第三章水汽总结

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3.2.1 混合比 混合比（ （ω）和比湿（ 和比湿（q）
混合比：一定体积的湿空气中水汽的质量 混合比： 一定体积的湿空气中水汽的质量mv与湿空气中 干空气质量md的比值。 m ω = v md 比湿 湿空气中水汽的质量与湿空气总质量的比值。 比湿：湿空气中水汽的质量与湿空气总质量的比值。 比湿： 湿空气中水汽的质量与湿空气总质量的比值 ω 1 mv q= = q= ω +1 1+ 1 mv + md
ω
比湿和混合比的单位 比湿和混合比的 单位都是 都是g·g-1或g·kg-1。 比湿和混合比具有保守性：当气团上升或下沉时，只要 水汽不发生相变，不管气团体积如何变化，其混合比和 比湿均保持不变。 空气饱和时称为饱和混合比 空气饱和时称为 饱和混合比和 和饱和比湿 饱和比湿。 。
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3.2.2 水汽压（e）
定义：空气中水汽的分压强。 定义： 空气中水汽的分压强。 单位 百帕 (hPa) 单位：百帕 单位： (hP ) 1百帕 百帕(hPa) (hPa) = 100 100帕斯卡 帕斯卡(Pa) (Pa) 反映空气中水汽含量的多少 水汽含量½ 水汽压 水汽压e e½ 根据道尔顿分压定律，大气（湿空气）的总压强p 是水汽压e和干空气的分压强 和干空气的分压强（ （p-e）之和 之和。 例如，海平面的气压约为1000hPa 1000hPa, , 其中氮气分压约为 780hPa 780 hPa (78%)，氧气分压约为 氧气分压约为210 210hPa hPa (21%)，水汽分压 水汽分压 约为10 10hPa hPa (1%)。 水汽压 般在总压强中只占很小的比例 水汽压一般在总压强中只占很小的比例。
这种高效的水分循环过程，影响并改变着 地球和人类的命运。 地球和人类的命运
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地气系统中的水分收支 水分收支
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3 1 水汽的特性 3.1
水在地球环境中以汽态、液态和固态三 水在地球环境中以汽态 液态和固态三 相存在，不同于宇宙中的其它星体； 水在地球大气条件下的三相变化，不同 水在地球大气条件下的三相变化 不同 于大气中的其它气体。
ω q e ρv r= ≈ ≈ ≈ ω s q s e s ρ vs
不能反映实际水汽量，只能表示接近饱和的程度。 温度不变 es不变：水汽含量½ e½ r½ 温度不变，e 温度不变， 水汽含量不变，e 水汽含量不变， e不变：温度½ es ½ r¾
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影响相对湿度的因素 饱和：r=100%, 过饱和：r>100% 改变空气中的实际水汽量（即水汽压） ，或者改变空气温度（即改变饱和水汽 压） 都可以改变相对湿度 压），都可以改变相对湿度。
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3.2 湿度的表示方法
空气湿度：空气中水汽含量的多少或干湿程度。 空气湿度：空气中水汽含量的多少或干湿程度。 湿度参量：表征空气中水汽含量的多少和干湿 湿度参量： 湿度参量 表征空气中水汽含量的多少和干湿 程度的物理量。
混合比( 混合比 (mixing ratio) 比湿( 比湿 (specific humidity) 湿度参量 水汽压( 水汽压 (vapor pressure) 绝对湿度( 绝对湿度 (absolute humidity) 相对湿度( 相对湿度 (relative l ti humidity h idit ) 露点温度( 露点温度 (dew dew-p point temperature p )
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水分子和冰晶的结构
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水的三态(Phases of Water)
水汽中的水分子自由运动并与周 围环境混合，是不可见的；只有 转化为云雾滴或冰晶，才成为可 见的云雾； 液态水分子靠得很紧，并彼此碰 撞，没有水汽分子那么自由； 冰中的水分子按一定的方式排列 ，通常组成六边形的冰晶结构， 其中的水分子只能在其位置附近 振动，不能自由移动。
海洋、湖泊、河流的蒸发 潮湿土壤或植物的蒸腾
作用:
形成云、雾、雨、雪等天气现象 形成云 雾 雨 雪等天气现象 参与地球表面的水分循环
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水汽循环过程
海洋蒸发占85%，陆地蒸发蒸腾占15%。 水汽上升凝结形成 水汽上升凝结形成云，又以降水的形式返 以降水的形式返 回到陆地和海洋。
降到陆地上的水供给河流和湖泊、渗入地下或 蒸发，河流和地下径流在将水带入海洋。 海洋上的蒸发量大于降水量，蒸发的水分被带 到空中再次成云降雨 如此不断循环 到空中再次成云降雨，如此不断循环。
e ρv = Rv ⋅ T
如果一空气块上升过程中没有发生凝结，水汽含量不变， 但体积增加，则水汽密度（绝对湿度）减小，对应的空 气密度也减小。 空气饱和时的绝对湿度称为饱和绝对湿度 空气饱和时的绝对湿度称为 饱和绝对湿度。 。
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3.2.4 相对湿度（r）
定义： 在一定的温度和压强下 实际水汽含量与空气所能容 在一定的温度和压强下，实际水汽含量与空气所能容 纳的最大水汽量（即空气饱和时的水汽含量）的百分 比值，也可表示为空气的实际水汽压与同温度下的饱 和水汽压的百分比值。
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蒸发(Evaporation)和 凝结(Condensation) ( d i ) 蒸发： 蒸发
条件：蒸发面的温度, 吸热：600cal/g
凝结：
条件：大气的温度, 放热：600cal/g
动态平衡
在水面上 落回的水分子数与跑出水面的水 在水面上，落回的水分子数与跑出水面的水 分子数相等。 此时的空气称为饱和空气；此时的水汽压为 此时的空气称为饱和空气 此时的水汽压为 饱和水汽压。
热指数温度(heat index, HI)：是考虑人体对温度和相对湿 度的共同作用表示的平均感觉温度，是一种视示温度 (apparent temperature),即表示实际感觉到的冷热程度。 风寒温度是另一种视示温度（参见第七章） 。
T
ห้องสมุดไป่ตู้
液体含盐度
含盐度½ es ¾
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饱和水汽压随温度的变化
随温度增大，空气容纳水汽的能力呈指数增长 水面饱和水汽压高于冰面饱和水汽压，在-12℃时差异最大 这些特征对云雾降水的形成有重要的作用 这些特征对云雾降水的形成有重要的作用。
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饱和水汽压与沸腾现象 当饱和水汽压与空气气 压相同时 会发生水的 压相同时，会发生水的 沸腾(boiling)现象； 沸腾时水的温度，称为 沸点温度。 沸点温度随高度（气压 减小）降低。
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水汽压与混合比、比湿的关系
对水汽和干空气分别视为理想气体，列 出状态方程： e
e = ρ v RvT ⇒ ρ v = RvT p−e Rd T p − e = ρ d Rd T ⇒ ρ d =
所以有： 所以有
ω=
q=
mv ρ v Rd e e R =ε = = ⋅ , ε = d = 0.622 md ρ d Rv p − e p−e Rv mv ρv e = == ε mv + md ρ v + ρ d p − (1 − ε )e
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水的相变过程
冰受热后，冰中水分子振动加快，到一定程度 就进入无序状态 冰晶结构被破坏 冰溶解为 就进入无序状态，冰晶结构被破坏，冰溶解为 液态水；溶解过程吸热。 水失去热量，水分子运动变慢，并逐渐与周围 水分子结合组成固定的六边形结构，成为冰晶 ，这是冻结过程。 如果冰的晶体结构被破坏后，水分子直接变为 如果冰的晶体结构被破坏后 水分子 接变为 自由运动的水汽分子，就是升华过程；相反， 水汽 相变 接变为冰 水汽经相变直接变为冰晶，就是凝华过程。 就 凝华 程
需要通过加湿器给室内增加水汽量，增大相对湿度。
夏天室内空调可以降低室内温度，但实际水汽量 夏天室内空调可以降低室内温度 但实际水汽量 没有变化，相对湿度增大，汗珠不容易蒸发掉， 感觉不舒服 即“空调病” 感觉不舒服，即 空调病 。
通过室内冷凝器（除湿机），凝结空气中的水汽，减 少实际水汽量，降低相对湿度。 少实际水汽量 降低相对湿度
⎡ ⎛ 1 1 ⎞⎤ ⎧5423K (平水面) es = e0 ⋅ exp ⎢α ⎜ ⎜T − T ⎟ ⎟⎥, T0 = 273.15K , α = ⎨6139 K (平冰面) ⎩ ⎠⎦ ⎣ ⎝ 0
es
es
影响因子： 温度
T½ e s ½
蒸发面性质 es过冷却水＞ es冰 蒸发面形状 es凸面＞ es平面＞ es凹面
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水的相变及潜热
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饱和(Saturation)与 过饱和(Supersaturation) 饱和状态：在一定温度下，蒸发和凝结 的速度相等时，水面上的水汽含量达到 最大并维持不变的平衡状态。 过饱和：某些情况下，尽管蒸发和凝结 的速度相等，但水面上的水汽量超过饱 和状态的水汽量。 和状态的水汽量
第三章
本章内容 容容
水汽
3.1 水汽的特性 3 2 湿度的表示方法 3.2 3 3 露、霜、雾天气 3.3 3.4 湿度测量
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水汽特点
在大气中所占的比例很小（<4%） 占全球总水量的不到十万分之 （0.001% 占全球总水量的不到十万分之一（ 0 001%） ，相当于覆盖全球表面厚度为2.5cm的水层 是大气中最 是大气中最活跃的成分。 的成分 来源:
ω = 0.622
e e ≈ 0.622 p−e p e e q = 0.622 ≈ 0.622 p − 0.378e p
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饱和水汽压（es）
定义：饱和湿空气中水汽的分压强。 定义： 饱和湿空气中水汽的分压强。 反映空气的最大水汽容纳能力 饱和水汽压取决于温度（马格奴斯半经验公式） 饱和水汽压取决于温度 （马格奴斯半经验公式）
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液态云滴的形成与凝结核
进入空气中的水汽分子间互相碰撞，发生能量交换，但 总能量保持不变。 如果空气较暖，则碰撞弹回后水汽分子速度变大；空气 较冷时，经碰撞弹回后水汽分子速度变慢，如果空气里 有悬浮粒子 慢的水汽分子会粘在粒子上发生凝结 吸 有悬浮粒子，慢的水汽分子会粘在粒子上发生凝结。吸 湿性的粒子（如盐粒）更易俘获水汽分子。 上亿的水汽分子凝结在粒子上面，可形成可见的液态云 滴。 水汽在空气中凝结时需要一些悬浮粒子，称为凝结核 (condensation nuclei)。 如果没有凝结核，则水汽必须是过饱和很多时才会发生 凝结。这时水汽分子间的距离很近，水汽分子的随机运 动有可能使速度较小的水分子相互聚合成团发生凝结。