第三章 大气中的水分.docx

第三章 大气中的水分 第三章 大气中的水分第一节 蒸发和凝聚在同一时间内，跑出水面的水分子与落回水中的水汽分子恰好相等，系统内的水量和水汽分子含量都不再变更，即水和水汽之间到达了两相平衡，这种平衡叫做动态平衡动态平衡时的水汽称为饱和水汽，当时的水汽压称为饱和水汽压 e为水汽压，E为饱和水汽压 E＞e 蒸发〔未饱和〕 E=e 动态平衡〔饱和〕 E＜e 凝聚〔过饱和〕假设Es 为某一温度下对应的冰面上的饱和水汽压 Es＞e 升华 Es=e 动态平衡 Es＜e 凝华 图3.1 是依据大量经历数据绘制的水的位相平衡图水的三种相态分别存在于不同的温度和压强条件下水只存在于0℃以上的区域，冰只存在于0℃以下的区域，水汽虽然可存在于0℃以上及以下的区域，但其压强却被限制在必须值域下图3·1 中OA 线和OB 线分别表示水与水汽、冰与水汽两相共存时的状态曲线明显这两条曲线上各点的压强就是在相应温度下水汽的饱和水汽压，因为只有水汽到达饱和时，两相才能共存所以 OA 线又称蒸发线，表示水与水汽处于动态平衡时水面上饱和水汽压与温度的关系线上K 点所对应的温度和水汽压是水汽的临界温度tk 和临界压力〔Ek= 2.2×105hPa〕，高于临界温度时就只能有气态存在了，因此蒸发线在K 点中断。

OB 称升华线，它表示冰与水汽平衡时冰面上饱和水汽压与温度的关系OC线是融解线，表示冰与水到达平衡时压力与温度的关系O 点为三相共存点：t0=0.0076℃，E0=6.11hPa上述三线划分了冰、水、水汽的三个区域，在各个区域内不存在两相间的稳定平衡例如图中的 1、2、3 点，点 1 位于OA线之下，ei＜E，这时水要蒸发；点 2 处，e2＞E，此时多余的水汽要产生凝聚；点3 恰好位于OA 线上，e3=E，只有这时水和水汽才能处于稳定平衡状态 二、饱和水汽压〔一〕饱和水汽压与温度的关系：饱和水汽压随温度的提升而增大这是因为蒸发面温度提升时，水分子平均动能增大，单位时间内脱出水面的分子增多，落回水面的分子数才和脱出水面的分子数相等；高温时的饱和水汽压比低温时要大饱和水汽压随温度变更的量，在高温时要比低温时大 〔二〕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有时水在0℃以下，甚至在-20℃—-30℃以下仍不结冰，处于这种状态的水称过冷却水 在云中，冰晶和过冷却水共存的状况是很普遍的，假如当时的实际水汽压介于两者饱和水汽压之间，就会产生冰水之间的水汽转移现象水滴会因不断蒸发而缩小，冰晶会因不断凝华而增大。

这就是“冰晶效应” 2.溶液面的饱和水汽压 不少物质都可融解于水中，所以自然水通常是含有溶质的溶液溶液中溶质的存在使溶液内分子间的作用力大于纯水内分子间的作用力，使水分子脱离溶液面比脱离纯水面困难因此，同一温度下，溶液面的饱和水汽压比纯水面要小，且溶液浓度愈高，饱和水汽压愈小 〔三〕饱和水汽压与蒸发面形态的关系因此，温度一样时，凸面的饱和水汽压最大，平面次之，凹面最小而且凸面的曲率愈大，饱和水汽压愈大；凹面的曲率愈大，饱和水汽压愈小 三. 影响蒸发的因素：由道尔顿定律知道蒸发速度与饱和差〔E-e〕及分子扩散系数〔A〕成正比，而与气压〔P〕成反比但在自然条件下，蒸发是发生于湍流大气之中的，影响蒸发速度的主要因素是湍流交换，并非分子扩散考虑到自然蒸发的实际状况，影响蒸发速度的主要因子有四个：水源、热源、饱和差、风速与湍流扩散强度 四、湿度随时间的改变 水汽压日改变类型：一种是双峰型：主要在大陆上湍流混合较强的夏季出现水汽压在一日内有两个最高值和两个最低值最低值出此时此刻早晨温度最低时和午后湍流最强时，最高值出此时此刻9—10 时和21—22 时〔图3·5 中实线〕峰值的出现是因为蒸发增加水汽的作用大于湍流扩散对水汽的削减作用所致。

另一种是单波型，以海洋上、沿海地区和陆地上湍流不强的秋冬季节为多见水汽压与温度的日改变相同，最高值出此时此刻午后温度最高、蒸发最强的时刻，最低值出此时此刻温度最低、蒸发最弱的早晨〔图3·5 中虚线所示〕水汽压的年改变与温度的年改变相像，有一最高值和一最低值最高值出此时此刻温度高、蒸发强的7—8 月份，最低值出此时此刻温度低、蒸发弱的1—2月份相对湿度的日改变主要确定于气温气温增高时，虽然蒸发加快，水汽压增大，但饱和水汽压增大得更多，反使相对湿度减小温度降低时那么相反，相对湿度增大因此，相对湿度的日改变与温度日改变相反，其最高值根本上出此时此刻早晨温度最低时，最低值出此时此刻午后温度最高时〔图3·6〕相对湿度的年改变一般以冬季最大，夏季最小某些季风盛行地区，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、大气中水汽凝聚的条件大气中水汽凝聚或凝华的一般条件是：一是有凝聚核或凝华核的存在 二是大气中水汽要到达饱和或过饱和状态 凝聚核：因为作不规那么运动的水汽分子之间引力很小，通过相互之间的碰撞不易相互结合为液态或固态水大气中存在着大量的吸湿性微粒物质，它们比水汽分子大得多，对水分子吸引力也大，从而有利于水汽分子在其外表上的集聚，使其成为水汽凝聚核心。

〔二〕空气中水汽的饱和或过饱和使空气到达过饱和的途径有两种：一是通过蒸发，增加空气中的水汽，使水汽压大于饱和水汽压二是通过冷却作用，削减饱和水汽压，使其少于当时的实际水汽压 1.暖水面蒸发当冷空气流经暖水面时，由于水面温度比气温高，暖水面上的饱和水汽压比空气的饱和水汽压大得多，通过蒸发可使空气到达过饱和，并产生凝聚秋冬季的早晨，水面上腾起的蒸发雾就是这样形成的2.空气的冷却〔1〕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随着高度提升，温度降低，饱和水汽压减小，空气至必须高度就会出现过饱和状态这一方式对于云的形成具有重要作用〔2〕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当空气中温度降低到露点温度以下时，水汽压就会超过饱和水汽压产生凝聚辐射雾就是水汽以这种方式凝聚形成的〔3〕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假如暖空气与冷地面温度相差较大，暖空气降温较多，也可能产生凝聚〔4〕混合冷却：当温差较大，且接近饱和的两团空气水平混合后，也可能产生凝聚其次节 地外表和大气中的凝聚现象一. 地面的水汽凝聚物： 〔一〕、露和霜黄昏或夜间，地面或地物由于辐射冷却，使贴近地外表的空气层也随之降温，当其温度降到露点以下，即空气中水汽含量过饱和时，在地面或地物的外表就会有水汽的凝聚。

假如此时的露点温度在0℃以上，在地面或地物上就出现微小的水滴，称为露假如露点温度在0℃以下，那么水汽干脆在地面或地物上凝华成白色的冰晶，称为霜 形成露和霜的气象条件是晴朗微风的夜晚夜间晴朗有利于地面或地物快速辐射冷却微风可使辐射冷却在较厚的气层中充分进展，而且可使贴地空气得到更换，保证有足够多的水汽供给凝聚无风时可供凝聚的水汽不多，风速过大时由于湍流太强，使贴地空气与上层较暖的空气发生剧烈混合，导致贴地空气降温缓慢，均不利于露和霜的生成 霜是指白色固体凝聚物，霜冻是指在农作物生长季节里，地面和植物外表温度下降到足以引起农作物遭遇损害或者死亡的低温 〔二〕雾凇和雨凇 1.晶状雾凇晶状雾凇主要由过冷却雾滴蒸发后，再由水汽凝华而成它往往在有雾、微风或静稳以及温度低于-15℃时出现 2.粒状雾凇粒状雾凇往往在风速较大，气温在-2—-7℃时出现它是由过冷却的雾滴被风吹过，遇到冷的物体外表快速冻结而成的雨凇是形成在地面或地物迎风面上的透亮的或毛玻璃状的严密冰层它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 二、近地面层空气中的凝聚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。

形成雾的根本条件是近地面空气中水汽充足，有使水汽发生凝聚的冷却过程和凝聚核的存在贴地气层中的水汽压大于其饱和水汽压时，水汽即凝聚或凝华成雾依据雾形成的天气条件，可将雾分为气团雾及锋面雾二大类气团雾是在气团内形成的，锋面雾是锋面活动的产物依据气团雾的形成条件，又可将它分为冷却雾、蒸发雾及混合雾三种依据冷却过程的不同，冷却雾又可分为辐射雾、平流雾及上坡雾等其中最常见的是辐射雾和平流雾 〔一〕辐射雾辐射雾是由地面辐射冷却使贴地气层变冷而形成的有利于形成辐射雾的条件是：①空气中有足够的水汽；②天气晴朗少云；③风力微弱〔1—3m/s〕；④大气层结稳定 〔二〕平流雾平流雾是暖湿空气流经冷的下垫面而渐渐冷却形成的海洋上暖而湿的空气流到冷的大陆上或者冷的海洋面上，都可以形成平流雾形成平流雾的有利天气条件是：①下垫面与暖湿空气的温差较大；②暖湿空气的湿度大；③相宜的风向〔由暖向冷〕和风速〔2—7m/s〕；④层结较稳定 三、云：对于云的形成来说，其过饱和主要是由空气垂直上升所进展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：热力对流、动力抬升、大气波动、地形抬升。

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，被迫抬升而产生的上升运动这种运动形成的云既有积状云，有波状云和层状云，通常称之为地形云云型 层状云 波状云 积状云 低〔6000m 〕 卷层云〔 Cs 〕卷云〔 Ci 〕 卷积云〔 Cc 〕 淡积云〔 Cuhum 〕 浓积云〔 CuCong 〕 积雨云〔 Cb 〕 1.积状云的形成积状云是垂直开展的云块，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状云的形成总是与不稳定大气中的对流上升运动相联系 2.层状云的形成层状云是匀称幕状的云层，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.波状云的形成一般认为形成波动的缘由主要有二：一是由于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。

二是由于气流越山而形成的波动〔称地形波或背风波〕 波状云出现时，常说明气层比拟稳定，天气少改变第三节 降水降水具有不同的形态——雨、雪、霰、雹 雨：自云体中着陆至地面的液体水滴雪：从混合云中着陆到地面的雪花形态的固体水霰：从云中着陆至地面的不透亮的球状晶体，由过冷却水滴在冰晶四周冻结而成，直径2—5mm雹：是由透亮和不透亮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〔一〕云滴凝聚〔或凝华〕增长凝聚〔或凝华〕增长过程是指云滴依靠水汽分子在其外表上凝合而增长的过程在云的形成和开展阶段，由于云体接着上升，绝热冷却，或云外不断有水汽输入云中，使云内空气中的水汽压大于云滴的饱和水汽压，因此云滴能够由水汽凝聚〔或凝华〕而增长但是，一旦云滴外表产生凝聚〔或凝华〕，水汽从空气中析出，空气湿度减小，云滴四周便不能维持过饱和状态，而使凝聚〔或凝华〕停顿因此，一般状况下，云滴的凝聚〔或凝华〕增长有必须的限度而要使这种凝聚〔或凝华〕增长不断地进展，还必需有水汽的扩散转移过程，即当云层内部存在着冰水云滴共存、冷暖云滴共存或大小云滴共存的任一种条件时，产生水汽从一种云滴转化至另一种云滴上的扩。