氣象學(xué)：05 大氣中的水分

1、第五章 大氣中的水分,5.1 水的相變,在一定條件下，水的三相之間能夠相互轉(zhuǎn)化，稱之為水的相變 判斷依據(jù)： Ee 蒸發(fā) E=e 動態(tài)平衡 Ee 凝結(jié),5.2蒸散,地面蒸發(fā) 植物蒸騰,5.2.1蒸發(fā),蒸發(fā)是水分子從液面逸出變成氣態(tài)的過程。 用某時(shí)段內(nèi)（日、月、年），單位面積上，因蒸發(fā)而消耗的水層厚度來表示蒸發(fā)量。,5.2.1.1 水面蒸發(fā)影響因子,水源 熱源 風(fēng)速 蒸發(fā)面 凸面平面凹面 溶質(zhì) 鹽度越大蒸發(fā)越慢 飽和差,5.2.2蒸騰,植物體內(nèi)的水分通過植物葉面氣孔以氣態(tài)水的形式向大氣輸送的過程成為蒸騰作用。 是復(fù)雜的生物物理過程。,5.3.1 凝結(jié)條件,凝結(jié)核或凝華核 大氣中能促使水汽凝結(jié)的微粒

2、 水汽達(dá)到飽和或者過飽和狀態(tài)（eE） 1 暖水面的蒸發(fā)（秋冬水面霧） 冷空氣經(jīng)過暖水面，水面溫度高于氣溫，暖水面的飽和水汽壓高于空氣，通過蒸發(fā)使空氣達(dá)到飽和。,5.3.1 凝結(jié)條件,2 空氣冷卻 1） 絕熱冷卻（云）：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。 2） 輻射冷卻（露、霜、霧）：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。 3） 平流冷卻（霧）：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。 4）混合冷卻：當(dāng)溫差較大，且接近飽和的兩團(tuán)空氣水平混合后，也可能產(chǎn)生凝結(jié)。,5.3.2 近地凝結(jié)產(chǎn)物,1、霧 是懸浮于近地面空氣中

3、的大量水滴或冰晶，使 水平能見度小于1km的物理現(xiàn)象。 輕霧通常在早晚產(chǎn)生，水平能見度在110公里； 霧的能見度在0.51公里； 大霧的能見度在100500米； 濃霧時(shí)能見度小于100米。,5.3.2 近地凝結(jié)產(chǎn)物,1）輻射霧： 由于下墊面夜間輻射冷卻, 使空氣中水汽凝結(jié)而形成的霧。 空氣中有充足的水汽； 天氣晴朗少云； 風(fēng)力微弱（13m/s）； 大氣層結(jié)穩(wěn)定。 出現(xiàn)季節(jié)：秋冬 地點(diǎn)：山谷、洼地 厚度幾十米到幾百米，平均150米左右，水平范圍不大，分布不均，常零星分布。,5.3.2 近地凝結(jié)產(chǎn)物,2）平流霧 暖濕空氣移到較冷的陸地或水面時(shí)，因下部冷卻而形成的霧。 下墊面與暖濕空氣的溫差較大；

4、暖濕空氣的濕度大； 適宜的風(fēng)向（由暖向冷）和風(fēng)速（27m/s）； 層結(jié)較穩(wěn)定。 通常發(fā)生在冬季，持續(xù)時(shí)間一般較長，范圍大，霧較濃，厚度較大，有時(shí)可達(dá)幾百米。,5.3.2 近地凝結(jié)產(chǎn)物,平流霧特點(diǎn)： 日變化不明顯，一天之中任何時(shí)候都可出現(xiàn)，條件具備可終日不消； 二是來去突然、生成迅速，風(fēng)向有利時(shí)可在幾分鐘內(nèi)布滿機(jī)場，對航空飛行安全威脅極大； 三是范圍大，水平范圍可以從幾百米到幾千米。厚度也大，從地面向上可達(dá)幾百米到上千米。,5.3.2 近地凝結(jié)產(chǎn)物,輻射霧,平流霧,5.3.3 高空凝結(jié)產(chǎn)物云,云 懸浮于大氣中的水滴、冰晶或者兩者的混合組成的可見聚合體，底部不與地面相接，并有一定厚度。 云吸收從地

5、面散發(fā)的熱量，并將其反射回地面，這有助于使地球保溫。但是云同時(shí)也將太陽光直接反射回太空，這樣便有降溫作用。,5.3.3 高空凝結(jié)產(chǎn)物云,云的種類及形成： 1）熱力對流（積狀云）：指地表受熱不均和大氣層結(jié)不穩(wěn)定引起的對流上升運(yùn)動。,5.3.3 高空凝結(jié)產(chǎn)物云,積狀云 積狀云是垂直發(fā)展的云塊，主要包括淡積云、濃積云和積雨云。 積狀云多形成于夏季午后，具孤立分散、云底平坦和頂部凸起的外貌形態(tài)。,強(qiáng)烈發(fā)展的積雨云3,強(qiáng)烈發(fā)展的積雨云,5.3.3 高空凝結(jié)產(chǎn)物云,2）動力抬升 （層狀云） 指暖濕氣流受鋒面、輻合氣流的作用所引起的大范圍上升運(yùn)動。,5.3.3 高空凝結(jié)產(chǎn)物,3）大氣波動 （波狀云） 指大氣

6、流經(jīng)不平的地面或在逆溫層以下所產(chǎn)生的波狀運(yùn)動。,5.3.3 高空凝結(jié)產(chǎn)物云,4）地形抬升 （積狀云、波狀云和層狀云） 指大氣運(yùn)行中遇地形阻擋，被迫抬升而產(chǎn)生的上升運(yùn)動。這種運(yùn)動形成的云有積狀云、波狀云和層狀云，通常稱之為地形云。,5.4 降水,降水：從云中降到地面上的液態(tài)或固態(tài)水。,降水過程可以粗線條地分為： 水面蒸發(fā)， 水蒸汽上升， 凝結(jié)成云， 云滴增大成雨滴（或雪花、冰雹粒子） 雨滴（或雪花、冰雹粒子）下落到地面。 但是，從蒸發(fā)到降水的微觀物理過程是復(fù)雜的，這是我們關(guān)心的重點(diǎn)。,5.4.1 降水表示方法,降水量：天空降落到地面上的液態(tài)降水或者融化后的固態(tài)降水未經(jīng)蒸發(fā)、滲透和流失而聚積再水平

7、面上的水層深度。單位mm 降水強(qiáng)度 指單位時(shí)間內(nèi)的降水量。 單位為mm/min，mm/h。,小雨 16mm/h 50-100mm/d 大暴雨 100mm/d 毛毛雨和雪一般用能見度來分等級: 大 能見度1000米,5.4.2 降水成因,地形抬升：地形雨 暖濕氣流遇到地形抬升，發(fā)生絕熱冷卻形成降水。 熱對流: 對流雨 暖季白天，地面增溫，產(chǎn)生強(qiáng)烈對流上升活動。 氣旋活動： 氣旋雨 氣旋中心符合上升，空氣絕熱冷卻凝結(jié)降水。 臺風(fēng)活動: 臺風(fēng)雨 臺風(fēng)-熱帶洋面上的強(qiáng)大氣旋,5.4.3 降水的形成,雨滴直徑是凝結(jié)核粒子直徑的10000倍。 雨滴直徑是云滴的100倍， 106個(gè)云滴1個(gè)雨滴,5.4.3

8、降水的形成,1、云滴增長的物理過程 云滴凝結(jié)（或凝華）增長 冰水雨滴 冷暖云滴 任一條件 大小云滴 增長速度： 與水汽的過飽和度成正比， 和云滴半徑成反比。 云滴直徑到20m幾乎不長了。,冰水轉(zhuǎn)化過程,5.4.3 降水的形成,云滴的沖并增長 大小云滴間發(fā)生沖并而合并增大的過程。,沖并是一個(gè)正反饋的過程，即直徑越大，單位時(shí)間掃過的云體積也大，能碰并進(jìn)來的云水就大，增大就快。而水滴大了，碰并增大也更快。這樣越長越快。,5.4.4人工影響云雨,暖云的人工降水 暖云：整個(gè)云體高于0C。 原理:改變云的滴譜分布的均勻性，破壞其穩(wěn)定狀態(tài)，促使凝結(jié)及碰并過程的進(jìn)行。 方法： 1 直接噴灑大水滴。 2 利用吸

9、濕性物質(zhì)，如氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣,5.4.4人工影響云雨,冷云的人工降水 冷云：由溫度低于0C過冷水組成。 原理：人工產(chǎn)生冰晶，改變云微結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 方法: 1 撒播人工冰核撒播制冷劑，如干冰，產(chǎn)生冰晶。 2 播撒人工冰核，如碘化銀，碘化鉛等。,人工增雨,火箭,高炮,5.5 地面凝結(jié)產(chǎn)物,1、霜和露： 傍晚或夜晚，由于地面輻射冷卻，使貼近地表面的空氣層隨之降溫，當(dāng)溫度低于露點(diǎn)溫度，空氣中的水汽含量過飽和時(shí)，在地表面形成的水汽凝結(jié)或凝華。 露點(diǎn)溫度0C 露 露點(diǎn)溫度0C 霜 氣象條件： 晴朗微風(fēng),5.5 地面凝結(jié)產(chǎn)物,2、霧?。?形成與電線、樹枝或其他物體迎風(fēng)面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。

10、 晶狀霧凇 ：氣溫約為-15左右,有霧、微風(fēng)的天氣條件下，空氣中過飽和冷卻水可在物體表面上直接凝華生成。 粒狀霧凇 ：當(dāng)氣溫為-7-2，有霧、風(fēng)速較大的天氣條件下，風(fēng)將過冷卻霧滴吹到冷的地物表面上凍結(jié)而形成。,5.5 地面凝結(jié)產(chǎn)物,3、雨?。?與地面或者地物迎風(fēng)面上的透明或毛玻璃狀的緊密冰層。由過冷雨滴降到溫度低于0C的地面或者地物上凍結(jié)而成。 雨凇比其他形式的冰粒堅(jiān)硬、透明而且密度大（0.85gm-3）。霧凇密度有0.25gm-3 形成霧凇的水滴比形成雨凇的水滴要小得多，而且凝結(jié)的速度也快。 雨凇災(zāi)害性更強(qiáng)。 2008年華南凍雨災(zāi)害。,5.5 地面凝結(jié)產(chǎn)物,霧凇,雨凇,5.6 空氣濕度的變化

11、,a 秋冬 b 夏季晴天,水汽壓的日變化,5.6 空氣濕度的變化,相對濕度的日變化,水循環(huán),5.7 水量平衡方程,陸地： S陸= P陸-E陸-R S陸陸地蓄水量變化；P陸陸地降水量變化；E陸陸地蒸發(fā)量-R徑流量 海洋： S海= P海-E海+R S海海洋蓄水量變化 ；P海海洋降水量變化；E海海洋蒸發(fā)量；R徑流量 全球多年平均：P陸+P海= E海+E陸,5.8 植被與水分,森林對水分的影響： 林內(nèi)空氣濕度大，利于水汽的凝結(jié)。 林內(nèi)降水強(qiáng)度減小，降水時(shí)間增長。 降低地表徑流。,5.8 降水變率表示方法,降水變率： 是衡量一個(gè)地方逐年降水量的變動情況。 降水變率大，說明某些年份出現(xiàn)水澇，而有些年份卻出現(xiàn)干旱；降水變率小，說明逐年降水量較為恒定。 降水變率有絕對變率和相對變率兩種。,5.8 降水變率表示方法,降水絕對變率：某一時(shí)期的實(shí)際降水量與多年同期平均降水量之差（R）。它表示降水量的變動程度。 R為降水量絕對變率；Ri為逐年降水量； 為多年平均降水量；n為資料年數(shù)。,5.8 降水變率表示方法,降水相對變率：降水絕對變率與多年同期平均降水量的比值。表示當(dāng)?shù)亟邓康目煽砍潭取?降水保證率 降水頻率：某界限降水量在一定時(shí)期內(nèi)出現(xiàn)的次數(shù)與該期降水總次數(shù)的百分比。 降水保證率：指高于（低于）某界限降水量的頻率