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1、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
2、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：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（Latentheatoffusion）Lf：Lf=3.34105J/kg蒸发(凝结)潜热（Latentheatofvaporization）Lv:Lv=（2500-2.4t）103（J/kg）升华（凝华）潜热（Latentheatofsublimation）Ls:L
3、s=（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EieEw之间时，水滴会不断蒸发而缩小，冰晶不断凝华而增大。TE0EwEieE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
4、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10-4cm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
5、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
6、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：
7、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)(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：华东：重庆：（3）经验公式法原理：取一土壤立方体，底部绝取一土壤立方体，底部绝热，地表热量收支项如图所视，土热，地表热量收支
8、项如图所视，土壤储热增量壤储热增量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 计算公式计算公式：热量平衡方程为：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（
9、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
10、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。：地面辐射
11、冷却使近地面气温降低到露点时而形成的雾。形成条件形成条件：a)空气中有充足的水汽；空气中有充足的水汽；b)天气晴朗少云；天气晴朗少云；c)风力微弱（风力微弱（13m/s）；）；d)大气层结稳定。大气层结稳定。特点特点：a)秋、冬季频发；秋、冬季频发；b)日变化明显；日变化明显；c)形成辐射雾的天气通常晴好；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；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。强风天气通常不会出现辐射雾。平平流流雾雾：暖暖湿湿气气流流经经过过较较冷冷的的下下垫垫面面（水水面面或或陆陆面面）时时，因因下下垫垫面面的的冷冷却却作
12、作用用，低低层层气气温温降降低低到到露露点点时时而而形形成成的的雾雾。多多形形成成于于冷冷暖暖海海水交汇区，故亦称水交汇区，故亦称海雾海雾。形成条件形成条件：a)下垫面与暖湿空气的温差较大；下垫面与暖湿空气的温差较大；b)暖空气的湿度大；暖空气的湿度大；c)适宜的风向（由暖向冷）和风速（适宜的风向（由暖向冷）和风速（27m/s）；）；d)大气层结稳定。大气层结稳定。特点特点： a)浓而厚；浓而厚；b)范围广；范围广；c) 持续时间长；持续时间长；d)日变化不显著；日变化不显著；e)强风天气通常不会出现平流雾。强风天气通常不会出现平流雾。锋锋面面雾雾：当当暖暖锋锋降降水水穿穿过过锋锋前前的的冷冷
13、气气团团时时，雨雨滴滴蒸蒸发发，使使近近地地面面冷冷空空气气中中的的水水汽汽达达到到饱饱和和而而形形成成的的雾雾。通通常常伴伴随随降降水水而而形形成成，故故亦亦称称降水雾或雨雾。降水雾或雨雾。形成条件形成条件：a) 锋面气旋；锋面气旋；b)暖锋；暖锋；c)降水；降水； 特点特点： a)带状分布，长几百海里、宽带状分布，长几百海里、宽50100海里；海里；b)随锋面和雨带行动移动了移动随锋面和雨带行动移动了移动; c)日变化不明显。日变化不明显。蒸蒸汽汽雾雾：寒寒冷冷而而稳稳定定的的空空气气覆覆盖盖于于相相对对较较暖暖的的水水面面上上，水水面面蒸蒸发发使使近水面空气达到饱和凝结而成的雾。近水面空
14、气达到饱和凝结而成的雾。地地形形雾雾：稳稳定定的的空空气气沿沿高高地地或或山山坡坡上上升升时时因因绝绝热热冷冷却却而而形形成成的的上上坡坡雾。雾。形成条件形成条件：a) 深秋和冬季；深秋和冬季；b)水温高于气温；水温高于气温；特点特点： a)浓度小；浓度小；b)面积不广面积不广; c)与风速无关。与风速无关。（一）云的定义（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。可见聚合体。（二）云的形成（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当近地面的空气向上运动时，空气中的水汽会因冷
15、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。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
16、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。TZTH1H2H3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
17、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(晴天积云晴天积云):Widelyseparatedheapswithflatbottomsandroundedtops.Smallverticaldevelopment.Swelling
18、cumulus(浓积云浓积云):Separatedactivelygrowingheapcloudswithflattishbottomsandrounded,hard-edgedtops.Stratocumulus(层积云层积云):Alayerofclumpsofcloudwiththickandthinareas,oftenmixedwithcumulus.Nimbostratus(雨层云雨层云): Widespreadthicklayerofdarkgraycloudproducingsteadyrain.Nimbostratus (雨层云雨层云):Awidespreadthicklay
19、erofcloudproducingcontinuoussnow.Stratus(层云层云):Poorlydefinedlowcloud,usuallywithraggededges.Cumulonimbus (积雨云积雨云)Shower: Widelyseparatedshowersorsquallsofrain,andsometimeshail,developingintallcloud.Cumulonimbus(积雨云积雨云):Mostactivememberofthecumulusfamily;flattishbase,topssometimesextending5miles.Cumu
20、lonimbus(积雨云积雨云):Amassivecloudsystemwithflattishbaseandtopsometimesflattenedatbaseofthestratosphere.Thesourceoflightningandthunder,hail,tornados,heavylocalizedrainshowers.High (Alto) Stratocumulus(高层高层/积云积云):Higherlayerofclumpycloud,sometimesmixedwithCumulus.Billow Altocumulus(波状高积云波状高积云):Unusuallon
21、grollsofcloudoccurringinaltoorcirrocumulusduetoshearingmotion.Cloudsinregionsofascendingair;spacesinregionsofdescendingair.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
22、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
23、.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：湿空气上升湿空气上升水汽饱和水汽饱和+凝结核凝结核云云滴滴碰并增长碰并增长下降下降变形变形破破碎碎上升上升碰并增长碰并增长下降下降变变形形破碎破碎 暖云降水。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。降水机制冰晶效应冰晶效应凝华增长凝华增长下降下降变形变形破碎破碎上升上升碰并增长碰并增长下降下降变形变形破碎破碎 冷云冷云降水。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
24、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
25、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CuCi、Cc303540陆面黑土森林植被沙漠14151827厚云CsStAc,As,ScCuNsCb746568758590冰雪海冰旧雪新雪355980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（10m 12m ）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
26、；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（6m 7m ）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
27、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）00:00UTC29,APR.2009地面分析图（ASAS）06:00UTC29,APR.2009地面分析图（ASAS）12:00UTC29,APR.2009地面分析图（ASAS）18:00UTC29,APR.2009红外图象（IR）00:00UTC29,APR.2009红外图象（IR）06:00UTC29,APR.2009红外图象（IR）12:00UTC29,APR.2009红外图象（IR）18:00UTC29,APR.200
28、9可见光图象（VIS）00:00UTC29,APR.2009可见光图象（VIS）06:00UTC29,APR.2009可见光图象（VIS）10:00UTC29,APR.2009可见光图象（VIS）22:30UTC29,APR.2009水汽图象（WV）00:00UTC29,APR.2009水汽图象（WV）06:00UTC29,APR.2009水汽图象（WV）12:00UTC29,APR.2009水汽图象（WV）18:00UTC29,APR.2009精品课件精品课件！精品课件精品课件！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。
