《大气的水分》PPT课件.ppt

5.1 水循环5.2 水相变化与饱和水汽压5.3 蒸发 5.4 水分方程和可降水量（参考）5.5 凝结 5.6降水 思考题,第5章 大气中的水分,气象学与气候学,第5章 大气中的水分,5.1 水循环,5.1.1 水循环概念,地球上各种形态的水，在太阳辐射、地心引力等作用下，通过蒸发、水汽输送、凝结降水、下渗以及径流等环节，不断地发生相态转换和周而复始运动的过程。,太阳辐射与重力为基本动力；广及整个水圈、大气圈、岩石圈及生物圈；全球水循环是闭合系统，但局部水循环却是开放系统；广义水文循环包括其中物质的循环。服从质量守衡定律,第5章 大气中的水分,5.1 水循环,5.1.2 水循环类型,大循环：全球海洋与陆地之间的水分交换过程，又称外循环；小循环：海洋与大气或陆地与大气间水分交换过程，又称内部循环，前者为海洋小循环，后者为陆地小循环；陆地小循环又分为大陆外流区小循环和内流区小循环。,海 洋,陆 地,外流区,内流区,大 气,第5章 大气中的水分,水相变化的判据,水、水汽两相系统：Ee 蒸发（未饱和）E=e 动态平衡（饱和）Ee 凝结（过饱和）,冰、水汽两相系统：Ese 升华Es=e 动态平衡Ese 凝华,第5章 大气中的水分,5.2 水相变化与饱和水汽压,5.2.2 水相变化,升华线,融解线,蒸发线,水相变化中的潜热,融解潜热（Latent heat of fusion）Lf：Lf=3.34105J/kg 蒸发(凝结)潜热（Latent heat of vaporization）Lv:Lv=（2 500-2.4t）103（J/kg）升华（凝华）潜热（Latent heat of sublimation）Ls:Ls=（2.5106+3.34105）J/kg=2.8106J/kg,第5章 大气中的水分,5.2 水相变化与饱和水汽压,5.1.1 水相变化,（一）饱和水汽压与温度的关系,对于一定蒸发面（水面或冰面）E是温度的唯一函数，随温度按指数变化。当t=0C时，E0=6.11hPa；当t0C 时，冰面饱和水汽压Ei小于 过冷却水面饱和水汽压Ew。“冰晶效应”在冰水混合云中，当Ei eEw之间时，水滴会不断蒸发 而缩小，冰晶不断凝华而增大。,T,E,0,Ew,eE蒸发,eE凝结,E0,冰晶效应区域,第5章 大气中的水分,5.2 水相变化与饱和水汽压,5.2.2 饱和水汽压,（二）饱和水汽压与蒸发面性质的关系,溶液中溶质分子间的作用力大于纯水内分子间的作用力，使水分子脱离溶液面比脱离纯水面困难。因此，同一温度下，溶液面的饱和水汽压比纯水面要小，且溶液浓度愈高，饱和水汽压愈小。意义：这种作用对云或雾最初胚滴的形成相当重要。可溶性凝结核上凝结形成溶液，减小了液面的饱和水汽压，有利于凝结发生。但是，随着液滴的增大，浓度逐渐减小，这种影响很快消失。,第5章 大气中的水分,5.2 水相变化与饱和水汽压,5.2.2 饱和水汽压,（三）饱和水汽压与蒸发面形状的关系,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。但当半径超过10-4cm时，曲率的影响很小了。,第5章 大气中的水分,5.2 水相变化与饱和水汽压,5.2.2 饱和水汽压,（一）水源,水源是蒸发的必要条件。没有水源就不可能有蒸发，因此开旷水域、雪面、冰面或潮湿土壤、植被是蒸发产生的基本条件。在沙漠中，几乎没有蒸发。下垫面蒸发到大气中的水汽，80%来自南北纬60之间的海洋，而其中大部分又来自热带和亚热带的海面，因为那里有大量的太阳净辐射。,（二）能源,蒸发必须消耗热量，在蒸发过程中如果没有热量供给，蒸发面就会逐渐冷却，从而使蒸发面上的水汽压降低，于是蒸发减缓或逐渐停止。因此蒸发速度在很大程度上决定于热量的供给。蒸发能源主要来自太阳净辐射，约46%的用于下垫面（海洋）的蒸发。,5.3 蒸发和凝结,5.3.1 蒸发影响因素,第5章 大气中的水分,（三）饱和差,蒸发速度与饱和差成正比。饱和差愈大，蒸发速度也愈快。,（四）风,大气中的水汽垂直输送和水平扩散能加快蒸发速度。无风时，蒸发面上的水汽单靠分子扩散，水汽压减小得慢，饱和差小，因而蒸发缓慢。有风时，湍流扩散加强，蒸发面上的水汽随风和湍流迅速散布到广大的空间，蒸发面上水汽压减小，饱和差增大，蒸发加快。,5.3 蒸发和凝结,5.3.1 蒸发影响因素,第5章 大气中的水分,第5章 大气中的水分,5.3 蒸发和凝结,5.3.3 蒸发量的确定,第5章 大气中的水分,5.3 蒸发和凝结,5.3.3 蒸发量的确定,一般形式：E=kf(u)(e0-ez)其中，f（u）为风速的函数，e0为饱和水汽压，ez为水面上z高度的实际水汽压，k为经验系数。国际典型公式：1）Penman公式：E=0.35(1+0.2u2)(e0-e2)2）Kuzmin公式：E=6.0(1+0.21u8)(e0-e8)国内典型公式：,（3）经验公式法,原理：取一土壤立方体，底部绝热，地表热量收支项如图所视，土壤储热增量H。,因He=LE，令Hp=He，为比例系数（波文比，见书上5-8）。则上式改写为：,辐射差额,蒸发耗热,热传导耗热,土壤热量增量,（4）热量平衡法,第5章 大气中的水分,5.3 蒸发和凝结,5.3.3 蒸发量的确定,计算公式：热量平衡方程为：,第5章 大气中的水分,5.3 蒸发和凝结,5.3.3 蒸发量的确定,原理：水量平衡和热量平衡 基本公式：其中，E/P为流域年蒸发系数(1)，反映了流域多年平均的水量平衡关系；R/LP称为辐射干燥指数(1)，体现了热量平衡的关系；为某经验函数。,（5）水热平衡法,（其余方法作参考材料自学）,第5章 大气中的水分,5.4 水分方程和可降水量,（参考材料）,（一）凝结核,定义：水汽凝结过程中起凝结核心作用的固态、液态或气态的气溶胶粒子。分类：吸湿性凝结核：具有很强的吸水能力，易溶于水，如海水盐粒、工厂排放的二氧化硫和烟粒，吸水后形成凝结胚胎；非吸湿性凝结核：不易或不溶于水，但易为水湿润，如尘埃矿石微粒和花粉等，吸附水分而形成凝结胚胎。,第5章 大气中的水分,5.5 凝结,5.5.1大气中水汽凝结的条件,（二）空气到达饱和(f=100%),增加水汽含量 主要途径是加速蒸发，通常饱和差越大、风速越大，蒸发越快；反之蒸发越慢。降低空气温度 冷却虽然不利于蒸发，但可使饱和水汽压迅速减小。因此，即使空气实际水汽含量变化不大，空气相对湿度迅速增大，并达到饱和而凝结。大气冷却主要方式：接触冷却、辐射冷却、平流冷却及绝热冷却等。,第5章 大气中的水分,5.5 凝结,5.5.1大气中水汽凝结的条件,（一）露和霜,(自学),第5章 大气中的水分,5.5 凝结,5.5.2地表面的凝结现象,雾的概念 雾是近地面空气中悬浮的由大量小水滴、小冰晶或两者混合物组成的可见聚合体，通常雾使地面水平能见度小于1Km。能见度在1-10Km时的雾称为轻雾。形成条件 近地面空气中水汽充沛、冷却过程和凝结核存在。雾的分类：根据雾的成因不同，可将雾分为：辐射雾、平流雾、锋面雾、蒸汽雾、地形雾,第5章 大气中的水分,5.5 凝结,5.5.2 近地面空气的凝结现象,辐射雾：地面辐射冷却使近地面气温降低到露点时而形成的雾。,形成条件：a)空气中有充足的水汽；b)天气晴朗少云；c)风力微弱（13m/s）；d)大气层结稳定。,特点：a)秋、冬季频发；b)日变化明显；c)形成辐射雾的天气通常晴好；d)辐射雾冬季浓而消散慢、夏季则淡而消散快；e)强风天气通常不会出现辐射雾。,平流雾：暖湿气流经过较冷的下垫面（水面或陆面）时，因下垫面的冷却作用，低层气温降低到露点时而形成的雾。多形成于冷暖海水交汇区，故亦称海雾。,形成条件：a)下垫面与暖湿空气的温差较大；b)暖空气的湿度大；c)适宜的风向（由暖向冷）和风速（27m/s）；d)大气层结稳定。,特点：a)浓而厚；b)范围广；c)持续时间长；d)日变化不显著；e)强风天气通常不会出现平流雾。,锋面雾：当暖锋降水穿过锋前的冷气团时，雨滴蒸发，使近地面冷空气中的水汽达到饱和而形成的雾。通常伴随降水而形成，故亦称降水雾或雨雾。,形成条件：a)锋面气旋；b)暖锋；c)降水；,特点：a)带状分布，长几百海里、宽50100海里；b)随锋面和雨带行动移动了移动;c)日变化不明显。,蒸汽雾：寒冷而稳定的空气覆盖于相对较暖的水面上，水面蒸发使近水面空气达到饱和凝结而成的雾。,地形雾：稳定的空气沿高地或山坡上升时因绝热冷却而形成的上坡雾。,形成条件：a)深秋和冬季；b)水温高于气温；,特点：a)浓度小；b)面积不广;c)与风速无关。,（一）云的定义 云是由大量小水滴、小冰晶或两者混合物组成的悬浮于空中的可见聚合体。,（二）云的形成 当近地面的空气向上运动时，空气中的水汽会因冷却而达到饱和，进而发生凝结、凝华过程，这些水汽的凝结物便构成了我们所见到的云；而当空气下沉运动时，空气升温，水滴或冰晶蒸发，云消散。,第5章 大气中的水分,5.5 凝结,5.5.4高空空气的凝结现象,（三）云的分类,1、根据空气上升运动的不同特点，可将云分成：积状云、层状云和波状云等。,积状云：垂直发展的云块，具有孤立分散、云底平坦和顶部凸起的外貌形态。包括淡积云、浓积云和积雨云。由地表受热不均和大气层结不稳定引起的对流上升运动所形成，多形成于夏季午后。仅当对流上升达到凝结高度，积状云才形成；对流愈强，积状云厚度就愈大；对流上升区的水平范围越大，则积状云的水平范围也就愈大；淡积云、浓积云和积雨云是积状云发展的不同阶段。,层状云：均匀幕布状的云层，常具有较大的水平范围。包括卷层云、卷云、高层云及雨层云。由空气大规模系统性的沿锋面上升运动形成。对于暖锋，最前面的为卷云和卷层云，其厚度最薄，云底最高，云体由冰晶组成；中部是高层云，其厚度较大，顶部多为冰晶组成，主体部分多为冰晶与过冷却水滴共同组成；最后面是雨层云，其厚度最大，顶部为冰晶组成，中部为过冷却水滴与冰晶共同组成，底部水滴组成。,层状云的形成,波状云：明暗相间、排立整齐的平行云条，包括卷积云、高积云、层积云。当空气存在波动时，波峰处空气上升，绝热冷却而形成云，波谷处空气下沉，无云形成。,2、根据云底高度不同及其形态特征，可将云分成：低云、中云和高云3族，10属，29类。,低云：云底高度小于2500米，包括积云、积雨云、雨层云、层云和层积云等。中云：云底高度在2500-5000米之间，包括高积云和高层云。高云：云底高度大于5000米，包括卷积云、卷层云和卷云。,Cumulus of Fair Weather(晴天积云):Widely separated heapswith flat bottoms and rounded tops.Small vertical development.,Swelling cumulus(浓积云):Separated actively growing heap clouds with flattish bottoms and rounded,hard-edged tops.,Stratocumulus(层积云):A layer of clumps of cloud with thick and thin areas,often mixed with cumulus.,Nimbostratus(雨层云):Widespread thick layer of dark graycloud producing steady rain.,Nimbostratus(雨层云):A widespread thick layer of cloud producing continuous snow.,Stratus(层云):Poorly defined low cloud,usually with ragged edges.,Cumulonimbus(积雨云)Shower:Widely separated showers or squalls of rain,and sometimes hail,developing in tall cloud.,Cumulonimbus(积雨云):Most active member of the cumulus family;flattish base,tops sometimes extending 5 miles.,Cumulonimbus(积雨云):A massive cloud system with flattish base and top sometimes flattened at base of the stratosphere.The source of lightning and thunder,hail,tornados,heavy localized rain showers.,High(Alto)Stratocumulus(高层/积云):Higher layer of clumpy cloud,sometimes mixed with Cumulus.,Billow Altocumulus(波状高积云):Unusual long rolls of cloud occurring in alto or cirrocumulus due to shearing motion.Clouds in regions of ascending air;spaces in regions of descending air.,概念：从云中降到地面上的液态或固态水，称为降水。降水形态：雨、雪、霰、雹等。雨：自云体中降落至地面的液体水滴。雪：从混合云中降落到地面的雪花形态的固体水。霰：从云中降落至地面的不透明的球状晶体，由过冷却水滴在冰晶周围冻结而成，直径25mm。雹：是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。,第5章 大气中的水分,5.6 降水,5.6.1 降水概述,降水性质：连续性和阵性降水。连续性降水历时长，强度具有变化性，降水主要来自雨层云和高层云。阵性降水历时短，强度大，具有突然性，降水来自积雨云和浓积云。降水量与降水强度：降水量是降水（包括近地面凝结的露水）未经蒸发、渗透、流失，在水平面上所积聚的水层厚度，以毫米表示。降水强度是单位时间的降水量，常用mm/h或mm/d表示。,第5章 大气中的水分,5.6 降水,5.6.1 降水概述,降水距平和降水相对变率降水距平：某地实际降水量与同期多年平均降水量之差，亦称降水绝对变率。降水相对变率：某地一定时期内降水距平与多年平均降水量的百分比。,第5章 大气中的水分,5.6 降水,5.6.1 降水概述,第5章 大气中的水分,5.6 降水,5.6.2 降水地理分布及强度变化(自学),暖云：云体位于0C等温线以下的云。降水机制：湿空气上升水汽饱和+凝结核云滴碰并增长下降变形破碎上升碰并增长下降变形破碎 暖云降水。,第5章 大气中的水分,5.6 降水,5.6.3 雨、雪、霰、冰雹的形成,冷云：指云体上部伸展到0C等温线以上的云，为冰水混合云或冰晶云。降水机制冰晶效应凝华增长下降变形破碎上升碰并增长下降变形破碎 冷云降水。,第5章 大气中的水分,5.6 降水,5.6.3 雨、雪、霰、冰雹的形成,第5章 大气中的水分,5.6 降水,5.6.4 各类云产生的降水,层状云的降水，主要来自层云、雨层云及高层云。以雨层云最多，如暖锋、冷锋雨层云降水，为连续性降水、持续时间长、降水强度变化小；层云只能降毛毛雨、小雨、雪和霰。积状云降水，主要来自积雨云，阵性降水，历时短，强度大，具有突然性。波状云：一般不降水。,一、可见光图象（VIS）,概念：太阳辐射经地-气系统散射或反射到达卫星，并由卫星光谱传感器获得的图像，波长为0.5m；表现形式：用不同的黑白亮度色调表示，其亮度取决于地表或/和云层的散射和反射系数。反射系数越大，图像越白；反之，图像越暗。因此，海洋通常为黑色，雪和云通常为白色。云的识别：云的亮度取决于其中水滴和/或冰晶的数量和大小。如低云（层云、积雨云、热带风暴等）和浓雾含有大量水滴，对太阳光散射和反射较强，故图像较白；高云（卷云）由少量冰晶组成，对太阳光散射和反射较弱，故图像为淡灰色；,第5章 大气中的水分,附录,卫星云图的识别,典型下垫面和云的反射率,卫星云图认识别,二、红外图象（IR）,第三章 大气中的水分,概念：地-气系统所发射的长波（10 m 12 m）辐射被卫星光谱传感器获得的图像。卫星观测到的红外辐射强度取决于下垫面或云顶的温度；表现形式：在黑白的红外图象上，暗黑色红外辐射强、高温，亮白色红外辐射弱、低温。由于温度的日变化，白天大陆的色调比海洋深，夜晚则相反。云的识别：云顶越高，温度越低、图象越白，因此云通常比下垫面白亮，高云（卷云）图象较白亮；而低云（层云）和雾与下垫温差小，故在红外图象上较难区别；,卫星云图认识别,三、水汽图象（WV）,第三章 大气中的水分,概念：对流层上部所发射的波长（6 m 7 m）辐射被卫星光谱传感器获得的图像。表现形式：与普通红外图象一样，水汽图象也是取决于温度。若对流层上层湿度大（温度低），图象越明亮；若对流层上层湿度小，则辐射主要来自对流层下层（温度高），图象越灰暗。云的识别：水汽图象不能反映对流层低部潮湿空气、云或雾，因为低层水汽发射的大部分辐射都被吸收了，故低云（层云）和雾在水汽图象上难以区别，但积雨云、热带风暴在水汽图象上很容易辨别。,地面分析图（ASAS）00:00UTC 29,APR.2009,地面分析图（ASAS）06:00UTC 29,APR.2009,地面分析图（ASAS）12:00UTC 29,APR.2009,地面分析图（ASAS）18:00UTC 29,APR.2009,红外图象（IR）00:00UTC 29,APR.2009,红外图象（IR）06:00UTC 29,APR.2009,红外图象（IR）12:00UTC 29,APR.2009,红外图象（IR）18:00UTC 29,APR.2009,可见光图象（VIS）00:00UTC 29,APR.2009,可见光图象（VIS）06:00UTC 29,APR.2009,可见光图象（VIS）10:00UTC 29,APR.2009,可见光图象（VIS）22:30UTC 29,APR.2009,水汽图象（WV）00:00UTC 29,APR.2009,水汽图象（WV）06:00UTC 29,APR.2009,水汽图象（WV）12:00UTC 29,APR.2009,水汽图象（WV）18:00UTC 29,APR.2009,第五章 思考题,1.基本概念：水汽压、饱和水汽压、绝对湿度、相对湿度、比湿、混合比、饱和差、露点、辐射雾、平流雾、积状云、层状云、波状云、降水量、降水强度。2.简述大气中水汽凝结的条件。3.比较辐射雾和平流雾的特点。4.简述云的分类。5.简述空气湿度的日、年变化特点。6.简述近暖云降水和冷云降水形成机制。,