第三章 大气中的水分
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1.什么是饱和水汽压?饱和水汽压:水汽与水或冰两相共存,其间分子交换过程达到动态平衡时的水汽压。
2.饱和水汽压主要受哪些因素影响?✓蒸发面的温度✓蒸发面的性质(水面、冰面、溶液面)✓蒸发面的形状(平面、凹面、凸面)3.饱和水汽压与温度成什么关系?饱和水汽压随温度升高而按指数规律迅速增大。
4.为什么饱和水汽压随温度升高而迅速增大?温度越高,水分子平均动能越大,单位时间脱出水面的分子越多;只有当水面上水汽密度增大到更大值时,落回水面的分子数才和脱出水面的分子数相等。
温度越高,水汽分子平均动能越大,而水汽压是水汽重量及其碰撞器壁的结果,故也随之增大。
5.饱和水汽压随温度升高而迅速增大有什么重要意义?温度升高,饱和变不饱和,蒸发重现;温度降低,不饱和变饱和,凝结出现。
饱和水汽压随温度改变的量,高温时比低温时大。
6.蒸发面性质对饱和水汽压有什么影响?冰面和过冷却水面的饱和水汽压仍随温度升高而按指数规律变化.7.蒸发面形状如何影响饱和水汽压?温度相同时,凸面的饱和水汽压最大,平面次之,凹面最小。
凸面的曲率愈大,饱和水汽压愈大;凹面的曲率愈大,饱和水汽压愈小大水滴曲率小,饱和水汽压小;小水滴曲率大,饱和水汽压大;从而出现大水滴“吞并”小水滴现象。
8.影响蒸发的因素有哪些?气象因素:热源、饱和差、风和湍流扩散、气压下垫面因素:水源、水面大小,形状及深度、水质、物理性质9.空气湿度随时间变化有何规律?10.大气中水汽凝结需要什么条件?凝结核、水汽饱和或过饱和11.不同饱和或过饱和途径对云雾的形成有何差异?水汽凝结以冷却为主。
绝热冷却对形成云最为主要;辐射冷却、平流冷却与混合冷却对形成雾最为主要。
12.什么是云?与雾有什么区别?云是悬浮在大气中的大量小水滴、冰晶微粒或两者混合物的可见聚合群体;底部不接触地面。
雾是悬浮于近地面空气中的大量小水滴或冰晶的可见聚合群体,底部接触地面。
13.云的形成需要什么条件?凝结核、充足水汽、冷却过程14.形成云的上升冷却过程有哪些类型?热力对流:多形成积状云动力抬升:锋面、气旋作用,多形成层状云大气波动:多形成波状云地形抬升:可形成积状云、层状云与波状云积状云:空气对流上升冷凝而成的具有孤立分散、云底平坦、顶部凸起形态的垂直发展云块。
第三章大气中的水分1、动态平衡时的水汽称为饱和水汽,当时的水汽压称为饱和水汽压。
2、蒸发潜热是在恒定温度下,使水由液态转为气态所需的热量。
3、饱和水汽压随温度的升高而增大。
4、有时水在0℃以下,甚至是在﹣20℃~﹣30℃以下仍不结冰,处于这种状态的水称为过冷却水。
5、若云中冰晶与过冷却水同时存在,而且当时的实际水汽压结余两者饱和水汽呀之间,就会产生冰水之间的谁其转移现象。
水滴会因不断蒸发而缩小,冰晶会因不断凝华而增大。
这就是“冰晶效应”。
6、同一温度下,溶液面的饱和水汽压比纯水面消,而且溶液浓度越高,饱和水汽压越小。
7、“凝结增长”:云雾中的水滴有大有小,大水滴曲率小,小水滴曲率大。
如果实际水汽压介于大小水滴的饱和水汽压之间,也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。
8、影响饱和水汽压的因素:●温度●蒸发面的性质●蒸发面形状9、影响蒸发的因素:●水源●热源●饱和差●风速与湍流扩散10、大气中水汽凝结的条件:●有凝结核或凝华核的存在●大气中水汽要达到饱和或过饱和状态11、凝结核:大气中能促使水汽凝结的微粒。
12、使空气达到过饱和的途径有两种:●暖水面蒸发●空气的冷却:绝热冷却、辐射冷却、平流冷却、混合冷却。
13、露、霜概念14、形成露和霜的气象条件是晴朗微风的夜晚。
15、霜冻:是指在农作物的生长季节里,地面和植物表面温度下降到足以引起农作物遭受伤害或者死亡的低温。
16、雾凇是形成于树枝上、电线上或其他地物迎风面上的白色疏松的微小冰晶或冰粒。
雾凇的种类:●晶状雾凇●粒状雾凇17、雾是悬浮于近地面空气中IDE大量水滴或冰晶,使水平能见度小于1㎞的物理现象。
形成雾的基本条件是近地面空气中水汽充沛,有使水汽发生凝结的冷却过程和凝结核的存在。
18、根据雾的形成条件,可将雾分为:●气团雾:冷却雾、蒸发雾、混合雾(冷却雾又分为辐射雾、平流雾、上坡雾)●锋面雾19、辐射雾是由地面辐射冷却使贴地面气层变冷而形成的。
第三章大气水分一.填空题:1.在常温常压下,大气中的物质只有有三态变化,其他物质由于气温高于其温度,而以形态存在。
2.温度愈高,饱和水汽压,随着温度升高,饱和水汽压按规律迅速。
3.不同温度下的空气,降低同样的温度,高温时的饱和空气凝结水量比低温时。
4.当T= 时,E过冷=E冰。
5.冰晶效应的条件是。
6.大小水滴共存时,产生水汽转移现象的条件是。
7.空气达到过饱和的途径有、。
8.空气冷却的类型有、、。
9、近地面的空气因与冷地面接触而降温到露点以下,如果 >0℃时,则在地面或地面物体凝结成,称为露;如果 <0℃,则水汽直接在地面或地面物体上凝结成称为霜。
10、形成露和霜的条件是的夜晚。
11、霜冻是指在农作物生长季节里,地面和植物表面温度下降到足以引起农作物遭受伤害或者死亡的。
农业上要预防的是而不是霜。
12、出现白霜时,气温比露点温度,即出现也出现。
13、出现黑霜时,气温比露点温度,只有而无。
14、雾凇是形成于树枝上、电线上或其它地物迎风面上的白色疏松的。
根据其形成条件和结构可分为两类:和。
15、雨凇是形成在地面或地物迎风面上的的紧密冰层。
它主要是降到温度低于的地面或地物上冻结而成的。
如果它是由非过冷却雨滴降到冷却得很厉害的地面或地物上而形成的时候,一般这种雨凇很薄而且存在的时间不长。
16、雾是悬浮于近地面空气中的,使水平能见度小于的物理现象。
17、云是指漂浮在空中的,由组成的中的水汽凝结物。
18、下午出现淡积云是的预兆。
19、早上出现浓积云是的预兆。
20、谚语“瓦块云,晒死人”、“天上鲤鱼斑,明天晒谷不用翻”,就是指透光高积云或透光层积云出现后,。
21、降水是指从云中降落到地面的和水,常见的有。
21习惯上把半径小于 um的水滴称为云滴,半径大于 um的水滴称为雨滴。
标准云滴的半径是 um,标准雨滴的半径是 um。
22、使云滴增大的过程主要包括:和。
实际上,云滴的增长是这两种过程同时作用的结果。
第三章大气中的水分一、名词解释题:1. 饱和水汽压(E):空气中水汽达到饱和时的水汽压。
2. 相对湿度(U):空气中的实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的百分比。
3. 饱和差(d):同温度下饱和水汽压与实际水汽压之差。
4. 露点温度(td ):在气压和水汽含量不变时,降低温度使空气达到饱和时的温度。
5. 降水量:从大气中降落到地面,未经蒸发、渗透和流失而在水平面上积累的水层厚度。
6. 干燥度:为水面可能蒸发量与同期内降水量之比。
7. 农田蒸散:为植物蒸腾与株间土壤蒸发的综合过程。
8. 降水距平:是指某地实际降水量与多年同期平均降水量之差。
9. 降水变率=降水距平/多年平均降水量×100%10. 辐射雾:夜间由于地面和近地气层辐射冷却,致使空气温度降低至露点以下所形成的雾。
11.露点12.水分临界期13. 农田蒸散:为植物蒸腾与株间土壤蒸发的综合过程。
14. 冰晶效应:是指在温度低于0℃时,由于平冰面的饱和水汽压低于平水面的饱和水汽压,对水面还未饱和的水汽压来说冰面已达到饱和,此时在水滴和冰晶共存的条件下,水滴将不断蒸发而冰晶将不断增长的现象。
15.二、填空题:1. 低层大气中的水汽,随着高度的升高而(1)减少。
2. 蒸发量是指一日内由蒸发所消耗的(2)水层厚度。
3. 相对湿度的日变化与温度的日变化(3)相反。
4. 使水汽达到过饱和的主要冷却方式有(4) 辐射冷却、接触冷却、(5)混合冷却和(6)绝热冷却。
5. 空气中水汽含量越多,露点温度越(7) 高。
空气中的水汽达到饱和时,则相对湿度是(8) 100%。
6.根据土壤含水量由多到少,可将土壤蒸发速率分为三个阶段:、、三个阶段。
7.达到过饱和状态的途径:一是增加大气中的,二是使含有一定量水汽的空气。
8.饱和差等于零时,相对湿度等于_____。
9. 饱和水气压随温度的升高而_升高(增大)_。
10.当水汽压不变时,相对湿度随温度的升高而_降低(减小)_。
第三章大气中的水分地球上的水分就是通过蒸发、凝结和降水等过程循环不已。
在自然界中,常有一种或数种处于不同物态的物质所组成的系统。
在几个或几组彼此性质不同的均匀部分所组成的系统中,每一个均匀部分叫做系统的一个相。
单位时间内跑出水面的水分子比落回水中的水汽分子多,系统中的水就有一部分变成了水汽,这就是蒸发过程。
动态平衡时的水汽称为饱和水汽,当时的水汽压称为饱和水汽压E。
水相变化的判据:e与E的大小的比较,若水汽压大于饱和水汽压,则过饱和。
O的横坐标为0℃水只存在于0℃以上的区域,冰只存在于0℃以下的区域,水汽虽然可存在于0℃以上及以下,但其压强却被压制在一定范围内。
图中,OA、OB分别表示水与水汽、冰与水汽两相共存的情况。
OA又称蒸发线,表示水与水汽处于动态平衡时水面上饱和水汽压与温度的关系线上K点所对应的温度和水汽压是水汽的临界温度和临界压力,高于临界温度时就只有水汽存在了,因此蒸发线在K点中断。
OB为升华线,表示水汽与冰平衡时冰面上饱和水汽压和温度的关系。
OC是融解线,表示冰与水达到平衡时,压力与温度的关系。
可以看出COK区域为水。
凝结时,由于水汽分子变为液态水,分子间的位能减小,因而有热能释放出来。
这种凝结时释放出来的热量叫做凝结潜热。
它与同温下的蒸发潜热数量上相等。
蒸发潜热(L)是指在恒定温度下,使某物质由液相转变为气相所需要的热量。
L与温度之间有关系:L =(2500-2.4t)×103(J/kg)当t=0℃时,L=2.5×106 J/kg 当温度变化不大时,L变化很小,故取L=2.5×106J/kg同理,冰升华为水汽有两个过程,冰变为水,水变为水汽,故升华潜热Ls为融解潜热(3.34×105 J/kg)和蒸发潜热的和,故Ls=2.8×106 J/kg饱和水汽压与蒸发面的温度、性质(水面、冰面,溶液面)、形状(凸面、凹面、平面)之间有密切的关系。
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。