第三章水汽总结

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
2
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。
9
水的相变及潜热
10
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
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。 。
21
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。
12
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。
16
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
⎡ ⎛ 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
ω = 0.622
e e ≈ 0.622 p−e p e e q = 0.622 ≈ 0.622 p − 0.378e p
17
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）
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
22
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。
T
液体含盐度
含盐度½ es ¾
18
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。
19
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。
在海平面为100℃ 在近地面 平均沸点温 在近地面，平均沸点温 度垂直递减率约为 3 3℃·km 3.3 km-1。
20
3.2.3 绝对湿度（ρv）
定义： 绝对湿度即水汽密度，表示单位体积空气中水汽的质量。 应用水汽的状态方程可以从水汽压(e)和温度(T)求取绝对 湿度ρv (单位：g·m-3)。
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
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
1
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:
14
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
23
相对湿度的日变化
一天中的总水汽量变化很 小，主要由温度的日变化 来调节相对湿度。 白天，气温升高，相对湿 度下降，下午最热时相对 湿度最小；夜晚，温度下 降，相对湿度上升；到早 晨最冷时相对湿度最大。 农田灌溉多选择在晚上。
24
相对湿度的季节性变化
冬季室内空气绝对湿度与室外基本相同，但室内 温度高，相对湿度低，感觉干燥，皮肤可能因蒸 发而干裂。
5
水分子和冰晶的结构
6
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。
25
湿球温度与热指数温度
气象上常用湿球温度与热指数温度来表示湿热天气中人 的舒服程度。 湿球温度(wet-bulb ( b lb temperature) )：是在一定压强下，蒸发 是在 定压强下 蒸发 水使空气达到饱和，冷却达到的最低温度，可以度量人 体出汗蒸发快慢程度。
在热的天气，湿球温度低，出汗蒸发快，皮肤感觉凉爽。 当湿球温度接近皮肤温度时，蒸发变慢。 当湿球温度超过皮肤温度，没有蒸发，体内热量无法散去，体温 会快速上升，导致中暑甚至死亡。 夏天室内通过洒水降温，水蒸发使室内水汽饱和，可达到最低室 温，即湿球温度。
13
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 )
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。 。
15
3.2.2 水汽压（e）
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
3
地气系统中的水分收支 水分收支
4
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。
7
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
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。
11
影响蒸发的因素
水面有风，蒸发的水分子被风带走，平衡被破坏 ，蒸发加快； 水面温度高，就会有更多的速度大的分子逃出水 面 蒸发越大 面，蒸发越大。 水面上有空气：饱和时空气中的水汽比真空时多 些（这个量很小 可以忽略不计） 些（这个量很小，可以忽略不计）。
空气分子与水面碰撞，水面一些分子获得多余的能量， 水面蒸发变大 饱和时空气中的水汽会多些 水面蒸发变大，饱和时空气中的水汽会多些； 空气撞击水面，部分空气分子会溶入水中，并对水分子 有吸引力，使得水面水分子逃离的难度变大，降低了蒸 有吸引力 使得水面水分子逃离的难度变大 降低了蒸 发效率。盐水溶液也有同样的效果。
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） 。
8
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
Βιβλιοθήκη Baidu
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。