氣象學(xué)第四章大氣中的水分

氣象學(xué)第四章大氣中的水分第1頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月一水相變化㈠水相變化的物理過程（用分子運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)平衡△請(qǐng)思考：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)跑出水面的分子數(shù)與什么因素有怎樣的關(guān)系？單位時(shí)間內(nèi)落回水面上的水汽分子數(shù)呢？

㈡水相變化的判斷

假設(shè)：N為單位時(shí)間內(nèi)跑出水面的分子數(shù)

n為單位時(shí)間內(nèi)落回水面上的水汽分子數(shù)第2頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

則有：

N＞n蒸發(fā)（未飽和）

N＝n動(dòng)態(tài)平衡（飽和）

N＜n凝結(jié)（過飽和）

P=ρRT

針對(duì)水汽來講應(yīng)寫成e=ρRTe=ρRTn∝e

n∝ρ

當(dāng)n不斷增大直至與N相等時(shí)，此時(shí)的實(shí)際水汽壓e即為該溫度下的飽和水汽壓E。因此：N∝

E

所以：

E＞e蒸發(fā)（未飽和）

E＝e動(dòng)態(tài)平衡（飽和）

E＜e凝結(jié)（過飽和）第3頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

同樣的道理：如果Es為某溫度下冰面上的飽和水汽壓，則有：

Es＞e升華

Es＝e動(dòng)態(tài)平衡

Es＜e凝華

㈢水相變化中的潛熱

蒸發(fā)潛熱＝凝結(jié)潛熱＝597－0.57t卡／克（一般取為597卡／克）升華潛熱＝凝華潛熱＝677卡／克第4頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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(jìn)行比較。e是實(shí)際水汽壓；E是飽和水汽壓，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(guān)系。㈠飽和水汽壓與溫度的關(guān)系

溫度升高→水分子動(dòng)能增加→水分子更容易跑出水面→單位時(shí)間內(nèi)有更多的水分子跑出水面→最終又達(dá)成新的平衡（產(chǎn)生了新的飽和水汽壓）→此時(shí),單位時(shí)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，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

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(guān)系圖第6頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月㈡飽和水汽壓與蒸發(fā)面性質(zhì)的關(guān)系

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㈢飽和水汽壓與蒸發(fā)面形狀的關(guān)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，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月三影響蒸發(fā)的因素㈠水源㈡熱源㈢飽和差（E－e）㈣風(fēng)速和湍流強(qiáng)度第8頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月四濕度隨著時(shí)間的變化

㈠水汽壓

1.日變化①雙峰型：出現(xiàn)的區(qū)域：大陸上湍流混合較強(qiáng)的夏季特點(diǎn)：兩低清晨：T最小

午后：湍流最強(qiáng)兩高9－10：蒸發(fā)增強(qiáng)＞湍流增強(qiáng)

②單峰型：21－22：蒸發(fā)減弱＜湍流減弱出現(xiàn)的區(qū)域：海洋上；沿海；陸地上秋冬季節(jié)特點(diǎn)：

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，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月㈡相對(duì)濕度（Whatisit？）

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(fēng)盛行區(qū)：夏季＞冬季因?yàn)橄募撅L(fēng)來自海洋；冬季風(fēng)來自內(nèi)陸第10頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月五空氣中水汽凝結(jié)的條件

㈠凝結(jié)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(jié)。

㈡空氣中水汽達(dá)到飽和或過飽和（e≥E）

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(jié)。因?yàn)椋浇咏柡驼舭l(fā)就減慢趨近于停止了。此時(shí)，需要冷空氣流至暖水面，e＞Ｅ凝結(jié)。例如：秋冬早晨水面的蒸發(fā)霧。

第11頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.空氣的冷卻①絕熱冷卻：E減小例如：云的形成②輻射冷卻：晴朗無風(fēng)的夜晚，近地面空氣冷卻降溫，形成輻射霧。③平流冷卻：暖空氣流經(jīng)冷的下墊面，形成平流霧。④混合冷卻：溫差較大且接近飽和的兩團(tuán)空氣水平混合，會(huì)產(chǎn)生凝結(jié)。

混合后的平均水汽壓比混合氣團(tuán)平均溫度下的飽和水汽壓大。第12頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)地表面和大氣中的凝結(jié)現(xiàn)象第13頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月一地面的水汽凝結(jié)物㈠露和霜

1.露點(diǎn)溫度地面輻射冷卻使得氣溫也隨之下降，當(dāng)空氣中水汽壓等于飽和水汽壓時(shí)，水汽開始出現(xiàn)凝結(jié)現(xiàn)象，此時(shí)的溫度即為露點(diǎn)溫度，簡(jiǎn)稱露點(diǎn)。

2.概念：露：當(dāng)露點(diǎn)＞0℃時(shí)，水汽凝結(jié)成小的水滴，附著在地面或地物上稱為露。霜：當(dāng)露點(diǎn)＜0℃時(shí)，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(jié)成冰珠，稱為凍露。（一般也稱為霜）第14頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.有利的氣象條件：晴朗微風(fēng)（1－3m／s）的夜晚晴朗：有利于輻射降溫微風(fēng)：使得輻射冷卻在較厚的氣層中進(jìn)行。使得貼地空氣得到更換，從而保證有足夠的水汽供應(yīng)凝結(jié)。

4.霜凍：在農(nóng)作物生長(zhǎng)季節(jié)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(shí)期。

第15頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月㈡霧凇和雨淞

1.霧凇①概念：形成于樹枝上、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。②晶狀霧凇▲形成：往往在有霧、微風(fēng)或靜穩(wěn)以及溫度低于－15℃時(shí)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?！卣鳎壕w與霜相似，結(jié)構(gòu)松散，稍有震動(dòng)就會(huì)脫落。

第16頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月③粒狀霧凇▲形成：往往在風(fēng)速較大，氣溫在－2－－7℃時(shí)出現(xiàn)，由過冷卻的霧滴被風(fēng)吹過，碰到冷的物體表面迅速凍結(jié)而成?！卣鳎河捎趦鼋Y(jié)速度很快，霧滴保持原來的形狀，所以成粒狀。結(jié)構(gòu)緊密，能使電線、樹枝折斷，對(duì)交通運(yùn)輸、通訊、輸電線路等有一定影響。第17頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

“中國(guó)四大自然奇觀”之一的吉林霧凇最大的特點(diǎn)，即其不可預(yù)知性。來時(shí)“忽如一夜春風(fēng)來，千樹萬樹梨花開”；去時(shí)“無可奈何花落去，似曾相識(shí)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，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

第19頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月2.雨淞①概念：形成在地面或地物迎風(fēng)面上的透明或毛玻璃狀的緊密冰層。②形成：主要由過冷卻雨滴降到低于0℃的地面或地物上凍結(jié)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。③特征：破壞性很大，能壓斷電線、折損樹木，對(duì)交通運(yùn)輸、電訊、輸電以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都有很大影響。第20頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月雨淞第21頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月二近地面空氣中的凝結(jié)現(xiàn)象㈠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1－10km范圍內(nèi)，稱為輕霧。㈡分類：

1.氣團(tuán)霧：在氣團(tuán)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(dòng)而形成的霧。第22頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月㈢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：①空氣中有充足的水汽②天氣晴朗少云③風(fēng)力微弱（1-3米每秒）④大氣層結(jié)穩(wěn)定

3.代表：重慶霧

第23頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月㈣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：①下墊面與暖濕空氣的溫差較大；②暖濕空氣的濕度大；③適宜的風(fēng)向和風(fēng)速；

④層結(jié)穩(wěn)定：限制垂直混合，聚集水汽

3.代表：倫敦霧第24頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月三、云㈠云的分類

1.按成因：熱力對(duì)流→積狀云動(dòng)力抬升→層狀云大氣波動(dòng)→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：2500m5000m

低云、高云和中云第25頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月㈡積狀云

1.形成：不穩(wěn)定大氣中存在著對(duì)流上升運(yùn)動(dòng)，所以一般形成于夏季午后，條件是對(duì)流上限超過凝結(jié)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：①淡積云：空氣對(duì)流上限達(dá)到凝結(jié)高度，但云頂在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(qiáng)風(fēng)或強(qiáng)湍流的作用下云體會(huì)破碎成為碎積云。②濃積云：空氣對(duì)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(qiáng)（15-20米每秒），外貌似花菜。第26頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

③積雨云：對(duì)流上升更旺盛，云頂可伸展到凍結(jié)線以上。最高可達(dá)平流層。頂部?jī)鼋Y(jié)為冰晶，出現(xiàn)絲縷狀結(jié)構(gòu)，在高空風(fēng)吹拂下，向水平方向展開成砧狀、鬃狀。上升氣流速度達(dá)到20-30米每秒，最快可達(dá)60米每秒。湍流十分強(qiáng)烈。不同階段的積狀云第27頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月4.碎積云：淡積云遭遇強(qiáng)風(fēng)或強(qiáng)湍流時(shí)，云體破碎形成碎積云；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(yù)兆?！募驹缟虾茉缇统霈F(xiàn)了濃積云，很可能發(fā)展為積雨云，將有雷雨到來?！沓霈F(xiàn)層積云，它往往是積狀云消散演變而成，說明空氣層結(jié)穩(wěn)定，一到夜間云就消散。是連晴預(yù)兆。

第28頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月㈢層狀云

1.形成：空氣大規(guī)模系統(tǒng)性斜升運(yùn)動(dòng)形成，主要是鋒面上的上升運(yùn)動(dòng)所致。

2.

特征：①水平范圍大：大規(guī)模的空氣系統(tǒng)性上升。②均勻幕狀：鋒面坡度很小（1╱150——1╱40），近水平分布；移動(dòng)很慢，上升速度很?。?.1-1米每秒），持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。所以能使空氣上升好幾千米。

第29頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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。①卷云和卷層云：（幾百米-2000米）②高層云：（1000-3000米）③雨層云：（3000-6000米）4.天氣判斷：“日暈三更雨，月暈午時(shí)風(fēng)”“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，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月㈣波狀云

1.形成按照流體力學(xué)的原理：凡是在密度和速度不同的兩個(gè)流體交界面上必然會(huì)產(chǎn)生波狀的運(yùn)動(dòng)。

空氣中出現(xiàn)波動(dòng)。波峰處上升，絕熱冷卻，凝結(jié)成云；波谷處下沉，不能成云。所以形成條帶狀云；如果兩個(gè)波動(dòng)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(yùn)動(dòng)，并且逆溫層能抑制水汽的擴(kuò)散，使其聚集在逆溫層下，為波狀云的形成準(zhǔn)備了水汽的條件。

第31頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.分類波動(dòng)氣層很高：卷積云波動(dòng)氣層較高：高積云波動(dòng)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(fēng)顛”第32頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(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微米的水滴，標(biāo)準(zhǔn)云滴半徑為10微米。雨滴：半徑大于100微米的水滴，標(biāo)準(zhǔn)雨滴的半徑為1000微米。降水的條件：

1.云滴增長(zhǎng)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，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月、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?！艚邓畯?qiáng)度：指單位時(shí)間內(nèi)的降水量，單位為mm／h或mm／d。◆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，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（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(guān)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(jié)（凝華）增長(zhǎng)：指水汽分子凝結(jié)（凝華）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶）增長(zhǎng)的過程。①過冷水滴蒸發(fā)→冰晶凝華增長(zhǎng)②小水滴蒸發(fā)→大水滴凝結(jié)增長(zhǎng)③暖水滴蒸發(fā)→冷水滴凝結(jié)增長(zhǎng)第35頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、云滴沖并增長(zhǎng)是指兩個(gè)或兩個(gè)以上的水滴相碰合并而增大的過程。下降時(shí)，大水滴追上小水滴；上升時(shí)，小水滴追上大水滴，都會(huì)發(fā)生碰并，使云滴迅速增大。◆在云滴增長(zhǎng)過程中，上述兩種過程共同作用，初期以凝結(jié)（凝華）增長(zhǎng)為主，后期則以碰并增長(zhǎng)為主，尤其在低緯度地區(qū)的暖云降水，碰并增長(zhǎng)更為重要。第36頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月★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(jié)或碰并增大形成雨滴，達(dá)到降水的方法?！衾湓拼呋喝斯ぴ黾颖?，產(chǎn)生冰晶效應(yīng)。方法：①＋干冰（降溫→自生冰晶）；②＋人工冰核（碘化銀、氯化汞等）；◆暖云催化：提供大水滴，促進(jìn)凝結(jié)、碰并增長(zhǎng)。方法：＋氯化鈉、氯化鉀等吸濕性物質(zhì).第37頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）降水的類型（成因分類）1、對(duì)流雨：近地面氣層強(qiáng)烈受熱上升，冷卻凝結(jié)形成積雨云而降雨，常伴隨雷電現(xiàn)象，又稱熱雷雨；赤道常年可見，我國(guó)夏季常見；2、地形雨：暖濕氣流沿山地迎風(fēng)坡抬升冷卻凝結(jié)而降水。山地迎風(fēng)坡常形成多雨中心，而背風(fēng)坡則由于焚風(fēng)效應(yīng)，降水少，成為雨影區(qū)。3、鋒面雨（氣旋雨）：冷暖氣團(tuán)相遇，暖濕氣流沿鋒面抬升凝結(jié)成雨。降水范圍廣、時(shí)間長(zhǎng)。在溫帶很常見；4、臺(tái)風(fēng)雨：可產(chǎn)生強(qiáng)度極大的降水。夏秋季常見；第38頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）降水的時(shí)間變化1·降水強(qiáng)度單位時(shí)間內(nèi)的降水量，稱為降水強(qiáng)度。氣象部門為確定一定時(shí)間內(nèi)降水的數(shù)量特征，并用以預(yù)報(bào)未來降水?dāng)?shù)量變化趨勢(shì)，將降水強(qiáng)度劃分為若干等級(jí)：第39頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月

2.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(gè)類型：（1）大陸型特點(diǎn)是一天有兩個(gè)最大值，分別出現(xiàn)在午后和清晨；兩個(gè)最小值，分別出現(xiàn)在夜間和午前。（2）海洋型特點(diǎn)是一天只有一個(gè)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(gè)高值和兩個(gè)低值時(shí)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，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）熱帶型：位于赤道型南北兩側(cè)。由于太陽在天頂?shù)臅r(shí)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(shí)間逐漸接近，至回歸線附近合并為一個(gè)。（3）副熱帶型：副熱帶全年降水只有一個(gè)最高值，一個(gè)最低值。大陸東岸降水量集中于夏季（季風(fēng)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(duì)流雨為主，西海岸則以秋冬氣旋雨為主。第41頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）降水的地理分布第42頁，課件共49頁，創(chuàng)作于2023年2月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——3000mm；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(fēng)影響，干旱少雨，年平均降水量500mm以下，此帶的大陸西岸和內(nèi)部更不到200mm，但大