03大氣濕度與凝結(jié)

大氣科學(xué)導(dǎo)論李成才(Email:ccli@)(/atmos/)(電話：62762552，傳真：62751094)北京大學(xué)物理學(xué)院大氣科學(xué)系大氣濕度與凝結(jié)——云霧物理學(xué)基礎(chǔ)大氣濕度大氣中的水絕對濕度比濕和混合比水汽壓相對濕度與露點相對濕度與人濕度的測量凝結(jié)，霧露(dew)和霜(frost)的形成凝結(jié)核(condensationnucleus)霾(haze)霧(fog)衛(wèi)星監(jiān)測大氣——大氣遙感閱讀MeteorologyToday(Chapter5,6)水水有很高的沸點(100°Cat1000mb)。一般沸點隨著分子量增加而增加。有意思的是，化學(xué)上比較接近的物質(zhì)，沸點卻差別較大：

100to-150°C.SubstanceFormulaMol.Wt.BoilPt.(

C)WaterH2O18100

MethaneCH416-164AmmoniaNH317-75IodineChlorideICl16297估計液態(tài)分子引力強弱的參數(shù)水分子105°d+d+2d-水是強極性分子偶極子強的氫鍵從水氣分子的結(jié)構(gòu)看，它的二個氫原子與氧原子成105度角，它們可以振動和轉(zhuǎn)動。但從電結(jié)構(gòu)上看，它的正負電荷中心并不重合，在沒有外電場的情況下，它也有偶極矩。大氣中的水天氣和氣候中最重要的成分，它影響：o濕度:-輻射平衡(長波&短波輻射)-人的舒適度o云:-輻射平衡

長波

&短波

-能量平衡(潛熱!)-降水大氣中的水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。由于它在相態(tài)變化時涉及到極大的能量交換，它對許多大氣過程，尤其是激烈的天氣過程起著關(guān)鍵作用。當(dāng)水汽分子處于氣體狀態(tài)，它和其它氣體分子并沒有太大的差別。它們在空間隨機運動，互相碰撞。由水汽分子碰撞所形成的壓力就是后面將要討論的水汽壓。水汽分子也和其他氣體分子發(fā)生均勻混合?？偭?1，383，613儲量：Oceans1，350，00097.5%IceSheets25，0001.8%UnderGround8，4000.6%Lake2000.014%Air130.001%單位：103km3通量：海洋蒸發(fā)361/年陸地蒸發(fā)62/年合計423/年海洋降水324/年陸地降水99/年合計423/年陸地流回海洋37/年大氣中的水可以以各種形式存在o水汽:濕度o液滴:云，霧，雨o冰:云，霧，雹，雪，三相可同時存在空氣是各種氣體的混合體，包括水汽水汽是一種氣體

空氣=干空氣

+水汽濕度是指空氣中的水汽含量濕空氣密度更大?干空氣（只含氧氣和氮氣）的分子量：氮=14x2=28,78%~22氧=16x2=32,21%~729單位水汽：氫=1x2=2氧=16x1=1618單位濕空氣密度小，有升高的趨勢分壓水汽壓:水汽分子產(chǎn)生的壓力總壓力是1000mb,PN2~780mb 78%PO2~210mb 21%PH20~10mb 1%分壓是一個常用的表示氣體含量的單位水汽壓?水汽壓是大氣中水分子產(chǎn)生的壓力水汽壓是大氣水分含量的一種表示方法?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標準單位Pascal(Pa)

USA:millibars(mb)1mb=100PaWorld:hPa飽和空氣中水汽含量達到最大值的狀態(tài)飽和時水汽含量只是溫度的函數(shù)飽和時的水汽壓叫飽和水汽壓es當(dāng)e=es,表示該溫度下水汽壓的最大值蒸發(fā)和凝結(jié)速率相等大氣不是海綿：飽和不是指空氣象海綿那樣有容納水汽的能力飽和指蒸發(fā)和凝結(jié)處于平衡狀態(tài)，多余的水汽將打破這一平衡。高溫蒸發(fā)速率高，需要更多的水汽達到平衡。因此飽和與溫度有關(guān)。飽和水汽壓與溫度的關(guān)系空氣飽和時水汽分子產(chǎn)生的壓力飽和需要的水汽分子數(shù)目雖溫度增加而增加飽和水汽壓與溫度有關(guān)，但不是線性關(guān)系。冰面與水面不同！Clausius-Clapeyroncurve飽和水汽壓只是溫度的函數(shù)Clausius-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只是溫度的函數(shù)！如何表示空氣中水汽的多少？

描述大氣水分的方法·絕對濕度or水汽密度(ρv)·比濕(q)·相對濕度

(RH)·露點溫度(Td)·實際水汽壓(e)定義絕對濕度單位體積內(nèi)的水汽質(zhì)量（g/m3）比濕單位空氣質(zhì)量中的水汽質(zhì)量(g/kg)水汽壓水汽分子的分壓(hPa)飽和水汽壓飽和空氣中水汽的分壓(hPa)水汽密度–絕對濕度(ρv)絕對濕度(ρv)=水汽質(zhì)量/空氣體積

unit:kg/m3org/m3

·決定于溫度和壓力·很少使用(why?)水汽質(zhì)量密度:比濕(q)比濕(q)=水汽質(zhì)量/空氣質(zhì)量kg/kg空氣質(zhì)量=干空氣+水汽·體積改變，但質(zhì)量則不變：

?溫度或壓力引起空氣膨脹

Tq不變

Tq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)）飽和比濕飽和比濕:解釋飛機尾跡的形成差別在于用總質(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從圖中可以看到赤道地區(qū)的比濕最高，向二面遞減，到極地最低。雖然世界上主要的沙漠地區(qū)是在緯度300的地區(qū)，但從曲線上并沒有特別減小的特征，這也可以說沙漠地區(qū)的空氣并不是最干的比濕隨緯度的變化相對濕度(RH)有關(guān)相對濕度的問題相對濕度100%是什么意思?草地澆水的時間在什么時候蒸發(fā)最小?

冬天，相對濕度是室內(nèi)大還是室外大?

室內(nèi)蒸發(fā)速率大還是室外大?

相對濕度的例子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%RH的日變化溫度與相對濕度反相關(guān)最高一般在清晨，最低在下午。溫度改變，飽和水汽壓也變了。全球RH與比濕空間變化對比熱帶高30°低極地高極地空氣：溫度-20C

露點-20C

相對濕度100%沙漠空氣：溫度350C

露點50C

相對濕度16%露點溫度Td露點：等壓冷卻達到飽和時的溫度如某氣塊中的水汽含量不變，假想由于溫度的降低，相對濕度會逐漸變大。當(dāng)相對濕度變?yōu)?00%，即空氣變得飽和時的溫度稱為該氣塊的露點溫度，簡稱露點。露點溫度可以很好地反映氣塊中水汽量的多少。氣塊的實際溫度和露點溫度之差，稱為溫度露點差，可以很好地反映相對濕度。（離飽和還有多遠）溫度和露點的探空曲線露點溫度

T>DewPt.(不飽和)

二者相等,T=DewPt.

進一步冷卻，T=DewPt.相對濕度與露點可以互算Tetens公式ps=610.78×exp(t/(t+238.3)×17.2694)tisthetemperatureindegreesCelsiusT-Td:RH屋子里的相對濕度屋子里的相對濕度有時和外面很不相同，尤其是在空調(diào)的情況，不管是冬天還是夏天。冬天，室外溫度比較低，空氣也比較干燥。但如果把這種空氣在室內(nèi)加溫，其相對濕度就會變得十分低，甚至比撒哈拉沙漠地區(qū)還要低。屋子里面的低濕度會帶來一些問題，例如植物蒸發(fā)量的增加，人體皮膚干燥的感覺，某些建筑材料的變形，靜電的產(chǎn)生和積累等等。冬天要屋子里增加濕度的方法就是增加水份供應(yīng)，加濕器是一種常用的設(shè)備，包括超聲或加熱的方法。屋子里的相對濕度夏天空氣中水汽本來就多，相對濕度也比較高。如果再把室內(nèi)溫度降低，相對濕度將變得很高，這會造成人很不舒服的環(huán)境。但是夏天空調(diào)的屋子，因為致冷的過程同時有脫濕的功能，因此相對濕度增加的問題不太嚴重。人體對相對濕度的反應(yīng)人體主要對相對濕度，而不是對絕對濕度有反應(yīng)，其主要原因是人體的反應(yīng)與水份的蒸發(fā)有關(guān)，而水份的蒸發(fā)直接與相對濕度有聯(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)境的相對濕度高時，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。水汽總量水汽的主要源是在地面，通過垂直運動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，常常用多少毫米水拄高度來表示。一般變化于1–100mm之間?？梢杂萌虼髿庵锌偟乃縼碜鲆粋€估計。大氣中的水汽量是13x1012m3。按地球半徑6370公里，表面積為4*3.1416*(6370000)2=509x1012m2

平均水柱高度13x1012/509x1012=0.02549m=25.5mm水汽總量的全球分布云中的水量雖然地球上總的降水量很大，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公里厚度的云,1m2上面的水量為0.3x3000=900g

厚度為0.9mm濕度的測量秤量法毛發(fā)濕度計干濕球濕度計濕敏電阻、濕敏電容濕度計紅外濕度計露點濕度計凝結(jié)，霧和云露和霜的形成凝結(jié)核霾霧云各種云圖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)在植物葉子表面冬天，窗戶玻璃上常常可以看到結(jié)霜形成的窗花。但沒有人知道它為什么會是你所見的花樣霧凇-寒江雪柳、玉樹瓊花吉林霧凇

霧凇，俗稱樹掛，是嚴冬時節(jié)出現(xiàn)在吉林松花江畔的自然現(xiàn)象。

吉林的霧凇多屬于晶狀霧凇，是由從豐滿到九站這一段不凍江面而引起的。從豐滿發(fā)電站到吉林市區(qū)幾十公里的松花江面上熱氣蒸騰，水氣遇冷凝結(jié)在江畔的柳枝松針上，形成似絲、似菊、似珊瑚等晶瑩潔白的霧凇。霧凇奇觀一般出現(xiàn)在早晨，每年12月到次年2月出現(xiàn)幾十次，特別是年前年后那寒冷的日子里，吉林的霧凇樹掛最為壯觀，神奇。置身其間，猶如在瓊樓仙境一般。

露與霜

輻射，熱傳輸和相對濕度晴空和靜風(fēng)時：輻射使地面降溫速率比空氣快

地面輻射損失的能量比從上面暖空氣得到的感熱大地面進一步冷卻如果地面溫度到達露點——發(fā)生凝結(jié)凝結(jié)核（CondensationalNuclei)產(chǎn)生云和露的凝結(jié)過程實際上并不是一個很簡單的過程，只要空氣達到飽和就可以了。凝結(jié)過程往往要依附于一個物體。這也就是露和霜出現(xiàn)的情況。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)。核化(NucleationorActivation)水汽凝結(jié)或液水中出現(xiàn)冰相,這種生成新相胚胎的過程叫做核化。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），幾個水分子可能會碰在一起，形成一個分子簇。它們也可以被認為是最初的小水滴，但它們是不穩(wěn)定的，可能很快又分開了。熱力學(xué)計算表明，對純水汽的情形，只有到過飽和度達到400%以上（即相對濕度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)核時的核化過程是異質(zhì)核化過程。大氣中有些氣溶膠顆?？梢云鸬侥Y(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)核一般分為愛根核、大核、巨核。它們的數(shù)量大約每立方米幾千到一個。云凝結(jié)核（CCN）對云滴形成最有利的核是半徑大于0.1mm的顆粒，稱為云凝結(jié)核（CloudCondensationNuclei）。一般大氣中其濃度為100–1000個/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間。在大氣污染的地區(qū)，其濃度會很高，達到106/cm3。有些凝結(jié)核是吸濕性的，它在相對濕度達到100%之前就已經(jīng)潮解了，它對形成水滴特別有利。海鹽在相對濕度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。目前一個十分受到關(guān)注的問題是人類活動增加的大量CCN是否會影響到云或降水的特性。CCN的絕對重要性：如果大氣完全清潔，一個CCN都沒有，大氣環(huán)境將是不可思議的。云凝結(jié)核（CCN）大于0.1mm的CCN可以成為云滴空氣中CCN濃度一般100–1000/cm3吸濕CCN(RH<100%時也可以凝結(jié)生長)非吸濕CCN(只有RH>100%時才凝結(jié)生長)hygroscopichydrophobic霾（HAZE)如果在大氣中漂浮著一層塵?；蚝｛}顆粒，你會發(fā)現(xiàn)在早晚時間，遠處目標外物看得不太清楚，而在中午時就比較清楚，這就是有一層霾。霾的特點是這些顆粒還不是水滴，但它們隨著相對濕度的增加會潮解，顆粒會變大；而當(dāng)相對濕度減小時，顆粒會變小。當(dāng)然，這些顆粒都很小。在干燥的時候其半徑約0.1mm，它對太陽光的選擇散射使它有發(fā)藍色的感覺。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倍或更多。當(dāng)大量的海鹽顆粒漂浮在海面上方，那里的相對濕度又比較高，常常呈現(xiàn)為一層白色的霾層。相對濕度接近100%時霾可以變成霧(能見度<1km)直徑25mm的水滴下落速度是5cm/s。霾的類型干霾

–散射藍光的小粒子

暗背景下呈藍色；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霧能見度小于1000米，相對濕度大于60%霧的形成和云的形成一樣：CCN過飽和霧前面的霾還沒有完全變成水滴，如果相對濕度達到并超過100%，它們繼續(xù)增長，就會變成一個水滴。在地面，這就是霧。隨著霧滴的半徑和濃度加大，能見度越來越低。當(dāng)能見度小于1公里時，氣象觀測定義為霧。在城市或污染嚴重的地區(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，相對來說對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。導(dǎo)致過飽和的過程輻射冷卻平流

混合

抬升冷卻

輻射霧（地面和山谷）條件:晴空，靜風(fēng)，低溫輻射冷卻常出現(xiàn)在秋冬平流霧暖濕空氣移動到