《大气的水分》PPT课件.ppt

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1、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

2、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.

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

4、 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

5、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。,（

6、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

7、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

8、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）,

9、（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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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、

15、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.,Sw

16、elling 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.,Nimbostrat

17、us(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 fa

18、mily;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 clum

19、py 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

20、：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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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.

26、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。,