第5章 大气的水分.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,海陆大循环,海洋小循环,外流区,小循环,内流区,小循环,第,5,章 大气中的水分,水相变化的判据,水、水汽两相系统,：,E,e,蒸发（未饱和）,E=e,动态平衡（饱和）,E,e,凝结（过饱和）,冰、水汽两相系统,：,Es,e,升华,Es=e,动态平衡,Es,e,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,）,L,f,：,L,f,=3.3410,5,J/kg,蒸发,(,凝结,),潜热（,Latent heat of vaporization,）,L,v,:,L,v,=,（,2 500-2.4t,）,10,3,（,J/kg,）,升华（凝华）潜热（,Latent heat of sublimation,）,L,s,:,L,s,=,（,2.510,6,+3.3410,5,）,J/kg=2.810,6,J/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=0,C,时，,E,0,=6.11hPa,；,当,t0C,时，,冰面,饱和水汽压,E,i,小于,过冷却水面,饱和水汽压,E,w,。,“,冰晶效应,”,在冰水混合云中，,当,E,i,e,E,w,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,E,w,E,i,eE,凝结,E,0,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,-4,cm,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,（,1,）水量平衡法,原理：,水量平衡，适用于,区域内具有较长期的降雨和径流资料,基本公式：,EA=PA-RS,式中，,A,为区域面积，,E,、,P,、,R,及,S,依次,为研究时段内该区域的蒸散发量、降水量、地表地下径流量、区域蓄水量增量。,特点,：精度差、较短时段内的,W,难估算,（,2,）涡度相关法,：,超声风速仪、脉动温度仪、红外湿度仪，观测数据,w,、,T,及,q,，水汽垂直通量（即蒸发比）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,一般形式：,E=kf(u)(e,0,-,e,z,),其中，,f,（,u,）,为风速的函数，,e,0,为饱和水汽压，,e,z,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+0.2u,2,)(e,0,-e,2,),2,）,Kuzmin,公式：,E=6.0(1+0.21u,8,)(e,0,-e,8,),国内典型公式：,华东：,重庆：,（,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,H,e,=LE,，令,H,p,=,H,e,，,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。,T,Z,T,H,1,H,2,H,3,云,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,。,波状云的形成,云,云,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 heaps,with 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 gray,cloud 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,0,C,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。,0,暖云,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。,0,冷云,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,0.5,m,；,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,地表,反射率（,%,）,云,反射率（,%,）,海洋、湖泊,8,薄,云,Cu,Ci,、,Cc,30,35,40,陆,面,黑土,森林,植被,沙漠,14,15,18,27,厚,云,CsSt,Ac,As,Sc,Cu,Ns,Cb,74,65,68,75,85,90,冰,雪,海冰,旧雪,新雪,35,59,80,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。,