3第三章 大气中的水分.ppt

1、1,第三章 大气中的水分 3.1 蒸发凝结3.2 地面和大气中的凝结物 3.3 大气降水,2,本 章 要 点,大气降水是水循环的重要环节，实际上是一种特殊的水、气、地之间物质与能量的交换，它使地球生命充满活力。,3,湿度（humidity） 概念空气潮湿程度或水汽含量多少的物理量。（1）水汽压（e）和饱和水汽压（E） （2）绝对湿度（a） （3）相对湿度（f）（4）饱和差（d）（5）比湿（q）和混合比（）（6）露点（td）,4,（1）水汽压（e）（water-vapour pressure）和饱和水汽压（E）（saturation water vapour pressure） 大气中水汽本身具

2、有的压力叫水汽压。 单位：mm、hpa 饱和湿空气中的水汽压叫饱和水汽压(也叫最大水压）。 单位：hpa,5,饱和水汽压（E）与温度（t）按指数规律变化。 温度高E值大，温度低E值小。 降低相同温度，温度高的饱和空气被凝结的水汽多，相反则少。 温度低的未饱和空气，只要降低较少温度，空气很快出现饱和。例：庐山山上湿润，山下干燥。,6,（2）绝对湿度（a）（absolute humidity） 概念单位体积空气中所含的水汽质量（即水汽密度）。 单位：g/cm3，g/m3。,7,（3）相对湿度（f）（relation humidity） 概念空气中的实际水汽压(e)与同温度下的饱和水汽压(E) 之

3、比。 单位： 相互关系式：f=e/E100%,8,（4）饱和差（d）也叫湿度差 （saturated odds） 概念在当时气温下应有的饱和水汽压（E）与实际水汽压（e）之差。 单位：hpa，mm 饱和差表示实际空气距离饱和的程度。 表达式：dEe d0 空气远离饱和状态 d0（Ee） 空气达饱和 d0 空气达过饱和,9,（5）比湿（q）和混合比（） 概念：一团湿空气中，水汽的质量与该团空气的总质量比值叫比湿。 单位： g/g ， g/kg 表达式 q=mw/（md+mw） 式中：mw湿空气质量，md干空气质量。,10,（6）露点（Td）（dewpoint） 概念当空气中水汽含量不变且气压一定

4、时，气温降低到使空气刚好达到饱和时的温度。单位： K 要使空气达到饱和出现露点，首先是降低气温。 增加水汽含量，使空气出现饱和达到露点。 饱和水汽压变化曲线（露点定义）,11,水相变化,物理过程: 判据:蒸发Ee 饱和E=e 凝结Ee 潜热:,12,饱和水汽压,饱和水汽压与温度:E=E0108.5t/(273+t) 增温时E指数规律增大(原因) 饱和水汽压随温度改变的量,高温时大于低温. 表3.1 饱和水汽压与蒸发面性质 冰面(小)和过冷却水:冰晶效应. 图3.2 溶液面(小)和纯水 饱和水汽压与蒸发面形状:图3.3 凝结增长:E小eE大,13,3.1 蒸发 (evaporation) 概念一

5、定温度下由液态水（冰）转为 气态水（水汽）的过程。 由蒸发消耗的水量称为蒸发量，用蒸发失去的水层厚度（mm）表示。（1）e与E二者的对比是出现蒸发的关键eE出现凝结（过饱和）,14,蒸发过程示意图,蒸发过程 示意图,蒸发尾迹,15,（2） 影响蒸发速度快慢的主要因素（三个） 水源蒸发的温度蒸发的温度愈高，蒸发愈快，相反 愈慢。蒸发的性质同温度时，水面蒸发快于冰面、淡 水快于海水。空气湿度和风空气湿度大的蒸发速度小于空气 干燥时，有风时大于无风。 上述影响因素中，起决定作用，其次为风（3）日变化和年变化与气温相同（4）蒸发量空间分布因气温高低、海陆分布、 水汽量多少而不同。,16,全球年蒸发量分

6、布图,17,凝结 （condensation） 概念一定温度时由气态水（水汽）转为液态水（冰）的过程，由水汽直接转为冰过程称为凝华。（1） 凝结（凝华）条件 具有一定凝结核（凝华核） 增加水中的水汽eE 通过空气冷却、降低E,18,凝 结,凝结尾迹,冰晶,19,（2） 凝结（凝华）途径 暖水面蒸发使空气中水汽量增加 例：秋冬季节水面上腾起的雾 四种空气冷却方式 绝热冷却热空气作绝热上升运动，是大 气 中云形成的主要方式。如：山地降温等 辐射冷却晴朗无风夜晚，地面辐射冷却至 td以下。 如：辐射雾 平流冷却暖空气平流到冷却地表上 混合冷却接近饱和的两个温差较大气块 （团）发生水平混合.66图3.

7、7 上述凝结方式中以冷却为主。雾一主要是辐射冷却、平流冷却，云主要是绝热冷却。 大气凝结现象发生在地面和空中。,20,3.2地面凝结物 地面凝结物类型露、霜、雾凇、雨凇 地面凝结物一般直接依附在地面物体上 （草、树、通讯设施等）。 露 （dew） 概念 t 0由水汽凝结而成的水滴 形成条件晴朗微风的夜晚（辐射冷却形成） 凝结量温带0.10.3 mm（平均1 mm），是干旱地带（埃及、阿拉伯、撒哈拉等沙 漠 )植物维持生命的主要源泉。,21,霜和霜冻、霜期 霜（ frost ） 概念 t 0，水汽直接凝华成细小的白色固体（冰晶）凝结物。 形成条件晴朗微风的夜晚（地表辐射冷却， 地表之上聚集冷气流

8、二种方式形成）。,22, 霜冻农作物生长季节中（白天T0，夜晚T0）地表温度下降足以使农作物 遭受伤害或死亡的低温（有白霜和黑霜之分）。可采取熏烟、浇水、复盖薄膜等办法预防。 霜期 初霜日入冬后第一次出现的霜日 终霜日冬季后最末一次出现的霜日 无霜期（生长期）终霜日的持续期霜期长短因纬度、高度、局部地形而不同，且无霜期随纬度增加而递减。,23, 露、霜差异 共同点天气条件均为晴朗微风的夜晚 不同点温度要求一个在0以上，一个在0以下露、霜常被人们作为“晴天”的预兆（露水起晴天、霜重见晴天）。,24,霜、 霜冻,露 珠、露水,25,雾凇（ freezing fog）概念积聚在地面物体（树、电线杆等

9、）迎风面上针状或粒状的白色松散微小固体（冰晶）凝结物。 据形成条件、结构分为两类。 晶状雾凇由物体表面晶体吸附过冷却雾滴蒸发出来的水汽而形成的雾凇。 形成条件有雾、微风或静风及t 低于-15。 结构松散、稍有震动就会脱落。,26, 粒状雾凇概念 由风将过冷却雾滴吹至冷物体表迅速冻结而成，雾滴仍保持原形状（呈粒状）。 形成条件 风速,= - 2 -7 结构 紧密，能折断树枝、电线。,27,雨凇（ glaze） 概念在接触的物体表面形成的光滑而透明的冰层。 形成条件 T 0，过冷却雨滴或毛毛雨雨滴。 结 构 紧密，能折断树枝、电线。 分布区域 山地区域或湖区多见。 灾 害 雾凇和雨凇属灾害性天气。

10、对通讯、交通、农业生产等有较大影响（损失）（如，压断电线、折损树木）。,28,雾凇,松花江江面上的树挂,黑龙江镜泊湖封冻期,29,空中凝结物空中凝结物类型雾、云 雾直接悬浮在近地表大气层内，云则形成空中一定高度上。两者仅是形成高度的差别（如山上的浓雾，山下见到则是云）（1）雾（ fog） 概念悬浮于近地表空气中的大量水滴或冰晶，使水平能见度小于1km的物理现象称为雾。 悬浮于近地表空气的大量细小干燥尘粒（烟粒、灰尘），使水平能见度小于1km的空气混浊现象称霾。城市或污染严重的大工业区可见此现象。,30, 作用可增加土壤水分，减少植物蒸腾、补偿植物干季时的缺水 现象。 能见距离一般200500m

11、，薄雾5001000m，浓雾仅数十米。 影响和危害城市、海上、高速交通。 形成条件主要取决于空气冷却过程。一般为以下4种，其中前2种为最常见。,31,加里福尼亚海边薄雾 (A.Straller,1983）,雾中的珠穆朗玛峰,雾涌山乡（杨桦等，2000）,32,四姑娘山薄雾（杨桦等，2000）,四姑娘山雾景 （杨桦等，2000）,台湾雪霸国家公园 观雾游憩区,33, 辐射雾 概念 地面辐射冷却形成的雾 形成条件空气湿度大，晴朗少云，夜晚或早晨，微 风（1m/s3m/s）、气层稳定。 形成季节秋、冬季 著名区域四川盆地（例：重庆冬季80%为辐射雾） 平流雾 概念 暖湿空气平流到冷地表（或海面）形成

12、的雾。 形成条件暖空气湿度大，与接触地表间温差大，适 宜风向和风速（2m/s7m/s）及气层稳定。 形成季节、时间春、夏季，一天中的任何时候。但 海上四季可见。 形成区域沿海大陆,34,辐射雾顶上看到的目标物,雨层云 （气象学教程，1973）,雨层云 （陆忠汉等，1984）,35,（2）云（ cloud） 云是空中凝结物。不同高度、不同形态的云是水圈水分循环的必经之路。,武夷山云海,庐山云雾线,36,衡山日出云海,黄山日出,普陀山日落,37,云状分类 3族10属云系主要由积状云、层状云、波状云三类组成。 积状云 形成方式由热力对流、冷锋面对流、地形抬升等 形成。 特征云块孤立分散，呈白色菜花状

13、。 一般，积云出现晴好天气，积雨云出现雷阵雨或冰雹天气。,积状云的形成（张莞莹，1996）,38,形成方式因暖空气（空气密度小）势力大于冷空气而向冷空气（空气密度大）一侧移动，并稳定滑行在冷空气上方绝热冷却形成。 一般层状云出现预示着35天的系统性降水天气即将来临。 特征云系移动速度很慢（1m/s0.1m/s），持续时间长，云层覆盖面广。, 层状云系统性层状云的形成 （张莞莹，1996）,39,形成方式上升气流区形成云，下沉气流 区无云，而形成波状云。 天气它的出现预示天气现象稳定少变 （或晴天不变，或阴雨天大风不变）。 特征云块类似瓦块状、鱼鳞状，云的厚度 不大（一般几十米几百米，有时也 达

14、10002000米）。,波状云,40,特殊云,72-74 悬球云 堡状云 絮状云,41,云量带分布 赤道多云带：赤道地区气温高、水汽来源充沛，全年以上升气流为主，是全球的高云量带，平均云量约为6。纬度20-30少云带：全年以下沉气流为主，空气下沉绝热增温、十分干燥，是全球天空相对明净的少云带，平均云量4左右，荒漠地带不足2。中纬度多云带：该带内气团活动频繁，冷暖空气常在此形成锋面，是全球的高云量带，平均云量为6.5-7。,42,3.3 大气降水 3.3.1 降水的形成3.3.2 降水类型 3.3.3 降水的时间分配 3.3.4 降水的地理分布,43,3.3.1 降水的形成（1）形成条件 e E

15、 f100% 云滴要大，要能经历 从云到地面的下落过 程而不被蒸发掉。 足够数量凝结核（2）不同纬度降水形成 低纬度T 0，暖云降水（雨水）。 中、高纬度常出现冰、水共存现象。常出 现二种降水方式（雨，雨雪共存或雨、冰雹共 存或冰雹或雪）,44,1、云滴凝结（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。,过冷水滴蒸发冰晶凝华增长,小水滴蒸发大水滴凝结增长,暖水滴蒸发冷水滴凝结增长,纯水滴蒸发溶液水滴凝结增长,45,2、云滴冲并增长,两个或两个以上的水滴相碰合并而增大的过程。 下降时，大水滴追上小水滴； 上升时，小水滴追上大水滴， 都会发生碰并，使云滴迅速

16、增大。,46,云滴增长,凝结增长(冰晶效应):初期和中高纬 冲并增长:后期和低纬 重力冲并与含水量,大水滴大小有关75-76 链琐反应:概念:增大-破碎-再增大-再破碎 过程:(临界半径300-350) 形成条件:上升气流;一定含水量; 云厚 时间性:,47,大小水滴在下降过程中 的冲并与增长,降雨,48,冰雹,49,峨眉雪,黄山雪,杭州雪,50,珠峰冰塔林,雪后山村早晨,51,雨和雪的形成,1、雨的形成 由液态水滴（包括过冷却水滴）所组成的云体称为水成云。水成云内如果具备了云滴增大为雨滴的条件，并使雨滴具有一定的下降速度，这时降落下来的就是雨或毛毛雨。由冰晶组成的云体称为冰成云，而由水滴（主

17、要是过冷却水滴）和冰晶共同组成的云称为混合云。从冰成云或混合云中降下的冰晶或雪花，下落到0以上的气层内，融化以后也成为雨滴下落到地面，形成降雨。,52,2、雪的形成 在混合云中，由于冰水共存使冰晶不断凝华增大，成为雪花。当云下气温低于0时，雪花可以一直落到地面而形成降雪。如果云下气温高于0时，则可能出现雨夹雪。雪花的形状极多，有星状、柱状、片状等等，但基本形状是六角形。雪花之所以多呈六角形，花样之所以繁多，是因为冰的分子以六角形为最多，对于六角形片状冰晶来说，由于它的面上、边上和角上的曲率不同，相应地具有不同的饱和水汽压，其中角上的饱和水汽压最大，边上次之，平面上最小。在实有水汽压相同的情况下

18、，由于冰晶各部分饱和水汽压不同，其凝华增长的情况也不相同。,53,（3） 人工降水 概念采用人工在云中播撒催化剂（干冰或碘化银）方法促云产生的降水。 作用弥补干季节庄稼、植物、地表水等缺水 现象。 实行地区我国上海、南京、安徽、河北、湖北等地为常采 用人工降水地区。,54,3.3.2 降水类型 主要为地形雨、对流雨、锋面雨三种（1）地形雨 概念暖湿气流运行中，遇山地阻挡在迎风坡（雨坡）凝结高度以上形成的降水。 分布地区世界上多雨地区基本均与地形有关（例：印度乞拉齐朋、台湾山地、黄山、庐山）,55,地形雨,56,（2） 对流雨（热雷雨） 概念近地空气强烈受热上升，绝热冷却时形成的降水。 特征时间

19、短并伴有雷电、冰雹的暴雨。夏季午 后最易发生。赤道带全年均为对流雨。,57,对流雨,58,（3）锋面雨 概念冷、暖空气块（团）相遇时产生的降水。 锋面雨是中、高纬度的重要降水形式,59,3.3.3 降水的时间分配 常用降水量、降水时间、降水强度及降水季节变化、降水变率等表示。（1）降水量 常分日、月、年、月平均、年平均、多年平均降水量。（2）降水时间 一次降水过程从开始到结束持续的时间，用日、时、分表示。（3）降水强度 单位时间内的降水量。中央气象局将其分成7个等级。,60,降水强度等级,61,（4）降水季节变化 降水季节变化与纬度、大气环流等因素有关。 赤道带春分、秋分降水相对较多 温带大陆

20、西岸降水季节变化不明显 温带大陆东岸集中于夏季 我国西南季风区510月为雨季；东亚季风区夏季为雨季，且南方雨季长于北方。,62,（5）降水变率（Cv） 概念 各年降水量的距平数与某地多年平均降水量之比的百分比。 关系式：Cv=（距平数/平均数）100% 式 中：平均数某地多年平均降水量 距平数某地当年降水量与多年平均降水量之 差 Cv可靠性 Cv小，表明年际间降水量接近常年平均数，稳定性、 可靠性大。 相反，表明年际间降水量比常年平均数不是多则少，降水稳定性、可靠性小。 Cv分布规律 北方南方，沿海内陆，西南季风东亚季风区。干旱气候区Cv值无实际意义。,63,3.3.4 降水的地理分布 降水地

21、理分布与地理纬度、海陆位置、大气环流、地形等因素有关。 北半球各纬度带降水量(mm),64,全球年降雨量分布图,65,地表按纬度分配的年平均降水量、蒸发量图,66,实际年蒸发程度的世界分布图 据估计，全球15%的水汽蒸发来自大陆（包括内陆水），85%来自海洋。,67, 降水分布 全球降水大致分布呈4个基本带。（1）赤道多雨带受赤道热带气团控制，全年多雨，年降水量15003000mm，个别30004000mm。（2）2030少雨带受副高控制， 年降水量500mm，但受季风、台风和地形因素影响，少数地区降水丰富（乞拉齐朋、福建、广东）（3）中纬度多雨带受锋面影响，年降水量5001000mm。尤其大陆沿岸受季风影响降水十分丰富。（4）高纬度少雨带受极地高压