第三章 大气中的水分

第三章大气中的水分

【教学目的】1、了解蒸发和凝结过程，了解地面和大气中的凝结现象2、掌握降水的形成条件、形成过程和空间分布特点。

【教学重点】影响蒸发的因素，水汽凝结的条件，地面和近地面层空气中的水汽凝结物，云滴增长的物理过程，云的形成条件和分类，人工影响云雨，降水的空间分布。

【教学难点】饱和水汽压，各种云的形成，云滴增长的物理过程，各类云的降水。

【教学方法】讲授法，讨论法

【教学时数】6课时

第一节蒸发和凝结

一、水相变化

1、水相变化的物理过程

（1）水的三种形态：——————

（2）水的临界温度：——————

（3）水的冻结温度：——————

（4）水相变化：————————

（5）单位时间内跑出水面的水分子数与温度成________（正比或反比）。

（6）水汽浓度越大，单位时间内落回水中的水汽分子就越____(多或少）。

（5）单位时间内跑出水面的水分子数与温度成________（正比或反比）。

（6）水汽浓度越大，单位时间内落回水中的水汽分子就越____(多或少）。

（7）蒸发过程：

单位时间内跑出水面的水分子比落回水中的水汽分子多，系统中的水有一部分变成了水汽。

（8）动态平衡：

在同一时间内，跑出水面的水分子与落回水中的水汽分子相等，即水和水汽之间达到了两相平衡。

2、水相变化的判据

e﹤E：蒸发（未饱和）

e=E：动态平衡（饱和）

e﹥E：凝结（过饱和）

3、水相变化中的潜热

L为蒸发潜热。在同温度下，凝结潜热与蒸发潜热相等。

融解潜热：

升华潜热：Ls

二、饱和水汽压

（一）饱和水汽压与温度的关系

饱和水汽压与温度的关系可以用克拉柏龙-克劳修司方程描述

（3-3）

变形后，得到：

（3-4）

式中，E为饱和水汽压，T为绝对温度，L为凝结潜热，Rw为水汽的比气体常数。积分(3-4)式，并将

E0=6.11hPa(为t=0℃时，纯水平面上的饱和水汽压）代入，得到：

（3-5）

或者

（3-6）

结论：

1、饱和水汽压随温度的升高而按指数规律迅速增大。

2、饱和水汽压随温度改变的量，在高温时比低温时大。

思考：

为什么暴雨总是发生在暖季？

（二）饱和水汽压与蒸发面性质的关系

1、冰面和过冷却水面的饱和水汽压

冰面上的饱和水汽压Ei

（3-7）

在实际应用中，常用马格努斯经验公式来确定饱和水汽压和温度的关系：

（3-8）

规律：

1、对于冰面和过冷却水面，饱和水汽压仍然是按指数规律变化。

2、在温度相同的条件下，冰面的饱和水汽压要小于过冷却水面的饱和水汽压。

冰晶效应：

当实际水汽压大于冰晶的饱和水汽压而小于过冷却水的饱和水汽压时，就会产生冰水之间的水汽转移现象。水滴不断蒸发而缩小，冰晶不断凝华而增大，这就是“冰晶效应”。

2、溶液面的饱和水汽压

同一温度下，溶液面的饱和水汽压要小于纯水面的饱和水汽压，溶液浓度越高，溶液的饱和水汽压就越小。

（三）饱和水汽压与蒸发面的关系

1、温度相同时，凸面的饱和水汽压最大，平面次之，凹面最小。

2、凸面的曲率越大，其饱和水汽压越大；凹面的曲率越大，其饱和水汽压越小。

凝结增长：

由于大水滴的曲率小于小水滴，大水滴的饱和水汽压小于小水滴。当实际水汽压介于大小水滴的饱和水汽压之间时，会产生水汽的蒸发现象。小水滴因蒸发而逐渐变小，大水滴因凝结而不断增大，这就叫凝结增长。

三、影响蒸发的因素

1、道尔顿定律：（若大气静止）

（3-9）

W为水分蒸发速度，A为分子扩散系数，(E-e)为饱和差，P为气压。大气静止时，蒸发速度仅依赖于分子扩散。

2、在实际大气中，影响蒸发速度的因子主要有四个：

（1）水源

（2）热源：蒸发速度与蒸发面的温度成正比。

（3）饱和差：蒸发速度与饱和差成正比。

（4）风速与湍流扩散

大气中的水汽垂直输送和水平扩散能加快蒸发速度。风速大，湍流强，蒸发加快。

四、湿度随时间的变化

1、水汽压的日变化

（1）双峰型

①主要在大陆上湍流混合较强的夏季。

②最低值：出现于清晨温度最低时和午后湍流最强时。

③最高值：在9～10时和21～22时。

（2）单峰型

①多出现于海洋上、沿海地区和陆地上湍流不强的秋冬季节

②最高值：出现在午后温度最高、蒸发最强时。

③最低值：出现于温度最低、蒸发最弱的清晨。

2、水汽压的年变化：

（1）与温度的年变化相似。有一个最高值和一个最低值。

（2）最高值：在7～8月

最低值：在1～2月

3、相对湿度的日变化：

（1）主要决定于气温。

（2）与温度的日变化相反，最高值在清晨，最高值在午后。

4、相对湿度的年变化：

（1）较干旱区、冬雨区：冬季最大，夏季最小。

（2）季风区：夏季大，冬季小。

五、大气中水汽凝结的条件

（一）凝结核

1、大气中能促使水汽凝结的微粒，叫凝结核。

2、半径：

3、半径越大，吸湿性越好的核周围越易产生凝结。

（二）空气中水汽的饱和或过饱和

1、空气达到过饱和的途径：

（1）通过蒸发，增加空气中的水汽，使水汽压大于饱和水汽压。

（2）通过冷却作用，减少饱和水汽压，使其小于当时的实际水汽压。

2、促使水汽达到过饱和状态的过程：

（1）暖水面蒸发

当冷空气流经暖水面时，暖水面上的饱和水汽压比空气的饱和水汽压大得多，通过蒸发可使空气达到过饱和，并产生凝结。

（2）空气的冷却

①绝热冷却：

②辐射冷却：

③平流冷却：

④混合冷却：

3、对于雾的形成，辐射冷却和平流冷却是主要的，对于云的形成，绝热冷却是主要的。