農(nóng)林氣象學(xué)3第三章大氣中的水分

第三章大氣中的水分氣象學(xué)與氣候?qū)W§3.1蒸發(fā)和凝結(jié)§3.2地表面和大氣中的凝結(jié)現(xiàn)象§3.3降水大氣水分來源于海洋、湖泊、河流及潮濕土壤的蒸發(fā)、植物的蒸騰。水汽在一定條件下發(fā)生凝結(jié)，形成云、霧等，以雨、雪等降水形式回到地面。地球上的水分不斷地通過蒸發(fā)→凝結(jié)→降水來循環(huán)。因此，地球上水分循環(huán)過程對地-氣系統(tǒng)的熱量平衡和天氣變化起著非常重要的作用?！?.1蒸發(fā)和凝結(jié)一、水相變化水（H2O）的相態(tài)：固態(tài)(冰）、液態(tài)（水）、氣態(tài)（水汽）臨界溫度?

由于物質(zhì)從氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的必要條件之一是溫度必須低于它本身的臨界溫度，水汽的臨界溫度為tk=374℃，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。這種水相的相互轉(zhuǎn)化就稱為水相變化1、水相變化的物理過程例如，在水和水汽兩相共存的系統(tǒng)中，水分子在不停地運動著。在水的表面層，動能超過脫離液面所需的功的水分子，有可能克服周圍水分子對它的吸引而跑出水面，成為水汽分子；同時接近水面的一部分水汽分子，可能受水面水分子的吸引或相互碰撞落回水中。單位時間內(nèi)跑出水面的水分子數(shù)與溫度成有關(guān)，溫度越高，跑出水面的水分子也越多。落回水中的水汽分子數(shù)與系統(tǒng)中水汽的濃度有關(guān)。水汽濃度越大，落回水中的水汽分子也越多。從分子運動論看：水相變化是水的各相之間分子交換的過程

單位時間內(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。在同一時間內(nèi)，跑出水面的水分子與落回水中的水汽分子恰好相等，系統(tǒng)內(nèi)的水量和水汽分子含量都不再改變，即水和水汽之間達到了兩相平衡，這種平衡叫做動態(tài)平衡動態(tài)平衡時的水汽稱為飽和水汽，當時的水汽壓稱為飽和水汽壓。2、水相變化的判據(jù)

假設(shè)N為單位時間內(nèi)跑出水面的水分子數(shù)，n為單位時間內(nèi)落回水中的水汽分子數(shù)，則得到水和水汽兩相變化和平衡的分子物理學(xué)判據(jù)，即：N＞n蒸發(fā)（未飽和）N=n動態(tài)平衡（飽和）N＜n凝結(jié)（過飽和）E＞e蒸發(fā)E=e動態(tài)平衡E＜e凝結(jié)d＞0時，r＜100%,t

＞td，d＝0時，r＝100%，t=tdd＜0時，r＞100%，t＜td3、水相變化中的潛熱在同溫度下，凝結(jié)潛熱與蒸發(fā)潛熱相等t=0時，L=2.5×106J/kg升華潛熱包括融解潛熱和蒸發(fā)潛熱Ls=2.8×106J/kg3.34×105J/kg二、飽和水氣壓飽和水汽壓和蒸發(fā)面的溫度、性質(zhì)（水面、冰面，溶液面等）、形狀（平面、凹面、凸面）密切相關(guān)。（一）飽和水汽壓與溫度空氣溫度高時，飽和水汽壓大，空氣中所能容納的水汽含量增多，原來處于飽和狀態(tài)的蒸發(fā)面因溫度升高而不飽和，蒸發(fā)重新出現(xiàn)；如果降低飽和空氣的溫度，由于飽和水汽壓減小，就會有多余的水汽凝結(jié)出來。隨溫度的升高而增大（二）飽和水汽壓與蒸發(fā)面性質(zhì)在同一溫度下，不同蒸發(fā)面上的飽和水汽壓不相同1、冰面和過冷卻水面的飽和水汽壓水溫通常在0℃時開始結(jié)冰，但是試驗和對云霧的直接觀測發(fā)現(xiàn)，有時水在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。而過冷卻水與同溫度下的冰面比較，飽和水汽壓并不一樣同溫度冰面的飽和水汽壓小，只有當溫度剛好為0℃時，冰和水處于過渡狀態(tài)，它們的飽和水汽壓才相等在云中，冰晶和過冷卻水共存就會產(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。2、溶液面的飽和水汽壓同一溫度下，溶液面的飽和水汽壓比純水面要小，且溶液濃度愈高，飽和水汽壓愈?。ㄈ╋柡退麎号c蒸發(fā)面形狀的關(guān)系三個圓圈分別表示凸水面、平水面和凹水面對于A、B、C三點分子引力作用的范圍A分子受到的引力最小，最易脫出水面；C分子受到的引力最大，最難脫出水面；B分子的情況介于二者之間。因此，溫度相同時，凸面的飽和水汽壓最大，平面次之，凹面最小。而且凸面的曲率愈大，飽和水汽壓愈大；凹面的曲率愈大，飽和水汽壓愈小三、影響蒸發(fā)的因素道爾頓在恒溫條件下：表明蒸發(fā)速度與飽和差（E-e）及分子擴散系數(shù)（A）成正比，而與氣壓（P）成反比。但在自然條件下，蒸發(fā)是發(fā)生于湍流大氣之中的，影響蒸發(fā)速度的主要因素是湍流交換，并非分子擴散。考慮到自然蒸發(fā)的實際情況，影響蒸發(fā)速度的主要因子有四個：水源、熱源、飽和差、風速與湍流擴散強度影響蒸發(fā)的因子中，蒸發(fā)面的溫度通常是起決定作用的因子。由于蒸發(fā)面（陸面及水面）的溫度有年、日變化，所以蒸發(fā)速度也有年、日變化?！锼麎弘S時間的變化日變化：單波型（海洋型）

海洋、沿海地區(qū)、冬季大陸e時間日出前14時雙波型（大陸型）夏季內(nèi)陸、沙漠地區(qū)e時間日出前14時8-9時20-21時

對流、亂流較強的季節(jié)和地區(qū)對流亂流弱，或水分充足的地區(qū)四、濕度隨時間的變化年變化：e時間冬季夏季一般與氣溫的年變化一致。最大值陸地出現(xiàn)在7月份，沿海出現(xiàn)在8月份，最小值陸地出現(xiàn)在1月份，沿海出現(xiàn)在2月份?！锵鄬穸入S時間的變化與氣溫的日變化相反時間r夜晝T

地面水分蒸發(fā)

e

，由于E隨溫度變化比e

快，因此T

r

近海地區(qū)及其它大型水體的周圍（晴朗穩(wěn)定的天氣條件下）與氣溫的日變化同相r時間夜晝海陸風（水陸風）晝：吹海風，潮濕夜：吹陸風，干燥日變化：年變化：與氣溫的年變化相反T

地面水分蒸發(fā)

e

，E隨溫度變化比e

快，因此T

r

同理T

r

r時間夏季冬季季風氣候區(qū)：與氣溫的年變化相同r夏季冬季時間夏季風，來自海洋，潮濕冬季風，來自內(nèi)陸，干燥

五、大氣中水汽凝結(jié)的條件（一）凝結(jié)核

在水汽凝結(jié)或凝華過程中起核心作用的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)的氣溶膠質(zhì)粒。

可溶性凝結(jié)核：如鹽粒、煙粒、二氧化硫等非可溶性凝結(jié)核：如巖石微粒、花粉、細菌等（二）空氣達到飽和或過飽和狀態(tài)●通過蒸發(fā)增大水汽含量●通過冷卻作用降低溫度：T

T＜Td★兩種途經(jīng)：★大氣中常見的降溫過程：混合冷卻輻射冷卻接觸冷卻絕熱冷卻冷卻是主要的。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一、地面上的凝結(jié)物：露、霜、霧凇、雨凇1、露

和霜：形成在晴朗無風的夜間和清晨。露：貼地層空氣中的水汽在地面發(fā)生凝結(jié)而形成的小水滴。Td＞0℃霜：貼地層空氣中的水汽在地面發(fā)生凝華而形成的小冰晶。Td＜0℃熱容量小、導(dǎo)熱率小、粗糙的地表易形成露和霜。§3.2凝結(jié)現(xiàn)象露2、霧凇∨和雨凇∽霧?。焊街跇渲拔矬w迎風面上的白色的疏松的凝結(jié)物。俗稱樹掛，是北方冬季可以見到的一種類似霜降的自然現(xiàn)象，是一種冰雪美景

分類晶狀霧?。ㄐ”В┝铎F?。ㄐ∷＃┯贲。哼^冷卻雨滴落地后凍結(jié)而形成的光滑而透明的冰層。霧淞：北方比南方多。吉林的“冰雪霧淞節(jié)”貴州雷公山出現(xiàn)霧凇、云海等自然景觀（2008.01）

貴陽市白云區(qū)牛場鄉(xiāng)的云霧山出現(xiàn)霧凇景觀2008年1月

2006年12月9日九華山風景區(qū)出現(xiàn)罕見的雨淞奇觀，滿山銀光耀眼

雨淞形成時地面具備的條件：地面溫度在0℃以下，近地層為逆溫層。南方比北方多，山區(qū)比平原多2010.02.24傍晚開始，遼寧自西向東出現(xiàn)范圍較大的凍雨天氣，包括阜新、義縣、黑山、新民、沈陽、營口、章黨、大連等多地。沈陽冰凌的厚度

二、近地層大氣中的凝結(jié)物飄浮在近地層空氣中的小水滴和小冰晶。輕霧（靄）＝能見度1～10km

霧≡

能見度＜1km成因輻射霧平流霧平流輻射霧（混合霧）地形霧蒸發(fā)霧組成冰霧水霧

霧的分類霧輻射霧：輻射冷卻，晴朗微風和夜間和清晨。平流霧：接觸冷卻，冷暖空氣大規(guī)模運動時。平流輻射霧（混合霧）地形霧蒸發(fā)霧范圍廣而深厚、濃度大

是由地面輻射冷卻而形成的，日出后即消失

霧遮蔽太陽輻射，減小日照時數(shù)，削弱太陽直接輻射，抑制白天溫度的增高.

寒冷季節(jié)，霧減弱夜間地面輻射，減輕或免除低溫危害；霧有利于茶、麻等生長，如"高山云霧出名茶"，霧可延長麻類的營養(yǎng)生長期，提高產(chǎn)量

增大空氣濕度，減小蒸散，限制根系吸收作用；霧滴沾在植物表面，可起到露的作用，妨礙植物受粉結(jié)實，利于病蟲害發(fā)生.山地之霧2009年11月26日浙江象山半島連續(xù)兩天出現(xiàn)“平流霧”奇觀11月25日、26日，浙江象山半島連續(xù)兩天出現(xiàn)罕見的平流霧。象山半島成為“天上人間”，高樓、山脈如墜云里，若隱若現(xiàn)。平流霧是暖濕空氣移到較冷的陸地或水面時，因下部冷卻而形成的霧，通常發(fā)生在冬季，持續(xù)時間一般較長，范圍大，霧較濃，厚度較大，可達幾百米2010年1月31日，山東蓬萊市出現(xiàn)平流霧現(xiàn)象，建筑被濃霧纏繞，時隱時現(xiàn)，宛如仙境，美不勝收。2009年6月20日山東煙臺現(xiàn)平流霧建筑被纏繞如人間仙境

2009.01.24武漢現(xiàn)霧海奇觀景色如海市蜃樓

霧對飛行的影響？

當清晨或傍晚，太陽位于地平線附近時，人若站在云霧縈繞的高山之巔，恰值山巔之上是晴空，山巔之下是云霧，你背對晴天的太陽，下看彌漫的云海迷霧，便可能突然看到云霧幕上出現(xiàn)人影，圍繞在人影的四周是一圈圈彩色光環(huán)，有紅色的也可有藍色或別的顏色的弧環(huán)，這就是峨眉寶光。它是由于陽光照射觀測者所形成的人影一直投射到云霧幕上，觀測者便可看到自己的影子。陽光又照射到影子附近的云霧滴上，云霧滴對陽光產(chǎn)生散射、衍射等較復(fù)雜過程，便形成以太陽與觀測者的連線的延長線為中心的一圈圈彩色光環(huán)。據(jù)記載，在峨嵋山上看到這種大氣光象的機會甚多，每年約有七、八十次。峨嵋寶光據(jù)黃山氣象部門統(tǒng)計，黃山佛光每年大約出現(xiàn)40次左右，月平均2～5次。黃山佛光的出現(xiàn)多在雨后初晴的上午九點以前和陰雨初霽的傍晚五點以后。觀看黃山佛光最理想的地點是：天都峰、蓮花峰、光明頂、始信峰、丹霞峰、棋時峰、玉屏樓旁、清涼臺上、天海鳳凰松旁、芙蓉峰、翠微峰等處。“污閃”

在污穢與濕潤條件共同作用下發(fā)生的外絕緣污閃是一個涉及到氣候環(huán)境、電氣和物理化學(xué)現(xiàn)象的復(fù)雜過程。宏觀上可以將瓷瓶及玻璃絕緣子污閃過程分為以下四個階段：絕緣子表面積污；污層受潮濕潤；局部放電的產(chǎn)生；局部放電發(fā)展并導(dǎo)致閃絡(luò)。

當絕緣子表面污穢嚴重，并且受潮充分的時候，剩余污層電阻較小，局部放電可能發(fā)展成為強烈的跨越干區(qū)的局部電弧，并伴隨著數(shù)十到數(shù)百毫安的泄漏電流。如果局部電弧繼續(xù)發(fā)展，電弧通道中的高溫可導(dǎo)致氣體產(chǎn)生強烈的熱電離，并迅速延伸導(dǎo)致外絕緣閃絡(luò)。

三、自由大氣中的凝結(jié)物-云水汽凝結(jié)物懸浮在自由大氣中形成云?！锓诸悾?/p>

●

按云底的高度（國際分類法）云底高度和外形特征：高云、中云、低云●

按相態(tài)水云、冰云、混合云●

溫度暖云、冷云云族云屬學(xué)名簡寫低云<2000M積云Cu積雨云Cb層積云Sc層云St雨層云Ns中云2000M<H<6000M高層云As高積云Ac高云H>6000M卷云Ci卷層云Cs卷積云CcUFO云

（地形云）法國奇異的彩虹云令“世界屋脊”珠峰都顯得有些失色2011.03.16英國佩思郡克里夫市上空的“飛碟”云“爆炸蘑菇云”

帽子云2009.10月，莫斯科天空中出現(xiàn)的神奇云團墨西哥再現(xiàn)詭異“UFO云團”2010-02-24穿洞云雨幡洞云

幡狀云浪花云滾軸云陣晨風云馬蹄狀漩渦云開爾文-赫姆霍茲波浪波浪云7月7日，瑞典東部城市諾爾雪平（norrkoping）上空烏云密布。

2010年2月25日上午10點05分，上海世博園中國館的上空出現(xiàn)一半晴空萬里、一半陰云密布的景象。市氣象局首席服務(wù)官傅易表示，“陰陽云”屬于正常天氣現(xiàn)象。西安出現(xiàn)陰陽云奇觀層次分明美麗怪異2010.02.24云族云屬云類學(xué)名簡寫學(xué)名簡寫低云積云Cu淡積云碎積云濃積云CuhumFeCucong積雨云Cb禿積雨云鬃積雨云

Cb

calv

Cbcap層積云Sc透光層積云蔽光層積云積云性層積云堡狀層積云莢狀層積云

SctraScopSccugSccastSclent層云St層云碎層云StFs雨層云Ns雨層云碎雨云NsFn淡積云碎積云濃積云禿積雨云云族云屬云類學(xué)名簡寫學(xué)名簡寫中云高層云As透光高層云蔽光高層云

AstraAsop高積云（可見華圈）Ac透光高積云蔽光高積云莢狀高積云積云性高積云絮狀高積云堡狀高積云

ActraAcopAclentAccugAcfloAccast莢狀高積云透光高層云絮狀高積云華：

月光或陽光照射到云霧上出現(xiàn)的緊繞日月周圍的彩色光環(huán)。是云霧質(zhì)粒對日月光衍射形成的，多見于高積云上（云薄時）。色序：內(nèi)微藍紫外紅視角半徑約為5o。

“大華晴，小華雨”云族云屬云類學(xué)名簡寫學(xué)名簡寫高云卷云Ci毛卷云密卷云偽卷云鉤卷云

Ci

fil

Cidens

Cinot

Ci

unc卷層云（可見暈圈）Cs毛卷層云勻卷層云

CsfilCsncbu卷積云Cc卷積云Cc卷層云

暈：

陽光或月光透過云中的冰晶時發(fā)生折射和反射，便會在太陽或月亮周圍產(chǎn)生彩色光環(huán)，色序是內(nèi)紅外紫。稱為日暈或月暈，統(tǒng)稱為暈。其中對觀測者所張的角半徑為22度的暈最為常見，稱22度暈，偶爾也可看到角半徑為46度的暈和其他形式的與暈相近的光弧。

卷層云2諺語“日暈三更雨，月暈午時風”

卷層2010.5月5日中午12時40分左右，拉薩上空再現(xiàn)日暈，這是自5月3日中午后出現(xiàn)的又一次日暈奇觀。光環(huán)由紅、黃、藍等顏色組成，光環(huán)內(nèi)的顏色較光環(huán)外的要深一些，像是被人為分開的一樣。2010.05.03英國出現(xiàn)倒掛彩虹，遠看猶如微笑

暈圈？云屬于高云？英國出現(xiàn)倒掛彩虹

雨過天晴，彩虹出現(xiàn)天邊的景象總讓人心情舒暢。單彩虹、雙彩虹也許見得多，但倒掛的彩虹，你見過嗎？據(jù)英國媒體報道，英國蘇塞克斯郡的天空日前出現(xiàn)了一道倒掛的彩虹，遠看就像上帝的迷人微笑。不過，這道“顛倒的彩虹”原來并非真的彩虹。此現(xiàn)象是在北極和南極以外，難得一見的氣壓異?，F(xiàn)象。專家解釋，一般彩虹的出現(xiàn)，是光線穿透雨點后折射到另一處時所產(chǎn)生的現(xiàn)象。但這朵天空中的“微笑”是日光穿透卷云或?qū)釉浦械臄?shù)百萬顆細微冰晶粒子時形成。

由于這些冰晶體是扁平的六角形狀，它們導(dǎo)致光線掉轉(zhuǎn)，形成了倒掛的彩虹。這種現(xiàn)象被稱為“幻日弧光”。專家表示，這種現(xiàn)象是隨著太陽和地平線之間的距離變化而產(chǎn)生，它可能出現(xiàn)在一年內(nèi)的任何時候，但由于受云層移動速度的影響，此景經(jīng)常如“曇花一現(xiàn)”。

毛卷云偽卷云強烈發(fā)展的積雨云2強烈發(fā)展的積雨云強烈發(fā)展的積雨云1強烈發(fā)展的積雨云2009年2月9日11時左右，內(nèi)蒙古呼倫貝爾市上空出現(xiàn)了奇特的天氣現(xiàn)象：天空中一圈內(nèi)紅外紫的日暈圍繞在太陽周圍，形成水平光環(huán)，并逐漸匯成了一條長帶，接著又出現(xiàn)了一個新的彩色光環(huán)圍繞著太陽。同時，距離太陽不遠處的四周出現(xiàn)了幾團耀眼的亮斑，襯著天空淡淡的白云，絢彩奪目

這種天氣現(xiàn)象被稱之為“日暈”，是一種不常見，卻很正常的氣象現(xiàn)象。形成的原因是由于天空中出了冰晶構(gòu)成的卷層云，陽光透過云層產(chǎn)生折射后，分解成紅、黃、綠、紫等多種顏色而形成的。日暈的出現(xiàn)，往往預(yù)示天氣要有一定的變化。2009.02.08壯觀的云海奇觀

波濤洶涌

一、降水的形成從云中降落到地面的固態(tài)或液態(tài)的水汽凝結(jié)物?！癯浞值乃?yīng)和空氣的絕熱上升運動

●云滴的增長：凝結(jié)增長、碰并增長水汽的擴散轉(zhuǎn)移過程：冷暖云滴之間：H2OE暖＞e＞E冷暖冷§3.3降水大小云滴之間：H2OE?。緀＞E大小大過冷卻水滴與冰晶之間：（冰晶效應(yīng)）H2OE水＞e＞E冰水冰二、降水分類

雨、雪、霰和米雪、冰雹

2、按降水性質(zhì)

連續(xù)性降水、間歇性降水、陣性降水、毛毛狀降水1、按降水物態(tài)：

3、按降水的成因分對流雨、地形雨、鋒面雨、臺風雨

三、降水的表示方法從云中降落到地面的未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失而在水平面上積聚的水層厚度。單位：毫米（mm）日降水量、旬降水總量、月降水總量、年降水總量2、降水強度單位：mm／10分鐘、mm／小時、mm／日

1、降水量單位時間內(nèi)的降水量3、降水等級的劃分（mm／24h）雪小雪＜2.5中雪2.5～5.0大雪5.0～10.0暴雪

＞10.雨小雨0.1～10.0中雨10.1～25.0大雨25.1～50.0暴雨50.1～100.0大暴雨100.1～200.0特大暴雨＞200.0我國重要的等雨量線：400mm等雨量線：大興安嶺－呼和浩特－蘭州－拉薩－喜馬拉雅山東部800－1000mm等雨量線：秦嶺－淮河一線4、降水變率用于反映一個地區(qū)降水的變化情況（穩(wěn)定程度）Ri

某地某年某時期的實際降水量R0

該地同期的多年平均降水量(n年）●降水絕對變率（降水距平）:

●降水平均絕對變率（平均距平）:●降水相對變率：●降水平均相對變率：

不論絕對或相對變率，為正值時表示當年降水量大于多年平均值，負值表示小于平均值?！窭湓迫斯ぴ鲇辍衽迫斯ぴ鲇暝频涡《鶆颍霾ノ鼭裥晕镔|(zhì)（食鹽、氯化鈣、尿素等）于云中，改變凝結(jié)核的性質(zhì)、大小及密度，加速云滴增長

四、人工增雨

缺少冰晶，撒播制冷劑干冰（固體的二氧化碳）或人工冰核（碘化銀等）于云中，產(chǎn)生“冰晶效應(yīng)”根據(jù)自然界降水的原理，利用催化劑，促使云滴迅速凝結(jié)或碰并增大形成雨滴，達到降水的方法●季節(jié)積雪

●永久積雪在南北兩極和世界上一些著名的高山上，那里的積雪成為終年不化的積雪。這些積聚終年不化的積雪的地方，稱為永久積雪地區(qū)

五、積雪

每年從冬天開始積雪，待春暖花開時積雪融化的地帶，稱為季節(jié)積雪地區(qū)。這個地區(qū)包括溫帶和大部分有人煙的寒帶陸地。我國的絕大部分地方，都屬于這種季節(jié)積雪

我國西部北起阿爾泰山，南到喜馬拉雅山的一系列高山雪線以上的地方，都有永久積雪存在，面積共有五萬平方公里左右，約占全國陸地面積的百