氣象學第四章大氣中的水分

1、氣象學第四章大氣中的水分第1頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四一 水相變化 水相變化的物理過程（用分子運動論來解釋水相變化） 1.水分子從液態(tài)水中跑出 2.水汽分子的落回 3.動態(tài)平衡 請思考：單位時間內(nèi)跑出水面的分子數(shù)與什么因素有怎樣的關系？單位時間內(nèi)落回水面上的水汽分子數(shù)呢？ 水相變化的判斷 假設：N為單位時間內(nèi)跑出水面的分子數(shù) n為單位時間內(nèi)落回水面上的水汽分子數(shù)第2頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 則有： Nn 蒸發(fā) （未飽和） Nn 動態(tài)平衡（飽和） Nn 凝結 （過飽和） P= RT針對水汽來講應寫成 e= RT e = RT n e

2、n 當n 不斷增大直至與N相等時，此時的實際水汽壓e即為該溫度下的飽和水汽壓E。因此：N E 所以： Ee 蒸發(fā) （未飽和） Ee 動態(tài)平衡（飽和） Ee 凝結 （過飽和）第3頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 同樣的道理： 如果Es為某溫度下冰面上的飽和水汽壓，則有： Ese 升華 Ese 動態(tài)平衡 Ese 凝華 水相變化中的潛熱 蒸發(fā)潛熱凝結潛熱5970.57 t 卡克 （一般取為597卡克） 升華潛熱凝華潛熱677卡克第4頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四二 飽和水汽壓 要了解蒸發(fā)面究竟處于什么狀態(tài)，需將e 與E進行比較。e是實際水汽壓；E是飽

3、和水汽壓，它的大小則與溫度、蒸發(fā)面性質(zhì)、蒸發(fā)面形狀有密切的關系。 飽和水汽壓與溫度的關系 溫度升高 水分子動能增加 水分子更容易跑出水面 單位時間內(nèi)有更多的水分子跑出水面 最終又達成新的平衡（產(chǎn)生了新的飽和水汽壓） 此時,單位時間內(nèi)有更多的水汽分子跑回水面 大氣中的水汽密度更大 飽和水汽壓更大 所以：溫度升高飽和水汽壓更大 另：水分子更容易跑出水面飽和水汽壓更大第5頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 克拉柏龍方程： 你能利用此圖說明 “暴雨往往出現(xiàn)在暖季”嗎？ 飽和水汽壓與溫度的關系圖第6頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四飽和水汽壓與蒸發(fā)面性質(zhì)的關系

4、 1.冰面和過冷卻水面的飽和水汽壓 E過冷卻水 E冰 2.溶液面和純水面的飽和水汽壓 E溶液 E純水飽和水汽壓與蒸發(fā)面形狀的關系 不同形狀蒸發(fā)面上水分子受到的吸引力 E凸 E平 E凹第7頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四三 影響蒸發(fā)的因素 水源 熱源 飽和差（Ee） 風速和湍流強度第8頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四四 濕度隨著時間的變化 水汽壓 1.日變化 雙峰型 ： 出現(xiàn)的區(qū)域：大陸上湍流混合較強的夏季 特點： 兩低 清晨：T最小 午后：湍流最強 兩高 910：蒸發(fā)增強湍流增強 單峰型： 2122：蒸發(fā)減弱湍流減弱 出現(xiàn)的區(qū)域：海洋上；沿海；陸

5、地上秋冬季節(jié) 特點： 一高一低與溫度一致 2.年變化：與溫度的年變化一致第9頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 相對濕度（What is it ？） 1.日變化：與溫度的日變化相反 2.年變化：一般冬季最大，夏季最小 部分季風盛行區(qū)： 夏季冬季 因為夏季風來自海洋；冬季風來自內(nèi)陸第10頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四五 空氣中水汽凝結的條件 凝結核： 一般來講，半徑越大、吸濕性越好的核周圍越易產(chǎn)生凝結。 空氣中水汽達到飽和或過飽和 （eE） 1.暖水面蒸發(fā) 通常情況下，水面蒸發(fā)可增大空氣濕度，但一般不易形成凝結。因為，越接近飽和蒸發(fā)就減慢趨近于停止

6、了。 此時，需要冷空氣流至暖水面，e凝結。例如：秋冬早晨水面的蒸發(fā)霧。 第11頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 2.空氣的冷卻 絕熱冷卻：E減小 例如：云的形成 輻射冷卻：晴朗無風的夜晚，近地面空氣冷卻降溫，形成輻射霧。 平流冷卻：暖空氣流經(jīng)冷的下墊面，形成平流霧。 混合冷卻：溫差較大且接近飽和的兩團空氣水平混合，會產(chǎn)生凝結。 混合后的平均 水汽壓比混合氣團 平均溫度下的飽和 水汽壓大。第12頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四第二節(jié) 地表面和大氣中的凝結現(xiàn)象第13頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四一 地面的水汽凝結物 露和霜

7、1. 露點溫度 地面輻射冷卻使得氣溫也隨之下降，當空氣中水汽壓等于飽和水汽壓時，水汽開始出現(xiàn)凝結現(xiàn)象，此時的溫度即為露點溫度，簡稱露點。 2.概念： 露：當露點0時，水汽凝結成小的水滴，附著在地 面或地物上稱為露。 霜：當露點0時，水汽直接凝華成白色的冰晶，稱為霜。 凍露：露形成后，溫度下降到0以下，露凍結成冰珠，稱為凍露。（一般也稱為霜）第14頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 3. 有利的氣象條件：晴朗微風（13 ms）的夜晚 晴朗：有利于輻射降溫 微風：使得輻射冷卻在較厚的氣層中進行。使得貼地空氣得到更換，從而保證有足夠的水汽供應凝結。 4. 霜凍：在農(nóng)作物生長季節(jié)

8、里，地面和植物表面溫度下降到足以引起農(nóng)作物遭受傷害或者死亡的低溫。 5. 無霜期：人們把入春后最后出現(xiàn)的一次霜，叫做終霜，入秋后出現(xiàn)的第一次霜，叫做初霜。所謂無霜期，就是指終霜之后，初霜之間，這一段沒有霜出現(xiàn)的時期。第15頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 霧凇和雨淞 1.霧凇 概念：形成于樹枝上、電線上或其它地物迎風面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。 晶狀霧凇 形成：往往在有霧、微風或靜穩(wěn)以及溫度低于15時出現(xiàn)。是由過冷卻霧滴不斷蒸發(fā)變成水汽再凝華在物體表面上形成。 特征：晶體與霜相似，結構松散，稍有震動就會脫落。 第16頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，

9、星期四 粒狀霧凇 形成：往往在風速較大，氣溫在27時出現(xiàn)，由過冷卻的霧滴被風吹過，碰到冷的物體表面迅速凍結而成。 特征：由于凍結速度很快，霧滴保持原來的形狀，所以成粒狀。結構緊密，能使電線、樹枝折斷，對交通運輸、通訊、輸電線路等有一定影響。第17頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 “中國四大自然奇觀”之一的吉林霧凇最大的特點，即其不可預知性。來時“忽如一夜春風來，千樹萬樹梨花開”；去時“無可奈何花落去，似曾相識燕歸來”。說來就來，說走就走，一派天地使者的凜然之氣。霧凇的性情如此，難免有人偶遇之下陶醉其中，有人苦盼數(shù)日難覓芳蹤。 第18頁，共49頁，2022年，5月20日，

10、8點25分，星期四 第19頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四2.雨淞 概念：形成在地面或地物迎風面上的透明或毛玻璃狀的緊密冰層。 形成：主要由過冷卻雨滴降到低于0的地面或地物上凍結而成。如果雨滴不是過冷卻雨滴，所形成的雨淞很薄且壽命短。 特征：破壞性很大，能壓斷電線、折損樹木，對交通運輸、電訊、輸電以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都有很大影響。第20頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四雨淞第21頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四二 近地面空氣中的凝結現(xiàn)象 霧：懸浮于近地面空氣中的大量水滴或冰晶，使得水平能見度小于1km的物理現(xiàn)象。如果水平能見度在11

11、0km范圍內(nèi)，稱為輕霧。 分類： 1.氣團霧：在氣團中形成的霧。 輻射霧 冷卻霧 平流霧 蒸發(fā)霧 上坡霧 混合霧 2.鋒面霧：由于鋒面活動而形成的霧。第22頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 輻射霧： 1概念：由地面輻射冷卻而使貼地氣層變冷形成的霧。 2有利的氣象條件： 空氣中有充足的水汽 天氣晴朗少云 風力微弱（1-3米每秒） 大氣層結穩(wěn)定 3. 代表：重慶霧 第23頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 平流霧： 1. 概念：暖濕空氣流經(jīng)冷的下墊面而逐漸冷卻形成的霧。 2.有利的氣象條件： 下墊面與暖濕空氣的溫差較大； 暖濕空氣的濕度大； 適宜的風向

12、和風速； 層結穩(wěn)定：限制垂直混合，聚集水汽 3.代表：倫敦霧第24頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四三、云 云的分類 1.按成因： 熱力對流積狀云 動力抬升層狀云 大氣波動波狀云 地形抬升積狀云、層狀云和波狀云都可能形成， 統(tǒng)稱為地形云。 2.按照云底高度：2500m 5000m 低云 、高云和中云第25頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 積狀云 1. 形成：不穩(wěn)定大氣中存在著對流上升運動，所以一般形成于夏季午后，條件是對流上限超過凝結高度。 2. 特征：孤立分散、底部平坦、頂部凸起 3. 不同的發(fā)展階段： 淡積云：空氣對流上限達到凝結高度，但云頂在

13、0度等溫線下。由水滴組成，上升氣流速度不大（小于5米每秒），在強風或強湍流的作用下云體會破碎成為碎積云。 濃積云：空氣對流上限超過0度等溫線。頂部由過冷卻水滴組成，上升氣流強（15-20米每秒），外貌似花菜。第26頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 積雨云：對流上升更旺盛，云頂可伸展到凍結線以上。最高可達平流層。頂部凍結為冰晶，出現(xiàn)絲縷狀結構，在高空風吹拂下，向水平方向展開成砧狀、鬃狀。上升氣流速度達到20-30米每秒，最快可達60米每秒。湍流十分強烈。不同階段的積狀云第27頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四4. 碎積云：淡積云遭遇強風或強湍流時，云

14、體破碎形成碎積云；另，山地下墊面不均勻也可能直接形成碎積云。5. 日變化及天氣判斷 如果到了下午仍然只是淡積云，連晴預兆。 夏季早上很早就出現(xiàn)了濃積云，很可能發(fā)展為積雨云，將有雷雨到來。 傍晚出現(xiàn)層積云，它往往是積狀云消散演變而成，說明空氣層結穩(wěn)定，一到夜間云就消散。是連晴預兆。第28頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 層狀云 1.形成： 空氣大規(guī)模系統(tǒng)性斜升運動形成，主要是鋒面上的上升運動所致。 2. 特征： 水平范圍大：大規(guī)模的空氣系統(tǒng)性上升。 均勻幕狀：鋒面坡度很?。?150140），近水平分布；移動很慢，上升速度很?。?.1-1米每秒），持續(xù)時間長。所以能使空氣上

15、升好幾千米。 第29頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四3.組成： 畢竟層狀云是在有一定坡度的鋒面上形成，所以鋒面上不同部位上空所形成的云的云體厚度差別很大。 卷云和卷層云：（幾百米-2000米） 高層云：（1000-3000米） 雨層云：（3000-6000米）4.天氣判斷： “日暈三更雨，月暈午時風 ” “天上鉤鉤云，地下雨淋淋 ” “天上灰布懸，雨絲定連綿 ” 系統(tǒng)性層積云的形成第30頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 波狀云 1.形成 按照流體力學的原理：凡是在密度和速度不同的兩個流體交界面上必然會產(chǎn)生波狀的運動。 空氣中出現(xiàn)波動。波峰處上升，

16、絕熱冷卻，凝結成云；波谷處下沉，不能成云。所以形成條帶狀云；如果兩個波動方向垂直，則形成棋盤狀云。 在逆溫層的附近比較容易產(chǎn)生波狀運動，并且逆溫層能抑制水汽的擴散，使其聚集在逆溫層下，為波狀云的形成準備了水汽的條件 。 第31頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 2.分類 波動氣層很高：卷積云 波動氣層較高：高積云 波動氣層較底：層積云 3.天氣判斷 “瓦塊云，曬煞人” “天上鯉魚斑，明天曬谷不用翻” “魚鱗天，不雨也風顛” 第32頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四第三節(jié) 降水 降水：從云中降到地面上的液態(tài)水和固態(tài)水統(tǒng)稱為降水。云滴：云中半徑小于100

17、微米的水滴，標準云滴半徑為10微米。雨滴：半徑大于100微米的水滴，標準雨滴的半徑為1000微米。降水的條件： 1.云滴增長到能夠克服空氣的浮力和上升氣流的頂托力； 2.在降落的過程中不至于被蒸發(fā)掉。 第33頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四、大氣降水指從云層中降落到地面的液態(tài)或固態(tài)水。降水量：指降落到地面上的雨和融化后的雪、霰、雹等集聚在水平面上的水層厚度，單位為 mm 。降水強度：指單位時間內(nèi)的降水量，單位為 mmh 或 mmd 。降水變率：指各年降水量的距平數(shù)與多年平均降水量的百分比，表示降水量的變化程度。 Cv = 距平數(shù)平均數(shù)100第34頁，共49頁，2022年

18、，5月20日，8點25分，星期四（一）降水的形成 降水從云中來，但有云未必有降水。形成降水的關鍵，是云滴迅速增大到能克服空氣阻力和上升氣流的頂托，并在降落過程中不被蒸發(fā)掉。1、云滴凝結（凝華）增長：指水汽分子凝結（凝華）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶）增長的過程。過冷水滴蒸發(fā)冰晶凝華增長小水滴蒸發(fā)大水滴凝結增長暖水滴蒸發(fā)冷水滴凝結增長第35頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 2、云滴沖并增長是指兩個或兩個以上的水滴相碰合并而增大的過程。下降時，大水滴追上小水滴；上升時，小水滴追上大水滴，都會發(fā)生碰并，使云滴迅速增大。在云滴增長過程中，上述兩種過程共同作用，初期以凝結（

19、凝華）增長為主，后期則以碰并增長為主，尤其在低緯度地區(qū)的暖云降水，碰并增長更為重要。第36頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四人工降水根據(jù)自然界降水的原理，利用催化劑，促使云滴迅速凝結或碰并增大形成雨滴，達到降水的方法。冷云催化：人工增加冰晶，產(chǎn)生冰晶效應。方法： 干冰（降溫自生冰晶）； 人工冰核（碘化銀、氯化汞等）；暖云催化：提供大水滴，促進凝結、碰并增長。方法：氯化鈉、氯化鉀等吸濕性物質(zhì).第37頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四（二）降水的類型（成因分類）1、對流雨：近地面氣層強烈受熱上升，冷卻凝結形成積雨云而降雨， 常伴隨雷電現(xiàn)象， 又稱熱雷雨；

20、赤道常年可見，我國夏季常見；2、地形雨：暖濕氣流沿山地迎風坡抬升冷卻凝結而降水。 山地迎風坡常形成多雨中心， 而背風坡則由于焚風效應，降水少，成為雨影區(qū)。3、鋒面雨（氣旋雨）：冷暖氣團相遇，暖濕氣流沿鋒面抬升凝結成雨。 降水范圍廣、時間長。 在溫帶很常見；4、臺風雨：可產(chǎn)生強度極大的降水。夏秋季常見；第38頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四（三）降水的時間變化1 降水強度 單位時間內(nèi)的降水量，稱為降水強度。氣象部門為確定一定時間內(nèi)降水的數(shù)量特征，并用以預報未來降水數(shù)量變化趨勢，將降水強度劃分為若干等級：第39頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四 2.

21、降水的日變化 一天內(nèi)的降水變化，在很大程度受地方條件限制，可大致分為兩個類型： （1） 大陸型 特點是一天有兩個最大值，分別出現(xiàn)在午后和清晨；兩個最小值，分別出現(xiàn)在夜間和午前。 （2） 海洋型 特點是一天只有一個最大值，出現(xiàn)在清晨，最小值出現(xiàn)在午后。 3. 降水的季節(jié)變化 降水季節(jié)變化因緯度，海陸位置、大氣環(huán)流等因素影響而不同。全球降水的年類型大致可分為以下幾類： （1） 赤道型：全年多雨，其中有兩個高值和兩個低值時期。春、秋分之后降水量最多；冬、夏至之后，降水量出現(xiàn)低值。這種類型分布在南北緯100以內(nèi)的地區(qū)。第40頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四（2）熱帶型： 位于赤

22、道型南北兩側(cè)。由于太陽在天頂?shù)臅r間不像在赤道上間隔相等，隨緯度的增加，兩段最多降水量時間逐漸接近，至回歸線附近合并為一個。 （3）副熱帶型： 副熱帶全年降水只有一個最高值，一個最低值。大陸東岸降水量集中于夏季（季風型），大陸西岸則冬季多雨（地中海型）。（4）溫帶及高緯型： 內(nèi)陸及東海岸以夏季對流雨為主，西海岸則以秋冬氣旋雨為主。第41頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四（四）降水的地理分布第42頁，共49頁，2022年，5月20日，8點25分，星期四1、赤道多雨帶：赤道及其兩側(cè)，是全球降水最多的地帶，年降水量約 2000 3000 mm ；2、副熱帶少雨帶：南北緯 15 35 地帶，受副熱帶高壓的下沉氣流和信風影響， 干旱少雨，年平均降水量 500 mm 以下，此帶的大陸西岸和內(nèi)部更不到 200 mm，但大陸東南部受季風、地形影響，可形成多雨中心；3、中緯度多雨帶：大陸西岸受西風控制，大陸東岸受季風影響，降水較多，500 1000mm ；4、高緯度少雨帶：氣溫低，蒸發(fā)弱，大氣含水汽少，一般年降