農(nóng)林氣象學(xué) 第三章大氣水分

水分與農(nóng)林業(yè)生產(chǎn)第三章水分Moistureintheatmosphere本章內(nèi)容

空氣濕度

蒸發(fā)和蒸騰

水汽凝結(jié)

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(wú)收在于水，收多收少在于肥。大氣中的水分來(lái)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(chǎn)生的分壓強(qiáng)。

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(dá)到此限度，就稱為飽和空氣，飽和空氣中水汽所產(chǎn)生的壓力，就稱為飽和水汽壓。飽和水汽壓與溫度的關(guān)系用馬格奴斯半經(jīng)驗(yàn)公式表示:

a、b為常數(shù)，E0為0℃時(shí)純水面的飽和水汽壓6.11hPa,對(duì)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(zhì)：

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(guān)系2024/6/36單位體積空氣中所含的水汽質(zhì)量稱為絕對(duì)濕度，又稱水汽密度，單位g/m3

。即：3.絕對(duì)濕度（a）它是直接表示空氣中水汽絕對(duì)含量的物理量。絕對(duì)濕度不易測(cè)得，常通過(guò)測(cè)定水汽壓、溫度計(jì)算出來(lái)。2024/6/374.相對(duì)濕度（r）空氣的實(shí)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(duì)潮濕程度

當(dāng)溫度不變時(shí)，E不變：水汽含量

e

r

當(dāng)水汽含量不變時(shí)，e不變：溫度

E

r

2024/6/38

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

t,E,則

r

t,E,則r

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

當(dāng)空氣中的水汽含量不變且氣壓一定時(shí)，降低溫度使空氣達(dá)到飽和，此時(shí)的氣溫稱為露點(diǎn)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(shí)（E=8.72hpa）則5℃是10℃的露點(diǎn)溫度。

露點(diǎn)溫度下的飽和水汽壓就是實(shí)際水汽壓。

圖3.3

飽和水汽壓與溫度的關(guān)系2024/6/310

6.飽和差（d）：同一溫度下飽和水汽壓與實(shí)際水汽壓之差。d=E-e

反映空氣的潮濕的相對(duì)程度。

當(dāng)溫度不變時(shí)，即E不變：水汽含量

、

e

、d

當(dāng)水汽含量不變時(shí)，即e不變：溫度

、

E

、

d

對(duì)未飽和空氣，相對(duì)濕度相同時(shí)，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(duì)濕度隨時(shí)間的變化1.日變化：?jiǎn)尾ㄐ停êＱ笮停?/p>

海洋、沿海地區(qū)、冬季大陸a時(shí)間日出前14時(shí)雙波型（大陸型）

夏季內(nèi)陸、沙漠地區(qū)a時(shí)間日出前14時(shí)8-9時(shí)20-21時(shí)

對(duì)流、亂流較強(qiáng)的季節(jié)和地區(qū)對(duì)流亂流弱，或水分充足的地區(qū)2024/6/3132.年變化：a時(shí)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(duì)濕度的年變化還與降水的季節(jié)分布有關(guān)。2024/6/314（二）相對(duì)濕度隨時(shí)間的變化與氣溫的日變化相反。時(shí)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(shí)間夜晝海陸風(fēng)（水陸風(fēng)）晝：吹海風(fēng)，潮濕夜：吹陸風(fēng)，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(shí)間夏季冬季季風(fēng)氣候區(qū)：與氣溫的年變化相同。r夏季冬季時(shí)間夏季:夏季風(fēng),來(lái)自海洋,潮濕冬季:冬季風(fēng),來(lái)自內(nèi)陸,干燥

2024/6/316第二節(jié)蒸發(fā)和蒸騰

蒸發(fā)速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間從單位面積上蒸發(fā)掉的水的質(zhì)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(cè)中，蒸發(fā)量的大小是以某段時(shí)間內(nèi)自然水面因蒸發(fā)而消耗掉的水層厚度來(lái)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(fēng)速

W

蒸發(fā)面性質(zhì)：W水＞W(wǎng)冰蒸發(fā)面形狀：W凸面＞W(wǎng)平面＞W(wǎng)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(fēng)速有關(guān)的比例系數(shù)P----當(dāng)時(shí)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(shí)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(kuò)散的過(guò)程。

●蒸發(fā)直接發(fā)生在土壤表面?！裣聦油寥劳ㄟ^(guò)毛細(xì)管向土表輸送水分，水汽通過(guò)土壤的孔隙達(dá)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(zhì)、結(jié)構(gòu)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(fēng)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(gè)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(shí)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?！竦诙A段：此階段可通過(guò)淺鋤地來(lái)減小土壤蒸發(fā)。此階段可通過(guò)鎮(zhèn)壓以減小土壤孔隙度和透氣性的方法來(lái)達(dá)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(shí)，地表干土層已經(jīng)很厚，必須采取灌溉才能滿足植物對(duì)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(nèi)的水分通過(guò)體表（主要是葉片表面）汽化進(jìn)入大氣的過(guò)程，稱為蒸騰。蒸騰既是物理過(guò)程，又是生理過(guò)程。

蒸騰主要是通過(guò)葉片氣孔實(shí)現(xiàn)的，水汽分子由氣孔擴(kuò)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(zhì)蒸騰消耗的水分克數(shù)。蒸騰系數(shù)的大小反映作物對(duì)水分需求的程度，也反映作物對(duì)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(gè)生物物理過(guò)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(jié)構(gòu)及生理類型有關(guān)。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(nóng)田中的蒸散量即作物的實(shí)際耗水量。2.影響蒸騰的因子2024/6/326

農(nóng)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(guò)葉片氣孔的開(kāi)閉，可自行調(diào)節(jié)葉片蒸騰強(qiáng)度，從而影響農(nóng)田蒸散；蒸騰主要在白天，而土壤蒸發(fā)則晝夜均可進(jìn)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(fēng)等；

植物因素：植物覆蓋度、植物種類、生長(zhǎng)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(dòng)的速度等。3.估算：

◆桑斯威特(Thornthwaite)法資料易得，計(jì)算簡(jiǎn)單，但物理學(xué)基礎(chǔ)不夠充分，其一般適用于計(jì)算年或生長(zhǎng)季節(jié)的蒸散量，而對(duì)于短期（小于一個(gè)月），或月平均氣溫低于0℃或干濕季節(jié)明顯的季風(fēng)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(dòng)力學(xué)方程及一些經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：

彭曼公式：計(jì)算的是開(kāi)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(nóng)田的最大可能蒸散量。⑴可能蒸散（ET0）：一個(gè)開(kāi)闊平坦的地表上，在無(wú)平流熱的干擾下，其上生長(zhǎng)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(shí)，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(shí)際蒸散量（ETa）＝蒸發(fā)量＋植物蒸騰量⑷蒸散量的計(jì)算主要應(yīng)用于作物需水量及灌溉方面。

ET0＝fE0；

ETm=kcET0

灌溉量＝需水量－實(shí)際蒸散量2024/6/330式中，S：根層土壤實(shí)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(dāng)土壤水分充足時(shí)，ETa＝ETm；土壤水分不足時(shí)，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(jié)的條件

有凝結(jié)核或凝華核的存在大氣中水汽要達(dá)到過(guò)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(jié)空氣中水汽達(dá)到過(guò)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。混合冷卻：溫差大、接近飽和的兩團(tuán)空氣混合后，會(huì)使混合后空氣的平均水汽壓大于混合后氣團(tuán)的飽和水汽壓。絕熱冷卻：對(duì)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(jié)物（一）地面的水汽凝結(jié)物2024/6/333形成條件：

a天氣條件：晴朗、微風(fēng)。

b溫度條件：td＞0℃形成露，td＜0℃，形成霜。1.露和霜

與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系2.霧凇和雨凇概念：

霧?。菏切纬捎跇?shù)枝上、電線上或其它地物迎風(fēng)面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。2024/6/334雨凇：是形成在地面或地物迎風(fēng)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(shí)間不同；形成地點(diǎn)不同；形成時(shí)的天氣條件不同。－7～2℃時(shí)，過(guò)冷卻水滴凍結(jié)成粒狀霧凇，－15℃左右時(shí)，空氣中的過(guò)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(fēng)怒放，千姿百態(tài)。2024/6/336哈爾濱霧凇美如畫(huà)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(jié)滿了晶瑩剔透的冰層，讓萬(wàn)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(jié)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(jiàn)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(jié)（凝華）的冷卻過(guò)程；有較多的凝結(jié)核或凝華核。3.分類：根據(jù)形成的天氣條件和冷卻過(guò)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。“十霧九晴”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(jīng)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(jiàn)?；旌衔铮浩搅骼鋮s和輻射冷卻同時(shí)發(fā)生形成的霧。4.與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系削弱光合作用；加重病蟲(chóng)害。2024/6/346(三)自由大氣中的水汽凝結(jié)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(guò)冷卻水、冰晶單獨(dú)或混合組成。2.云的形成條件①凝結(jié)核；②空氣中水汽過(guò)飽和③云的存在和發(fā)展還必須有上升氣流不斷補(bǔ)充水汽(引起空氣上升的原因很多：地面增熱產(chǎn)生的熱力對(duì)流、冷暖氣團(tuán)相遇時(shí)在波狀界面上滑升、空氣越山時(shí)的地形抬升等。）2024/6/3474.分類：國(guó)際上根據(jù)云高、云狀、云的結(jié)構(gòu)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(yùn)動(dòng)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(duì)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(fēng)2024/6/365第四節(jié)降水

一、降水的成因

1.云滴增長(zhǎng)的物理過(guò)程

云滴：半徑小于100um的水滴雨滴：半徑大于100um的水滴，標(biāo)準(zhǔn)雨滴半徑為1000um。⑴云滴凝結(jié)(或凝華)增長(zhǎng)

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(guò)程中的沖并水汽會(huì)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(zhǎng)。⑵云滴的沖并增長(zhǎng)

三、降水的種類

根據(jù)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(zhì)分為：1.連續(xù)性降水：多為雨層云，時(shí)間長(zhǎng)，尺度中等。2.陣性降水：一般為積雨云降水，時(shí)間短，強(qiáng)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(jiàn)的降水形式有雨、雪、霰、冰雹等。描述物理量：降水量、降水強(qiáng)度。2024/6/3692.降水強(qiáng)度單位時(shí)間內(nèi)的降水量稱為降水強(qiáng)度，以mm·d-1或mm·h－1。降水等級(jí)24h降水量（mm）降水等級(jí)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(jí)的劃分2024/6/3703.降水變率⑴絕對(duì)變率：也稱作降水距平，指某地某時(shí)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(duì)變率：絕對(duì)變率與該時(shí)期多年平均降水量的百分比。2024/6/371⑷平均相對(duì)變率⑸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)與該時(shí)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(gè)主要特點(diǎn)：

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(nèi)部和西岸降水少，東岸降水多。③中緯度，大陸內(nèi)部降水少，沿海地區(qū)降水多。

2.影響因子：大氣的運(yùn)動(dòng)、氣團(tuán)和鋒帶的活動(dòng)以及海陸分布。①空氣溫度對(duì)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(fēng)暴增加了緯向分布的降水平均值；④山區(qū)的分布對(duì)局地盛行風(fēng)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(guò)冷卻水滴（溫度低于0℃）組成的云體。由于層結(jié)穩(wěn)定，云滴難以增長(zhǎng)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(yīng)撒在云中過(guò)冷卻水滴區(qū)內(nèi)。2024/6/374

存在問(wèn)題：人工降水工作中，正確地選擇云系，并根據(jù)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(shuō)來(lái)，對(duì)低而厚的云（如農(nóng)積云、積雨云等