氣象學(xué)大氣水分

1、第四章水分1空氣濕度第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)蒸發(fā)與蒸騰 水汽凝結(jié)與大氣降水退出第四節(jié)水分與農(nóng)業(yè) 第四章水分2二三第一節(jié) 空氣濕度（air humidity)空氣濕度的表示方法空氣濕度的時(shí)空變化一水的相變3一、水的相變 水汽是大氣中唯一能發(fā)生相變的氣體，水的三相為水汽、水、冰。水相變化的物理過程從分子運(yùn)動(dòng)學(xué)的觀點(diǎn)看，水相變化是各相之間分子交換的過程。水相變化中的三種過程在水和水汽共存的系統(tǒng)中，存在三種過程：蒸發(fā)過程、凝結(jié)過程和動(dòng)態(tài)平衡。氣象學(xué)上用空氣濕度表示大氣中水汽含量的多少4二、空氣濕度的表示方法1.水汽壓(water vapour pressure) 水汽壓（e）：空氣中水汽產(chǎn)生的壓強(qiáng)。水汽壓可

2、以直接表示空氣中水汽含量的多少。水汽壓?jiǎn)挝唬喊倥粒╤Pa），毫米汞柱mmHg飽和水汽壓：空氣中水汽達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)的水汽壓(saturation/equilibrium vapour pressure) ，用E或es表示。5(1)物態(tài) 同溫度下冰面E冰E水飽和水汽壓E的影響因素云中，冰晶與過冷卻水滴常常并存，若E冰eE水，則水滴將蒸發(fā)而逐漸縮小，冰晶將不斷凝華而增大，水分子不斷從水滴向冰晶轉(zhuǎn)移，這就是“冰晶效應(yīng)”E受物態(tài)、蒸發(fā)面形狀、水溶液濃度、溫度等因素影響。凝結(jié)增長(zhǎng)大小水滴共存6(2)蒸發(fā)面形狀 當(dāng)蒸發(fā)面曲率半徑1m，與水分子半徑相近時(shí)，蒸發(fā)面形狀會(huì)影響E的大小。飽和水汽壓的影響因素7(3)

3、云中水滴大小 云中水滴大小不一，曲率不同，若實(shí)際水汽壓介于大小水滴的E之間時(shí) (E大eE小)，小水滴因蒸發(fā)而縮小，大水滴因凝結(jié)而增大。飽和水汽壓的影響因素凝結(jié)增長(zhǎng)8(4)蒸發(fā)面濃度 當(dāng)蒸發(fā)面濃度的不同，也會(huì)影響E的大小。因?yàn)闈舛却蟮囊后w表面水分子占據(jù)的面積小，單位時(shí)間內(nèi)逸出的水分子就少。飽和水汽壓的影響因素9(5)溫度 這是影響飽和水汽壓的最主要的因素。溫度()-30-20-100102030E(hPa)0.51.22.96.112.323.442.5不同溫度下的飽和水汽壓飽和水汽壓與溫度的關(guān)系，可用泰登(Teten)公式表示：其中es06.1hPa,表示時(shí)的飽和水汽壓。課本的 表示以e為底的

4、指數(shù)函數(shù) 10 飽和水汽壓與溫度關(guān)系曲線飽和水汽壓(E)溫度()11 絕對(duì)濕度(w)就是單位體積濕空氣中所含的水汽質(zhì)量，也即為水汽密度(water vapor density)。可表示空氣中水汽的絕對(duì)含量。 根據(jù)氣體的狀態(tài)方程，它與水汽壓的關(guān)系是：2.絕對(duì)濕度(absolute humidity) 其中T為氣溫，ea為實(shí)際水汽壓，R w為水汽的比氣體常數(shù)。12 相對(duì)濕度（r）：空氣中實(shí)際水汽壓與同溫度下的飽和水汽壓的百分比。即：3.相對(duì)濕度(relative humidity) 相對(duì)濕度可表示空氣距飽和狀態(tài)的遠(yuǎn)近程度，但并沒有說明空氣中實(shí)際水汽含量的多少。13相對(duì)濕度的影響因素 相對(duì)濕度主要取

5、決于空氣中的水汽含量和溫度。 而當(dāng)水汽含量一定時(shí)，氣溫越高，相對(duì)濕度越??；當(dāng)溫度一定時(shí)，水汽含量越多，相對(duì)濕度越大。14 飽和差（d）：同溫度下的飽和水汽壓與空氣中實(shí)際水汽壓之差。即： d=es-ea 飽和差表示空氣中的水汽含量與飽和時(shí)的水汽含量之間的差距，但不表示空氣中水汽含量的多少。4.飽和差（saturation deficit/deficiency) 當(dāng)溫度一定時(shí)，水汽含量越多，飽和差越??；而當(dāng)水汽含量一定時(shí)，氣溫越高，飽和差越大。15 首先對(duì)照下表，看三個(gè)實(shí)際例子。5.露點(diǎn)溫度(dew-point temperature)溫度()-30-20-100102030E(hPa)0.51.

6、22.96.112.323.442.5不同溫度下的飽和水汽壓(1) 設(shè)有一氣溫為20 ，水汽壓為12.3hPa的氣塊，它是不飽和的。如果將其降溫至10 ，就達(dá)到飽和。(2) 氣溫為20 ，水汽壓為6.1hPa的氣塊，它也是不飽和的。如果將其降溫至0 ，就達(dá)到飽和。(3) 氣溫為30 ，水汽壓為6.1hPa的氣塊，它也是不飽和的。如果將其降溫至0 ，就達(dá)到飽和。16溫度()-30-20-100102030E(hPa)0.51.22.96.112.323.442.5不同溫度下的飽和水汽壓 上面的例子說明：含有水汽、但不飽和的空氣塊，可以通過降低溫度達(dá)到飽和，如果在這個(gè)溫度下再降溫，則會(huì)出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象

7、。因此這個(gè)溫度是夜間地面出現(xiàn)露水的起點(diǎn)溫度。所以有定義：露點(diǎn)溫度(td)：對(duì)含有水汽的濕空氣，在不改變氣壓與水汽含量的條件下通過降溫使其達(dá)到飽和時(shí)的溫度，單位為 。171. 空氣濕度的空間變化 水汽壓的垂直變化 水汽主要集中在對(duì)流層的下部，且隨高度上升而迅速降低。水汽壓隨高度的變化可近似用下式表示：三、空氣濕度的時(shí)空變化 其中為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，一般取5000m。 相對(duì)濕度隨高度的變化則比較復(fù)雜。18 2. 空氣濕度的時(shí)間變化 （1）水汽壓的日、年變化日變化 海洋型：地面水分充分供應(yīng)，亂流不強(qiáng)的地區(qū)水汽壓與氣溫變化一致：emax14:00，emin日出前 大陸型：地面水分供應(yīng)不夠充分，或亂流較強(qiáng)的地區(qū)

8、，水汽壓變化曲線為雙峰型：emax9:00-10:00，21:00-22:00emin日出前，14:00-15:00 年變化 與溫度變化一致：emax7月，emin1月19 水汽壓的日變化- 海洋型 大陸型20 從相對(duì)濕度的定義可知：相對(duì)濕度隨飽和水汽壓的增大而減小，而飽和水汽壓又隨溫度的升高而迅速增大，因此相對(duì)濕度一般隨溫度的升高而減小。（2）相對(duì)濕度的變化相對(duì)濕度的日變化： 幾乎與溫度的變化相反。 相對(duì)濕度的日變化- b 氣溫 a 相對(duì)濕度21 相對(duì)濕度的年變化： 一般來(lái)說冬季最大，夏季最??； 但在季風(fēng)氣候區(qū)，冬季受寒冷大陸冷空氣影響，寒冷干燥；夏季受海洋氣流的影響，炎熱濕潤(rùn)，所以相對(duì)濕度

9、的變化與氣溫相同。22一二第二節(jié) 蒸發(fā)與蒸騰 水面蒸發(fā)土壤水分的蒸發(fā)23一.水面蒸發(fā)(Evaporation) 蒸發(fā)速率（W0 )：?jiǎn)挝粫r(shí)間單位面積上蒸發(fā)的水量。單位有mm/d和g/cm2d，二者的關(guān)系是： 1g/cm2d=10mm/d水面蒸發(fā)速率可用道爾頓(Dalton)蒸發(fā)公式表示： 其中esw為水面溫度下的飽和水汽壓，ea為空氣中的實(shí)際水汽壓，P為氣壓，C為與風(fēng)速有關(guān)的常數(shù)。24水面蒸發(fā)速率的影響因素根據(jù)道爾頓蒸發(fā)公式：可知：水面蒸發(fā)速率的主要影響因素為：1. 水面溫度 溫度越高，蒸發(fā)越快；2. 水汽壓 溫度一定時(shí)，空氣中水汽壓越?。ㄔ礁稍铮?，蒸發(fā)越快；3. 氣壓 氣壓越小，蒸發(fā)量越大；

10、4. 風(fēng)速 風(fēng)速越大，蒸發(fā)量也越大；5. 溶質(zhì)濃度 濃度越大，蒸發(fā)量越小。251.土壤水分蒸發(fā)的方式 :水分由毛細(xì)管上升到土壤表面后汽化 這種方式主要受氣象因子影響，影響因素與水面蒸發(fā)過程類似。二.土壤水分的蒸發(fā) 水分在土壤中汽化，然后通過土壤孔隙擴(kuò)散進(jìn)入大氣 這種過程與氣象因子基本上沒有什么關(guān)系，蒸發(fā)速率主要受土壤因素（如土壤類型、結(jié)構(gòu)、孔隙度等）的影響。26土壤中水分由多到少的過程大致經(jīng)歷三個(gè)階段：(1) 穩(wěn)高階段 在土壤水分較多的階段，蒸發(fā)主要通過第一種方式進(jìn)行。2.土壤水分蒸發(fā)過程(2) 速降階段 土壤水分含量迅速降低，只有部分毛細(xì)管起作用，蒸發(fā)通過兩種方式進(jìn)行。(3) 穩(wěn)低階段 土壤

11、水分很低，毛細(xì)管失去了傳導(dǎo)水分的作用，蒸發(fā)只能通過第二種方式進(jìn)行。 在穩(wěn)高階段，蒸發(fā)過程主要受氣象因子影響；在穩(wěn)低階段，蒸發(fā)速率主要受土壤因素的影響；而在速降階段 ，氣象因子和土壤因子都對(duì)蒸發(fā)過程有影響。27 土壤水分又稱為墑，由上述分析，可用以下措施保墑：(1)耕翻與松土 在穩(wěn)高階段，松土或翻耕可切斷毛細(xì)管，破壞其輸水的作用；3.保墑措施(2)鎮(zhèn)壓 在速降階段或穩(wěn)低階段，鎮(zhèn)壓可減小土壤空隙，阻斷水汽擴(kuò)散的通道；(3) 覆蓋 用地膜、秸桿等覆蓋，可阻斷土壤水分進(jìn)入大氣的路徑，效果很好。28一二第三節(jié) 水汽凝結(jié)與大氣降水水汽凝結(jié)的條件水汽凝結(jié)物三降水四人工影響云雨29一.凝結(jié)(condensat

12、ion)條件(一)空氣中的水汽達(dá)到過飽和:根據(jù)道爾頓蒸發(fā)公式： 可知，要產(chǎn)生凝結(jié)（W00，凝結(jié)物為露水，td0，凝結(jié)物為霜。 出現(xiàn)的有利條件：晴朗微風(fēng)的夜晚與清晨。因此露和霜都預(yù)示天氣晴朗。 凡是夜間有效輻射較大的地物表面，都易形成露和霜。34霧凇(rime) 附著于地物迎風(fēng)面上的白色疏松的凝結(jié)物，由過冷卻霧滴被風(fēng)吹到地物表面后迅速凍結(jié)而成。分粒狀和晶狀兩種。粒狀出現(xiàn)在-2至-7 ，晶狀出現(xiàn)在 -15 左右。2.霧凇與雨凇35霧淞36霧淞37霧淞38霧凇39霧凇40霧凇41霧凇42霧凇43霧凇 霧漫寒江吞曉月 凇凝雪柳吐奇花 44 過冷卻雨降落在低于0的地物表面迅速凍結(jié)而成的光滑透明的冰層。

13、雨凇(glaze/ glazed frost)45(二)近地氣層中的凝結(jié)物霧(Fog) 霧是懸浮在近地氣層中的微小水滴或冰晶的聚合物，它常使能見度減小(5.0882010年10月1日-8日罕見強(qiáng)降雨襲擊海南持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)：至10月8日，影響海南省的大暴雨天氣過程已持續(xù)了8天，為1961年以來(lái)最長(zhǎng)大暴雨天氣過程。降雨強(qiáng)度大：10月5日08時(shí)-6日08時(shí)，瓊海（701.9mm）、萬(wàn)寧（392.2mm），10月6日08時(shí)-7日08時(shí)文昌（297.2mm）日降水量突破歷史極值。累計(jì)雨量大：10月1日-8日，瓊海、萬(wàn)寧、陵水、文昌、瓊中、定安、海口、屯昌等8個(gè)市縣共94個(gè)站點(diǎn)累計(jì)雨量超過800mm，其中瓊海

14、、萬(wàn)寧、?？?、文昌共46個(gè)站點(diǎn)累計(jì)雨量超過1000mm，有5個(gè)站點(diǎn)累計(jì)雨量超過1400mm，文昌市重興站達(dá)1514.7mm。89海南及雷州半島降雨量實(shí)況圖（2010年9月30日20時(shí)-10月8日08時(shí)）90海南持續(xù)降水原理示意圖南下的冷空氣海上的暖濕氣流911）降水距平（d)(rainfall departure):又叫絕對(duì)變率（variability）指一地某一時(shí)段的實(shí)際降水量與多年同期平均降水量之差。公式表示： 為一地某一時(shí)段的實(shí)際降水量 多年同期平均降水量 多年距平絕對(duì)值的平均，叫平均距平( )。(3)降水距平和降水相對(duì)變率n為樣本數(shù)92例：設(shè)武漢9月的平均降水量為100 mm，2007

15、年9月，X1=130mm，2008年9月，X2=70mm，2009年9月，X3=80mm，20010年9月，X4=120mm，各年的降水距平為多少？多年的平均降水距平為多少？d1= 30mmd2= -30mmd3= -20mmd4= 20mm=25mm932）降水相對(duì)變率降水相對(duì)變率D（relative variability）：一段時(shí)間內(nèi)的降水距平與多年平均降水量的百分比?；蚧蚱骄鄬?duì)變率 :平均距平與多年同期平均降水量的百分比。意義：表示一個(gè)地區(qū)降水量年際之間變動(dòng)程度的大小，也表示了發(fā)生旱澇可能性的大小。 25%則易澇易旱94例：設(shè)武漢9月的平均降水量為100 mm，2007年9月，X1=

16、130mm，2008年9月，X2=70mm，2009年9月，X3=80mm，20010年9月，X4=120mm，各年的降水相對(duì)變率為多少？多年的平均降水相對(duì)變率為多少？D1= 30%D2= -30%D3= -20%D4= 20%= 25%d1= 30mm，d2= -30mm，d3= -20mm，d4= 20mm，951.冷云的人工降水 根據(jù)冰水共存的冰晶效應(yīng)原理，通過人工方法產(chǎn)生冰晶。常用方法：撒播干冰，撒播碘化銀等擬冰晶物質(zhì)四、人工影響云雨2. 暖云的人工降水 設(shè)法造成大小水滴共存的條件。常用方法：撒播吸濕性的物質(zhì)（如食鹽等），直接撒播大水滴。3. 產(chǎn)生亂流的方法 常用爆炸、攪動(dòng)氣流等方法，

17、在云中產(chǎn)生亂流，加快沖并增長(zhǎng)過程。96 一地一定時(shí)段內(nèi)的水面可能蒸發(fā)量與同期降水量的比值，叫做干燥度（K）。 K=W0/R 按一年的時(shí)間段計(jì)算：五.干燥度（aridity index）干燥度劃分為： K 1.0 濕潤(rùn) 1.0K1.5 半濕潤(rùn) 1.5K4.0 半干旱 4.0K 干旱97第四節(jié) 水分與農(nóng)業(yè)一、作物水分臨界期和關(guān)鍵期二、土壤水分狀況及與作物的關(guān)系三、降水與空氣濕度對(duì)作物的影響98本章總結(jié)本章重點(diǎn)和難點(diǎn)：1.掌握大氣中各濕度特征量的意義及其相互關(guān)系。2.深刻認(rèn)識(shí)蒸發(fā)蒸散過程和凝結(jié)過程的條件及影響因素、各種凝結(jié)物和降水的形成原因。3.學(xué)會(huì)降水變率、干燥度的意義及其計(jì)算方法。99作業(yè)復(fù)習(xí)思

18、考題第四章：1*. 水分子數(shù)一定的空氣塊作絕熱上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，各濕度特征量如何變化？為什么？ 2. 在氣溫為15.0時(shí)，測(cè)得水汽壓為13.4hPa，氣壓為1010.0 hPa，試求相對(duì)濕度、飽和差和露點(diǎn)溫度。 3*. 開水杯上和夏天冰塊周圍均可出現(xiàn)水汽凝結(jié)成的水霧，試分析這兩種現(xiàn)象形成的原因并比較其形成過程的異同點(diǎn)。 4. 某日氣溫為20.0，水溫為18.0，相對(duì)濕度為70%，水面蒸發(fā)速率為2.1mm/日，如果次日水溫升為20.0，其它條件不變，則水面蒸發(fā)速率變?yōu)槎嗌伲?005*.某日晨最低氣溫tm 10，露點(diǎn)td 9，據(jù)預(yù)報(bào)次日晨tm 8，td 不變，試估計(jì)次日晨是否有霧？如有的話可能是什么霧？為什么？ 6. 一團(tuán)溫度為15，相對(duì)濕度為80%的空氣塊，從海平面處開始翻越一座2000米高的山脈，忽略飽和前水汽壓的變化，求迎風(fēng)坡的云高和山頂處的水汽壓。要求：獨(dú)立認(rèn)真完成，下次理論課上課前交齊。凡發(fā)現(xiàn)抄襲現(xiàn)象，按0分處理；遲交則適當(dāng)扣分。*注：題號(hào)帶*的題目供有興趣的同學(xué)選做。101參考文獻(xiàn)1.馮秀藻，陶炳炎等.農(nóng)業(yè)氣象學(xué)原理. 北京：氣象出版社. 1991 2.周淑貞. 氣象學(xué)與氣候?qū)W.北京：高等教育出版社 . 1997. 3.江仁. 氣象學(xué).北京：中國(guó)