最新大气湿度与凝结教学课件.ppt

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1、大气湿度与凝结大气湿度与凝结大气湿度与凝结大气湿度与凝结云雾物理学基础大气湿度大气湿度大气中的水绝对湿度比湿和混合比水汽压相对湿度与露点相对湿度与人湿度的测量凝结，雾凝结，雾露(dew)和霜(frost)的形成凝结核(condensation nucleus)霾(haze)雾(fog)卫星监测大气卫星监测大气大气遥感大气遥感阅读Meteorology Today(Chapter 5,6)大气中的水可以以各种形式存在大气中的水可以以各种形式存在o 水汽:湿度湿度o 液滴:云，雾，雨云，雾，雨o 冰:云，雾，雹，雪，云，雾，雹，雪，三相可同时存在n空气是各种气体的混合体，包括水汽空气是各种气体的混

2、合体，包括水汽n水汽是一种气体水汽是一种气体 n空气空气=干空气干空气+水汽水汽n湿度湿度是指空气中的水汽含量湿空气密度更大?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=28,78%22 氧氧=16 x 2=32,21%7 29 单位单位n水汽：水汽：氢氢=1 x 2=2 氧氧=16 x 1=16 18 单位单位n湿空气密度小，有升高的趋势湿空气密度小，有升高的趋势分压水汽压水汽压:水汽分子产生的压力水汽分子产生的压力总压力是总压力是1000 mb,PN2 780 mb78%PO2 210 mb21%PH20 10 mb1%分压是一个常用的表示分压

3、是一个常用的表示气体含量的单位气体含量的单位水汽压水汽压 水汽压水汽压是大气中水分子大气中水分子产生的压力压力水汽压水汽压是大气水分含量的一种表示方法 水汽压水汽压与水汽密度水汽密度(v)和温度温度的关系由理想气体定律理想气体定律表示表示e=vRvT标准单位标准单位 Pascal(Pa)USA:millibars(mb)1 mb=100 PaWorld:hPa饱和n空气中水汽含量达到最大值的状态n饱和时水汽含量只是温度的函数n饱和时的水汽压叫饱和水汽压esn当e=es,表示该温度下水汽压的最大值n蒸发和凝结速率相等n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n饱和指蒸发和凝结处于平

4、衡状态，多余的水汽将打破这一平衡。n高温蒸发速率高，需要更多的水汽达到平衡。因此饱和与温度有关。饱和水汽压与温度的关系n空气饱和时水汽分子空气饱和时水汽分子产生的压力产生的压力n饱和需要的水汽分子饱和需要的水汽分子数目虽温度增加而增数目虽温度增加而增加加n饱和水汽压与温度有饱和水汽压与温度有关，但关，但不是线性关系不是线性关系。冰面与水面不同！Clausius-ClapeyroncurveClausius-Clapeyron方程方程Clausius-Clapeyron曲线曲线的重要性的重要性说明暖空气暖空气可可含有更多的水汽更多的水汽描述了给定温度下的最大水汽含量最大水汽含量 可以用水汽压或者

5、其他湿度单位来表示水汽量饱和水汽压只是温度的函数！饱和水汽压只是温度的函数！如何表示空气中水汽的多少？描述大气水分的方法描述大气水分的方法 绝对湿度or水汽密度(v)比湿(q)相对湿度(RH)露点温度(Td)实际水汽压(e)定义n绝对湿度绝对湿度n单位体积内的水汽质量（g/m3）n比湿比湿n单位空气质量中的水汽质量(g/kg)n水汽压水汽压n水汽分子的分压(hPa)n饱和水汽压饱和水汽压n饱和空气中水汽的分压(hPa)水汽密度水汽密度 绝对湿度绝对湿度(v)绝对湿度绝对湿度(v)=水汽质量水汽质量/空气体积unit:kg/m3org/m3 决定于决定于温度和和压力 很少使用很少使用(why?)

6、水汽质量密度水汽质量密度:比湿比湿(q)比湿比湿(q)=水汽质量水汽质量/空气质量kg/kgn空气质量=干空气+水汽 体积改变，但质量则不变：体积改变，但质量则不变：温度或压力引起空气膨胀温度或压力引起空气膨胀 q不变 q守恒的湿度量守恒的湿度量q的变化表示表示空气中水汽量的变化(蒸发，凝结）蒸发，凝结）饱和比湿饱和比湿:解释飞机尾迹的形成n差别在于用差别在于用总质量总质量还是用还是用干空气质量干空气质量与水汽质与水汽质量去比，分别称为比湿和混合比量去比，分别称为比湿和混合比比湿和混合比从图中可以看到赤道地区的比湿最高，向二面递减，到极地最低。虽然世界上主要的沙漠地区是在纬度300的地区，但从

7、曲线上并没有特别减小的特征，这也可以说沙漠地区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相对湿度(RH)有关相对湿度的问题n相对湿度相对湿度100%是什么意思是什么意思?n草地浇水的时间在什么时候蒸发最小草地浇水的时间在什么时候蒸发最小?n冬天，相对湿度是室内大还是室外大冬天，相对湿度是室内大还是室外大?室内蒸发速率室内蒸发速率大还是室外大大还是室外大?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

8、100%=30%RH的日变化的日变化温度与相对湿度反相关温度与相对湿度反相关最高一般在清晨，最低在下午。最高一般在清晨，最低在下午。温度改变，饱和水汽压也变了。温度改变，饱和水汽压也变了。全球全球RH与比湿空间变化对比与比湿空间变化对比热带高热带高30低低极地高极地高极地空气：温度 -20 C 露点 -20 C 相对湿度 100%沙漠空气：温度 350 C 露点 50 C 相对湿度 16%露点温度露点温度Tdn露点：露点：等压冷却达到饱和时的温度等压冷却达到饱和时的温度n如某气块中的水汽含量不变，假想由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。于温度的降低，相对湿度会逐

9、渐变大。当相对湿度变为当相对湿度变为 100%，即空气变得，即空气变得饱和时的温度称为该气块的露点温度，饱和时的温度称为该气块的露点温度，简称露点。简称露点。n露点温度可以很好地反映气块中水汽露点温度可以很好地反映气块中水汽量的多少。量的多少。n气块的实际温度和露点温度之差，称气块的实际温度和露点温度之差，称为为温度露点差温度露点差，可以很好地反映相对，可以很好地反映相对湿度。（离饱和还有多远）湿度。（离饱和还有多远）温度和露点的探空曲线露点温度T DewPt.(不饱和不饱和)二者相等二者相等,T=DewPt.进一步冷却，进一步冷却，T=DewPt.相对湿度与露点可以互算nTetens公式公式

10、ps=610.78 exp(t/(t+238.3)17.2694)t is the temperature in degrees CelsiusT-Td :RH屋子里的相对湿度n屋子里的相对湿度有时和外面很不相同，尤其是在空调的情屋子里的相对湿度有时和外面很不相同，尤其是在空调的情况，不管是冬天还是夏天。况，不管是冬天还是夏天。n冬天，室外温度比较低，空气也比较干燥。但如果把这种空冬天，室外温度比较低，空气也比较干燥。但如果把这种空气在室内加温，其相对湿度就会变得十分低，甚至比撒哈拉气在室内加温，其相对湿度就会变得十分低，甚至比撒哈拉沙漠地区还要低。沙漠地区还要低。n屋子里面的低湿度会带来一些

11、问题，例如植物蒸发量的增加，屋子里面的低湿度会带来一些问题，例如植物蒸发量的增加，人体皮肤干燥的感觉，某些建筑材料的变形，静电的产生和人体皮肤干燥的感觉，某些建筑材料的变形，静电的产生和积累等等。积累等等。n冬天要屋子里增加湿度的方法就是增加水份供应，加湿器是冬天要屋子里增加湿度的方法就是增加水份供应，加湿器是一种常用的设备，包括超声或加热的方法。一种常用的设备，包括超声或加热的方法。屋子里的相对湿度n夏天空气中水汽本来就多，相对湿度也比较高。如夏天空气中水汽本来就多，相对湿度也比较高。如果再把室内温度降低，相对湿度将变得很高，这会果再把室内温度降低，相对湿度将变得很高，这会造成人很不舒服的环

12、境。造成人很不舒服的环境。n但是夏天空调的屋子，因为致冷的过程同时有脱湿但是夏天空调的屋子，因为致冷的过程同时有脱湿的功能，因此相对湿度增加的问题不太严重。的功能，因此相对湿度增加的问题不太严重。人体对相对湿度的反应n人体主要对相对湿度，而不人体主要对相对湿度，而不是对绝对湿度有反应，其主是对绝对湿度有反应，其主要原因是人体的反应与水份要原因是人体的反应与水份的蒸发有关，而水份的蒸发的蒸发有关，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，人主要通在炎热的条件下，人主要通过汗水的蒸发来散发热量。过汗水的蒸发来散发热量。当环境的相对湿度高时，蒸当环境的相对湿度高时，蒸

13、发困难，热量就散发不出去，发困难，热量就散发不出去，人感觉到闷热。人感觉到闷热。n在冬天，环境湿度比较低，在冬天，环境湿度比较低，皮肤蒸发很快，容易出现皮皮肤蒸发很快，容易出现皮肤干裂的现象。肤干裂的现象。水汽总量n水汽的主要源是在地面，通过垂直运动和湍流交换送到高空，因水汽的主要源是在地面，通过垂直运动和湍流交换送到高空，因此其浓度分布一般也向上递减。此其浓度分布一般也向上递减。n整层大气的总水汽量是各层大气水量的和，常常用多少毫米水拄整层大气的总水汽量是各层大气水量的和，常常用多少毫米水拄高度来表示。一般变化于高度来表示。一般变化于 1 100 mm 之间。之间。n可以用全球大气中总的水汽

14、量来做一个估计。可以用全球大气中总的水汽量来做一个估计。n大气中的水汽量是大气中的水汽量是 13x1012 m3。按地球半径。按地球半径 6370 公里，表面公里，表面积为积为 4*3.1416*(6370000)2=509x1012 m2 平均水柱高度平均水柱高度 13x1012/509x1012=0.02549 m=25.5 mm水汽总量的全球分布云中的水量n虽然地球上总的降水量很大，这些降水都是虽然地球上总的降水量很大，这些降水都是要通过云才能形成，但云本身所有的水量是要通过云才能形成，但云本身所有的水量是很小的。很小的。n一般云中液体水的含量约一般云中液体水的含量约0.1 0.6 g/

15、m3,平均为平均为0.3g/m3。3 公里厚度的云公里厚度的云,1 m2上上面的水量为面的水量为 0.3x3000=900 g 厚度为厚度为0.9 mm湿度的测量n秤量法秤量法n毛发湿度计毛发湿度计n干湿球湿度计干湿球湿度计n湿敏电阻、湿敏电容湿度计湿敏电阻、湿敏电容湿度计n红外湿度计红外湿度计n露点湿度计露点湿度计凝结，雾和云n露和霜的形成露和霜的形成n凝结核凝结核n霾霾n雾雾n云云n各种云图各种云图露和霜的形成n在晴朗，无风的夜晚，容易形成在晴朗，无风的夜晚，容易形成露和霜露和霜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冬天，窗户玻璃上常常可以

16、看到结霜形成的窗花。但没有人知道结霜形成的窗花。但没有人知道它为什么会是你所见的花样它为什么会是你所见的花样雾凇-寒江雪柳、玉树琼花n吉林雾凇n雾凇，俗称树挂，是严冬时节出现在吉林松花江畔的自然现象。吉林的雾凇多属于晶状雾凇，是由从丰满到九站这一段不冻江面而引起的。从丰满发电站到吉林市区几十公里的松花江面上热气蒸腾，水气遇冷凝结在江畔的柳枝松针上，形成似丝、似菊、似珊瑚等晶莹洁白的雾凇。雾凇奇观一般出现在早晨，每年12月到次年2月出现几十次，特别是年前年后那寒冷的日子里，吉林的雾凇树挂最为壮观，神奇。置身其间，犹如在琼楼仙境一般。露与霜辐射，热传输和相对湿度晴空和静风时：辐射使地面降温速率比空

17、气快辐射使地面降温速率比空气快 地面辐射损失的能量比从上面暖空气得到的感热大地面辐射损失的能量比从上面暖空气得到的感热大地面进一步冷却地面进一步冷却如果地面温度到达露点如果地面温度到达露点发生凝结发生凝结凝结核（Condensational Nuclei)n产生云和露的凝结过程实际上并不是一个很简单的过程，产生云和露的凝结过程实际上并不是一个很简单的过程，只要空气达到饱和就可以了。只要空气达到饱和就可以了。n凝结过程往往要依附于一个物体。这也就是露和霜出现凝结过程往往要依附于一个物体。这也就是露和霜出现的情况。的情况。n如果水汽要在空中凝结出来，形成云或雾，它也要在空如果水汽要在空中凝结出来，

18、形成云或雾，它也要在空中找一个可以依附的物体，这就是中找一个可以依附的物体，这就是凝结核凝结核。n在凝结过程发生之前，空气中只有水汽分子，处于单一在凝结过程发生之前，空气中只有水汽分子，处于单一相态的状态。如果由于凝结，出现水滴，空气中出现另相态的状态。如果由于凝结，出现水滴，空气中出现另外一种相态。外一种相态。核化(Nucleation or Activation)n水汽凝结或液水中出现冰相水汽凝结或液水中出现冰相,这种生成新相胚胎的这种生成新相胚胎的过程叫做过程叫做核化。n仅由单一物质分子自身结合成新相胚胎称为仅由单一物质分子自身结合成新相胚胎称为均质核均质核化过程化过程；有其它物质参与下

19、生成新相胚胎称为；有其它物质参与下生成新相胚胎称为异质异质核化过程核化过程。n在空气中仅仅有水分子的情况下（即均质核化过程）在空气中仅仅有水分子的情况下（即均质核化过程），几个水分子可能会碰在一起，形成一个分子簇。，几个水分子可能会碰在一起，形成一个分子簇。它们也可以被认为是最初的小水滴，但它们是不稳它们也可以被认为是最初的小水滴，但它们是不稳定的，可能很快又分开了。定的，可能很快又分开了。n热力学计算表明，对纯水汽的情形，只有到热力学计算表明，对纯水汽的情形，只有到过饱和度过饱和度达到达到400%以上（即以上（即相对湿度相对湿度500%以上），均质核化过程才以上），均质核化过程才能出现。能出

20、现。n因此最初的水滴需要依附在其它颗粒物上，能起这种作用因此最初的水滴需要依附在其它颗粒物上，能起这种作用的颗粒物被称为的颗粒物被称为凝结核凝结核。有凝结核时的核化过程是。有凝结核时的核化过程是异质核异质核化过程化过程。n大气中有些气溶胶颗粒可以起到凝结核的作用，其中吸湿大气中有些气溶胶颗粒可以起到凝结核的作用，其中吸湿性的核，如盐粒子等都很有效。性的核，如盐粒子等都很有效。n凝结核越大，它形成最初的水滴也越大，以后的增长要求凝结核越大，它形成最初的水滴也越大，以后的增长要求的的过饱和度过饱和度也越低。也越低。n大气中的凝结核一般分为爱根核、大核、巨核。它们的数大气中的凝结核一般分为爱根核、大

21、核、巨核。它们的数量大约每立方米几千到一个。量大约每立方米几千到一个。云凝结核（CCN）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 mm的颗粒，称为的颗粒，称为云凝结核云凝结核（Cloud Condensation Nuclei）。）。n一般大气中其浓度为一般大气中其浓度为 100 1000 个个/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。nCCN的重量很小，可以在大气中停留很长的时间。的重量很小，可以在大气中停

22、留很长的时间。n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，它在相对湿度达到 100%之前就已经潮解之前就已经潮解了，它对形成水滴特别有利。海盐在相对湿度了，它对形成水滴特别有利。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 是否会影是否会影响到云或降水的特性。响到云或降水的特性。nCCN的绝对重要性：如果

23、大气完全清洁，一个的绝对重要性：如果大气完全清洁，一个 CCN 都没有，大气环都没有，大气环境将是不可思议的。境将是不可思议的。云凝结核（CCN）n大于大于0.1m mm的的CCN可以成为云滴可以成为云滴n空气中空气中CCN浓度一般浓度一般100 1000/cmn吸湿CCN(RH 100%时才凝结生长)hygroscopichydrophobic霾（HAZE)n如果在大气中漂浮着一层尘埃或海盐颗粒，你会发现在早晚时如果在大气中漂浮着一层尘埃或海盐颗粒，你会发现在早晚时间，远处目标外物看得不太清楚，而在中午时就比较清楚，这间，远处目标外物看得不太清楚，而在中午时就比较清楚，这就是有一层霾。就是有

24、一层霾。n霾的特点是这些颗粒还不是水滴，但它们随着相对湿度的增加霾的特点是这些颗粒还不是水滴，但它们随着相对湿度的增加会潮解，颗粒会变大；而当相对湿度减小时，颗粒会变小。会潮解，颗粒会变大；而当相对湿度减小时，颗粒会变小。n当然，这些颗粒都很小。在干燥的时候其半径约当然，这些颗粒都很小。在干燥的时候其半径约 0.1 m mm，它，它对太阳光的选择散射使它有对太阳光的选择散射使它有发蓝色发蓝色的感觉。的感觉。当湿度增大，颗粒当湿度增大，颗粒也变大，散射光变成白色也变大，散射光变成白色。当。当RH从从60变到变到80，散射能力，散射能力增加增加3倍或更多。倍或更多。n当大量的海盐颗粒漂浮在海面上方

25、，那里的相对湿度又比较高，当大量的海盐颗粒漂浮在海面上方，那里的相对湿度又比较高，常常呈现为一层白色的霾层。常常呈现为一层白色的霾层。n相对湿度接近相对湿度接近100%时霾可以变成雾时霾可以变成雾(能见度能见度 1 km)n直径直径25m mm的水滴下落速度是的水滴下落速度是 5 cm/s。霾的类型n干霾干霾 散射蓝光的小散射蓝光的小粒子粒子 暗背景下呈蓝色；亮暗背景下呈蓝色；亮背景下呈黄色背景下呈黄色。n湿霾湿霾 散射各色光的散射各色光的大粒子大粒子,呈白色呈白色n干霾可变成湿霾干霾可变成湿霾雾能见度小于1000米，相对湿度大于60%雾的形成和云的形成一样：1.CCN2.过饱和雾n前面的霾还

26、没有完全变成水滴，如果相对湿度达到并前面的霾还没有完全变成水滴，如果相对湿度达到并超过超过 100%，它们继续增长，就会变成一个水滴。在，它们继续增长，就会变成一个水滴。在地面，这就是雾。地面，这就是雾。n随着雾滴的半径和浓度加大，能见度越来越低。当能随着雾滴的半径和浓度加大，能见度越来越低。当能见度小于见度小于 1 公里时，气象观测定义为雾。公里时，气象观测定义为雾。n在城市或污染严重的地区去，雾滴一般比较小但浓度在城市或污染严重的地区去，雾滴一般比较小但浓度较高，这样能见度就更低；而在海洋上空，雾滴常常较高，这样能见度就更低；而在海洋上空，雾滴常常是半径大，浓度低，相对来说对能见度的影响小

27、一些。是半径大，浓度低，相对来说对能见度的影响小一些。n如果空气或作为凝结核中还有酸性的污染物，雾水还如果空气或作为凝结核中还有酸性的污染物，雾水还可能带酸性，称为酸性雾或酸雾。可能带酸性，称为酸性雾或酸雾。导致过饱和的过程n辐射冷却辐射冷却n平流平流 n混合混合 n抬升冷却抬升冷却 辐射雾（地面和山谷）条件条件:晴空，静风，低温辐射冷却晴空，静风，低温辐射冷却常出现在秋冬常出现在秋冬平流雾n暖湿空气暖湿空气移动到移动到冷表面冷表面上，如果下垫面比空气冷，空气可冷却至上，如果下垫面比空气冷，空气可冷却至露点形成平流雾。露点形成平流雾。蒸发雾（混合雾）n暖水面上蒸发的水汽遇到冷空气会出现蒸发雾。

28、暖水面上蒸发的水汽遇到冷空气会出现蒸发雾。n2股不饱和的空气混合可产生饱和的空气股不饱和的空气混合可产生饱和的空气n如飞机的凝结尾迹如飞机的凝结尾迹雾的消散散射的太阳光加热地面，向上加热空气。散射的太阳光加热地面，向上加热空气。暖空气中开始蒸发，空气升高与上方的冷空气混暖空气中开始蒸发，空气升高与上方的冷空气混合。这时候看到雾抬升了。合。这时候看到雾抬升了。消雾n使雾滴变大，并沉降落下来；使雾滴变大，并沉降落下来；n在过冷雾中播撒干冰，使雾中的过冷水滴转化为冰晶而下落；在过冷雾中播撒干冰，使雾中的过冷水滴转化为冰晶而下落；n加热空气，使雾滴蒸发；加热空气，使雾滴蒸发；n把上层干燥的冷空气混合到

29、雾中，使雾滴蒸发。把上层干燥的冷空气混合到雾中，使雾滴蒸发。昂贵且效果不明显总结：雾的成因n形成雾的过程大致有二种：冷却和蒸发混合。形成雾的过程大致有二种：冷却和蒸发混合。n辐射雾辐射雾：n在无风的晴朗夜晚，近地面由于辐射冷却，水进地面层空气饱和，并形成雾。n夜晚越长，辐射冷却的时间越长，辐射雾容易形成。所以辐射雾常常出现在冬季。n平流雾平流雾：n这常常出现在一团潮湿和温暖的空气移动到冷的下垫面上方。暖空气被降温而达到饱和，形成雾。n冬季，陆地表面温度比较低，而海水的温度比较高。当海洋上方的空气移动到陆地上方，就容易出现平流雾。n平流雾也可能是海洋上方冷热二个气团相混合的结果。n蒸发（混合）雾

30、蒸发（混合）雾：n冬天，你哈出一口气，就会出现白色的蒸发（混合）雾。这时，外面的空气很冷，嘴巴里的空气很热也很湿，但并没有出现雾。当这团热空气与外面的冷空气一混合，降温，空气就变成饱和的了，就出现雾。n上坡雾上坡雾：n空气被沿着山坡抬升，冷却，形成雾。在某些地区，由于地形的特点，这种雾经常出现。总结n大气湿度n绝对湿度绝对湿度n比湿和混合比比湿和混合比n水汽压水汽压n相对湿度与露点相对湿度与露点n湿度的测量n凝结n雾(fog)的形成作业：利用右表的“水汽饱和混合比”，计算质量各为kg、温度和露点分别为 （20，15 ）（-10，-15 ）的两团不饱和空气混合前后的相对湿度；由此说明喷气飞机尾迹形成原因。思考题：1.凝结核的作用是什么？为什么工业区周围常产生雾？2.霾和雾的区别是什么？3.辐射雾和平流雾的形成机制分别是什么？结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！71