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1、1Ch04、云和降水物理学、云和降水物理学1.蒸发和饱和蒸发和饱和2.描述大气水汽含量描述大气水汽含量的方法的方法3.相对湿度相对湿度4.凝结过程凝结过程5.露和霜的形成露和霜的形成阅读：阅读：Meteorology Today，第，第5、6、8章章6、霾和雾、霾和雾7、云、云8、降水过程、降水过程9、云滴的凝结增长、云滴的凝结增长10、云滴的碰并增长、云滴的碰并增长11、冰晶过程、冰晶过程2大气中的水大气中的水n水是大气中的重要成分。水是大气中的重要成分。水汽是大气中唯一水汽是大气中唯一一种在大气自然条件下有三相变化的气体。一种在大气自然条件下有三相变化的气体。由于它在相态变化时涉及到极大的
2、能量交换，由于它在相态变化时涉及到极大的能量交换，它对许多大气过程，尤其是激烈的天气过程它对许多大气过程，尤其是激烈的天气过程起着关键作用。起着关键作用。n它的相变影响大气中的能量平衡，如蒸发导它的相变影响大气中的能量平衡，如蒸发导致冷却、凝结导致热量释放；水循环可以冲致冷却、凝结导致热量释放；水循环可以冲刷大气中的污染成分；云量的多少影响大气刷大气中的污染成分；云量的多少影响大气的辐射平衡；水汽的多少也影响人的舒适度。的辐射平衡；水汽的多少也影响人的舒适度。31、蒸发和饱和蒸发和饱和n蒸发和凝结速率相等，蒸发和凝结速率相等，n大气不是海绵大气不是海绵：饱和不是指空气象海绵那样有容纳水汽的能力
3、，饱和不是指空气象海绵那样有容纳水汽的能力，n饱和指蒸发和凝结处于平衡状态，多余的水汽将打破这一平衡。饱和指蒸发和凝结处于平衡状态，多余的水汽将打破这一平衡。n左下图所示的茶杯，如果盖上一个盖子，蒸发的水分子最终将和凝左下图所示的茶杯，如果盖上一个盖子，蒸发的水分子最终将和凝结的水分子达到平衡，这时，水汽达到饱和。如果把该字去掉，一结的水分子达到平衡，这时，水汽达到饱和。如果把该字去掉，一部分水分子将向空气中逃去，平衡被破坏，更多的水分子将蒸发。部分水分子将向空气中逃去，平衡被破坏，更多的水分子将蒸发。4分压分压水汽压水汽压:水汽分子产生的压力，水汽分子产生的压力，水汽压与水汽密度水汽压与水汽
4、密度(v)和温度和温度的关系由理想气体定律表示的关系由理想气体定律表示e=vRvT.大气总压力大气总压力=PN2+PO2+PAr+PH20+PCO2+总压力是总压力是1000 mb,PN2 780 mb 78%PO2 210 mb 21%PH20 10 mb 1%5湿空气湿空气n空气是各种气体的混合体，包括水汽也就是：空气空气是各种气体的混合体，包括水汽也就是：空气 =干空气干空气 +水汽水汽n湿空气密度更大湿空气密度更大?n干空气（只含氧气和氮气）的分子量：干空气（只含氧气和氮气）的分子量：氮氮=14 x 2=28 x 0.78 22 氧氧=16 x 2=32 x 0.21 7 29n水汽的
5、分子量水汽的分子量氢氢=1 x 2=2 氧氧=16 x 1=16 18n湿空气密度小，有升高的趋势湿空气密度小，有升高的趋势6饱和水汽压饱和水汽压n空气饱和时水汽分子产空气饱和时水汽分子产生的压力生的压力n饱和需要的水汽分子数饱和需要的水汽分子数目随温度增加而增加。目随温度增加而增加。n在同等温度下，冰面与在同等温度下，冰面与水面的饱和水汽压不同！水面的饱和水汽压不同！7Clausius-Clapeyron方程方程饱和水气压与温度的关系可以用饱和水气压与温度的关系可以用Clausius-Clapeyron关系来表示关系来表示1.描述了给定温度下的最大水描述了给定温度下的最大水汽含量汽含量 2.
6、饱和水汽压与温度不是线性饱和水汽压与温度不是线性关系关系82、描述大气水汽含量的方法描述大气水汽含量的方法n绝对湿度绝对湿度 or 水汽密度水汽密度(v)n比湿比湿(q)n相对湿度相对湿度(RH)n露点温度露点温度(Td)n实际水汽压实际水汽压(e or ea)9绝对湿度绝对湿度(absolute humidity)n单位体积内的水汽质量单位体积内的水汽质量(gm-3),n取决于温度和压力取决于温度和压力,很少使用很少使用(why?)空气空气膨胀冷却，压缩加热体积变化，则绝对湿度膨胀冷却，压缩加热体积变化，则绝对湿度也变化也变化10比湿比湿 (q,specific humidity)比湿比湿(
7、q)=水汽质量水汽质量(kg)/空气质量空气质量(kg)n空气质量空气质量=干空气干空气+水汽水汽n当体积改变时，质量不变，所以，比湿不变，当体积改变时，质量不变，所以，比湿不变，q 守恒的湿度量守恒的湿度量nq的变化表示空气中水汽量的变化的变化表示空气中水汽量的变化(蒸发，凝结）蒸发，凝结）11n它们的差别在于用总质量还是用干空气它们的差别在于用总质量还是用干空气质量与水汽质量去比，分别称为比湿和质量与水汽质量去比，分别称为比湿和混合率混合率比湿和混合率比湿和混合率12从图中可以看到赤道地从图中可以看到赤道地区的比湿最高，向二面递区的比湿最高，向二面递减，到极地最低。减，到极地最低。虽然世界
8、上主要的沙漠虽然世界上主要的沙漠地区是在副热带（纬度地区是在副热带（纬度30300 0附近）的地区，但从曲附近）的地区，但从曲线上并没有特别减小的特线上并没有特别减小的特征，这也可以说沙漠地区征，这也可以说沙漠地区的空气并不是最干的。的空气并不是最干的。比湿随纬度的变化比湿随纬度的变化13相对湿度相对湿度14一些可能的误解一些可能的误解1.相对湿度相对湿度100%不表示空气全是水汽不表示空气全是水汽2.热天热天,热带室外空气中水汽含量一般小于热带室外空气中水汽含量一般小于20 g/kg 35C 时饱和比湿时饱和比湿36.8 g/kg RH=(20g/kg/36.8 g/kg)100%=53%3
9、.T=-20C,饱和比湿饱和比湿0.8 g/kg，假设水汽含量是，假设水汽含量是0.7 g/kgRH=(0.7g/kg/0.8 g/kg)100%=90%T=+20C,饱和比湿饱和比湿8 g/kg，假设水汽含量，假设水汽含量 7 g/kgRH=(7g/kg/8 g/kg)100%=90%15相对湿度的例子相对湿度的例子T=14C比湿比湿=6g/kg饱和比湿饱和比湿=10 g/kgRH=6g/kg/10 g/kg 100%=60%T=25C比湿比湿=6g/kg饱和比湿饱和比湿=20 g/kgRH=6g/kg/20 g/kg 100%=30%16相对湿度随温度的变化相对湿度随温度的变化17Rh 的
10、日变化的日变化白天，空气中的水汽含量实质上没有太大变化，但一天中温度变化白天，空气中的水汽含量实质上没有太大变化，但一天中温度变化很大，相对湿度就会有明显的日变化，因为温度改变，饱和水汽很大，相对湿度就会有明显的日变化，因为温度改变，饱和水汽压也变了。相对湿度与温度反相关，最高一般在清晨，最低在下压也变了。相对湿度与温度反相关，最高一般在清晨，最低在下午。午。18RH随纬度的变化随纬度的变化热带高，热带高，副热带低，副热带低，极地高。极地高。请比较该图和请比较该图和比湿随纬度比湿随纬度的变化！的变化！19露点温度露点温度Tdn露点：等压冷却达到饱和时的温度。露点：等压冷却达到饱和时的温度。n如
11、某气块中的水汽含量不变，假想由于温如某气块中的水汽含量不变，假想由于温度的降低，相对湿度会逐渐变大。当相对度的降低，相对湿度会逐渐变大。当相对湿度变为湿度变为 100%100%，即空气变得饱和时的温度，即空气变得饱和时的温度称为该气块的露点温度，简称露点。称为该气块的露点温度，简称露点。n露点温度可以很好地反映气块中水汽量的露点温度可以很好地反映气块中水汽量的多少。多少。n气块的实际温度和露点温度之差，称为温气块的实际温度和露点温度之差，称为温度露点差，可以很好地反映相对湿度。度露点差，可以很好地反映相对湿度。（离饱和还有多远）（离饱和还有多远）20计算相对湿度和露点计算相对湿度和露点nTet
12、ens公式213、相对湿度与相对湿度与人体对相对湿人体对相对湿度的反应度的反应n人体主要对相对湿度，而不是对绝对湿度有反应。其主人体主要对相对湿度，而不是对绝对湿度有反应。其主要原因是人体的反应与水份的蒸发有关，而水份的蒸发要原因是人体的反应与水份的蒸发有关，而水份的蒸发直接与相对湿度有联系。直接与相对湿度有联系。n在炎热的条件下，人需要通过汗水蒸发来散发热量。当在炎热的条件下，人需要通过汗水蒸发来散发热量。当大气相对湿度高时，蒸发困难，热量就散发不出去，人大气相对湿度高时，蒸发困难，热量就散发不出去，人感觉到闷热。感觉到闷热。n在冬天，相对湿度比较低，皮肤蒸发很快，容易出现皮在冬天，相对湿度
13、比较低，皮肤蒸发很快，容易出现皮肤干裂的现象。肤干裂的现象。n以下气象条件，人体温调节装置不灵了：以下气象条件，人体温调节装置不灵了：相对湿度：相对湿度：85，气温，气温 3031C；相对湿度：；相对湿度：50，气温气温 38C；相对湿度：；相对湿度：30，气温，气温 40C223、凝结过程凝结过程n由水汽凝结产生云和露的过程实际上并不是一个很简单的过程，由水汽凝结产生云和露的过程实际上并不是一个很简单的过程，并不是只要空气达到饱和就可以了。并不是只要空气达到饱和就可以了。n热力学计算表明，对纯净水汽，只有相对湿度热力学计算表明，对纯净水汽，只有相对湿度500%以上，水汽以上，水汽才能开始凝结
14、。才能开始凝结。n通常情况下，凝结过程往往要依附于一个颗粒，能起这种作用的通常情况下，凝结过程往往要依附于一个颗粒，能起这种作用的颗粒物被称为凝结核。颗粒物被称为凝结核。n大气中有许多尘埃，气溶胶颗粒都可以起到凝结核的作用，其中大气中有许多尘埃，气溶胶颗粒都可以起到凝结核的作用，其中吸湿性的颗粒，如盐粒子等都很有效。大气中的凝结核数量大约吸湿性的颗粒，如盐粒子等都很有效。大气中的凝结核数量大约每立方米每立方米100-数千个。数千个。n凝结核越大，它形成最初的水滴也越大，以后的增长要求的过饱凝结核越大，它形成最初的水滴也越大，以后的增长要求的过饱和度也越低。和度也越低。23云凝结核云凝结核（CC
15、N）n对云滴形成最有利的核是半径大于对云滴形成最有利的核是半径大于0.1m的颗粒，称为云凝结核的颗粒，称为云凝结核（Cloud Condensation Nuclei）。一般大气中其浓度为）。一般大气中其浓度为 100 1000 个个/cm3。在大气污染的地区，其浓度会很高，达到。在大气污染的地区，其浓度会很高，达到 106/cm3。n它们的来源包括灰尘，火山，森林火灾，海水溅沫，海洋生物排放它们的来源包括灰尘，火山，森林火灾，海水溅沫，海洋生物排放的硫化物，人类活动排放的各种颗粒物。的硫化物，人类活动排放的各种颗粒物。n有些凝结核是吸湿性的，它在相对湿度达到有些凝结核是吸湿性的，它在相对湿度
16、达到 100%之前就已经潮之前就已经潮解了，它对形成水滴特别一利。海盐在相对湿度解了，它对形成水滴特别一利。海盐在相对湿度 78%就开始潮解。就开始潮解。其他还有硫酸盐和硝酸盐的颗粒也有吸湿性。其他还有硫酸盐和硝酸盐的颗粒也有吸湿性。n目前一个十分受到关注的问题是人类活动增加的大量目前一个十分受到关注的问题是人类活动增加的大量 CCN 是否会是否会影响到云或降水的特性。但影响到云或降水的特性。但 CCN 是绝对重要的。如果大气完全清是绝对重要的。如果大气完全清洁，一个洁，一个 CCN 都没有，大气环境将是不可思议的。都没有，大气环境将是不可思议的。24云凝结核云凝结核（CCN）n大于大于0.1m的的CCN可以成为可以成为云滴云滴n空气中空气中CCN浓度一般浓度一般100 1000/cmn吸湿吸湿CCN(RH 100%时时才凝结生长才凝结生长)hygroscopichydrophobic25露和霜的形成露和霜的形成n在晴朗，无风的夜晚，容易形成露在晴朗，无风的夜晚，容易形成露和霜和霜n露和霜经常出现在植物叶子表面露和霜经常出现在植物叶子表面n冬天，窗户玻璃上常常可以看到结冬天，窗户玻璃上
