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1、第一章 大气概论,1,第二章 地球大气的成分及分布,第一章 大气概论,2,第二节 大气中的水汽,水汽的重要性在于：是大气中通常条件下唯一可以 发生相变的成分, 可以成云降水，影响天气； 是温室气体，影响地球能量收支，造成气候变化。,水循环:,第一章 大气概论,3,大气中的水量(铺到地表的厚度) : 2.5cm 海洋中的水量 陆地上的水量 大气含水量占地球总水量(海洋中的水量+陆地上的水量)的,第一章 大气概论,4,混合比和比湿 水汽压 绝对湿度(水汽密度) 相对湿度 露点和霜点 温度露点差,湿度：表示大气中水汽含量的物理量。,给定一个湿度量，可以得出其它湿度量。 （ 比如，已知水汽压和温度、气
2、压，求其它湿度量。）,第一章 大气概论,5,1、混合比 r 和比湿 q,混合比：湿空气中水汽质量 与干空气质量 之比。,比湿：湿空气中水汽质量 与湿空气质量 之比。,第一章 大气概论,6,无量纲量？ 和“质量百分比”定义相似,只不过,单位： 克/千克（g/kg） 水汽含量: 4%=0.04=40g/kg,因为大气中水汽的含量最多可达空气质量的百分之几（通常比这个量还要低很多） 最大值可达 40g/kg. 为什么呢? 地球上绝大多数的水为什么以液态形式存在呢?,第一章 大气概论,7,水汽在空气中所占质量很小，所以,第一章 大气概论,8,2、水汽压 e :,水汽压（e）：湿空气中水汽的分压强。,水
3、汽压（e）：湿空气中水汽的分压强。,第一章 大气概论,9,湿空气中水汽的摩尔分数：,：水汽摩尔数，,：干空气摩尔数,湿空气中水汽的分压强：,p：湿空气总压强,第一章 大气概论,10,又,取,第一章 大气概论,11,湿空气中水汽的分压,湿空气总压强,水汽压有地域差别，不同地区的气团水汽含量不同。 大气中水汽压通常小于 60hPa, 对应于比湿40g/kg.,所以,第一章 大气概论,12,纯水汽的饱和水汽压是指一定温度下纯水汽与水（冰）处于相态平衡时的水汽压，实验表明它仅与温度有关。 (实际上应该是平液面) 下面会补充: 饱和水汽压和哪些因子有关? 和温度有关， 和水分子蒸發面的性质（冰面还是水面
4、 ）、形狀（曲率）、是否带电、含有什么物质有关,饱和蒸汽压的微观解释：进入和逃出液面的气体分子 达到动态平衡时水汽的压强。,1) 饱和水汽压的概念,第一章 大气概论,13,大气各组分的临界温度和临界压强,为什么水汽是通常条件下唯一可以发生相变的成分？,第一章 大气概论,14,临界温度：加压力使气体液化的最高温度称为临界温度。（临界温度以下可以观察到相变，临界温度以上物质只以气态存在。） 亚临界状态 超临界状态,第一章 大气概论,15,临界温度以下: 如果汽体的温度不变，压强增加到一定程度，气态可以变为液态,第一章 大气概论,16,二氧化碳的汽液二相图( P-V 图),密闭容器,汽液共存状态，此
5、时蒸汽的压强称为饱和蒸汽压,第一章 大气概论,17,A,B,M,C,D,实验室中 CO2 的等温压缩过程,等温线,汽液共存状态， 此时蒸汽的压强称为饱和蒸汽压 饱和蒸汽压值由温度决定,第一章 大气概论,18,换个角度理解：,容器抽成真空，常温(比如 ,饱和水汽压是17hPa)，向其中滴水，容器中水的存在状态（液态、汽态、汽液共存）与滴入水的多少有关当以汽态形式存在时, 水汽压肯定小于饱和水汽压；当汽液共存时，水汽压肯定等于饱和水汽压，不会前者大于后者。 与P-V图中结果一致。 有干空气也影响不大 饱和水汽压：一定温度条件下，大气中水汽含量是有一定限度的，其最大水汽含量即容纳水汽的能力称为饱和水
6、汽量，相应的水汽分压强就是饱和水汽压。 (王衍明 大气物理学),第一章 大气概论,19,2) 饱和水汽压和温度的关系,水面饱和水汽压 冰面饱和水汽压,第一章 大气概论,20,表2.5(a) 平水面饱和水汽压 （hPa）,表2.5(b) 平冰面饱和水汽压 （hPa）,第一章 大气概论,21,饱和水汽压和温度的关系: 饱和水汽压随温度的升高而增大; 零度以上是水面饱和水汽压(水汽相对于水面达到饱和); 零度以下有水面饱和水汽压(水汽相对于水面达到饱和)和冰面饱和水汽压(水汽相对于冰面达到饱和); 零度以下冰面饱和水汽压小于水面饱和水汽压, 且二者在 相差最大.,第一章 大气概论,22,平的纯水面上
7、饱和水汽压的计算（两种方法）:,b) 马格奴斯经验公式：,t : 以摄氏度表示的温度,a) 克拉玻龙方程：,饱和水汽压 只决定于温度,第一章 大气概论,23,平的纯冰面上饱和水汽压的计算:,饱和水汽压只决定于温度,t : 以摄氏度表示的温度,第一章 大气概论,24,3) 补充:,饱和水汽压除和温度有关， 还和水分子蒸發面的性质（冰面还是水面 ）、形狀（曲率）、是否带电、含有什么物质有关.,第一章 大气概论,25,凹面饱和水汽压 平面饱和水汽压 凸面饱和水汽压,补充1: 饱和水汽压和蒸发面形状的关系(从微观角度看)：,第一章 大气概论,26,水面饱和水汽压 冰面饱和水汽压,38页,补充2: 为什
8、么 以下直到 会有两条 相平衡曲线?,补充3: 为什么 以下, 冰面饱和 水汽压小于水面 饱和水汽压?,第一章 大气概论,27,大面积水体 以下即结冰. 比如地面上: 夏天结露水, 地面附近是水面饱和水汽压;冬天结霜, 地面附近是冰面饱和水汽压. 小液滴不如此过冷却水（ 以下的高空大气中存在小液滴, 此时的液态水称为过冷却水）。,为什么 以下直到 会有两条相平衡曲线?,补充2:,第一章 大气概论,28,100%,50%,0%,水滴,云微物理学,从 到 都有过冷却雨滴,空气中的凝结核多于冰核,第一章 大气概论,29,以下水面饱和水汽压为什么会高于冰面饱和水汽压？ 从微观角度来解释：（图） 固面对
9、汽态分子的吸引 大于 液面对汽态分子的吸引。,补充3:,饱和蒸汽压的微观解释：进入和逃出液面的气体分子 达到动态平衡时水汽的压强。,第一章 大气概论,30,4) 从饱和蒸汽压的概念出发, 为什么地球大气中水汽的分压不超过60hPa?,第一章 大气概论,31,3、绝对湿度或水汽密度v (absolute humidity),湿空气中所含的水汽质量 m 与该湿空气体积 V 之比，即 v=m/V，单位: 克/立方米。,第一章 大气概论,32,下面涉及到考虑相变时的物理量,一定温度下水汽的分压强是有一定限度的，超过此值,会发生相变。这是我们关心的问题有雾、雨 。 同时，其它湿度参量露点、比湿、绝对湿度
10、、相对湿度等也都是有限度的。,第一章 大气概论,33,4、相对湿度,湿空气中实际水汽压 （e）与同温度下饱和水汽压（ ）的百分比，即 。,空气中水汽的摩尔分数（ ）与同温同压条件下饱和水汽的摩尔分数（ ）比。,第一章 大气概论,34,i: 湿空气中某一组分,比如 水汽的状态方程,湿空气的状态方程,水汽的摩尔分数,同理, 饱和水汽的摩尔分数：,第一章 大气概论,35,第一章 大气概论,36,5、露点 和霜点,露点（或霜点）：湿空气等压降温达到饱和时的温度。 (等压降温过程) 如果对水面达到饱和则为露点（dew point） ( 以上 ) ， 如果对冰面达到饱和则为霜点 （frozen point
11、）( 以下 ) 。 (图),第一章 大气概论,37,露、霜形成的条件: 大都出现于天气晴朗、无风或微风的夜晚。 一般在夜间形成，日出以后，温度升高，露就蒸发消失了。,第一章 大气概论,38,夏秋季,冬季,A,B,此图的理解？,湿空气在A点( )未饱和 (水汽压 小于此时温度对应的饱和水汽压 ). 等压降温到达B点( ), 此时的温度 对应的饱和水汽压恰好等于气团中的水汽压, 该温度称为气团的露点温度.,第一章 大气概论,39,三相点：三相平衡共存状态。,临界温度：加压力使气体液化的最高温度。,升华曲线,汽化曲线,熔解曲线,第一章 大气概论,40,露点和水汽压一一对应 ; 水汽压确定了,露点就确
12、定了.,t : 以摄氏度表示的温度,露点温度接近于当天的最低温度,说明:,第一章 大气概论,41,雨凇、雾凇的产生,第一章 大气概论,42,雨凇、雾凇的产生 初冬或冬末初春，冷暖空气交锋，冷空气温度在 以下，其上暖空气温度在 以上。从暖空气中降下的雨滴经冷空气时变为过冷雨滴，落在树枝、电线或其它物体上时，会突然冻成一层外表光滑晶莹剔透的冰层，这就是“雨淞”（冻雨）。 如果气温与水温相差很大，则因水面蒸发大量水汽，在水面附近的冷空气便发生水汽凝结成雾。如果气温是零下, 河水零度以上, 会形成过冷却雾. 被风吹散, 在地面物体上结冰。这时在电线上、树枝上形成了白色的冰花，叫做“雾凇” (俗称“树挂
13、”)。,第一章 大气概论,43,温度露点差: 温度与露点的差. 温度露点差越大, 空气距饱和程度越远.,6、温度露点差,第一章 大气概论,44,例题1,气温 ，气压1017.7hPa，相对湿度37%时，求所有其它的湿度值。 解：饱和水汽压 水汽压 绝对湿度 混合比(比湿) 露点 温度露点差,第一章 大气概论,45,例题2,已知1000hPa和900hPa气层间平均比湿是 q=2g/kg。如果所有水汽全部凝结，所获得的液态水厚度（可降水量）是多少（mm）？ 解：单位截面气柱内水汽的质量为,可降水量,第一章 大气概论,46,The mean distribution of precipitable
14、 water, or total atmospheric water vapor above the Earths surface, for 1992. This depiction includes data from both satellite and radiosonde observations. (Image courtesy of Thomas Vonder Haar and David Randel, Colorado State University, Fort Collins.),1992年可降水量的平均分布（由无线电探空资料和卫星资料共同推得）,第一章 大气概论,47,S
15、chematic of the tropospheric and stratospheric layers and the tropopause, the boundary between the two. The mean vertical distribution of temperature and the water vapor mixing ratio in the atmosphere are shown. Note that the mixing ratio scale is logarithmic and the vertical scales give approximate conversions between atmospheric pressure (in millibars) and altitude (in kilometers). (Figure courtesy of Dian Gaffen, Air Resources Laboratory, Silver Spring, Maryland.),温度和 水汽混合比 随高度的变化,第一章 大气概论,48,多年平均海平面相对湿度,副热带、陆地地区远远没有达到饱和,
