第三章-大氣中的水分

第四章大氣中的水分第一節(jié)蒸發(fā)與凝結(jié)第二節(jié)地表面和大氣中的凝結(jié)現(xiàn)象第三節(jié)降水第一節(jié)蒸發(fā)與凝結(jié)一、水相變化自然界中的某些物質(zhì)可以氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)的形式存在，按照系統(tǒng)論的觀點(diǎn)，每一個狀態(tài)稱為一個相，水的三種狀態(tài)被稱為水的三相。水的三相之間可以相互轉(zhuǎn)化稱為水的三相變化。 大氣中的水汽基本集中在對流層和平流層內(nèi)，該處大氣的溫度不但永遠(yuǎn)低于水汽的臨界溫度，而且還常低于水的凍結(jié)溫度，因此水汽是大氣中唯一能由一種相轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N相的成分。1.水相變化的物理過程

從分子運(yùn)動論看，水相變化是水的各相之間分子交換的過程。起初，系統(tǒng)中的水汽濃度不大，單位時(shí)間內(nèi)跑出水面的水分子比落回水中的水汽分子多，系統(tǒng)中的水就有一部分變成了水汽，這就是蒸發(fā)過程，水分子落回水面的過程叫凝結(jié)過程。水的蒸發(fā)與凝結(jié)1.水相變化的物理過程

水的蒸發(fā)與凝結(jié)由于水分子不斷的跑出和落回，如果繼續(xù)下去，就有可能在同一時(shí)間內(nèi)，跑出水面的水分子與落回水面的水分子恰好相等，這時(shí)水和水汽之間就達(dá)到兩相平衡，這種平衡叫動態(tài)平衡。動態(tài)平衡時(shí)的水汽壓稱為飽和水汽壓。2.水相變化的判據(jù)比較單位時(shí)間內(nèi)跑出水面的水分子數(shù)與單位時(shí)間內(nèi)落回水面的水汽分子數(shù)的大小，就能判斷當(dāng)時(shí)是蒸發(fā)過程還是凝結(jié)過程。但是去測算水分子數(shù)是很難的，往往用比較水汽壓與當(dāng)時(shí)溫度下飽和水氣壓的辦法來判斷。-16-12-8-404℃8642冰水汽O

CBBA132Ke(hPa)純水的位相平衡2.水相變化的判據(jù)-16-12-8-404℃8642冰水汽O

CBBA132Ke(hPa)純水的位相平衡E＜e過飽和凝結(jié)E＞e空氣未飽和蒸發(fā)過程E=e飽和動態(tài)平衡3.水相變化中的潛熱在水相的轉(zhuǎn)變過程中，還伴隨著能量的轉(zhuǎn)換。如蒸發(fā)需要吸收熱量，這個熱量就叫蒸發(fā)潛熱，凝結(jié)則為凝結(jié)潛熱，二者相同。常溫下，水的蒸發(fā)潛熱為L＝2497J，即蒸發(fā)1g水需要消耗2497J的熱量；1g水凍結(jié)成冰則可釋放出334.7J熱量。二、飽和水汽壓與蒸發(fā)面的溫度的關(guān)系

蒸發(fā)面的性質(zhì)（水面、冰面，溶液等）的關(guān)系

蒸發(fā)面的形狀（平面、凹面、凸面）的關(guān)系概念：水汽壓飽和空氣飽和水汽壓（一）飽和水汽壓與溫度的關(guān)系飽和水汽壓隨溫度的升高而增大。它是按指數(shù)規(guī)律而增大的。兩個結(jié)論1、T變E變相變2、△E高溫>△E低溫通常，水溫在0℃時(shí)開始結(jié)冰，但是試驗(yàn)和對云霧的直接觀測發(fā)現(xiàn)，有時(shí)水在0℃以下，甚至在-20℃～-30℃以下仍不結(jié)冰，處于這種狀態(tài)的水稱過冷卻水。過冷卻水與同溫度下的冰面比較，飽和水汽壓并不一樣。在云中，冰晶和過冷卻水共存的情況是很普遍的，如果當(dāng)時(shí)的實(shí)際水汽壓介于兩者飽和水汽壓之間，就會產(chǎn)生冰水之間的水汽轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。水滴會因不斷蒸發(fā)而縮小，冰晶會因不斷凝華而增大。這就是“冰晶效應(yīng)”，該效應(yīng)對降水的形成具有重要意義。（二）飽和水汽壓與蒸發(fā)面性質(zhì)的關(guān)系1.冰面和過冷卻水面的飽和水汽壓2.溶液面的飽和水汽壓天然水通常是含有溶質(zhì)的溶液。溶液中溶質(zhì)的存在使溶液內(nèi)分子間的作用力大于純水內(nèi)分子間的作用力，使水分子脫離溶液面比脫離純水面困難。因此，同一溫度下，溶液面的飽和水汽壓比純水面要?。‥溶<E水），且溶液濃度愈高，飽和水汽壓愈小。E凸>E平>E凹（二）飽和水汽壓與蒸發(fā)面性質(zhì)的關(guān)系影響蒸發(fā)速度的主要因子有這些：水源、熱源、飽和差、風(fēng)速與湍流擴(kuò)散強(qiáng)度、氣壓。

三、影響蒸發(fā)的因素

三、影響蒸發(fā)的因素2.熱源：蒸發(fā)需要消耗熱量，并且如果沒有熱量供給，水面會降溫，蒸發(fā)面會冷卻，飽和水汽壓降低，水汽易飽和凝結(jié)，蒸發(fā)減緩或停止。3.飽和差（E-e）：蒸發(fā)速度與飽和差成正比。嚴(yán)格說，此處的E應(yīng)由蒸發(fā)面的溫度算出，但通常以一定氣溫下的飽和水汽壓代替。飽和差愈大，蒸發(fā)速度也愈快。1.水源：開曠水域、冰雪表面、潮濕土壤、植物蒸騰作用。沒有水源就不會有蒸發(fā)（沙漠）三、影響蒸發(fā)的因素4.風(fēng)速與湍流擴(kuò)散：大氣中的水汽垂直輸送和水平 擴(kuò)散能加快蒸發(fā)速度。無風(fēng)時(shí)：蒸發(fā)面上的水汽單靠分子擴(kuò)散，水汽壓 減小得慢，飽和差小，因而蒸發(fā)緩慢。有風(fēng)時(shí)：有風(fēng)時(shí)，湍流加強(qiáng)，蒸發(fā)面上的水汽 隨風(fēng)和湍流迅速散步到廣大的空間， 蒸發(fā)面上水汽壓減小，飽和差增大， 蒸發(fā)加快四、濕度隨時(shí)間的變化1、絕對濕度：在空氣垂直交換不強(qiáng)烈的情況下，其日變化情況與氣溫大致相同，這叫“一高一低”型。但是，在陸地夏季，特別是在一天的中午前后，近地面有強(qiáng)烈的亂流作用，使近地面的大量水汽輸送到高空，近地面不僅沒有形成絕對濕度（水氣壓）的最高值，反而形成一個次低值。最高值出現(xiàn)在9-10時(shí)和21-22時(shí)。這叫“二高、二低”型。2、相對濕度:變化復(fù)雜，他隨地理環(huán)境、天氣變化而有不同。在全年絕對濕度變化不大的地區(qū)，f的變化與氣溫變化相反；而在季風(fēng)區(qū)f與T變化一致。五、大氣中水汽凝結(jié)的條件水汽由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)的過程稱為凝結(jié)。水汽直接轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱凝華。大氣中水汽凝結(jié)或凝華的一般條件是：一是有凝結(jié)核或凝華核的存在。二是大氣中水汽要達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài)。（一）凝結(jié)核（二）空氣中水汽的飽和或過飽和

暖水面蒸發(fā)空氣的冷卻大氣的冷卻方式主要有如下幾種：（1）絕熱冷卻：指空氣在上升過程中，因體積膨脹對外做功而導(dǎo)致空氣本身的冷卻。隨著高度升高，溫度降低，飽和水汽壓減小，空氣至一定高度就會出現(xiàn)過飽和狀態(tài)。這一方式對于云的形成具有重要作用。（2）輻射冷卻：指在晴朗無風(fēng)的夜間，由于地面的輻射冷卻，導(dǎo)致近地面層空氣的降溫。當(dāng)空氣中溫度降低到露點(diǎn)溫度以下時(shí)，水汽壓就會超過飽和水汽壓產(chǎn)生凝結(jié)。輻射霧就是水汽以這種方式凝結(jié)形成的。（4）混合冷卻：在上述幾種過程中，冷卻通常是主要的。對形成霧來說，由于凝結(jié)出現(xiàn)在貼近地面的氣層中，因此輻射冷卻、平流冷卻是主要的；對形成云來說，由于凝結(jié)是在一定高度上，因而絕熱冷卻就成為主要的了。

（3）平流冷卻：暖濕空氣流經(jīng)冷的下墊面時(shí)，將熱量傳遞給冷的地表，造成空氣本身溫度降低。如果暖空氣與冷地面溫度相差較大，暖空氣降溫較多，也可能產(chǎn)生凝結(jié)。第二節(jié)地表面和大氣中的凝結(jié)物一、地面的水汽凝結(jié)物(一）露和霜1、定義：夜間，地面或地面物體因輻射冷卻，使貼近地表面的空氣層也隨之降溫。當(dāng)溫度降到露點(diǎn)之下時(shí)，空氣達(dá)到飽和。當(dāng)Td>0時(shí):地面或地面物體上出現(xiàn)極其微小的水滴，稱為露。當(dāng)Td<0時(shí):地面或地面物體上出現(xiàn)白色晶體結(jié)構(gòu)的水汽凝華物稱為霜。有時(shí)已生成的露，由于溫度降至0℃以下，凍結(jié)成冰珠，稱為凍露，實(shí)際上也歸入霜的一類。2、形成條件晴朗無云、少云的夜晚；使得地面有利于迅速輻 射冷卻微風(fēng):有利于輻射冷卻在較厚的氣層中進(jìn)行無風(fēng)：只能使近地面氣層冷卻，難以形成大量的 露或霜。

大風(fēng)：上下層空氣混合強(qiáng)烈，不利于輻射降溫， 難以形成凝結(jié)物。3、霜與霜凍的區(qū)別霜凍：指在植物生長季節(jié)里，地面和植物表面溫度下降到足以引起農(nóng)作物遭受傷害或者死亡的低溫。黑霜：當(dāng)?shù)蜏?gt;Td時(shí)，有霜凍而無霜白霜：當(dāng)?shù)蜏?lt;Td時(shí)，即有霜凍又有霜（二）霧淞和雨淞1、霧淞：

①定義：形成于樹枝上、電線上或其它地面物體的迎風(fēng)面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。②分類：根據(jù)霧淞形成條件和結(jié)構(gòu)分類:

晶狀霧淞：

T物<T過冷霧滴時(shí)，過冷霧滴蒸發(fā)后， 直接在物體表面凝華而成的冰晶。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)松散，稍有震動就脫落條件：有霧、微風(fēng)、T≤-15℃

粒狀霧淞：

過冷卻霧滴碰到冷的物體表面后迅速凍結(jié) 而成的冰晶。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊密條件：有霧，風(fēng)速較大，-2～-7℃

危害：能壓斷電線、樹枝，影響交通、通訊。2、雨淞露霧凇嶗山上的多彩霧淞（一）霧霧是懸浮于近地面空氣中的大量水滴或冰晶，使水平能見度小于1千米的物理現(xiàn)象。如果能見度在1-10千米范圍內(nèi)則為輕霧。形成條件：空氣中水汽充沛，有使水汽發(fā)生凝結(jié)的冷卻過程和充足的凝結(jié)核。二、近地面層空氣中的凝結(jié)霧的分類氣團(tuán)霧鋒面霧冷卻霧蒸發(fā)霧混合霧輻射霧平流霧上坡霧1.輻射霧輻射霧是由于地面輻射冷卻使貼近地面空氣層變冷而形成的。形成條件：1）充足的水汽；

2）天氣晴朗少云；

3）風(fēng)力微弱（1-3m/s）；

4）大氣層結(jié)穩(wěn)定2.平流霧暖濕空氣流經(jīng)冷的下墊面逐漸冷卻而形成的。形成條件：1）下墊面與暖濕空氣溫差大；

2）暖濕空氣濕度大；

3）適宜的風(fēng)向與風(fēng)速；

4）層結(jié)穩(wěn)定。霧城市之霧（二）云1、定義：飄浮在空中的，由水滴、冰晶或過冷卻水滴組成的大氣中的水汽凝結(jié)物。2、形成條件1）充足的水分；2）足夠的凝結(jié)核；3）要有使空氣中水汽凝結(jié)的冷卻過程，特別是要有使空氣上升運(yùn)動引起的絕熱冷卻過程。按溫度分：冷云、暖云按成分分：冰成云、水成云、混合云按上升氣流分：積狀云、波狀云、層狀云我國于1972年出版的《中國云圖》將云分成3族11屬。先根據(jù)云的形態(tài)分為三類：積狀、層狀和波狀。然后再將每一類型按云底出現(xiàn)的不同高度分為：低云、中云、高云。3、云的分類（1）積狀云的形成

積狀云是垂直發(fā)展的云塊，多形成于夏季午后，具孤立分散、云底平坦和頂部凸起的外貌形態(tài)。根據(jù)云頂上升高度分為三類：淡積云、濃積云和積雨云。這三種云的形成與云梯組成與對流上升所能達(dá)到的高度有直接關(guān)系。在凝結(jié)高度之下無云形成，只有到或超過凝結(jié)高度才有積狀云的形成。淡積云

當(dāng)對流高度超過凝結(jié)高度，并且在0℃等溫線高度之下時(shí)，形成的就是淡積云

。①積狀云發(fā)展的最初階段；②方塊小，云頂高度低云水平延伸距離大于垂直 厚度；③云體由水滴組成；④云內(nèi)上升速度不大，云中遄流較弱。濃積云云頂?shù)母叨仍?℃等溫線高度之上，而在凍結(jié)高度之下則形成濃積云。①云體高大臃腫，垂直高度小于水平延伸距離；②云體黑暗；③云頂有過冷水構(gòu)成，云體下部是水滴。積雨云如果云頂高度在凍結(jié)高度之上，這是形成的則為積雨云①厚度大②云頂由冰晶組成，受高空風(fēng)的影響，頂部呈砧狀，有時(shí)有冰雹。在這種云的控制下往往是烏云翻滾電閃雷鳴暴雨傾盆。是一種陣性降水。熱力對流形成的積狀云具有明顯的日變化。通常，上午多為淡積云。隨著對流的增強(qiáng)，逐漸發(fā)展為濃積云。下午對流最旺盛，往往可發(fā)展為積雨云。傍晚對流減弱，積雨云逐漸消散，有時(shí)可以演變?yōu)閭尉碓啤⒎e云性高積云和積云性層積云。如果暖濕氣流運(yùn)動速度快，與地形阻擋，也形成積狀云。強(qiáng)烈發(fā)展的積雨云強(qiáng)烈發(fā)展的積雨云強(qiáng)烈發(fā)展的積雨云天氣諺語饅頭云，天氣晴淡積云火燒烏云蓋，大雨來得快積雨云清早寶塔云，下午雨傾盆2）層狀云的形成層狀云是均勻幕狀的云層，常具有較大的水平范圍，其中包括卷層云、卷云、高層云及雨層云。層狀云是由于空氣大規(guī)模的系統(tǒng)性上升運(yùn)動而產(chǎn)生的，主要是鋒面上的上升運(yùn)動引起的。這種系統(tǒng)性的上升運(yùn)動，通常水平范圍大，上升速度只有0.1—1m/s，因持續(xù)時(shí)間長，能使空氣上升好幾千米。例如當(dāng)暖空氣向冷空氣一側(cè)移動時(shí)，由于二者密度不同，穩(wěn)定的暖濕空氣沿冷空氣斜坡緩慢滑升，絕熱冷卻，形成層狀云.毛卷云層狀云---卷云:云底很高，由冰晶組成，因高空風(fēng)很大，云絲平行排列，成羽毛狀。密卷云層狀云---卷層云:均勻成層,并能透明看到太陽和月亮的

輪廓?！叭諘炄辏聲炍鐣r(shí)風(fēng)”。層狀云---高層云:濃密灰白,均勻成層,產(chǎn)生連性降水。層狀云---雨層云：云幕,范圍大能遮云蔽日,產(chǎn)生連續(xù)

性降水?！疤焐匣也荚?，下雨定連綿”（3）波狀云的形成波狀云是波浪起伏的云層，包括卷積云、高積云、層積云。云中的上升速度可達(dá)每秒幾十厘米，僅次于積狀云中的上升速度。當(dāng)空氣存在波動時(shí)，波峰處空氣上升，波谷處空氣下沉。空氣上升處由于絕熱冷卻而形成云，空氣下沉處則無云形成。如果在波動形成之前該處已有厚度均勻的層狀云存在，則在波峰處云加厚，波谷處云減薄以至消失，從而形成厚度不大、保持一定間距的平行云條，呈一列列或一行行的波狀云。波狀云---卷積云：氣流波動很高，白色細(xì)磷片狀。由冰

晶組成?！棒~磷天，不雨也風(fēng)顛”。波狀云---高積云：扁園、瓦塊狀，在日月照射下有華或虹彩。由冰晶和過冷水滴組成?！疤焐硝庺~斑，明天曬谷不用翻”“瓦塊云，曬死人”

波狀云---層積云：

灰白或灰色的大塊云。由冰晶、過冷水滴、水滴組成。特殊云狀，如堡狀、絮狀、懸球狀、莢狀等，它們的出現(xiàn)往往能預(yù)測天氣的變化趨勢。因此，了解它們的成因和特征，有助于利用它們判斷未來天氣。（4）特殊云狀的形成（1）懸球狀云是指從云底下垂的云團(tuán)，多出現(xiàn)在積雨云的底部。有時(shí)在高積云、高層云和雨層云的底部也可以見到。當(dāng)云中有大量的水滴時(shí)，如果云底附近有強(qiáng)烈的上升氣流，將下降的水滴托住，便會形成好像懸掛在云底的云團(tuán)，這就是懸球狀云。堡狀云底部水平，頂部則是并列著突起的小云塔，形狀像遠(yuǎn)方的城堡。這種云的形成，常常是在波狀云的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。當(dāng)波狀云在逆溫層下形成以后，如果逆溫層不太厚，則逆溫層下湍流發(fā)展時(shí)，較強(qiáng)的上升氣流就穿過逆溫層，使水汽凝結(jié)，形成具有圓弧頂部的云朵，這就是堡狀云。常見的堡狀云有堡狀高積云和堡狀層積云。（2）堡狀云（3）絮狀云絮狀云的個體破碎，形狀像棉絮團(tuán)，它常是潮濕氣層中的強(qiáng)烈湍流混合作用而形成的，主要為絮狀高積云。（4）莢狀云莢狀云中間厚、邊緣薄，云塊呈豆莢狀。莢狀云是由局部上升氣流和下降氣流相匯合而形成的。當(dāng)上升氣流使空氣絕熱冷卻而形成云時(shí)，如果遇到下降氣流的阻擋，其邊緣部分因下降氣流而逐漸變薄，這樣便形成莢狀云。在山區(qū)，氣流受到地形的影響也能形成莢狀云。一、云滴增長的物理過程降水從云中來，但有云未必有降水。形成降水的關(guān)鍵，是云滴迅速增大到能克服空氣阻力和上升氣流的頂托，并在降落過程中不被蒸發(fā)掉。①過冷水滴蒸發(fā)→冰晶凝華增長②小水滴蒸發(fā)→大水滴凝結(jié)增長③暖水滴蒸發(fā)→冷水滴凝結(jié)增長第三節(jié)降水（一）凝結(jié)（凝華）增長：指水汽分子凝結(jié)（凝華）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶）增長的過程。（二）碰并增長是指兩個或兩個以上的水滴相碰合并而增大的過程。下降時(shí)，大水滴追上小水滴；上升時(shí)，小水滴追上大水滴，都會發(fā)生碰并，使云滴迅速增大?！粼谠频卧鲩L過程中，上述兩種過程共同作用，初期以凝結(jié)（凝華）增長為主，后期則以碰并增長為主，尤其在低緯度地區(qū)的暖云降水，碰并增長更為重要。二、人工影響云雨人工降雨就是根據(jù)自然界降水的原理，人為地補(bǔ)充某些形成降水所必須的條件，促使云滴迅速凝結(jié)或碰并增大形成雨滴，達(dá)到降水的方法。◆冷云催化：人工增加冰晶，產(chǎn)生冰晶效應(yīng)。方法：①＋干冰（降溫→自生冰晶）；②＋人工冰核（碘化銀、氯化汞等）；◆暖云催化：提供大水滴，促進(jìn)凝結(jié)、碰并增長。方法：＋氯化鈉、氯化鉀等吸濕性物質(zhì).人工增雨火箭高炮碘化銀

增雨寧夏20030406三、降水的類型（成因分類）1.對流雨：（一）形成原因分類近地面氣層強(qiáng)烈受熱上升，冷卻凝結(jié)形成積雨云而降雨，常伴隨雷電現(xiàn)象，又稱熱雷雨；赤道常年可見，我國夏季常見；：2.氣旋雨：氣旋中心氣壓低，空氣輻合上升凝結(jié)成雨。降水范圍廣、時(shí)間較長；3.鋒面雨：冷暖氣團(tuán)相遇，暖濕氣流沿鋒面抬升凝結(jié)成雨。降水范圍廣、時(shí)間長。在溫帶很常見；4.臺風(fēng)雨：可產(chǎn)生強(qiáng)度極大的降水。夏秋季常見；5.地形雨:暖濕氣流沿山地迎風(fēng)坡抬升冷卻凝結(jié)而降水。山地迎風(fēng)坡常形成多雨中心，而背風(fēng)坡則由于焚風(fēng)效應(yīng)，降水少，成為雨影區(qū)。（二）性質(zhì)分類◆連續(xù)性降水：雨或雪連續(xù)不斷地下，而且比較均勻，強(qiáng)度變化不大，一般降水歷時(shí)長、范圍廣，降水量往往也比較大?！糸g斷性降水：雨或雪時(shí)下時(shí)停，或強(qiáng)度有明顯的大小變化，但其變化較緩慢，降水歷時(shí)長短不等。◆陣性降水：雨或冰雹呈陣性下降，偶爾有陣雪。驟降驟停，或強(qiáng)度變化很突然，下降速度快，強(qiáng)度大，但往往降水歷時(shí)短，范圍小。如果在陣雨的同時(shí)還伴有閃電和雷鳴，便是雷陣雨。

種類

24小時(shí)降水量12小時(shí)降水量

目視特征小雨＜10.0mm＜5.0mm雨滴清晰可辨，地全濕，無積水或積水形成很慢

中雨10.0～24.95.0