農林氣象學 第三章大氣水分

水分與農林業(yè)生產第三章水分Moistureintheatmosphere本章內容

空氣濕度

蒸發(fā)和蒸騰

水汽凝結

降水2024/6/31第一節(jié)空氣濕度

空氣濕度：表示空氣中水汽含量多少或潮濕程度的物理量。主要有以下幾種表示方法：

水是植物的生活因子。有收無收在于水，收多收少在于肥。大氣中的水分來自于江河湖海、潮濕土壤及含有水分的地物表面的蒸發(fā)和植物的蒸騰，懸浮在大氣中的水分稱為空氣濕度，落向地面的水分稱為降水。2024/6/32一、空氣濕度的表示方法1.水汽壓（e）

反映空氣中水汽含量的多少，水汽含量越多,水汽壓e越大。

空氣中水汽所產生的分壓強。

單位：百帕(hPa)、毫米汞柱（mmHg）

2024/6/33定義：

在一定的溫度條件下，一定體積的空氣所能容納的水汽分子的數(shù)量是有一定限度的，如果水汽含量恰好達到此限度，就稱為飽和空氣，飽和空氣中水汽所產生的壓力，就稱為飽和水汽壓。飽和水汽壓與溫度的關系用馬格奴斯半經驗公式表示:

a、b為常數(shù)，E0為0℃時純水面的飽和水汽壓6.11hPa,對于純水面，a＝7.63，b＝241.9。

2.飽和水汽壓（E）2024/6/34

溫度：T

E

影響因子：EET圖3-1飽和水汽壓隨溫度的變化2024/6/35蒸發(fā)面性質：

E水＞E冰液體的濃度：濃度越大

E越小蒸發(fā)面形狀：

E凸面＞E平面＞E凹面圖3.2飽和水汽壓與蒸發(fā)面的關系2024/6/36單位體積空氣中所含的水汽質量稱為絕對濕度，又稱水汽密度，單位g/m3

。即：3.絕對濕度（a）它是直接表示空氣中水汽絕對含量的物理量。絕對濕度不易測得，常通過測定水汽壓、溫度計算出來。2024/6/374.相對濕度（r）空氣的實際水汽壓（e)與同溫度下的飽和水汽壓(E)的百分比。反映空氣的相對潮濕程度

當溫度不變時，E不變：水汽含量

e

r

當水汽含量不變時，e不變：溫度

E

r

2024/6/38

關于r的幾點討論：（1）0r1（2）r=100%時，表示空氣中水汽已飽和。（3）當e變化不大時，即空氣中水汽含量一定時，

t,E,則

r

t,E,則r

即可通過降低空氣的溫度，使其達到飽和。2024/6/395.露點溫度（td）

當空氣中的水汽含量不變且氣壓一定時，降低溫度使空氣達到飽和，此時的氣溫稱為露點溫度。與氣溫單位相同。EeTttdeE（t,e）如t=10℃,e=8.72hPa,降低溫度到5℃時（E=8.72hpa）則5℃是10℃的露點溫度。

露點溫度下的飽和水汽壓就是實際水汽壓。

圖3.3

飽和水汽壓與溫度的關系2024/6/310

6.飽和差（d）：同一溫度下飽和水汽壓與實際水汽壓之差。d=E-e

反映空氣的潮濕的相對程度。

當溫度不變時，即E不變：水汽含量

、

e

、d

當水汽含量不變時，即e不變：溫度

、

E

、

d

對未飽和空氣，相對濕度相同時，飽和差是否相同？2024/6/311例1：已知r＝30％，td＝15℃，求飽和差d。解：（1）（2）d＝E－e（3）d＝39.77（hPa）2024/6/312二、空氣濕度的變化（一）絕對濕度隨時間的變化1.日變化：單波型（海洋型）

海洋、沿海地區(qū)、冬季大陸a時間日出前14時雙波型（大陸型）

夏季內陸、沙漠地區(qū)a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)2024/6/3132.年變化：a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。絕對濕度的年變化還與降水的季節(jié)分布有關。2024/6/314（二）相對濕度隨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）與氣溫的日變化相同。r時間夜晝海陸風（水陸風）晝：吹海風，潮濕夜：吹陸風，干燥1.日變化：2024/6/3152.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:夏季風,來自海洋,潮濕冬季:冬季風,來自內陸,干燥

2024/6/316第二節(jié)蒸發(fā)和蒸騰

蒸發(fā)速率：單位時間從單位面積上蒸發(fā)掉的水的質量。單位：g／cm2·日

日蒸發(fā)量：一天中蒸發(fā)掉的水層厚度。單位：mm／日;

1g／cm2·日＝10mm／日

氣象觀測中，蒸發(fā)量的大小是以某段時間內自然水面因蒸發(fā)而消耗掉的水層厚度來表示。2024/6/317一、水面蒸發(fā)

1.影響水面蒸發(fā)的因子：

溫度

W

濕度

W

氣壓

W

風速

W

蒸發(fā)面性質：W水＞W冰蒸發(fā)面形狀：W凸面＞W平面＞W凹面溶液濃度：濃度

W

2024/6/318上式中：W----水面蒸發(fā)速度(g·cm-2·d-1或mm·d-1）k----與風速有關的比例系數(shù)P----當時的大氣壓力E----水面溫度下的飽和水汽壓e----貼近水面空氣的實際水汽壓道爾頓蒸發(fā)定律：2.水面蒸發(fā)速率的大小2024/6/319二、土壤蒸發(fā)1.定義：土壤水分汽化并向大氣擴散的過程。

●蒸發(fā)直接發(fā)生在土壤表面?！裣聦油寥劳ㄟ^毛細管向土表輸送水分，水汽通過土壤的孔隙達表層逸出土表。

2024/6/320粗糙的土表蒸發(fā)＞平滑的；深色＞淺色方位：南坡＞北坡

土壤含水量的大小和土壤的性質、結構等因子，即土壤水分向上輸送的條件，稱土壤的供水能力。2.影響土壤蒸發(fā)的因素

氣象因子包括輻射、溫度、濕度、風等,稱為大氣蒸發(fā)力

土壤因子2024/6/321土壤表層變干，蒸發(fā)面下降，氣象條件的影響減小。3.土壤蒸發(fā)的三個階段及抑制土壤蒸發(fā)的措施●第一階段：土壤表層飽和，蒸發(fā)主要發(fā)生在土壤表層，此時土壤蒸發(fā)速度接近水面蒸發(fā)速度，主要受氣象因子的影響。●第二階段：此階段可通過淺鋤地來減小土壤蒸發(fā)。此階段可通過鎮(zhèn)壓以減小土壤孔隙度和透氣性的方法來達到保墑的目的。2024/6/322干土層加厚,主要受土壤條件的影響.●第三階段:

此時，地表干土層已經很厚，必須采取灌溉才能滿足植物對水分的需要。

除上述不同土壤蒸發(fā)階段的保墑措施外，目前廣泛采用的地膜覆蓋、土壤保水劑、土壤蒸發(fā)抑制劑等都具有良好的保墑效果。2024/6/323三、植物蒸騰

1.概念：植物體內的水分通過體表（主要是葉片表面）汽化進入大氣的過程，稱為蒸騰。蒸騰既是物理過程，又是生理過程。

蒸騰主要是通過葉片氣孔實現(xiàn)的，水汽分子由氣孔擴散到大氣中要克服兩種阻力，即氣孔阻力和空氣片流副層的阻力。蒸騰系數(shù)：指合成1克干物質蒸騰消耗的水分克數(shù)。蒸騰系數(shù)的大小反映作物對水分需求的程度，也反映作物對水分的利用效率。

2024/6/324表3-1各種作物的蒸騰系數(shù)

作物蒸騰系數(shù)作物蒸騰系數(shù)小麥450～600向日葵500～600玉米250～300馬鈴薯300～600水稻500～800谷子124～271棉花300～600糜子268-341亞麻400～500蔬菜500～8002024/6/325

植物蒸騰是一個生物物理過程，主要起輸送養(yǎng)分和維持體溫的作用.蒸騰作用除受氣象因子的影響和土壤因子影響外，還與植物的形態(tài)結構及生理類型有關。3.蒸騰的作用四、蒸散1.定義：植物蒸騰與土壤蒸發(fā)的總和。農田中的蒸散量即作物的實際耗水量。2.影響蒸騰的因子2024/6/326

農田蒸散不限于土壤表面的水分，還包括植物根系層土壤的水分；植物通過葉片氣孔的開閉，可自行調節(jié)葉片蒸騰強度，從而影響農田蒸散；蒸騰主要在白天，而土壤蒸發(fā)則晝夜均可進行；蒸散面不僅是土面，還有葉面、莖面等植株表面。

2.影響蒸散的因子

氣象因素：輻射差額、溫度、濕度和風等；

植物因素：植物覆蓋度、植物種類、生長發(fā)育狀況、氣孔數(shù)目與排列、張閉程度等；2024/6/327

土壤因素：土壤通氣性、土壤含水量以及水分向土面和根系分布流動的速度等。3.估算：

◆桑斯威特(Thornthwaite)法資料易得，計算簡單，但物理學基礎不夠充分，其一般適用于計算年或生長季節(jié)的蒸散量，而對于短期（小于一個月），或月平均氣溫低于0℃或干濕季節(jié)明顯的季風區(qū)不適用。2024/6/328◆彭曼(Penman)法

綜合考慮熱量平衡方程、空氣動力學方程及一些經驗關系式：

彭曼公式：計算的是開闊自由水面可能蒸發(fā)量，將它乘上一定的系數(shù)能得出草地、裸地或農田的最大可能蒸散量。⑴可能蒸散（ET0）：一個開闊平坦的地表上，在無平流熱的干擾下，其上生長著旺盛且完全覆蓋地面的矮草，充分供水條件下的水分蒸散量。2024/6/329⑵需水量（ETm）：指在一定氣候條件下充分給水時，受植物的發(fā)育與生理所規(guī)定的蒸散量。等于或小于可能蒸散。⑶實際蒸散量（ETa）＝蒸發(fā)量＋植物蒸騰量⑷蒸散量的計算主要應用于作物需水量及灌溉方面。

ET0＝fE0；

ETm=kcET0

灌溉量＝需水量－實際蒸散量2024/6/330式中，S：根層土壤實際含水量；Sw：根層土壤萎蔫系數(shù)；S*：根層土壤田間持水量。

當土壤水分充足時，ETa＝ETm；土壤水分不足時，ETa＝ksETm。f為地區(qū)系數(shù)（如西北干旱區(qū)0.85）,kc為作物系數(shù)，ks為土壤水分脅迫系數(shù)。2024/6/331

一、大氣中水汽凝結的條件

有凝結核或凝華核的存在大氣中水汽要達到過飽和狀態(tài)(2)降低空氣溫度?？諝獾睦鋮s（改變E）的方式有以下幾種：

第三節(jié)水汽凝結空氣中水汽達到過飽和的途徑有兩種：

(1)增加大氣中的水汽含量，如暖水面蒸發(fā)(改變e)；2024/6/332

平流冷卻：也稱接觸冷卻，形成平流霧?；旌侠鋮s：溫差大、接近飽和的兩團空氣混合后，會使混合后空氣的平均水汽壓大于混合后氣團的飽和水汽壓。絕熱冷卻：對云和降水的形成有重要作用。

輻射冷卻：形成露、霜、霧。

二、水汽凝結物（一）地面的水汽凝結物2024/6/333形成條件：

a天氣條件：晴朗、微風。

b溫度條件：td＞0℃形成露，td＜0℃，形成霜。1.露和霜

與農業(yè)生產的關系2.霧凇和雨凇概念：

霧凇：是形成于樹枝上、電線上或其它地物迎風面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。2024/6/334雨?。菏切纬稍诘孛婊虻匚镉L面上的透明的或毛玻璃狀的緊密冰層。

霧凇與霜的區(qū)別：形成的時間不同；形成地點不同；形成時的天氣條件不同。－7～2℃時，過冷卻水滴凍結成粒狀霧凇，－15℃左右時，空氣中的過飽和水汽凝華成晶狀霧凇。2024/6/335霧凇似霜非霜，似冰非冰，迎風怒放，千姿百態(tài)。2024/6/336哈爾濱霧凇美如畫2024/6/337霧凇2024/6/338泰山霧凇2024/6/339雨凇使巖石、大地、房頂、林木都結滿了晶瑩剔透的冰層，讓萬物驟然間凝聚成冰的世界.2024/6/340雨淞猶有花枝悄2024/6/341雨淞2024/6/342雨淞2024/6/343美麗的冰棱鏡2024/6/344（二）近地氣層中的水汽凝結物—霧

1.概念：懸浮于近地面氣層中的大量水滴或冰晶，使水平能見度小于1km的物理現(xiàn)象。1－10km稱作輕霧。2.形成條件：近地氣層水汽充沛；有使水汽發(fā)生凝結（凝華）的冷卻過程；有較多的凝結核或凝華核。3.分類：根據形成的天氣條件和冷卻過程不同霧分為：輻射霧、平流霧和混合霧。2024/6/345

輻射霧：是由地面輻射冷卻使貼地氣層變冷而形成的，日出后消散?！笆F九晴”即指輻射霧。河面霧、山腰霧、井霧等都屬于輻射霧。

范圍小、危害小、形成于夜間。有明顯的地方性。平流霧：是暖濕空氣流經冷的下墊面而逐漸冷卻形成。

范圍大、危害重、晝夜均可形成。寒冷季節(jié)沿海地區(qū)最為常見。混合物：平流冷卻和輻射冷卻同時發(fā)生形成的霧。4.與農業(yè)生產的關系削弱光合作用；加重病蟲害。2024/6/346(三)自由大氣中的水汽凝結物－云1.概念：懸浮在大氣中的微小水滴或冰晶。通常由水滴、過冷卻水、冰晶單獨或混合組成。2.云的形成條件①凝結核；②空氣中水汽過飽和③云的存在和發(fā)展還必須有上升氣流不斷補充水汽(引起空氣上升的原因很多：地面增熱產生的熱力對流、冷暖氣團相遇時在波狀界面上滑升、空氣越山時的地形抬升等。）2024/6/3474.分類：國際上根據云高、云狀、云的結構和成因把云分為三族、十屬、二十九種。3.形成原因

空氣的上升運動是云形成和發(fā)展的主要原因。2024/6/3482024/6/349圖3.1積狀云的形成5.各種云的形成

⑴積狀云的形成：空氣對流上升，垂直發(fā)展的云塊。分為淡積云、濃積云和積雨云

。2024/6/350⑵層狀云的形成：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。⑶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。

圖3.2波狀云的形成2024/6/351⑷特殊云狀的形成：如堡狀、絮狀、懸球狀、莢狀等。圖3.3

堡狀云的形成2024/6/352淡積云2024/6/353淡積云2024/6/354濃積云2024/6/355積雨云2024/6/356卷云2024/6/357鉤卷云2024/6/358高層云2024/6/359層云2024/6/360透光卷積云2024/6/361透光高積云2024/6/362透光層積云2024/6/363堡狀云2024/6/364莢狀云龍卷風2024/6/365第四節(jié)降水

一、降水的成因

1.云滴增長的物理過程

云滴：半徑小于100um的水滴雨滴：半徑大于100um的水滴，標準雨滴半徑為1000um。⑴云滴凝結(或凝華)增長

冰水共存、大小水滴共存、冷暖共存云滴。2024/6/366

圖3-4大小水滴在下落過程中的沖并水汽會從飽和水汽壓大的云滴移向飽和水汽壓小的云滴，促使某些云滴增長。⑵云滴的沖并增長

三、降水的種類

根據降水的形態(tài)，把降水分為雨、雪、霰、雹等。2024/6/367（一）雨降落到地面的液態(tài)降水稱為雨，按其性質分為：1.連續(xù)性降水：多為雨層云，時間長，尺度中等。2.陣性降水：一般為積雨云降水，時間短，強度大。3.毛毛雨：多為層云和層積云降水。（二）雪定義：從云中降落到地面的各種冰晶的集合物。2024/6/368思考題：雪花為什么是六角形的？(三)霰(四)雹四、降水的表示方法1.降水量降水的概念：從云中降到地面上的液態(tài)或固態(tài)水。常見的降水形式有雨、雪、霰、冰雹等。描述物理量：降水量、降水強度。2024/6/3692.降水強度單位時間內的降水量稱為降水強度，以mm·d-1或mm·h－1。降水等級24h降水量（mm）降水等級24h降水量（mm）小雨0.0～10.0特大暴雨＞200.0中雨10.1～25.0小雪≤2.4大雨25.1～50.0中雪2.5～5.0暴雨50.1～100.0大雪＞5.0大暴雨100.1～200.0表3.1降水等級的劃分2024/6/3703.降水變率⑴絕對變率：也稱作降水距平，指某地某時期的降水量與同期多年平均降水量之差。⑵平均距平⑶相對變率：絕對變率與該時期多年平均降水量的百分比。2024/6/371⑷平均相對變率⑸降水保證率降水頻率：某界限降水量在一定時期內出現(xiàn)的次數(shù)與該時期降水總次數(shù)的百分比。降水保證率：高于（低于）某界限降水量的頻率總和，它表示某一界限降水量出現(xiàn)的可靠程度的大小。2024/6/372五、降水的分布

1.全球降水的分布有三個主要特點：

①赤道附近降水多，兩極地區(qū)降水少。②回歸線附近，大陸內部和西岸降水少，東岸降水多。③中緯度，大陸內部降水少，沿海地區(qū)降水多。

2.影響因子：大氣的運動、氣團和鋒帶的活動以及海陸分布。①空氣溫度對大氣最大水汽含量的限制；②緯向的水汽輸送主要是由大氣平流造成的；2024/6/373③海陸分布：海洋使得中緯度的風暴增加了緯向分布的降水平均值；④山區(qū)的分布對局地盛行風的影響，也制約著降水分布。六、人工降水：冷云、暖云的人工降水

冷云是由過冷卻水滴（溫度低于0℃）組成的云體。由于層結穩(wěn)定，云滴難以增長為雨滴的主要原因是云中缺乏冰晶。通常在云中撒藥的部位是；干冰、碘化銀等應撒在云中過冷卻水滴區(qū)內。2024/6/374

存在問題：人工降水工作中，正確地選擇云系，并根據云的情況選用藥品和確定撒藥的部位，是十分重要的。一般說來，對低而厚的云（如農積云、積雨云等