气象学第四章大气中的水分.ppt

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1、第四章 水汽凝结物与降水,第一节 蒸发和凝结,1,一 水相变化 水相变化的物理过程（用分子运动论来解释水相变化）1.水分子从液态水中跑出 2.水汽分子的落回 3.动态平衡 请思考：单位时间内跑出水面的分子数与什么因素有怎样的关系？单位时间内落回水面上的水汽分子数呢？水相变化的判断 假设：N为单位时间内跑出水面的分子数 n为单位时间内落回水面上的水汽分子数,2,则有：Nn 蒸发（未饱和）Nn 动态平衡（饱和）Nn 凝结（过饱和）P=RT针对水汽来讲应写成 e=RT e=RT n e n 当n 不断增大直至与N相等时，此时的实际水汽压e即为该温度下的饱和水汽压E。因此：N E 所以：Ee 蒸发（未

2、饱和）Ee 动态平衡（饱和）Ee 凝结（过饱和）,3,同样的道理：如果Es为某温度下冰面上的饱和水汽压，则有：Ese 升华 Ese 动态平衡 Ese 凝华 水相变化中的潜热 蒸发潜热凝结潜热5970.57 t 卡克（一般取为597卡克）升华潜热凝华潜热677卡克,4,二 饱和水汽压 要了解蒸发面究竟处于什么状态，需将e 与E进行比较。e是实际水汽压；E是饱和水汽压，它的大小则与温度、蒸发面性质、蒸发面形状有密切的关系。饱和水汽压与温度的关系 温度升高 水分子动能增加 水分子更容易跑出水面 单位时间内有更多的水分子跑出水面 最终又达成新的平衡（产生了新的饱和水汽压）此时,单位时间内有更多的水汽分

3、子跑回水面 大气中的水汽密度更大 饱和水汽压更大 所以：温度升高饱和水汽压更大 另：水分子更容易跑出水面饱和水汽压更大,5,克拉柏龙方程：你能利用此图说明“暴雨往往出现在暖季”吗？饱和水汽压与温度的关系图,6,饱和水汽压与蒸发面性质的关系 1.冰面和过冷却水面的饱和水汽压 E过冷却水 E冰 2.溶液面和纯水面的饱和水汽压 E溶液 E纯水饱和水汽压与蒸发面形状的关系 不同形状蒸发面上水分子受到的吸引力 E凸 E平 E凹,7,三 影响蒸发的因素 水源 热源 饱和差（Ee）风速和湍流强度,8,四 湿度随着时间的变化 水汽压 1.日变化 双峰型：出现的区域：大陆上湍流混合较强的夏季 特点：两低 清晨：

4、T最小 午后：湍流最强 两高 910：蒸发增强湍流增强 单峰型：2122：蒸发减弱湍流减弱 出现的区域：海洋上；沿海；陆地上秋冬季节 特点：一高一低与温度一致 2.年变化：与温度的年变化一致,9,相对湿度（What is it？）1.日变化：与温度的日变化相反 2.年变化：一般冬季最大，夏季最小 部分季风盛行区：夏季冬季 因为夏季风来自海洋；冬季风来自内陆,10,五 空气中水汽凝结的条件 凝结核：一般来讲，半径越大、吸湿性越好的核周围越易产生凝结。空气中水汽达到饱和或过饱和（eE）1.暖水面蒸发 通常情况下，水面蒸发可增大空气湿度，但一般不易形成凝结。因为，越接近饱和蒸发就减慢趋近于停止了。此

5、时，需要冷空气流至暖水面，e凝结。例如：秋冬早晨水面的蒸发雾。,11,2.空气的冷却 绝热冷却：E减小 例如：云的形成 辐射冷却：晴朗无风的夜晚，近地面空气冷却降温，形成辐射雾。平流冷却：暖空气流经冷的下垫面，形成平流雾。混合冷却：温差较大且接近饱和的两团空气水平混合，会产生凝结。混合后的平均 水汽压比混合气团 平均温度下的饱和 水汽压大。,12,第二节 地表面和大气中的凝结现象,13,一 地面的水汽凝结物 露和霜 1.露点温度 地面辐射冷却使得气温也随之下降，当空气中水汽压等于饱和水汽压时，水汽开始出现凝结现象，此时的温度即为露点温度，简称露点。2.概念：露：当露点0时，水汽凝结成小的水滴，

6、附着在地 面或地物上称为露。霜：当露点0时，水汽直接凝华成白色的冰晶，称为霜。冻露：露形成后，温度下降到0以下，露冻结成冰珠，称为冻露。（一般也称为霜）,14,3.有利的气象条件：晴朗微风（13 ms）的夜晚 晴朗：有利于辐射降温 微风：使得辐射冷却在较厚的气层中进行。使得贴地空气得到更换，从而保证有足够的水汽供应凝结。4.霜冻：在农作物生长季节里，地面和植物表面温度下降到足以引起农作物遭受伤害或者死亡的低温。5.无霜期：人们把入春后最后出现的一次霜，叫做终霜，入秋后出现的第一次霜，叫做初霜。所谓无霜期，就是指终霜之后，初霜之间，这一段没有霜出现的时期。,15,雾凇和雨淞 1.雾凇 概念：形成

7、于树枝上、电线上或其它地物迎风面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。晶状雾凇 形成：往往在有雾、微风或静稳以及温度低于15时出现。是由过冷却雾滴不断蒸发变成水汽再凝华在物体表面上形成。特征：晶体与霜相似，结构松散，稍有震动就会脱落。,16,粒状雾凇 形成：往往在风速较大，气温在27时出现，由过冷却的雾滴被风吹过，碰到冷的物体表面迅速冻结而成。特征：由于冻结速度很快，雾滴保持原来的形状，所以成粒状。结构紧密，能使电线、树枝折断，对交通运输、通讯、输电线路等有一定影响。,17,“中国四大自然奇观”之一的吉林雾凇最大的特点，即其不可预知性。来时“忽如一夜春风来，千树万树梨花开”；去时“无可奈何花落去，似曾

8、相识燕归来”。说来就来，说走就走，一派天地使者的凛然之气。雾凇的性情如此，难免有人偶遇之下陶醉其中，有人苦盼数日难觅芳踪。,18,19,2.雨淞 概念：形成在地面或地物迎风面上的透明或毛玻璃状的紧密冰层。形成：主要由过冷却雨滴降到低于0的地面或地物上冻结而成。如果雨滴不是过冷却雨滴，所形成的雨淞很薄且寿命短。特征：破坏性很大，能压断电线、折损树木，对交通运输、电讯、输电以及农业生产都有很大影响。,20,雨淞,21,二 近地面空气中的凝结现象 雾：悬浮于近地面空气中的大量水滴或冰晶，使得水平能见度小于1km的物理现象。如果水平能见度在110km范围内，称为轻雾。分类：1.气团雾：在气团中形成的雾

9、。辐射雾 冷却雾 平流雾 蒸发雾 上坡雾 混合雾 2.锋面雾：由于锋面活动而形成的雾。,22,辐射雾：1概念：由地面辐射冷却而使贴地气层变冷形成的雾。2有利的气象条件：空气中有充足的水汽 天气晴朗少云 风力微弱（1-3米每秒）大气层结稳定 3.代表：重庆雾,23,平流雾：1.概念：暖湿空气流经冷的下垫面而逐渐冷却形成的雾。2.有利的气象条件：下垫面与暖湿空气的温差较大；暖湿空气的湿度大；适宜的风向和风速；层结稳定：限制垂直混合，聚集水汽 3.代表：伦敦雾,24,三、云 云的分类 1.按成因：热力对流积状云 动力抬升层状云 大气波动波状云 地形抬升积状云、层状云和波状云都可能形成，统称为地形云。

10、2.按照云底高度：2500m 5000m 低云、高云和中云,25,积状云 1.形成：不稳定大气中存在着对流上升运动，所以一般形成于夏季午后，条件是对流上限超过凝结高度。2.特征：孤立分散、底部平坦、顶部凸起 3.不同的发展阶段：淡积云：空气对流上限达到凝结高度，但云顶在0度等温线下。由水滴组成，上升气流速度不大（小于5米每秒），在强风或强湍流的作用下云体会破碎成为碎积云。浓积云：空气对流上限超过0度等温线。顶部由过冷却水滴组成，上升气流强（15-20米每秒），外貌似花菜。,26,积雨云：对流上升更旺盛，云顶可伸展到冻结线以上。最高可达平流层。顶部冻结为冰晶，出现丝缕状结构，在高空风吹拂下，向水

11、平方向展开成砧状、鬃状。上升气流速度达到20-30米每秒，最快可达60米每秒。湍流十分强烈。,不同阶段的积状云,27,4.碎积云：淡积云遭遇强风或强湍流时，云体破碎形成碎积云；另，山地下垫面不均匀也可能直接形成碎积云。5.日变化及天气判断 如果到了下午仍然只是淡积云，连晴预兆。夏季早上很早就出现了浓积云，很可能发展为积雨云，将有雷雨到来。傍晚出现层积云，它往往是积状云消散演变而成，说明空气层结稳定，一到夜间云就消散。是连晴预兆。,28,层状云 1.形成：空气大规模系统性斜升运动形成，主要是锋面上的上升运动所致。2.特征：水平范围大：大规模的空气系统性上升。均匀幕状：锋面坡度很小（1150140

12、），近水平分布；移动很慢，上升速度很小（0.1-1米每秒），持续时间长。所以能使空气上升好几千米。,29,3.组成：毕竟层状云是在有一定坡度的锋面上形成，所以锋面上不同部位上空所形成的云的云体厚度差别很大。卷云和卷层云：（几百米-2000米）高层云：（1000-3000米）雨层云：（3000-6000米）4.天气判断：“日晕三更雨，月晕午时风”“天上钩钩云，地下雨淋淋”“天上灰布悬，雨丝定连绵”,系统性层积云的形成,30,波状云 1.形成 按照流体力学的原理：凡是在密度和速度不同的两个流体交界面上必然会产生波状的运动。空气中出现波动。波峰处上升，绝热冷却，凝结成云；波谷处下沉，不能成云。所以形

13、成条带状云；如果两个波动方向垂直，则形成棋盘状云。在逆温层的附近比较容易产生波状运动，并且逆温层能抑制水汽的扩散，使其聚集在逆温层下，为波状云的形成准备了水汽的条件。,31,2.分类 波动气层很高：卷积云 波动气层较高：高积云 波动气层较底：层积云 3.天气判断“瓦块云，晒煞人”“天上鲤鱼斑，明天晒谷不用翻”“鱼鳞天，不雨也风颠”,32,第三节 降水 降水：从云中降到地面上的液态水和固态水统称为降水。云滴：云中半径小于100微米的水滴，标准云滴半径为10微米。雨滴：半径大于100微米的水滴，标准雨滴的半径为1000微米。降水的条件：1.云滴增长到能够克服空气的浮力和上升气流的顶托力；2.在降落

14、的过程中不至于被蒸发掉。,33,、大气降水,指从云层中降落到地面的液态或固态水。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层厚度，单位为 mm。降水强度：指单位时间内的降水量，单位为 mmh 或 mmd。降水变率：指各年降水量的距平数与多年平均降水量的百分比，表示降水量的变化程度。Cv=距平数平均数100,34,（一）降水的形成,降水从云中来，但有云未必有降水。形成降水的关键，是云滴迅速增大到能克服空气阻力和上升气流的顶托，并在降落过程中不被蒸发掉。1、云滴凝结（凝华）增长：指水汽分子凝结（凝华）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶）增长的过程。,过冷水滴蒸发冰晶凝华增长

15、,小水滴蒸发大水滴凝结增长,暖水滴蒸发冷水滴凝结增长,35,2、云滴冲并增长,是指两个或两个以上的水滴相碰合并而增大的过程。下降时，大水滴追上小水滴；上升时，小水滴追上大水滴，都会发生碰并，使云滴迅速增大。,在云滴增长过程中，上述两种过程共同作用，初期以凝结（凝华）增长为主，后期则以碰并增长为主，尤其在低纬度地区的暖云降水，碰并增长更为重要。,36,人工降水,根据自然界降水的原理，利用催化剂，促使云滴迅速凝结或碰并增大形成雨滴，达到降水的方法。冷云催化：人工增加冰晶，产生冰晶效应。方法：干冰（降温自生冰晶）；人工冰核（碘化银、氯化汞等）；暖云催化：提供大水滴，促进凝结、碰并增长。方法：氯化钠、

16、氯化钾等吸湿性物质.,37,（二）降水的类型（成因分类）,1、对流雨：近地面气层强烈受热上升，冷却凝结形成积雨云而降雨，常伴随雷电现象，又称热雷雨；赤道常年可见，我国夏季常见；2、地形雨：暖湿气流沿山地迎风坡抬升冷却凝结而降水。山地迎风坡常形成多雨中心，而背风坡则由于焚风效应，降水少，成为雨影区。3、锋面雨（气旋雨）：冷暖气团相遇，暖湿气流沿锋面抬升凝结成雨。降水范围广、时间长。在温带很常见；4、台风雨：可产生强度极大的降水。夏秋季常见；,38,（三）降水的时间变化,1 降水强度 单位时间内的降水量，称为降水强度。气象部门为确定一定时间内降水的数量特征，并用以预报未来降水数量变化趋势，将降水强

17、度划分为若干等级：,39,2.降水的日变化 一天内的降水变化，在很大程度受地方条件限制，可大致分为两个类型：（1）大陆型 特点是一天有两个最大值，分别出现在午后和清晨；两个最小值，分别出现在夜间和午前。（2）海洋型 特点是一天只有一个最大值，出现在清晨，最小值出现在午后。3.降水的季节变化 降水季节变化因纬度，海陆位置、大气环流等因素影响而不同。全球降水的年类型大致可分为以下几类：（1）赤道型：全年多雨，其中有两个高值和两个低值时期。春、秋分之后降水量最多；冬、夏至之后，降水量出现低值。这种类型分布在南北纬100以内的地区。,40,（2）热带型：位于赤道型南北两侧。由于太阳在天顶的时间不像在赤

18、道上间隔相等，随纬度的增加，两段最多降水量时间逐渐接近，至回归线附近合并为一个。（3）副热带型：副热带全年降水只有一个最高值，一个最低值。大陆东岸降水量集中于夏季（季风型），大陆西岸则冬季多雨（地中海型）。（4）温带及高纬型：内陆及东海岸以夏季对流雨为主，西海岸则以秋冬气旋雨为主。,41,（四）降水的地理分布,42,1、赤道多雨带：赤道及其两侧，是全球降水最多的地带，年降水量约 2000 3000 mm；2、副热带少雨带：南北纬 15 35 地带，受副热带高压的下沉气流和信风影响，干旱少雨，年平均降水量 500 mm 以下，此带的大陆西岸和内部更不到 200 mm，但大陆东南部受季风、地形影响

19、，可形成多雨中心；3、中纬度多雨带：大陆西岸受西风控制，大陆东岸受季风影响，降水较多，500 1000mm；4、高纬度少雨带：气温低，蒸发弱，大气含水汽少，一般年降水量不到 300 mm。,43,小结,大气运动在全球水、热平衡中起着独特的作用，其水热状况对比与分布，对地表自然景观的形成和地域分异有着深刻的影响。作业：讨论大气降水的形成过程,44,一、云滴增长的物理过程：云滴的凝结（华）增长 1.冰水云滴共存 2.冷暖云滴共存 3.大小云滴共存 云滴的冲并增长 1.尾流俘获 2.吞并增长 3.狭管效应,45,一 雨和雪的形成：雨的形成 水成云 冰成云 混合云 雪的形成 气温低于0度时，冰晶凝华增

20、大为雪花可一直落到地面形成降雪。为什么雪花形状缤纷多姿呢？,46,三 各类云的降水：积状云 层状云 波状云四 人工影响云雨：分别可加入干冰、碘化银和氯化钠氯化镁等。,47,复习思考题：用分子运动论解释水相变化。饱和水汽压与哪些因素有关，用分子运动论加以说明。大气中水汽凝结的条件有哪些？作用如何？霜和露的形成条件。雾的形成条件和形成过程？重庆雾和伦敦雾的差异？云的形成条件。积状云、层状云和波状云的形成过程及其对天气的指示意义。云滴增长的物理过程有哪些？具体机制如何？人工降雨的原理。10.影响蒸发的因素？,48,名词解释饱和水汽压 实际水汽压 饱和差 相对湿度贝吉龙过程 凝结潜热 升华潜热 雾 霜 露 雾凇 混合冷却 露点 霜冻 降水 暴雨 云滴 雨滴,49,