气候气象学ppt课件大气中的水分.ppt

第三章 大气中的水分,本章内容,蒸发和蒸散,凝结和凝结物,降水,本章主要内容,蒸发和凝结 (1) 水相变化影响蒸发的因素 大气中水气凝结的条件,地表和大气中的凝结现象(1) 地面的水汽凝结物(2) 近地面层空气中的凝结(3) 云及伴随其的天气现象,降水(1) 云滴增长的物理过程(2) 雨和雪的形成(3) 降水分布,本章教学目的,掌握水相变化的判断、饱和水汽压和温度、溶液面的关系，水汽凝结的条件，地面水汽凝结物的区别，雾和云的差别，云的形成及云滴增长的物理过程了解水相变化的物理过程、影响蒸发的因素，湿度随时间的增长，雨和雪的形成，人工降水.,本章教学重点：,降水机制,第一节 蒸发和凝结,相：在几个或几组彼此性质不同的均匀部 分所组成的系统中，每一个均匀的部 分叫做系统的一个相. 水的三相：水汽、液态水和固态水 水相变化：水相的相互转化,一 水相变化及其依据,水相变化示意图,水相变化判断依据,利用饱和水汽压和实际水汽压来判断 纯水(平水面)的位相平衡图,水汽压（e）,反映空气中水汽含量的多少水汽含量 水汽压e,定义：空气中水汽的分压强。,单位：百帕 (hPa) 1百帕(hPa) = 100帕斯卡(Pa),饱和水汽压（E）,反映空气的最大水汽容纳能力饱和水汽压取决于温度（马格奴斯半经验公式）,定义：饱和湿空气中水汽的分压强。,影响因子：,温度 T E 蒸发面性质 E过冷却水E冰 蒸发面形状 E凸面E平面E凹面 液体含盐度 含盐度 E,相对湿度（f）,定义：,空气的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的百分比值。,反映空气的潮湿程度,温度不变，E不变：水汽含量 e r水汽含量不变，e不变：温度 E r,饱和差（ d ）,定义：,同一温度下饱和水汽压与实际水汽压之差。,d = E - e,反映空气的潮湿程度。,影响因子：,温度不变，E不变：水汽含量 e d水汽含量不变，e不变：温度 E d,水汽含量、温度,利用饱和水汽压和实际水汽压来判断,E e 蒸发(未饱和) E = e 动态平衡(饱和) E e 凝结(过饱和),纯水的位相平衡图,二 饱和水汽压,饱和水汽压和温度的关系 饱和水汽压随温度升高而加大 空气的饱和状态随温度变化而改变 随温度的升高饱和水汽压呈现指数规律加大 饱和水汽压随温度的改变量在高温时要比低 温时大 高温饱和空气中形成的云要浓一些,饱和水汽压和蒸发面性质的关系,1、冰面和过冷却水面的饱和水汽压,在温度低于0时仍然以液态水的形态存在，不以冰的状态存在的水称为过冷却水。,冰面的饱和水汽压,马格努斯经验公式,公式中、为经验常数，对于冰面来说，这两个值分别为9.5和265.5；对于水面，这两个常数分别为7.63和241.9,在相同温度条件下，冰面上的饱和水汽压总是要小于过冷却水面的饱和水汽压。,冰晶效应,在云中，冰晶和过冷却水经常共存，如果当时的实际水压介于两者饱和水汽压之间，就会产生冰水之间的水汽转移现象。水滴会因不断蒸发而缩小，冰晶会因不断凝华而增大.,2 溶液面的饱和水汽压,和纯水面相比，溶液面的饱和水汽压小于 纯水面的饱和水汽压; 溶液浓度越高，饱和水汽压就越小,饱和水汽压和蒸发面形状的关系,温度相同时，凸面的饱和水汽压最大，平面次之，凹面最小。而且凸面的曲率愈大，饱和水汽压愈大；凹面的曲率愈大，饱和水汽压愈小。,饱和水汽压,影响饱和水汽压的因素有蒸发面的温度、 蒸发面的性质和蒸发面的形状. 饱和水汽压的大小实质上是由水面水分 子脱离水面的难易程度决定的.越容易 者，表面饱和水汽压越大；越难者，表面 饱和水汽压越小.,三 影响蒸发的因素,道尔顿定律：,静止大气中,影响蒸发的主要因子：水源；热源；饱和差；风速与湍流扩散,影响蒸发的其它因子： 土壤结构、湿度、植被特性、盐分等. 蒸发面温度对蒸发起决定作用，蒸发速度也有着年、日变化.,影响水面蒸发速率的因子,温度：T E d W,湿度：e d W,气压：P W,风：风速 W,蒸发面性质：W过冷却水W冰,蒸发面形状：W凸面W平面W凹面,含盐度：含盐度 W,四 湿度的时间变化和分布,(1) 日变化 水汽压的日变化特点(图) 相对湿度的日变化特点(图)(2) 年变化(3) 随纬度分布(4) 随海陆分布分布(5) 随海拔高度分布,水汽压日变化两种类型：双峰型和单波型. 双峰型多出现在大陆湍流混合较强的夏季； 单波型多出现在沿海地区和陆地上湍流不强的秋冬季节,水汽压的时间变化,日变化,单波型（海洋型） 海洋、沿海地区、冬季大陆,影响因子：蒸发强度,双波型（大陆型） 夏季内陆、沙漠地区,影响因子：蒸发强度 乱流强度,相对湿度的时间变化,绝大多数地区：与气温的日变化反相,T 地面水分蒸发强度 eT E 并且E比e快因此 T r同理 T r,近海地区及其它大型水体的周围（晴朗稳定的天气条件下）与气温的日变化同相,海陆风（水陆风）昼： 吹海风，潮湿夜： 吹陆风，干燥,日变化,年变化,大多数地区：与气温的年变化反相,T 地面水分蒸发强度 eT E 并且E比e快因此 T r同理 T r,季风气候区：与气温的年变化同相,夏季： 夏季风，来自海洋，潮湿冬季： 冬季风，来自内陆，干燥,水汽压的年变化与温度的年变化相似. 相对湿度的日变化主要决定于气温，其日变 化动态同温度的日变化趋势正好相反. 相对湿度的年变化一般以冬季最大，夏季 最小.,五 大气中水汽凝结的条件,1 空气中的水汽达到饱和或过饱和 促使水汽达到过饱和状态的过程有： 暖水面的蒸发和空气的冷却2 凝结(华)核 必要条件,暖水面蒸发,蒸发作用,空气过饱和,秋冬季 水面上的蒸发雾,暖水面水温高于气温,暖水面饱和水汽压高于空气饱和水汽压,水汽过饱和途径：,冷却,通过冷却作用，减少饱和水汽压，使其小于当时的实际水汽压 绝热冷却 空气在上升过程中，因体积膨胀对外做功而导致空气本身的冷却. 对云的形成具有重要作用.,水汽过饱和途径：,辐射冷却 在晴朗无风的夜间，由于地面的辐射冷却，导致近地面层空气的降温. 平流冷却 暖湿空气流经冷的下垫面时，将热量传递给冷的地表，造成空气本身温度降低. 混合冷却 当温差较大，且接近饱和的两团空气水平混合后，可能产生凝结.,由水平混合产生的凝结,凝结核,定义：,在水汽凝结过程中起凝结核心作用的固态、液态和气态的气溶胶质粒。,第二节 地表面和大气中的凝结现象,(1) 地面的水汽凝结物(2) 近地面层空气中的凝结(3) 云及伴随其的天气现象,地表面的水汽凝结物,露和霜 傍晚或夜间，由于辐射冷却造成近地面空气冷却降温，当温度降低到露点以下时，在地面或地物表面就会形成水汽的凝结. 如果露点温度在0以上，则形成露; 如果露点温度在0以下，则形成霜.,霜,形成露和霜的气象条件 晴朗微风的夜晚. 洼地和山谷中容易产生霜, 水边平地和森林地带，不易产生霜. 霜和霜冻的区别 霜是白色固体凝结物；霜冻是指在农作物生长季节里，地面和地物表面温度下降到足以引起农作物遭受伤害或死亡的低温.,地表面的水汽凝结物,(2) 雾凇和雨凇 雾凇 雾凇是形成于树枝上、电线上或其它迎风面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒. 根据形成条件和结构可分为：晶状雾凇和粒状雾凇. 晶状雾凇常在温度低于15时出现，而粒状雾凇在气温介于2 7时出现.,晶状雾凇,粒状雾凇,(2) 雾凇和雨凇 雨凇 形成在地面或地物迎风面上的透明的或毛玻璃状的紧密冰层.主要是过冷却雨滴降温到低于0的地面或地物上冻结而成的.,雾：飘浮在近地层空气中的小水滴和小冰晶。,雾的分类：,近地面空气中的凝结,雾,(一) 辐射雾,形成条件 空气中有充足的水汽；天气晴朗少云；风力微弱；大气层结稳定. 表现特征 厚度随空气的冷却程度及风力而定； 有明显的地方性四川盆地； 城市及其附近容易形成浓雾； 出现时常表示晴天.,能见度小于150m的辐射雾,(二) 平流雾,形成条件 下垫面与暖湿空气温差较大；暖湿空气湿度大；适宜的风向和风速；大气层结较稳定. 表现特征 范围和厚度一般比辐射雾大，海洋上四季均可见； 生消主要取决于有无暖湿空气的平流；,平流雾,云及伴随其的天气现象,定义： 水汽凝结物悬浮在自由大气中形成云.(一) 形成条件和分类 主要由空气垂直上升引起绝热冷却引起.大气的上升运动主要有如下四种形式: 热力对流 地表受热不均和大气层结不稳定引起的对流上升运动.多形成及状云.,动力抬升 暖湿气流受锋面、辐合气流的作用所引起的大范围上升运动.主要形成层状云. 大气波动 大气流经不平的地面或在逆温层以下所产生的波状运动. 主要形成波状云. 地形抬升 大气运行中遇地形阻挡，被迫抬升而产生的上升运动.可形成积状云,波状云和层状云.,(二) 各种云的形成及伴随其的天气现象,积状云 积状云是由气块上升、水汽凝结而成的.(1) 积状云的形成总是与不稳定大气中的对 流上升运动相联系 有对流能否形成积云及积云的强度和厚度取决于凝结条件、对流上升高度及强度.,(2) 淡积云、浓积云和积雨云是积状云发 展的不同阶段. 如果对流上限稍高于凝结高度，则形成淡积云；对流上限高出凝结高度很多时，则形成浓积云；如果对流运动更强，云顶伸展至15以下的高空时，则形成积雨云.,(3) 积状云具有明显的日变化. 下午出现淡积云是连续晴天的征兆； 早上出现浓积云是有雷雨的征兆； 傍晚出现层积云是连续晴天的征兆.,(4) 积状云特征. 积状云是垂直向上发展的、顶部呈圆弧形或重叠凸起而底部几乎是透明的云块，云体边界分明. 如果积状云和太阳处在相反的位置上，则云的中部比隆起的边缘要亮，反之，如果处在同一侧，云的中部显得黝黑但是边缘带着鲜明的金黄色；如果光从旁边照耀着积状云，云体明暗就特别明显.,(5) 积状云的分类及特征. 淡积云 扁平的积状云，垂直发展不旺盛，在阳光下呈现白色，厚的云块中部有淡影，晴天常见. 淡积云中还有一种破碎的不规则的云块(片)，个体不大，形状多变.,淡积云,碎积云,(5) 积状云的分类及特征. 浓积云 浓厚的积状云，顶部呈重叠的圆弧形凸起，很像花椰菜；垂直发展旺盛时，个体臃肿、高耸，在阳光下边缘白而明亮.有时可产生阵性降水.,浓积云,(5) 积状云的分类及特征. 积雨云 云体浓厚庞大，垂直发展旺盛，远看很像耸立的高山.云顶由冰晶组成，有白色毛丝般光泽的丝缕结构，常呈马鬃状。云底阴暗混乱，起伏明显，有时呈悬球状结构. 积雨云常产生雷暴、阵雨(雪)，有时将冰雹.,积雨云,呈悬球状云底的积雨云,积雨云(冰雹),秃积雨云,鬃积雨云,(二) 各种云的形成及伴随其的天气现象,层状云 层状云是由空气大规模的系统运动上升运动而产生的. 这种系统性的上升运动，通常水平范围大，上升速度慢，持续时间长，能使空气上升好几千米.,例如：暖空气向冷空气一侧移动时，由于二者密度不同，暖湿空气沿冷空气斜坡缓慢上升，绝热冷却，形成层积云，云顶近似水平.,层状云的形成,(1) 层状云的组成. 最前面的是卷云和卷层云，厚度最薄，云体由冰晶组成； 中部的是高层云，厚度一般为1000-3000m； 顶部多为冰晶组成； 最后面为雨层云，其厚度一般为3000-6000m,其顶部由冰晶组成，中部由冰晶和过冷却水滴组成，底部由水滴组成.,雨层云 厚而均匀的降雨云层，完全遮敝日月，呈暗灰色，布满全天，常有连续性降水.,雨层云,草原上的雨层云,高层云 带有条纹或纤缕结构的云幕，有时较均匀，颜色灰白或灰，有时微带蓝色.云层较薄的部分，可以看到昏暗不清的日月龙轮廓。厚的高层云，则底部比较阴暗，看不到日月. 高层云可产生连续性或间歇性的降雨(雪).,透光高层云,蔽光高层云,卷云 具有丝缕结构，柔丝般光泽，分离散乱的云. 云体通常白色无暗影，呈丝条状、羽毛状、马尾状、钩状、团簇状、片状等.,卷层云 白色透明的云幕，日、月透过云幕时轮廓分明，地物有影，常有晕环. 有时云的组织几乎薄的看不出来，只使天空呈乳白色，厚的卷层云易与薄的高层云相混.,(二) 各种云的形成及伴随其的天气现象,波状云 当空气存在波动时，波峰处空气上升，波谷处则空气下沉.空气上升处由于绝热冷却而形成云，空气下沉处则无云形成. 波状云包括卷积云、高积云、层积云.,波状云的形成,波状云的类型 层云 云底低而均匀的云层，象雾，但不接地，呈灰色或者灰白色.层云除直接生成外，也可由雾层缓慢抬升或由层积云演变而来.,层云,碎层云,波状云的类型 层积云 团块、薄片或条形云组成的云群或云层，常成行、成群、或波状排列. 云块个体都相当大；云层有时满布全天，有时分布稀疏。常呈灰色、灰白色. 层积云有时可降雨、雪，但比较微弱.,透光层积云,蔽光层积云,积云性层积云,堡状层积云,荚状层积云,波状云的类型 高积云 云块较小、轮廓分明，常呈扁圆形、瓦块、鱼鳞片，或是水波状的密集云条. 薄的云块呈白色，厚的云块呈现灰白色.,波状云的类型 卷积云 似鳞片或球状细小云块组成的云片或云层，常排列成行或成群，很像轻风吹过水面形成的小波纹，白色无暗影，有柔丝般光泽.,卷积云,卷积云,(二) 各种云的形成及伴随其的天气现象,特殊云状 堡状、絮状、荚状等.,堡状云,悬球状云,悬球状云,第三节 降水,从云中降落到地面的液态或固态水称为降水. 降水的不同形态： 雨、雪、霰(xian，软雹)、雹,霰: 直径2-5 mm的白色或乳白色不透明颗粒状固体降水物，结构松软，着地易破碎，常呈球形或圆锥形.,雹: 由透明和不透明的冰层相间组成的固体降水，呈球形，常降自积雨云. 每个雹块均是由一个不透明的核心和核心外面层层透明和不透明交替出现的冰层组成.,一 云滴增长的物理过程,云滴凝结(或凝华)增长 云滴依靠水分子在其表面上凝聚而增长的过程. 凝结(或凝华)过程将随云滴的增大而减弱. 云滴的冲并增长 大小云滴之间发生冲并而合并增大的过程.水滴的冲并增长是一种加速过程.,云滴相互冲并的原因有多种，但由于云中分子的不规则运动，云中空气的湍流混合、云体带有正负不同的电荷、流体吸力等，但最重要的冲并过程是重力冲并.,二 雨和雪的形成,水成云：由液态水滴所组成的云体;冰成云：由冰晶组成的云体；混合云：由水滴和冰晶共同组成的云. 雨的形成 以上三种云均能形成降雨. 大水滴对雨的形成起重要作用. 连锁效应 雪的形成 由混合云形成.,三 各类云的降水,(一) 层状云降水 层状云包括高层云、层积云、雨层云和卷层云. 雨层云和高层云经常是混合云，云愈厚，愈低，则降水则愈强. 卷层云是冰成云，一般不降水. 层状云的降水是连续性的，持续时间长，降水强度变化小.,三 各类云的降水,(二) 积状云降水 积状云包括淡积云、浓积云和积雨云. 淡积云含水量少，水滴小，一般不降水. 浓层云是否降水随地区而异.在中高纬度地区，浓积云很少降水，但在低纬度地区可形成较大的降雨. 积雨云是混合云，可产生降雨、降雪，有时可产生冰雹. 积状云的降水是阵性的.,三 各类云的降水,(三) 波状云降水 波状云包括层积云、高积云和卷雨云. 层积云可产生少量降水，毛毛雨. 高积云很少产生降水. 波状云由于含水量小，厚度不均匀，所以降水强度小，具有间歇性的特点.,四 降水的分布,有一个赤道降水最大值，其位置和热赤道 一样，略偏北半球. 高纬度的降水总量很小. 在副热带纬度是个次低值，尽管副热带高 压区是著名的干旱区，但在这个纬度中， 大陆东岸的夏季，降雨量还是相当多的.,降水的特征量,降水：从天空降落到地面的固态或液态的水汽凝结物。,降水量和降水强度,降水量：从大气降落到地面的未经蒸发、渗透、流失而 在水平面上积聚的水层厚度。,单位：毫米,日降水量、旬降水总量、月降水总量、年降水总量,降水强度：单位时间内的降水量。,单位：mm10分钟、mm小时、mm日,降水变率,用于反映一个地区降水的变化情况（稳定程度）。,Ri 某地某年某时期的实际降水量R0 该地同期的多年平均降水量,降水绝对变率（降水距平） RiR0,二、降水的种类,降水分类：,降水强度（mm24h）,干湿区的划分指标,