第三讲.大气湿度与凝结.ppt

1、大气中的水 水是大气中的重要成分。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。 水对许多大气过程，尤其是激烈的天气过程起着关键作用。 水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。 水循环可以冲刷大气中的污染成分。 云量会影响大气的辐射平衡。 水汽的多少也影响人的舒适度。 水的分子结构 两个氢氧键之间的夹角是105°，所以，水分子具有明显极性。 冰的晶体结构 当水处于固体状态（冰）时，水分子由于分子之间强的极性固定在一起，呈正6面体晶体。这些水分子无法移动，但可以振动。 一个雪片可以由许多这样的晶体组成。 水的相变 对冰加热，分子振动加强，当振动强到足以摆脱分子之间的引力时，晶体结构被破坏，水分子呈无序状态，固态水变成液态水，这个过程称为融化（溶化，melting）。 一些水分子具有足够大的动能和速度，彻底摆脱分间的引力而进入空气中，这种从固态直接到气态的相变成为升化（sublimation)。 从液态到气态的相变相变叫蒸发(evaporation)。 大气中的水循环（Hydrological Cycle） 水的循环过程 海洋和湖泊的水通过蒸发过程到大气 大气中的水可长距离输送 动植物通过蒸腾作用（Transpiration） 也可放出水汽 空气抬升变冷可凝结成水滴 大水滴下落到产生降水 降水可渗入地下变成地下水 降水可变成地面径流，进入江河湖泊。 水的库存和通量 容量： 13 通量： 423 / 年 停留时间： 13 / 423 =0.03 年 = 11 天 2、蒸发和饱和 饱和不是指空气象海绵那样有容纳水汽的能力(大气不是海绵) 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。 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。如果把盖子去掉，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。 分压 总压力 = PN2+ PO2 + PAr + PH20 + PCO2 + … 水汽压: 水汽分子产生的压力 总压力是1000 mb, PN2 ~ 780 mb 78% PO2 ~ 210 mb 21% PH20 ~ 10 mb 1% 分压是一个常用的表示 气体含量的单位 湿空气 空气是各种气体的混合体，空气 = 干空气 + 水汽 湿空气密度更大? 干空气（只含氧气和氮气）的分子量： 氮 = 14 x 2 = 28 x 0.78 ~ 22 氧 = 16 x 2 = 32 x 0.21 ~ 7 合计: 29 水汽的分子量 氢 = 1 x 2 = 2 氧 = 16 x 1 = 16 18 饱和水汽压 空气饱和时水汽分子产生的压力 饱和需要的水汽分子数目随温度增加而增加。 在同等温度下，冰面与水面的饱和水汽压不同！ Clausius-Clapeyron方程 3、描述大气水汽含量的方法 绝对湿度 or 水汽密度 (ρv) 比湿 (q) 相对湿度 (RH) 露点温度 (Td) 实际水汽压 (e or ea) 绝对湿度(absolute humidity) 单位体积内的水汽质量(gm-3), 取决于温度和压力, 很少使用(why?) 空气膨胀冷却，压缩加热体积变化，则绝对湿度也变化 比湿 (q, specific humidity) 比湿 (q) = 水汽质量(kg)/空气质量(kg) 空气质量 = 干空气 + 水汽 当体积改变时，质量不变，所以，比湿不变，q 守恒的湿度量 q的变化表示空气中水汽量的变化 (蒸发，凝结） 比湿和混合比 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，分别称为比湿和混合比 相对湿度 一些可能的误解 相对湿度100%不表示空气全是水汽 热天, 热带室外空气中水汽含量一般小于20 g/kg 35°C 时饱和比湿36.8 g/kg RH = (20g/kg / 36.8 g/kg) ? 100% = 53% T = -20°C, 饱和比湿0.8 g/kg，假设水汽含量是0.7 g/kgRH = (0.7g/kg / 0.8 g/kg) ? 100% = 90%T = +20°C, 饱和比湿8 g/kg，假设水汽含量 7 g/kgRH = (7g/kg / 8 g/kg) ? 100% = 90% 相对湿度的例子 Rh 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，最低在下午。 R