间歇性。层云只能降毛毛雨，层积云可降小的雨、雪和霞。高积云很少降水。但在我国南方地区，由于水汽比较充沛，层积云也可产；生连续性降水，高积云有时也可产生降水。二、人工影响云雨人工影响云雨是人类控制自然的重要方面。一百多年前，我国就有炮轰雷雨云的防雹尝试，近几十年来，科学技术的进步，国内外人工影响云、雾、降水的方法取得了很大的进展。人工降雨就是根据自然界降水形成的原理，人为地补充某些形成降水所必须的条件，促使水滴迅速凝结或并合增大，形成降水。所采用的方法，因云的性质不同，有以下几种：(一)人工影响冷云降水(二)人工影响暖云随水三、降水表示方法（一）降水量是指从空中降下来的液态水或融化后的固态水，在水平面上未经蒸发、渗透、流失所聚积的水层深度，通常以mm为单位。雾、霜、雾淞等凝结物为水平降水。从云中降到地面的降水量和水平降水量之和，称为雨量或降水量。（二）降水强度是指单位时间内的降水量，单位用mm.h或mm.d。（三）降水变率降水变率表示降水量的变动程度，有绝对变率和相对变率两种。1．绝对变率绝对变率是某地实际降水量（X）与同期多年平均降水量（X）之差，即降水距平值（d）。降水绝对变率为正值，表示比正常年份降水量多，负值表示比正常年份降水量少。因此，降水绝对变率表示某地降水量的变动情况。2．相对变率为了便于不同地区进行比较，通常采用相对变率（D），相对变率是降水距平值D与多年平均降水量X的百分比。相对变率=绝对变率/历年平均降水量×100%＞25%，采取预防措施，干旱或洪涝，＞50%，特大干旱或洪涝，什么措施都不用采取，徒劳无功。这两个指标全省通用，有点差别，不是很大。

（四）降水保证率某一界限降水量在某一段时间内出现的次数与该段时间内降水总次数的百分比，叫做降水频率。降水量高于（或低于）某一界限的频率的总和，叫降水保证率。降水保证率表示某一界限降水量出现的可靠程度的大小。在气候统计中求频率与保证率至少要有25～30年以上的资料。四、降水的种类（一）按降水性质分类法按降水性质分类有连续性降水、阵发性降水和毛毛状降水三种。（1）连续性降水：降水时间较长、强度变化较小，降水范围较大，通常降自高层云和雨层云中。（2)阵性降水：降水持续时间短、强度大，常突然开始和停止，降水范围较小，而且分布不均匀。（3）毛毛状降水：是极小的滴状液体降水，落到水面上没有波纹，落在干地上无水湿斑，降水强度很小，通常降自层云或层积云。（二）按降水强度分类法按降水强度分类有小雨、中雨、大雨、暴雨、特大暴雨，小雪、中雪、大雪等。（三）按降水的物态形状分类法按降水的物态形状分类有雨雪、霰、雹等。（1）雨：从云中降到地面的液态水滴。（2）雪：由冰晶和过冷却水滴混合组成的云中，由于冰晶的饱和水汽压比水滴饱和水汽压小，水汽由水滴表面向冰晶表面移动，并在冰晶的各个角尖上凝结，形成各种形状的雪花。雪花逐渐增大，由于重力的作用，慢慢向地面降落，若此时低空气温低于00C，则降落到地面的便是雪。若低空气温接近00C，则降落到地面的便是雨夹雪。（3）霰：白色，不透明的球状晶体，是过冷水在冰晶周围冻结而成的，其直径小于5mm，落地反跳，常见于降雪之前，或与阵雨、阵雪同时降落。其径小于1mm称霰，大于1mm称“雪子”或“米雪”。（4）雹：是由透明和不透明的冰层相间组成的固体降水物，多呈球形，其大小不一，可从几毫米到几十毫米，常从积雨云中下降，并伴有阵雨，持续时间短，但降水量很大。（四）按降水形成原因分类法按降水形成的原因分类有地形雨、对流雨、气旋雨和台风雨。（1）地形雨：暖湿空气在前进途中，遇到地形的阻碍