云师大气候学与水文学课件04大气中的水分

第二节大气水分和降水第四章大气中的水分第一节蒸发和凝结一、水相变化

水的三相：气态（水汽）、液态（水）、固态（冰）

1、水相变化的物理过程

从分子运动论看，水相变化是水的各相之间分子交换的过程；分子运动的剧烈程度与温度有关，因而水相的变化主要受温度影响。2、水相变化的判据

N＞n蒸发（未饱和）N=n动态平衡（饱和）N＜n凝结（过饱和）E＞e蒸发（未饱和）E=e动态平衡（饱和）E＜e凝结（过饱和）二、水相变化

·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）。3、水相变化中的潜热

蒸发潜热L与温度的关系L=（2500-2.4t）×103（J/kg）≈2.5×106J/kg升华潜热Ls：融解潜热为3.34×105J/kgLs=（2.5×106+3.34×105）J/kg

≈2.8×106J/kg

蒸发、融解、升华——吸收潜热凝结、冻结、凝华——释放潜热温度-30-20-100102030计算值0.5271.2732.8736.1112.3223.7043.60实验值

2.8656.1112.2823.3842.43各种温度下的饱和水汽压(hPa)：二、饱和水汽压

1、饱和水汽压与温度的关系饱和水汽压随温度的升高而增加，高温时的饱和水汽压比低温时大！2、饱和水汽压与蒸发面性质的关系

（1）冰面和过冷却水面的饱和水汽压不同温度下过冷却水面饱和水汽压(Es)和冰面饱和水汽压(Ei)及其差值(ΔE)：温度0-5-10-11-12-15Es6.1084.2152.8632.6442.4411.942Ei6.1084.0152.5972.3762.1721.652ΔE00.2000.2660.2680.2690.260温度-20-25-30-35-40-50Es1.2540.8070.5090.3140.1890.064Ei1.0320.6320.3800.2230.1280.039ΔE0.2220.1750.1290.0910.0610.025（2）溶液面的饱和水汽压在同一温度下，溶液面的饱和水汽压比纯水面的小，且溶液的浓度越大，饱和水汽压越小。同温度下，冰面的饱和水汽压小于过冷却水的饱和水汽压！(零度时除外)3、饱和水汽压与蒸发面形状的关系

同温下，凸面的饱和水汽压最大，平面次之，凹面最小；凸面的曲率越大，饱和水汽压越大；凹面的曲率越大，饱和水汽压越小。三、蒸发及其影响因素影响因素：水源、热源、饱和差、风速与湍流扩散

·水源：没有水源不可能蒸发；·热源：蒸发必须消耗热量；·饱和差：饱和差越大，蒸发速度越快。当e＜E时，出现蒸发；当e＞

E时，则出现凝结。·风速与湍流扩散：无风时蒸发慢，有风湍流强，蒸发快四、湿度随时间的变化

1、水汽压随时间的变化

双峰型：主要在大陆上湍流混合较强的夏季出现，在一日内有两个最高值和两个最低值。最低值出现在清晨温度最低时和午后湍流最强时，最高值出现在9—10时和21—22时单波型：以海洋上、沿海地区和陆地上湍流不强的秋冬季节为多见，最低值出现在清晨气温最低时，最高值出现在午后气温最高时。水汽压的年变化与温度的年变化相似，最高值出现在温度高、蒸发强的7—8月份，最低值出现在温度低、蒸发弱的1—2月份。2、相对湿度随时间的变化

相对湿度的日变化与温度日变化相反，其最高值基本上出现在清晨温度最低时，最低值出现在午后温度最高时相对湿度的年变化一般以冬季最大，夏季最小。季风盛行地区，由于夏季盛行风来自于海洋，冬季盛行风来自于内陆，相对湿度反而夏季大，冬季小五、大气中水汽凝结的条件

1、一般条件

一是有凝结核或凝华核的存在。二是大气中水汽要达到饱和或过饱和状态2、凝结核

在实验室里发现，在纯净的空气中，相对湿度为300％—400％，也不会发生凝结。大气的吸湿性微粒物质，对水分子吸引力大，从而有利于水汽分子在其表面上的集聚，使其成为水汽凝结核心，称其为凝结核。

3、空气中水汽的饱和或过饱和（1）暖水面蒸发（2）空气的冷却A、绝热冷却：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B、辐射冷却：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C、平流冷却：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D、混合冷却：当温差较大，且接近饱和的两团空气水平混合后，也可能产生凝结三、水汽凝结现象第二节水汽的凝结现象一、地表面的水汽凝结物

(一)露和霜1、定义：傍晚或夜间，地面或地面物体因辐射冷却，使贴近地表面的空气层也随之降温。当温度降到露点之下时，空气达到饱和在地面地物的表面产生的水汽凝结。·露：当Td>0时,地面或地面物体上出现极其微小的水滴，称为露。·霜：当Td<0时,地面或地面物体上出现白色晶体结构的水汽凝华物称为霜。

露霜霜

2、霜与霜冻的区别

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：当低温>Td时，有霜冻而无霜白霜：当低温<Td时，即有霜冻又有霜

霜：白色的凝华物因此，农业上要预防的是霜冻而不是霜，霜和露都是好天气的标志。

霜冻预防的一般措施:(1)熏烟法：在霜冻之夜，在田间熏烟可有效地减轻或避免霜冻灾害。但要注意两点：一是烟火点应适当密些，使烟幕能基本全覆盖；二是点燃时间要适当，应在上风方向，午夜至凌晨2～3点钟点燃，直至日出前仍有烟幕笼罩在地面，这样效果最好。(2)喷水法：在霜冻发生前，用喷雾器对植株表面喷水，可使其体温下降缓慢，而且可以增加大气中水蒸气含量，水汽凝结放热，以缓和霜害。明显的霜冻天，可多次喷水。(3)湿地法：潮湿的土壤热容量大，导热率也大，表层冷却慢，所以在霜冻发生前，浇湿地面，可减轻霜冻强度，此方法一般与喷水法同时采用。(4)覆盖法：用草帘、薄膜将农作物覆盖。此法适用较小面积，成本较大。(5)洗霜法：万一遭霜冻，在太阳出来以前，浇水或喷清水洗霜，可减轻作物霜冻危害。2、形成条件：

露晴朗的夜晚——有利于地物或地面迅速辐射冷却微风——保证有足够多的水汽供应凝结霜晴朗的夜晚——有利于地物或地面迅速辐射冷却冷平流过后可以形成平流霜洼地或山谷中，冷空气聚集易形成洼地霜

（二）雾凇和雨凇

1、雾凇

雾凇是形成于树枝上、电线上或其它地物迎风面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。（1）晶状雾凇：由过冷却雾滴蒸发后，直接由水汽凝华而成

特点：结构松散，稍有震动就脱落条件：有雾、微风、T≤-15℃（2）粒状雾凇：过冷却雾滴碰到冷的物体表面后迅速冻结而成的冰晶特点：结构紧密条件：有雾，风速较大，T=-2到-7℃危害：能压断电线、树枝、影响交通和通讯雾凇雾凇吉林雾凇岛2、雨凇

雨凇是形成在地面或地物迎风面上的透明的或毛玻璃状的紧密冰层，主要是过冷却雨滴降到温度低于0℃的地面或地物上冻结而成的。

雨凇的破坏性很大，它能压断电线、折损树木，对交通运输、电讯、输电以及农业生产都有很大影响。雨凇雨凇二、大气中的水汽凝结物（一）雾

1、定义：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的汽凝结物。

2、条件：近地面空气中水汽充足有充足的凝结核有使水汽凝结的冷却过程风力微弱、层结稳定（r<rm）3、预示天气状况：“十雾九晴”雾

锋面雾

气团雾

蒸发雾 混合雾

冷却雾

辐射雾

平流雾

上坡雾

3、分类：根据雾的形成天气条件进行分类

（1）辐射雾：由于地面辐射冷却，使近地面的空气相应变冷，当空气温度在露点温度之下时，空气中的水汽产生凝结而形成的雾。条件：近地面空气中水汽充足；

晴朗少云的夜晚；微风；大气层结稳定

特点：日变化强，一般半夜形成，日出后逐渐散开季节性强，一般在冬半年的陆地上形成地方性强，比如谷地、盆地等地形（2）平流雾：暖浊空气移到冷的下垫面上使低层空气冷却而形成的雾

条件：下垫面与暖湿空气的温差大；

暖空气湿度大；适宜的风向和风速（每秒2—7米）；大气层结稳定。重庆之雾城市之雾2山东蓬莱海上平流雾景观为什么雾天会加剧大气污染、危害人体健康呢？原来，当细小的水珠飘浮在

低空形成雾时，小水珠会溶解和吸附一些地表的有害物质，如酸、碱、苯、酚以

及尘埃、病原微生物等。雾的形成使这些有害物质滞留、积聚，浓度较高而又得

不到扩散、稀释，污染就相应加重。如果冬雾持续数日，空气中污染物会迅速增

加。在雾中锻炼，人吸入或接触过多有害物质，可引起气管炎、喉炎、肺炎、鼻

炎、眼结膜炎，以及过敏性疾病。

晨练者在运动时，由于肌肉和骨骼的活动加强，体内的产热量增加，为了维

持热平衡，需要借助排汗来散发体热。但是，大雾时，气压高，空气湿度大，汗

液不易蒸发，不利于皮肤的散热，有碍肺泡的气体交换，这样，就会使人感到闷

热和周身不适，出现胸闷、憋气、疲劳、头昏等供氧不足的症状，并且容易引起

伤风感冒，诱发高血压、冠心病、呼吸系统疾病和脑溢血。

历史上曾经发生过多起烟雾“杀人”的事件。比利时马斯河谷地区1930年12

月持续一周的烟雾，致60人死亡；1948年10月底，美国多诺拉持续5天大雾弥漫，

17人致死；最可怕的是1952年12月5日至9日的英国伦敦烟雾事件，造成4000人死

亡……这些都说明雾对人体的危害。因此，浓雾天最好不要到户外进行体育锻炼，

特别是患有呼吸道疾病和心血管疾病的人，以及年老体弱者，更应当心。此时，

可暂时改在室内做徒手操、打太极拳等，或者推迟时间，待雾散后再去锻炼。阅读:（二）云1、定义：云是指高悬于空中、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。2、云的成因：对流运动——主要形成积状云；动力抬升——主要形成层状云；大气波动——主要形成波状云；地形抬升——比较复杂，可以形成各种云。3、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。云的类型云族云属符号特征低云100——2000m积云Cu由水滴组成，云底平坦，垂直向上发展，常常产生大量降水及阵性降水。积雨云Cb层积云Sc层云St雨层云Ns中云＜6000m高层云As由水滴和冰晶组成，可降水或变雨层云。高积云Ac高云＞6000m卷云Ci由冰晶组成，一般不产生降水。卷层云Cs卷积云Cc4、各类云的形成及特点：（1）积状云：属于垂直发展的云块，是由于空气对流上升绝热冷却，使水汽产生凝结而形成的云。多形成于夏季午后。特点：顶部孤立，分散，个体分明；底部平坦，水平范围小，云内不稳定，垂直发展的云块。类型：淡积云

浓积云

积雨云积云，平底，向上发展B淡积云C浓积云D积雨云积雨云在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强烈发展的积雨云积状云日变化：上午：多淡积云，随着对流增强，逐渐发展为浓积云。下午：对流旺盛，发展为积雨云；傍晚：对流减弱，消散根据积状云的变化判断短期天气变化：·一天都只是淡积云，空气稳定，连续晴天。·夏天很早出现浓积云，空气不稳定，雷雨征兆。（2）层状云：包括卷层云、卷云、高层云及雨层云。特征：均匀幕状云层，具有较大的水平范围。形成：大规模的系统性上升运动产生，主要是锋面上的上升运动引起。卷云1卷云卷云2卷云卷云3卷云卷层云1卷层云卷层云2“日晕风，月晕雨”卷层卷层云3卷层云高层云雨层云（3）波状云：包括卷积云、高积云、层积云、层云。特征：波浪起伏或鱼鳞状的云层。形成：空气存在波动，波峰处空气上升绝热冷却形成云，波谷空气下沉。根据波状云的变化判断短期天气变化：·波状云出现表明气层比较稳定，天气少变化。·“瓦块云，晒死人”、“天上鲤鱼斑，明天晒谷不用翻”卷积云高积云波状云2（4）特殊云堡状云：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致。“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”

荚状云：是上升气流与下降气流相汇合而成的，呈豆荚状。一般晴天黄昏时出现，属于连晴天的标志。堡状云荚状云（地形云）絮状云悬球云火山云美国圣劳伦斯火山火山云是火山爆发时形成的。火山爆发时释放出巨大的能量，在火山口附近会激起强烈的对流活动，于是形成“火山云”。UFO云

（地形云）法国第三节降水——指从云层中降落到地面的液态或固态水。包括雨、雪、霰、雹等。雨：自云体中降落至地面的液体水滴。雪：从混合云中降落到地面的雪花形态的固体水。霰：从云中降落至地面的不透明的球状晶体，由过冷却水滴在冰晶周围冻结而成，直径2—5mm。雹：是由透明和不透明的冰层相间组成的固体降水，呈球形，常降自积雨云。一、云滴增长的物理过程——降水从云中来，但有云未必有降水。形成降水的关键，是雨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。①过冷水滴蒸发→冰晶凝华增长②小水滴蒸发→大水滴凝结增长③暖水滴蒸发→冷水滴凝结增长2、冲并增长大小云滴之间发生冲并而合并增大的过程。下降时，大云滴追上小水滴；上升时，小云滴追上大水滴，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，后期则以重力冲并增长为主。二、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：①＋干冰（降温→自生冰晶）；②＋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。★雨量和分级

种类24小时降水量12小时降水量目视特征小雨＜10.0mm＜5.0mm雨滴清晰可辨，地全湿，无积水或积水形成很慢中雨10.0～24.95.0～14.9雨滴连续成线，可闻雨声，地面积水形成较快大雨25.0～49.915.0～29.9雨滴模糊成片，雨声激烈，地面积水形成很快暴雨50.0～99.930.0～69.9雨如倾盆，讲话受雨声干