第三講大氣濕度與凝結(jié)

第三講:大氣濕度與凝結(jié)大氣中的水蒸發(fā)和飽和描述大氣水汽含量的方法相對(duì)濕度與露點(diǎn)相對(duì)濕度與人閱讀：MeteorologyToday，第5和6章11、大氣中的水水是大氣中的重要成分。水汽是大氣中唯一一種在大氣自然條件下有三相變化的氣體。水對(duì)許多大氣過程，尤其是劇烈的天氣過程起著關(guān)鍵作用。水的相變影響大氣中的能量平衡，如蒸發(fā)導(dǎo)致冷卻、凝結(jié)導(dǎo)致熱量釋放。水循環(huán)可以沖刷大氣中的污染成分。云量會(huì)影響大氣的輻射平衡。水汽的多少也影響人的舒適度。2水的分子結(jié)構(gòu)兩個(gè)氫氧鍵之間的夾角是105°，所以，水分子具有明顯極性。3冰的晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)水處于固體狀態(tài)〔冰〕時(shí)，水分子由于分子之間強(qiáng)的極性固定在一起，呈正6面體晶體。這些水分子無法移動(dòng)，但可以振動(dòng)。一個(gè)雪片可以由許多這樣的晶體組成。4水的相變固態(tài)水變成液態(tài)水，這個(gè)過程稱為融化〔溶化，melting〕。從固態(tài)直接到氣態(tài)的相變成為升化〔sublimation)。從液態(tài)到氣態(tài)的相變相變叫蒸發(fā)(evaporation)。52、蒸發(fā)和飽和飽和指蒸發(fā)和凝結(jié)處于平衡狀態(tài)，多余的水汽將打破這一平衡。茶杯如果蓋上一個(gè)蓋子，蒸發(fā)的水分子最終將和凝結(jié)的水分子到達(dá)平衡，這時(shí)水汽到達(dá)飽和。如果把蓋子去掉，一局部水分子將向空氣中逃去，平衡被破壞，更多的水分子將蒸發(fā)。6水汽壓當(dāng)空氣中水分子產(chǎn)生的壓力叫水汽壓水汽壓是大氣水分含量的一種表示方法，水汽壓單位是[Pa]或mb水汽壓與水汽密度(ρv)和溫度的關(guān)系由理想氣體定律表示e=ρv·Rv·T.7分壓總壓力=PN2+PO2+PAr+PH20+PCO2+…總壓力是1000hPa,PN2~780hPa 78%PO2~210hPa 21%PH20~10hPa 1%

分壓是一個(gè)常用的表示氣體含量的單位8濕空氣空氣是各種氣體的混合體，空氣=干空氣+水汽濕空氣密度更大?干空氣〔只含氧氣和氮?dú)狻车姆肿恿浚?氮=14x2=28x0.78~22 氧=16x2=32x0.21~7合計(jì):29水汽的分子量 氫=1x2=2 氧=16x1=16189飽和水汽壓空氣飽和時(shí)水汽分子產(chǎn)生的壓力飽和需要的水汽分子數(shù)目隨溫度增加而增加。在同等溫度下，冰面與水面的飽和水汽壓不同！10Clausius-Clapeyron方程Clausius-Clapeyron曲線的重要性說明暖空氣可含有更多的水汽描述了給定溫度下的最大水汽含量可以用水汽壓或者其他濕度單位來表示水汽量飽和水汽壓與溫度不是線性關(guān)系113、描述大氣水汽含量的方法絕對(duì)濕度or水汽密度(ρv)比濕(q)相對(duì)濕度

(RH)露點(diǎn)溫度(Td)實(shí)際水汽壓(eorea)12絕對(duì)濕度(absolutehumidity)單位體積內(nèi)的水汽質(zhì)量(gm-3),取決于溫度和壓力,很少使用(why?)空氣膨脹冷卻，壓縮加熱體積變化，那么絕對(duì)濕度也變化13比濕

(q,specifichumidity)比濕(q)=水汽質(zhì)量(kg)/空氣質(zhì)量(kg)空氣質(zhì)量=干空氣+水汽當(dāng)體積改變時(shí)，質(zhì)量不變，所以，比濕不變，q守恒的濕度量q的變化表示空氣中水汽量的變化(蒸發(fā)，凝結(jié)〕14它們的差異在于用總質(zhì)量還是用干空氣質(zhì)量與水汽質(zhì)量去比，分別稱為比濕和混合比比濕和混合比15相對(duì)濕度16一些可能的誤解相對(duì)濕度100%不表示空氣全是水汽熱天,熱帶室外空氣中水汽含量一般小于20g/kg

35°C時(shí)飽和比濕36.8g/kg

RH=(20g/kg/36.8g/kg)?100%=53%T=-20°C,

飽和比濕0.8g/kg，假設(shè)水汽含量是0.7g/kg

RH=(0.7g/kg/0.8g/kg)?100%=90%

T=+20°C,飽和比濕8g/kg，假設(shè)水汽含量7g/kg

RH=(7g/kg/8g/kg)?100%=90%17相對(duì)濕度的例子T=14°C

比濕=6g/kg

飽和比濕=10g/kg

RH=[6g/kg/10g/kg]?100%=60%T=25°C

比濕=6g/kg

飽和比濕=20g/kg

RH=[6g/kg/20g/kg]?100%=30%18相對(duì)濕度隨溫度的變化19Rh的日變化白天，空氣中的水汽含量實(shí)質(zhì)上沒有太大變化，但一天中溫度變化很大，相對(duì)濕度就會(huì)有明顯的日變化，因?yàn)闇囟雀淖?，飽和水汽壓也變了。相?duì)濕度與溫度反相關(guān)，最高一般在清晨，最低在下午。20RH隨緯度的變化熱帶高，副熱帶低，極地高。請比較該圖和比濕隨緯度的變化！21露點(diǎn)溫度Td露點(diǎn)：大氣等壓冷卻到達(dá)飽和時(shí)的溫度。如某氣塊中的水汽含量不變，假想由于溫度的降低，相對(duì)濕度會(huì)逐漸變大。當(dāng)相對(duì)濕度變?yōu)?00%，即空氣變得飽和時(shí)的溫度稱為該氣塊的露點(diǎn)溫度，簡稱露點(diǎn)。露點(diǎn)溫度可以很好地反映氣塊中水汽量的多少。氣塊的實(shí)際溫度和露點(diǎn)溫度之差，稱為溫度露點(diǎn)差，可以很好地反映相對(duì)濕度〔離飽和還有多遠(yuǎn)〕。22極地空氣：溫度-20C露點(diǎn)-20C相對(duì)濕度100%沙漠空氣：溫度350C露點(diǎn)50C相對(duì)濕度16%23露點(diǎn)溫度二者相等,T=TdT>Td(飽和)進(jìn)一步冷卻，T=Td24計(jì)算相對(duì)濕度和露點(diǎn)Tetens公式255、相對(duì)濕度與人

人體對(duì)相對(duì)濕度的反響人體主要對(duì)相對(duì)濕度，而不是對(duì)絕對(duì)濕度有反響，其主要原因是人體的反響與水份的蒸發(fā)有關(guān)，而水份的蒸發(fā)直接與相對(duì)濕度有聯(lián)系。在炎熱的條件下，人主要通過汗水的蒸發(fā)來散發(fā)熱量。當(dāng)環(huán)境的相對(duì)濕度高時(shí)，蒸發(fā)困難，熱量就散發(fā)不出去，人感覺到悶熱。在冬天，環(huán)境濕度比較低，皮膚蒸發(fā)很快，容易出現(xiàn)皮膚干裂的現(xiàn)象。26凝結(jié)、霧和云露和霜的形成凝結(jié)核霾霧云各種云圖2728水汽的垂直分布水汽的主要源是在地面，通過垂直運(yùn)動(dòng)和湍流交換送到高空，因此其濃度分布一般也向上遞減。整層大氣的總水汽量是各層大氣水量的和，常常用多少毫米水柱高度來表示。一般變化于1–100mm之間?？梢杂萌虼髿庵锌偟乃縼碜鲆粋€(gè)估計(jì)。大氣中的水汽量是13x1012m3。按地球半徑6370公里，外表積為4*3.1416*(6370000)2=509x1012m2平均水柱高度13x1012/509x1012=0.02549m=25.5mm29云中的水量雖然地球上總的降水量上很大的，這些降水都是要通過云才能形成，但云本身所有的水量是很小的。一般云中液體水的含量約0.1–0.6g/m3,平均為0.3g/m3。3公里厚度云的水量為0.3x3000=900g分配在1m2的面積上，其厚度為0.9mm301、露和霜的形成在晴朗，無風(fēng)的夜晚，容易形成露和霜露和霜經(jīng)常出現(xiàn)在植物葉子外表冬天窗戶玻璃上常?？梢钥吹浇Y(jié)霜形成的窗花。但沒有人知道它為什么會(huì)是你所見的把戲31露與霜晴空和靜風(fēng)時(shí)：輻射使地面降溫速率比空氣快地面進(jìn)一步冷卻如果地面溫度降低到露點(diǎn)——發(fā)生凝結(jié)322、霾〔HAZE)如果在大氣中漂浮著一層塵?；蚝｛}顆粒，你會(huì)發(fā)現(xiàn)在早晚時(shí)間，遠(yuǎn)處目標(biāo)外物看得不太清楚，而在中午時(shí)就比較清楚，這就是有一層霾。霾的特點(diǎn)是這些顆粒還不是水滴，但它們隨著相對(duì)濕度的增加會(huì)潮解，顆粒會(huì)變大；而當(dāng)相對(duì)濕度減小時(shí)，顆粒會(huì)變小。當(dāng)然，這些顆粒都很小。在枯燥的時(shí)候其半徑約0.1μm，它對(duì)太陽光的選擇散射使它有發(fā)藍(lán)色的感覺。當(dāng)濕度增大，顆粒也變大，散射光變成白色。當(dāng)RH從60％變到80％，散射能力增加3倍。當(dāng)大量的海鹽顆粒漂浮在海面上方，那里的相對(duì)濕度又比較高，常常呈現(xiàn)為一層白色的霾層。相對(duì)濕度接近100%時(shí)霾可以變成霧(能見度<1km)33霾干霾–散射藍(lán)光的小粒子，在暗背景下呈藍(lán)色；在亮背景下呈黃色。濕霾–散射各色光的大粒子,呈白色干霾可變成濕霾343、凝結(jié)核

〔CondensationalNuclei)產(chǎn)生云和露的凝結(jié)過程實(shí)際上并不是一個(gè)很簡單的過程，并不是只要空氣到達(dá)飽和就可以了。凝結(jié)過程往往要依附于一個(gè)物體。如果水汽要在空中凝結(jié)出來，形成云或霧，它也要在空中找一個(gè)可以依附的物體，這就是凝結(jié)核。在凝結(jié)過程發(fā)生之前，空氣中只有水汽分子，處于單一相態(tài)的狀態(tài)。如果由于凝結(jié)，出現(xiàn)水滴，空氣中出現(xiàn)另外一種相態(tài)。從單一水汽相中產(chǎn)生液相水滴，或在過冷卻的水滴中產(chǎn)生固相的冰晶，并不是由原來的相態(tài)連續(xù)轉(zhuǎn)變而來的?？偸窍仍谀赶嘀挟a(chǎn)生新的凝聚相的胚胎，而后這些胚胎在適當(dāng)?shù)臈l件下再長大成新相的粒子，這種生成新相胚胎的過程叫做核化。35核化(NucleationorActivation)僅由單一物質(zhì)分子自身結(jié)合成新相胚胎稱為均質(zhì)核化過程；有其它物質(zhì)參與下生成新相胚胎稱為異質(zhì)核化過程。在空氣中僅僅有水分子的情況下〔即均質(zhì)核化過程〕，幾個(gè)水分子可能會(huì)碰在一起，形成一個(gè)分子簇。它們也可以被認(rèn)為是最初的小水滴，但它們是不穩(wěn)定的，可能很快又分開了。36凝結(jié)核的作用熱力學(xué)計(jì)算說明，對(duì)純水汽的情形，只有到過飽和度到達(dá)400%以上〔即相對(duì)濕度500%以上〕，均質(zhì)核化過程才能出現(xiàn)。因此最初的水滴需要依附在其它顆粒物上，能起這種作用的顆粒物被稱為凝結(jié)核。有凝結(jié)核時(shí)的核化過程是異質(zhì)核化過程。大氣中有許多塵埃，氣溶膠顆粒都可以起到凝結(jié)核的作用，其中吸濕性的核，如鹽粒子等都很有效。凝結(jié)核越大，它形成最初的水滴也越大，以后的增長要求的過飽和度也越低。大氣中的凝結(jié)核數(shù)量大約每立方米100-數(shù)千個(gè)。37云凝結(jié)核〔CCN〕對(duì)云滴形成最有利的核是半徑大于0.1μm的顆粒，稱為云凝結(jié)核〔CloudCondensationNuclei〕。一般大氣中其濃度為100–1000個(gè)/cm3。它們的來源包括灰塵，火山，森林火災(zāi)，海水濺沫，海洋生物排放的硫化物，人類活動(dòng)排放的各種顆粒物。CCN的重量很小，可以在大氣中停留很長的時(shí)間。在大氣污染的地區(qū)，其濃度會(huì)很高，到達(dá)106/cm3。有些凝結(jié)核是吸濕性的，它在相對(duì)濕度到達(dá)100%之前就已經(jīng)潮解了，它對(duì)形成水滴特別有利。海鹽在相對(duì)濕度78%就開始潮解。其他還有硫酸鹽和硝酸鹽的顆粒也有吸濕性。目前一個(gè)十分受到關(guān)注的問題是人類活動(dòng)增加的大量CCN是否會(huì)影響到云或降水的特性。但CCN是絕對(duì)重要的。如果大氣完全清潔，一個(gè)CCN都沒有，大氣環(huán)境將是不可思議的。38云凝結(jié)核〔CCN〕對(duì)云滴形成最有利的核是半徑大于0.1μm的顆粒，稱為云凝結(jié)核〔CloudCondensationNuclei〕。一般大氣中其濃度為100–1000個(gè)/cm3。它們的來源包括灰塵，火山，森林火災(zāi)，海水濺沫，海洋生物排放的硫化物，人類活動(dòng)排放的各種顆粒物。CCN的重量很小，可以在大氣中停留很長的時(shí)間。在大氣污染的地區(qū)，其濃度會(huì)很高，到達(dá)106個(gè)/cm3。有些凝結(jié)核是吸濕性的，它在相對(duì)濕度到達(dá)100%之前就已經(jīng)潮解了，它對(duì)形成水滴特別一利。海鹽在相對(duì)濕度78%就開始潮解。其他還有硫酸鹽和硝酸鹽的顆粒也有吸濕性。目前一個(gè)十分受到關(guān)注的問題是人類活動(dòng)增加的大量CCN是否會(huì)影響到云或降水的特性。但CCN是絕對(duì)重要的。如果大氣完全清潔，一個(gè)CCN都沒有，大氣環(huán)境將是不可思議的。39云凝結(jié)核〔CCN〕大于0.1μm的CCN可以成為云滴空氣中CCN濃度一般100–1000/cm3吸濕CCN(RH<100%時(shí)也可以凝結(jié)生長)非吸濕CCN(只有RH>100%時(shí)才凝結(jié)生長)hygroscopichydrophobic404、霧前面的霾還沒有完全變成水滴，如果相對(duì)濕度到達(dá)并超過100%，它們繼續(xù)增長，就會(huì)變成一個(gè)水滴。在地面，這就是霧。隨著霧滴的半徑和濃度加大，能見度變到達(dá)越來越低。當(dāng)能見度小于1公里時(shí)間，就是霧了。在城市或污染嚴(yán)重的地區(qū)去，霧滴一般比較小但濃度較高，這樣能見度就更低；而在海洋上空，霧滴常常是半徑大，濃度低，相對(duì)來說對(duì)能見度的影響小一些。如果空氣或作為凝結(jié)核中還有酸性的污染物，霧水還可能帶酸性，稱為酸性霧或酸霧。霧的形成和云的形成一樣：CCN，過飽和比濕。導(dǎo)致過飽和的過程：輻射冷卻、平流、抬升冷卻、混合41輻射霧〔地面和山谷〕條件:晴空、靜風(fēng)、低溫，常出現(xiàn)在秋冬42平流霧暖濕空氣移動(dòng)到冷外表上，如果下墊面比空氣冷，空氣冷卻至露點(diǎn)就形成平流霧。43平流霧出現(xiàn)在陡峭的海岸而非沙灘44蒸發(fā)(混合)霧冷空氣移至暖水面上會(huì)出現(xiàn)蒸發(fā)霧。兩股不飽和的空氣混合可產(chǎn)生飽和的空氣，如飛機(jī)的凝結(jié)尾巴45蒸發(fā)(混合)霧兩個(gè)不飽和的氣團(tuán)混合產(chǎn)生飽和氣團(tuán)，并形成霧46霧的消散和人工消霧散射的太陽光加熱地面，向上加熱空氣，暖空氣中開始蒸發(fā)，空氣升高與上方的冷空氣混合。這時(shí)候看到霧抬升了。衛(wèi)星圖片顯式霧的消散從最淺的邊緣開始。人工消霧使霧滴變大，并沉降落下來；在過冷霧中播撒干冰，使霧中的過冷水滴轉(zhuǎn)化為冰晶而下落；加熱空氣，使霧滴蒸發(fā)；把上層枯燥的冷空氣混合到霧中，使霧滴蒸發(fā)。昂貴且效果不明顯47總結(jié)：霧的成因形成霧的過程大致有二種：冷卻和蒸發(fā)混合。輻射霧：在無風(fēng)的晴朗夜晚，近地面由于輻射冷卻，水進(jìn)地面層空氣飽和，并形成霧。夜晚越長，輻射冷卻的時(shí)間越長，輻射霧容易形成。所以輻射霧常常出現(xiàn)在冬季。平流霧：這常常出現(xiàn)在一團(tuán)潮濕和溫暖的空氣移動(dòng)到冷的下墊面上方。暖空氣被降溫而到達(dá)飽和，形成霧。冬季，陸地外表溫度比較低，而海水的溫度比較高。當(dāng)海洋上方的空氣移動(dòng)到陸地上方，就容易出現(xiàn)平流霧。平流霧也可能是海洋上方冷熱二個(gè)氣團(tuán)相混合的結(jié)果。48上坡霧：空氣被沿著山坡抬升，冷卻，形成霧。在某些地區(qū)，由于地形的特點(diǎn)，這種霧經(jīng)常出現(xiàn)。蒸發(fā)〔混合〕霧：冬天，你哈出一口氣，就會(huì)出現(xiàn)白色的蒸發(fā)〔混合〕霧。這時(shí)，外面的空氣很冷，嘴巴里的空氣很熱也很濕，但并沒有出現(xiàn)霧。當(dāng)這團(tuán)熱空氣與外面的冷空氣一混合，降溫，空氣就變成飽和的了，就出現(xiàn)霧。495、云云是由漂浮在空氣中的無數(shù)小水滴，小冰晶或由二者共同組成的可見集合體。云不僅能反映當(dāng)時(shí)大氣運(yùn)動(dòng)，大氣穩(wěn)定度和水汽情況，而且能預(yù)示未來天氣的變化，被稱為天氣的指示牌。云的觀察一直是靠人眼睛進(jìn)行的。雖然對(duì)各種云有許多記載，但想起來要對(duì)云進(jìn)行分類己經(jīng)是很晚的事情了。1802年，法國的Lamarck(1744-1829)第一次提出一個(gè)方案，但沒有得到重視1803年，英國的LukeHoward用拉丁字來描述云的卷、層、積等特征1887年Abercromby&Hildebrandsson在Howard的根底上提出一個(gè)方案，根本上沿用至今50云的分類形成過程：積云，層云，波狀云云體溫度：冷云，暖云微物理結(jié)構(gòu)：水云，冰云，混合云云體高度：高，中，低云Stratus-Latinfor“l(fā)ayer〞Cumulus-Latinfor“heap〞Cirrus-Latinfor“curlofhair〞Nimbus-Latinfor“violentrain〞51云形成條件和分類熱力對(duì)流〔熱力不穩(wěn)定〕：積狀云動(dòng)力抬升〔鋒面或輻合〕：層狀云大氣波動(dòng)〔下界面不同或逆溫層〕：波狀云地形抬升〔強(qiáng)迫〕：地形云〔積、層、波〕52云的分類云分4族：低云，地面–2公里中云，2–6公里高云，6–10公里直展云，地面-18公里4族中分10屬〔主要按積狀和層狀來分〕高云：卷云(Ci);卷層云(Cs);卷積云(Cc)中云：高層云(As)；高積云(Ac)低云：層云(St)；層積云(Sc)；雨層云(Ns)直展云：積云(Cu)；積雨云(Cb)5354

卷云具有絲縷狀結(jié)構(gòu)，呈白色，有晶瑩光澤，陽光透過時(shí)沒有陰影。由于風(fēng)速較大多，卷云呈絲條狀、羽毛狀、鉤狀、片狀和砧狀等。由冰晶組成。云高6-13KM。卷云55卷積云云塊看來很小，呈白色鱗片狀，個(gè)體常排列成行，很像輕風(fēng)吹過水面所引起的小波紋。當(dāng)高空存在著逆溫層時(shí)，在其下界附近就出現(xiàn)了上面是密度較小的暖空氣，下面是密度較大的冷空氣的界面。界面上下氣流的速度不一樣時(shí)，就產(chǎn)生空氣的垂直波動(dòng)，形成云。56云體均勻成層，透明或呈乳白色，透過云層時(shí)日月輪廓清楚，常有暈的現(xiàn)象，其高度和厚度與卷云相近。當(dāng)云加厚并降低時(shí)預(yù)示天氣將變化；假設(shè)無明顯開展或云量減少，那么未來天氣不會(huì)有顯著變化。卷層云的類別有：毛卷層云和薄幕卷層云。卷層云57云塊較小，最大的云塊其視直徑小于太陽視直徑的十分之一。其形狀有扁園形、瓦狀、魚鱗狀、團(tuán)絮狀等多種形狀。個(gè)體輪廓清楚，或聚集成波狀或田狀的排可列形式。云底高2-6公里，厚度200-700米。高積云的類別有：透光高積云；蔽光高積云；積云性高積云；絮狀高積云；堡狀高積云；莢狀高積云。高積云58高層云是濃密灰白色或灰色、均勻成層的云體，云底高3-6公里，厚1-2公里。云中除水滴外，可有冰晶等固態(tài)水。多屬鋒面云系