第三节 凝结与凝华

第三节 凝结与凝华
水由气态变为液态过程叫凝结，由气态变为固态过程称为凝华。

一、水汽凝结的条件
发生凝结和凝华需要满足两个条件，即空气中的水汽达到饱和或过饱和，同时还需要有水汽凝结核（凝华核）存在。

现就水汽凝结的两个条件分别阐述如下：
（一）空气中的水汽达到饱和或过饱和状态要满足这个条件，需要增加空气中的水汽含量，使水汽压增大或降低温度，使饱和水汽压减小。

1、增加大气中的水汽含量
要增加大气中的水汽含量，只有在具有蒸发源，且蒸发表面的温度高于气温的条件下才有可能。

在自然界中，如冷空气移到暖水面上，因为暖水面上的饱和水汽压比冷空气的 饱和水汽压大得多，暖水面上的水迅速蒸发，就可以使冷空气达到饱和。

秋冬季早晨发生在水面上的蒸发雾，就是这种原因造成的。

又如雨过天晴，潮湿地面受日光照射后，水分蒸发也可使贴地层空气中的水汽达到饱和。

但在通常情况下，水面蒸发作用虽然可以增大空气湿度，但难以使空气中的水汽发生凝结。

2、降低温度
自然界中，绝大部分凝结现象是产生在降温过程中。

降温是致使空气中的水汽达到饱和或过饱和的主要途径。

大气中常见的降温过程有以下几种：
（1）辐射冷却
在晴朗无风或微风的夜晚，地面因有效辐射而冷却降温，接近地面的空气也随之降温，加上空气本身的辐射冷却，气温将不断降低，当降低到露点或露点以下时，就会有凝结现象产生。

（2）绝热冷却
空气上升时，因绝热膨胀而冷却，上升到一定高度以后，空气就达到饱和，再继续上升就会有凝结现象产生。

这个过程进行得快，水汽凝结量也多，是自然界中水汽凝结最重要的过程。

大气中的很多凝结现象都是绝热冷却的产物。

（3）接触冷却
暖空气与冷下垫面相接触时，暖空气将热量传给地面而降温，当温度降低到露点或露点以下时，便有凝结现象产生。

（4）混合冷却
温度相差较大，而且接近饱和的两团空气相混合时，使得混合后气团的平均水汽压，可能比混合后气团平均温度下的饱和水汽压大，多余的水汽就会凝结出来。

例如，两个气团的温度和水汽压分别为t 1＝0℃，e l =6.0hpa ；t 2=10.0℃，e 2=12hpa 。

混合后的平均温度为： 其对应的饱和水汽压为8.70hPa ，混合后的平均水汽压为： 则混合后将有0.3hpa 的水汽凝结出来。

在实际大气中，由于混合冷却而发生的凝结现象不多见，因为实际大气中，两气团的温差不会很大，因此混合后凝结出来的水量也不会很多，而且，若两气团中有一个气团湿度不大，即使温差很大也不能产生凝结现象。

（二）要有凝结核
1、凝结核的定义
水汽凝结除满足空气达到饱和或过饱和外，还必须有液体的、固体的或亲水的气体微粒C C C ︒=︒+︒0.5)0.100(21hpa 9)0.120.6(21=+
作为水汽凝结的核心，这些水汽凝结的核心，称为凝结核。

如水滴、云滴等等为凝结核，冰晶则为凝华核。

实验发现，在纯净的空气中，即使空气达到过饱和，相对湿度达到300－400％时，仍不会发生凝结。

而在纯净的空气中只要加入具有吸湿性的凝结核，如烟粒、二氧化碳和盐粒等，相对湿度达到100－120％，就有凝结现象发生。

这一事实表明，水汽凝结除满足水汽达到饱和或过饱和外，还必须有凝结核。

在实际大气中，时常存在着相当数量的凝结核，因此，云、雾等水汽凝结现象时常发生，甚至有时空气的相对湿度还不到100％，凝结现象就产生了。

2、凝结核的种类
（1）吸湿性凝结核
能溶水的凝结核，如含盐微粒、硫化物、氮化物微粒以及进入大气中含有无机盐成分的土壤微粒等等，它们吸水后，形成盐或酸溶液，使饱和水汽压减小。

所以吸湿性凝结核是最活跃的凝结核。

（2）非吸湿性凝结核
不能溶于水但能被水浸润的凝结核。

如悬浮在空中的尘粒、花粉、烟粒等等，它们吸附水汽后形成小水滴。

3、凝结核促进凝结的原因
凝结核促进凝结的主要原因是凝结核吸附水汽分子的能力比水汽分子之间的相互碰撞合并力要强，同时，凝结核的存在使水滴半径增大，曲率减小，从而使饱和水汽压减小，易于发生凝结。

对吸湿性凝结核来说，吸水后形成溶液，使饱和水汽压减小，甚至在相对湿度接近100％时，就能发生凝结现象。

二、水汽凝结现象水汽凝结现象可以发生在大气中，也可以发生在地面或地面物体上。

发生在大气中的水汽凝结现象有云和雾；发生在地面或地面物体上的凝结现象有露、霜、雾淞、雨淞等。

（一）大气中的水汽凝结现象
1、雾
（1）雾的定义
近地层空气温度降到露点以下时，空气中的水汽凝结成小冰晶或小水滴，悬浮在大气中，使空气混浊，水平能见度降低的一种天气现象。

是接地的大气中悬浮的小水滴或冰晶的聚集体。

雾越浓能见度越小。

气象观测中规定，水平能见度小于1km的称为雾，常为乳白色，晨间易见。

水平能见度为1-10km者称为轻雾，常为灰白色，早晚较多。

其地理分布为：沿海大于内陆，高纬大于低纬。

（2）雾的种类
根据空气冷却降温方式不同，可分为：
①辐射雾
夜间地面辐射冷却导致近地面空气层冷却降温而形成的雾。

有利于辐射雾形成的条件：空气中有充足的水汽，风力微弱而晴朗少云，有逆温存在。

低洼处（山区）为多。

出现时，标志着当天白天是晴天。

②平流雾
暖湿空气移到冷下垫面上而形成的。

有利于平流雾形成的条件：移来的空气是暖湿的，移来的空气与下垫面之间的温差大，风速在3-7m/s时最为合适。

多出现在沿海地区，一天中任何时间都可出现，一年中以春季常见。

（海雾）
③蒸发雾
冷空气流经暖水面时，水面上空出现的雾，又叫水烟。

④锋面雾
冷暖气团交锋时形成的雾。

⑤上坡雾
湿空气沿山坡上升绝热膨胀冷却而形成的雾。

高原地区的迎风坡上常见。

2、云（1）云的定义
是悬浮在大气中的小水滴、冰晶或两者混合组成的可见聚合体。

底部不与地面相接，并有一定厚度。

（2）云与雾的区别
云与雾无本质区别。

雾下层接地，是发生在低空的水汽凝结现象。

云的下层不接地，是发生在高空的水汽凝结现象。

空气上升绝热冷却，上升到一定高度时，空气因冷却而达到饱和，水汽凝结成小水滴或冰晶形成云。

这个高度为凝结高度。

一般来说，云底高度与凝结高度一致。

云形成过程中，使空气中水汽达到饱和或过饱和是以绝热冷却为主。

而雾的形成是以辐射冷却和平流冷却为主。

（3）云形成的条件
一是要有足够的水汽；二是要有使空气绝热冷却和水汽凝结的上升运动。

如果水汽条件已经具备，则云的形成主要是由空气的绝热上升运动所致。

大气的上升运动主要有如下四种方式：
①热力对流
指地表受热不均和大气层结不稳定引起的对流上升运动。

由对流运动形成的云多属于积状云。

②动力抬升
暖湿气流受锋面、辐合气流的作用所引起的大范围上升运动。

这种运动形成的云主要是层状云。

③大气波动
大气流经不平的地面或在逆温层以下所产生的波状运动。

由大气波动产生的云主要属于波状云。

④地形抬升
大气运行中遇到地形阻挡，被迫抬升而产生的上升运动。

这种运动形成的云既有积状云，也有波状云和层状云，通常称为地形云。

（4）云的分类
天空中的云千姿百态，复杂多变，种类较多。

尽管它的外形千变万化，形成原因各不相同，却又有共同的特点，可以归纳分类。

常见的分类方法有两种：
①形态学（morphology）分类
以云的外形（亮度、色彩、大小等）以及中纬度地区平均云底高度等特征为基础，适当结合云的发展及内部结构，将云分成4族10属，每属又分为若干亚属、种、类等。

这种分类法在1957年以前是国际上通用的，故也称为国际分类。

我国现行的观测规范中，参照这种分类法，将云分为3族10属29类。

A、高云族
云底高度在5000m以上。

由微小冰晶组成，呈白色，有柔丝般光泽，薄而透明，日光透过高云时，地面物体的影子清晰可见。

一般不产生降水，包括卷云、卷层云和卷积云三属。

B、中云族
云底高度在2500-5000m。

由水滴或水滴和冰晶组成，云体较稠密，厚的可遮住阳光，中云有时可产生降水。

包括高层云和高积云两属。

C、低云族
云底高度在2500m以下。

由水滴或水滴和冰晶组成，低云一般都有降水，包括积云、积雨云、层积云、层云和雨层云五属。

各属之间在形态上差异较大。

②发生学分类
按云形成的物理过程以及相应的形态特征分为积状云、层状云和波状云。

A、积状云
又称对流云、直展云。

是在不稳定层结的空气中，由于热力或动力原因而产生对流作用所形成的云。

低空的积状云有积云、积雨云。

其特征是生成时云体向上发展，消散时向水平方向扩展，常为分散孤立的大云块。

云体通常在1500m以下，由水滴构成，对流发展旺盛时，上部有冰晶结构。

卷云则为高空的积状云，由冰晶构成。

云底一般在5000m以上，由于高空温度低，水汽少和等速大，故形成的云呈丝缕结构的团簇云块、云片或云丝。

a、积云（Cu）
垂直向上发展，顶部呈圆弧形或圆弧形重叠凸起，而底部几乎是水平的云块，云体边界分明。

b、积雨云（Cb）
云体浓厚庞大，垂直发展极盛，云体由冰晶构成，有丝缕结构，常呈铁砧状或马鬃状，云底阴暗混乱，起伏明显，有时呈悬沟状结构。

c、卷云（Ci）
具有丝缕状结构，柔丝般光泽，分离散乱。

云体通常为白色，无暗影，呈丝条状、羽毛状、马尾状、钩状、团簇状、片状、砧状等。

卷云由很小的冰晶组成，在空中分布很稀，一般是透明的，但云块特别厚时，中部可有暗影。

卷云可以出现不完整的晕。

晕是环绕日月之外，半径视角常为22°的内红外紫的光环或光弧。

卷云是云中最高的云，因此它是早晨最先被阳光照射，而傍晚最迟变暗。

在日出以前和日落以后，在阳光反射下，卷云常成鲜明的黄色或棕色。

积状云发展的具体条件
必须要求对流上升的空气所能达到的最大高度（对流上限）要超过凝结高度。

积状云的特征
垂直发展强盛；垂直高度H与水平尺度L相近，即H/L≈1；孤立分散；底部平坦，顶部凸起。

B、层状云
是连续而比较均匀的云层，包括系统性垂直运动形成的层状云（卷云、高层云和雨层云）；乱流混合形成的层状云（层云和层积云）。

形成层状云系的具体条件
垂直速度小（只有1~10cm），持续时间长（有时连续几天），气层稳定。

这些条件保证了低层的暖湿空气可以源源不断地输送到高空，造成绝热冷却而形成云。

层状云的基本特征
水平范围广；云层从薄到厚排成云系；云层较均匀，云系底部倾斜，顶部水平；持续时间长，一般可持续一周左右以上，对固定地点来说，可持续1－2天或更长时间；降水为连续性。

C、波状云
是波浪起伏的云层。

主要是空气发生波动而形成。

空气发生波动的原因主要有两种：一种是由于大气中存在着空气密度与气流速度不同的界面，在此界面上产生波动；另一种是由于气流越山而形成的波动（称为地形波或背风波）。

在波动层内，当水汽充沛时，波峰处因空气上升冷却凝结成云；波谷处因空气下沉增温无云形成或使云蒸发变薄，形成波浪状排列的云条或云层。

形成波状云的具体条件
要有波动气流存在；水汽充沛。

波状云的主要特征
外表不均匀，看起来多少呈有规则的波动、皱纹或云浪；垂直厚度小，一般只有几十米到几百米，有时可达2~3千米；水平范围大，可伸展到几十到几百千米。

（二）地面上的水汽凝结现象
1、露和霜
（1）定义
在晴朗无风或微风的夜晚，地面和地面物体因辐射冷却而迅速降温，接近地面很薄的气层也随之降温。

当下降到露点时，气层中的水汽便达到饱和，再继续降温，多余的水汽就会在地面或地面物体上凝结。

若露点高于0℃，则凝结物为水滴，称为露；若露点温度低于0℃，则凝结物为白色的冰晶，称为霜。

（2）形成露和霜的有利天气条件
晴朗无风或微风的夜晚。

此时地面的有效辐射大，地面降温剧烈。

微风有利于地面充分辐射冷却，并使辐射冷却在较厚的气层中充分进行。

完全无风时，只能使最贴近地面的薄层空气冷却，难于生成较多的露和霜。

风过大，低层冷空气和高层较暖空气容易发生混合，使低层空气达不到足够的冷却程度。

因而不利于露、霜的形成。

2．雾淞
（1）定义
形成于地面物体（如电线、电杆和树枝等）迎风面呈针状或粒状的白色松脆结构的冰晶层。

（2）种类
根据形成的条件和结构的不同，可将雾淞分为两类。

①晶状雾淞
当地面物体温度低于过冷却雾滴的温度或地面上有积雪时，地面物体附近的水汽直接凝华在物体上，由于冰面饱和水汽压比水面小，过冷却雾滴就不断蒸发成水汽，水汽再凝华在物体表面的冰晶上，使冰晶不断增长，而形成晶状雾淞。

有雾和微风的天气，有利于晶状雾淞的形成。

②粒状雾淞
是由过冷却雾滴碰到冷物体表面后迅速冻结而成的。

它的结构较晶状露淞紧密，多出现在浓雾、风大的严冬。

（3）雾淞和霜的区别
在形态上有时很相似，其区别在于霜一般在夜晚形成，而雾淞昼夜均可发生；霜形成于强烈辐射冷却的平面上，而雾凇主要形成在物体的迎风面上或细长物体上；霜多发生在晴朗天气，而雾淞多形成在有雾的阴沉天气。