大气中的水分.ppt

第五章大气中的水分,第一节 空气湿度,一、水的三态变化 当液态水遇冷且温度降到0C以下时变成固态的冰，这个过程叫做冻结。在某些情况下，水到了0C以下还保持液态，叫过冷却水，过冷却水在雨、露、霜、雪的形成中也有重要的作用。通过蒸发、冻结、融化、升华、凝结、凝华这些物理过程，可以把地球上的水从这里搬到那里，从一种状态转变到种状态。雨、露、霜、雪就是通过在大气中发生的这些物理过程而产生的。,二、空气湿度的表示方法,湿度是表示空气潮湿程度的物理量。由于研究问题的角度不同，一般采用几种不同的湿度参量：(一)水汽压（）空气中由水汽所产生的分压强称为水汽压。1、饱和水汽压（）水汽含量恰好达到该温度下的最大限度，这时的空气称为饱和空气，此时的水汽压为饱和水汽压。2、影响E大小的因子 主要由温度和蒸发面的性质、状况决定。,温 度,T增大，eE，多余水汽凝结,E随温度升降的改变量，在高温时比低温时大些。降低同样温度，在高温条件下饱和空气中形成的云雾要浓些。,蒸发面,性质：,考察水分子在不同性质水面下的吸引力,E纯水面E冰面 E纯水面E溶液面,蒸发面,形状：,E凸面E平面E凹面 凸面的曲率愈大（即水滴愈小），饱和水汽压愈大，而凹面的曲率愈大，则其饱和水汽压愈小。,考察水分子在不同形状下的吸引力大小,3、e 的变化规律,单峰型：水汽压的大小与蒸发的快慢有密切关系，而蒸发的快慢在水分供应一定的条件下，主要受温度控制。白天温度高，蒸发快，进入大气的水汽多，水汽压就大；夜间出现相反的情况。每天有一个最高值出现在午后，一个最低值出现在清晨。在海洋上、潮湿的陆上以及乱流交换比较弱的秋冬季节，多属于这种情况。,3、e 的变化规律,双峰型：但是在大陆上的夏季、沙漠地区(乱流强的季节)，一个最小值出现在清晨日出前温度最低的时候，另一个出现在午后对流最强的时候。一个最大值出现在蒸发增强，对流尚未充分发展的时候，另一个出现在对流、乱流减弱，水汽在低层凝聚的时候。,(二)绝对湿度(a)单位容积的空气中所含水汽的质量，称为绝对湿度，以a表示。它实际上就是水汽密度。通常以1立方米的空气中所含水汽的克数来表示，其单位为克米3(或克厘米3)。(三)露点温度(Td)在空气中水汽含量不变，气压一定的条件下，当气温降低到空气中水汽达到饱和时的温度，称为露点温度，简称露点，以Td表示，其单位与温度相同。,(四)相对湿度(),相对湿度的大小表示空气中实际水汽含量距离饱和的程度。不仅随大气中的水汽含量而变，同时也随气温而变。相对湿度与温度成反比关系。,100%过饱和状态,相对湿度的日变化,f 的变化规律,日变化：与气温日变化相反，最大值出现在清晨，最低值出现在午后滨海地区例外,年变化：一般与气温的年变化相反，温暖季节f小，寒冷季节f大。在季风盛行地区，由于夏季风来自海洋，冬季风来自大陆，因此最大值出现在夏半年的雨季或雨季之前，最小值出现在冬季。,除温度以外，各地地面干湿不同(蒸发的水分供给有很大差异)，对流强弱不同(水汽上下传输的差异)，气流性质不同(温度、水汽含量的差异)，对f的日、年变化也产生了重要的影响。,(五)饱和差(d),d=E-e,d 0 未饱和状态d=0 饱和状态d 0 过饱和状态,饱和差大小表示空气中实际水汽含量距离饱和的程度。当温度升高时，饱和差增大；温度降低时，饱和差减小。,(六)温度露点差,t-Td,t-Td 0 未饱和状态t-Td=0 饱和状态t-Td 0 过饱和状态,温度露点差大小表示空气中实际水汽含量距离饱和的程度。,总的来说，表示空气湿度的物理量可以分为两类，一类为绝对湿度、水汽压、露点温度，是表示空气中水汽含量的多少；另一类为相对湿度、饱和差、温度露点差；则表示空气中水汽含量距饱和的程度。,第二节蒸发与蒸腾,由水转变为水汽的物理过程，称为蒸发。由冰直接转变为水汽的物理过程，为升华。通常人们将两者均称为蒸发。蒸发和蒸腾是土壤水分平衡式中的主要支出项，蒸散为农田中土面蒸发和植物蒸腾之和。,一、水面蒸发,水面蒸发速度是指单位面积上，单位时间内，水分蒸发数量。在农业气象工作中，则使用日蒸发量。即以一日内因蒸发而损失的水层厚度(毫米)表示。wA(Ee),二、土壤蒸发,土壤水分蒸发，一方面决定于温度、湿度和风等气象因子。另一方面，决定于土壤本身的结构和物理性质、土表状况、土壤含水量和地势等。,土壤蒸发,土壤蒸发,松土：截断土壤中的毛细管，使土壤深 层水分不能上升到土壤表面，减少土壤中水分蒸发。,镇压：干燥土壤，蒸发在土壤中进行，采用镇压减少干涸层的孔隙度，从而减少水汽进入大气的机会。(华北地区广泛采用),深中耕：在低洼排水不良的地区，采用深翻及深中耕等方法，有利于水分的蒸发，改善土壤的水热状况。,三、植物蒸腾,通过植物体表蒸发水分的过程称为蒸腾。植物通过根毛吸进水分，然后经输导组织到达叶片及其它器官，再经气孔及植物体表面蒸发到空气中。,角质层厚度，气孔大小及数量，根系吸水能力,植物蒸腾的作用：植物利用叶组织内水分子的气化(即蒸腾)，有效地降低其体温，以利于光合作用的进行，此外，由于蒸腾作用使由根毛到茎叶之间形成水分的输送，伴随水分的流动，使溶于水中的各种营养物质输向植株各个部分。,蒸腾作用速度主要取决于三个基本条件：小气候条件，植物的形态结构和植物的生理类型。,改善热岛效应,四、农田总蒸发(蒸散),1、蒸散中的“蒸发”包括土面和根层水分。2、植物通过叶面气孔的张、闭调节蒸腾。3、蒸腾作用主要在白天，蒸发日夜都有。4、蒸发面不仅是土壤表面还包括植物叶面。,第三节 凝结和凝结物,一、凝结的概念,当水面上的水汽压大于饱和水汽压(eE)时,水面上的空气处于过饱和状态，多余的水汽转变为液态水滴，这种由水汽转变为水滴的物理过程，称为凝结。由水汽直接变为冰的物理过程，称为凝华。,二、大气中水汽凝结的条件,1、大气中的水汽含量必须达到过饱和状态(eE)大气中水汽达到过饱和有两个途径：一方面，在一定温度下，不断增加大气中的水汽，使实际水气压增大，出现eE，产生凝结；另一方面使含有一定量水汽的空气，温度降低，直至降到露点温度以下，使Ee，则可产生凝结。在自然界中，通过增加大气中的水汽含量，产生凝结，不是主要的。而主要是降温，使空气冷却到露点温度以下，即达到过饱和状态，导致水汽发生凝结和凝华现象。,接触冷却,辐射冷却,混合冷却,绝热冷却,空气冷却方式,凝结的条件,晴朗无风或微风夜晚，地面强烈辐射冷却，气层冷却到露点温度以下时。,暖空气流过相对较冷地面时，通过热量传递自身温度降到露点温度以下。,空气沿斜坡、锋面上升或对流上升，因绝热膨胀而冷却。,两团空气温差很大且比较潮湿时，经混合达到过饱和。,2、空气中必须有凝结核(或凝华核)凝结核的作用：(1)形成以凝结核为中心的胚滴；这是因为凝结核的存在使水滴半径增大，曲率减小，从而使饱和水汽压减小，易发生凝结。(2)可溶性凝结核使得胚滴变成溶液滴，减小了表面的饱和水汽压，有利于溶液胚滴凝结增大。综上所述，大气中水汽凝结的条件有两个：一是空气中的水汽必须达到过饱和。二是空气中必须有作为凝结的核心物质凝结核或凝华核。,凝结的条件,三、地面上的凝结物,露是近地气层中的水汽在地表或地表覆盖物的表面上凝结而形成的水滴。在夜间，地面和地物表面，由于支出的辐射大于收入的辐射而逐渐冷却，使贴近地面层的空气也随之发生冷却，当温度降低到露点(此时露点高于0)以下时，空气中的水汽达到饱和，在地面和地物表面产生水汽的凝结物。,1、露,2、霜,霜的形成原因与露相似，不同之处是形成霜时，贴地气层空气的温度必须降低到0以下，即露点温度在0以下，空气中的水汽直接凝华成冰晶，此即为霜。,形成露和霜的天气条件：晴朗无风或微风的夜晚。,3、雾凇,寒冷季节，微小雾滴飘浮在空中，当它附着于各种物体如树枝，树叶，电线，电杆的迎风面和突出部分时，成为一白色，疏松，易于散落的结晶层，称为雾凇。,4、雨凇,寒冷季节，由于过冷却的雨滴或毛毛雨滴冻结而在地面和地物上冻结而成透明的冰层，称为雨凇。,四、近地气层中的凝结物,当近地气层中空气温度降到Td以下时，水汽凝结成水滴或冰晶，飘浮在低空呈乳白色幕状，使人眼的正常视线能力不到一千米的现象。雾中能见度大小取决于光源的波长，波长较长时能见度大。,1、辐射雾,在夜间，地面及空气由于辐射冷却，使接近地面的空气层温度降低，降至露点以下时，水气凝结成雾，称为辐射雾。,1、冬半年出现最多2、有明显的日变化 夜间或清晨形成，十雾九晴3、有明显的地区性特点(西南),1、夜间地面有效辐射强2、近地气层湿度大3、低层大气无风或微风(1-3米/秒),2、平流雾,湿热的空气移到较冷的地面上，其下层冷却降温，水气凝结成雾。这种由于空气平流而生成雾，称为平流雾。,1、冬季陆地，暖季海洋2、一天中任何时刻都可形成 范围大、浓度广，十雾九雨,1、地面与暖湿空气温差大2、暖湿空气湿度大3、风速适中(2-7米/秒),3、混合雾,4、蒸发雾,两团冷暖不同的空气混合后产生。如夜间山顶冷空气与山谷中较暖空气混合，冬天人说话等。,当气温低于水温，暖水面蒸发的水汽进入其上面的冷空气而形成。如深秋、初冬的早晨，江面和湖面上；冬季打开水等。,5、山坡雾,6、锋面雾,稳定的湿空气沿高地或山坡缓慢上升时，因绝热冷却，在迎风坡面上形成。,锋面过境时，暖气团下部的暖湿空气在冷的下垫面冷却形成。,雾对农作物的影响：,1、雾遮蔽日光，使作物的光合作用受到阻碍。作物制造的有机物质减少，影响植物的生长发育和产量形成。2、有雾的日子短波紫外线到达地面的量减少，造成农作物的徒长。由于有雾，空气湿度过大，易引起病虫的危害。但有雾时，对茶叶和麻类等易受紫外线伤害的作物生长和发育则是有利的，素有“云雾山中产名茶”和“雾多麻质好”之说。3、雾对水果的产量有影响；同时雾影响水果表面的色泽和品质。,人工消雾：,雾的成因是由于空气冷却或空气湿度大。因此，提高空气的温度或降低空气的湿度时，雾将消散,1、燃料燃烧2、低洼地搞好排水3、营造防护林,五、自由大气中的凝结物,云是大气中水汽凝结(凝华)形成的小水滴、冰晶微粒或两者混合组成的可见悬浮体。云有时也包含一些较大的雨滴、冰晶或雪粒。云的底部不接触地面，并有一定厚度。,空气的垂直上升运动是形成云的主要原因。引起空气上升运动的原因：空气受热不均，而产生的对流。暖气团沿着冷气团斜面向上滑升。运动速度不同的两层空气，在其界面上产生波动，在波峰上产生空气的上升运动。由于空气上升运动的形式不同，便形成了积状云、层状云和波状云等不同类型的云。,（二）云的分类,1、以云底的高度分类,2、以云的形成分类,(1)积状云,由于空气的对流运动而产生的云，又称为对流云。它包括淡积云、浓积云和积雨云，多出现于暖季。,淡积云,个体不大，轮廓清晰，底部平坦，顶部呈圆弧形凸起，状如馒头，其厚度小于水平宽度，不形成降雨。,浓积云,个体高大，轮廓清晰，底部平而暗，顶部圆弧状重叠，似花椰菜，其厚度超过水平宽度，不形成降雨。,碎积云,个体小，形状多变，边缘破碎，多为白色碎块，轮廓很不完整，靠左边的一块碎积云正向淡积云发展，不形成降雨。,积雨云,云浓而厚，云体庞大如高耸的山岳，顶部开始冻结，轮廓模糊，有纤维结构，底部十分阴暗，常产生阵性降水，而且伴有雷电，有时可伴有龙卷风。,秃积雨云,鬃积雨云,系统的层状云是由暖空气沿冷空气斜面滑升时形成，又称滑升云。它包括雨层云、高层云、卷层云和卷云，多见于暖湿空气沿锋面或山坡缓慢滑升绝热冷却，由此形成一个完整云系。,(2)层状云,雨层云,云体均匀成层，布满全天，云底很低，云层很厚，完全遮蔽日、月，天空呈暗灰色，降连续性雨雪。,高层云,云体均匀成层，呈灰白色或灰色，布满全天。可分成透光高层云、蔽光高层云。,卷层云,云体均匀成层、透明或乳白色，透过云层日、月轮廓清晰可见，地物有影，常有晕。,卷云,云体具有纤维状结构，色白无影且有光泽，日出前及日落后带黄色或红色，云层较厚时为灰白色。可分为：毛卷云、密卷云、钩卷云和伪卷云4类。,卷云,云体具有纤维状结构，色白无影且有光泽，日出前及日落后带黄色或红色，云层较厚时为灰白色。可分为：毛卷云、密卷云、钩卷云和伪卷云4类。,钩卷云,当大气中存在密度和速度不同的两个空气层的水平界面或是当气流越过山峰时形成的波动，从而产生的波浪起伏的云。可分为：层积云、高积云和卷积云。,(3)波状云,层积云,云块一般较大，其薄厚或形状有很大差异，常呈灰臼色或灰色，结构较松散。薄云块可辨出日、月位置；厚云块则较阴暗。有时零星散布，大多成群、成行、成波状沿一个或两个方向整齐排列。层积云又可分成5类：透光层积云、蔽光层积云、积云性层积云、荚状层积云、堡状层积云。,荚状层积云,高积云,云块较小，轮廓分明。薄云块呈白色，能见日、月轮廓；厚云块呈灰暗色，日、月轮廓不辩。呈扁圆形、瓦块状、鱼鳞或水波状的密集云条。成群、成行、成波状沿一个或两个方向整齐排列。高积云又可分成6类：透光高积云、蔽光高积云、荚状高积云、堡状高积云、絮状高积云、积云性高积云。,卷积云,云块很小，呈白色细鳞、片状，常成行或成群，排列整齐，似微风吹过水面所引起的小波纹。,每一种云都有它的特殊性，但不是一成不变的。在一定条件下，这一种云可以转变为那一种云，那一种云又可以转变为另一种云。例如淡积云可以发展成浓积云，再发展成积雨云；积雨云顶部脱离成为伪卷云或积云性高积云；卷积云降低成高层云；而高层云降低又可变成雨层云。,降水是指从云中降落到地面上的液态或固态水（如雨、雪、霰、雹、雾凇和雨凇等）；降水是云中的水滴或冰晶的体积增大或互相结合，重量增大，不能再悬浮于云中而降到地面的现象。,六、降 水,0.0010.1mm,0.1mm,(1)水汽 主要是指输送的水汽即要有水气输送带。(2)上升气流 其一，绝热冷却，水汽达到过饱和，水汽产生凝结，云体不断发展。其二，强的上升气流能托住水滴，使水滴随着空气的垂直上升，不断凝结增大；以保证水滴在下降过程中不会被蒸发掉，到达地面形成降水。(3)云底高度 水滴在降落过程中，不易蒸发掉。(4)云下湿度 云下方空气潮湿，不易蒸发掉。,1、形成降水的宏观条件,(1)凝结(凝华)增长,2、形成降水的微观过程,(2)云滴的碰并增大,一般说来，水滴增长的初期，凝结增大起主导作用。随着云滴的逐渐增大，凝结作用逐渐变小，而碰并增大作用逐渐增大，当水滴的半径增大到0.0lmm以上时，碰并增大起主导作用。,二、降水的种类,1、雨 从云中降落到地面上的液态水滴称为雨。(1)连续性降水 多为雨层云和高层云降水，降水时间长，雨滴尺度中等(雨滴半径在0.32.0mm之间)。(2)阵性降水 一般为积雨云降水，降水开始和终止时间比较突然，降水强度大，时间短，具有时降时停的间断性特征。迳流量大，这种降水利用率差，不利于水土保持。固态降水，如霰和雹等通常具有阵性。(3)毛毛雨 多为层云或层积云降水，雨滴直径0.10.3mm，雨滴呈飘浮状，形如牛毛。,2、雪 由冰晶和过冷水滴混合组成的云中，由于过冷水滴的饱和水汽压比冰晶的大，因而水汽由水滴表面转移到冰晶上，在冰晶的棱角上凝华，形成各种各样的六角形雪花。3、雹 由透明和不透明的冰层相间组成的固态降水。冰雹多为球形，直径几毫米到几十毫米，多从发展旺盛的积雨云中降落。,降水等级的划分,三、降水的表示方法,四、大气中的水分循环,水由地面(包括水面)蒸发变成水汽，水汽进入大气中凝结成云，然后以降水的形式落回地面，这种水分在下垫面与大气之间的循环过程，叫做水分循环。,五、人工降水,(一)冷云,(二)暖云,(1)撒播制冷剂：干冰在-78.5度就可升华，使周围空气温度降低到-40度以下，使云中冰晶增大。(2)撒入AgI、HgCl、CdI等微粒：其结构为六方晶体，可作为过冷水的凝结核，有利于降水形成。,重力碰并是其降水的物理基础，据此在暖云中引入大水滴或吸湿性物质。如：在云中撒水、加入吸湿性很强的盐粉等来形成大水滴。,第四节 水分与植物,一、水分的生理作用,（一）水分光合作用的原料 6CO2+6H2O C6H12O6+6O2+282.1 kJ（二）水分是重要的溶剂和生命的介质，与矿质营养元素传送有关（三）水分可以调节植物的体温（四）水分能维持植物细胞及组织的紧张度，是细胞活动及重量反应的前提。,二、作物的水分需求,（一）种子萌发,一般为该土壤田间持水量的50%85%，种子萌发的过程就是吸收水分、代谢重新活跃和开始生长的过程。,（二）作物水分平衡=水分吸收蒸腾损耗,水分不平衡通常靠植物组织加以平衡，但大多数作物组织贮水能力有限。因此，必须精细地保持起水分的收支平衡，以避免作物水分状况过低以致伤害组织。,（三）作物的水分逆境,（1）水分亏缺：水分供应不能满足作物生长发育的需要即为水分亏缺。水分亏缺对作物的影响主要表现在对细胞扩张生长、光合作用、授粉受精和结实等三个方面的影响。（2）水涝：土壤水分过多。-缺氧-涝害。水涝对植物的影响因植物种类、生育阶段、土壤类型、温度、淹水水质和持续时间等不同而有很大的差别。,(四)作物水分需求的时间性,水分临界期：作物不同时期对水分的敏感程度是不一样的，对水分最敏感的时期，即由于水分的缺乏或过多，对作物产量影响最大的时期。关键期：临界期内通常自然降水不能满足的时期。,多与花芽分化的旺盛时期相联系,