第三章 大气中的水分

第三章大气中的水分

大气从海洋、湖泊、河流及潮湿土壤的蒸发中或植物的蒸腾中获得水分。水分进入大气后，由于它本身的分子扩散和空气的运动传递而散布于大气之中。在一定条件下水汽发生凝结，形成云、雾等天气现象，并以雨、雪等降水形式重新回到地面。地球上的水分就是通过蒸发、凝结和降水等过程循环不已。因此，地球上水分循环过程对地-气系统的热量平衡和天气变化起着非常重要的作用。

第一节蒸发和凝结

一、水相变化

在自然界中，常有由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。例如水的三种形态：气态（水汽）、液态（水）和固态（冰），称为水的三相。由于物质从气态转变为液态的必要条件之一是温度必须低于它本身的临界温度，而水的临界温度为t k=374℃，大气中的水汽基本集中在对流层和平流层内，该处大气的温度不但永远低于水汽的临界温度，而且还常低于水的冻结温度，因此水汽是大气中唯一能由一种相转变为另一种相的成分。这种水相的相互转化就称为水相变化。

1.水相变化的物理过程

从分子运动论看，水相变化是水的各相之间分子交换的过程。例如，在水和水汽两相共存的系统中，水分子在不停地运动着。在水的表面层，动能超过脱离液面所需的功的水分子，有可能克服周围水分子对它的吸引而跑出水面，成为水汽分子，进入液面上方的空间。同时，接近水面的一部分水汽分子，又可能受水面水分子的吸引或相互碰撞，运动方向不断改变，其中有些向水面飞去而重新落回水中。单位时间内跑出水面的水分子数正比于具有大速度的水分子数，也就是说该数与温度成正比。温度越高，速度大的水分子就越多，因此，单位时间内跑出水面的水分子也越多。落回水中的水汽分子数则与系统中水汽的浓度有关。水汽浓度越大，单位时间内落回水中的水汽分子也越多。

2.水相变化的判据

假设N为单位时间内跑出水面的水分子数，n为单位时间内落回水中的水汽分子数，则得到水和水汽两相变化和平衡的分子物理学判据，即

N＞n蒸发（未饱和）

N=n动态平衡（饱和）

N＜n凝结（过饱和）

但在气象工作中不测量N和n，所以不能直接应用以上判据。

由水汽的气体状态方程e=ρw R w T可知，在温度一定时，水汽e与水汽密度ñw成正比，而ρw 与n成正比，所以e和n之间也成正比。这就是说，当水汽压e为某一定值时，则有一个对应的n 值。当在某一温度下，水和水汽达到动态平衡时，水汽压E即为饱和水汽压，对应的落回水面的水汽分子数为n s，n s又等于该温度下跑出水面的水分子数N.所以E正比于N，对照分子物理学判据可得两相变化和平衡的饱和水汽压判据

E＞e蒸发（未饱和）（3.1）

E=e动态平衡（饱和）

E＜e凝结（过饱和）

若E s为某一温度下对应的冰面上的饱和水汽压，与以上类似也可得到冰和水汽两相变化和平衡的判据

水的三种相态分别存在于不同的温度和压强条件下。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℃以上及以下的区域，但其压强却被限制在一定值域下。余的水汽要产生凝结；点3恰好位于OA线上，e3=E，只有这时水和水汽才能处于稳定平衡状态。3.水相变化中的潜热

在水相的转变过程中，还伴随着能量的转换。蒸发过程中，由于具有较大动能的水分子脱出液面，使液面温度降低。如果保持其温度不变，必须自外界供给热量，这部分热量等于蒸发潜热L，L与温度有如下的关系

L=（2 500-2.4t）×103（J/kg）（3.2）

根据上式，当t=0℃时，有L= 2.5×106J/kg。而且L是随温度的升高而减小的。不过在温度变化不大时，L的变化是很小的，所以一般取L为2.5×106J/kg。当水汽发生凝结时，这部分潜热又将会全部释放出来，这就是凝结潜热。在同温度下，凝结潜热与蒸发潜热相等。

同样，在冰升华为水汽的过程中也要消耗热量，这热量包含两部分，即由冰融化为水所需消耗的融解潜热和由水变为水汽所需消耗的蒸发潜热。融解潜热为3.34×105J/kg。所以，若以L s表示升华潜热，则有

L s=（2.5×106+3.34×105）J/kg=2.8×106J/kg

二、饱和水汽压

要了解蒸发面是处于蒸发、凝结还是处于动态平衡状态，就要将实有水汽压e与对应的饱和水汽压E进行比较，因而还有必要对饱和水汽压加以研究。饱和水汽压和蒸发面的温度、性质（水面、

冰面，溶液面等）、形状（平面、凹面、凸面）之间，有密切的关系。

1、饱和水汽压与温度的关系

随着温度的升高，饱和水汽压显著增大。饱和水汽压与温度的关系可由克拉柏龙-克劳修司（Clapeyron-Clausius）方程描述

式中E为饱和水汽压，T为绝对温度，L为凝结潜热，R w为水汽的比气体常数。

积分（3·4）式，并将L=2.5×106J/kg，R w=461J/kg·K，T0=273K，T=273+t，E0=6.11hPa （为t=0℃时，纯水平面上的饱和水汽压）代入，则得

饱和水汽压随温度的升高而增大。这是因为蒸发面温度升高时，水分子平均动能增大，单位时间内脱出水面的分子增多，落回水面的分子数才和脱出水面的分子数相等；高温时的饱和水汽压比低温时要大。

随着温度升高，饱和水汽压按指数规律迅速增大。空气温度的变化，对蒸发和凝结有重要影响。高温时，饱和水汽压大，空气中所能容纳的水汽含量增多，因而能使原来已处于饱和状态的蒸发面会因温度升高而变得不饱和，蒸发重新出现；相反，如果降低饱和空气的温度，由于饱和水汽压减小，就会有多余的水汽凝结出来。饱和水汽压随温度改变的量，在高温时要比低温时大。所以降低同样的温度，在高温饱和空气中形成的云要浓一些，这也说明了为什么暴雨总是发生在暖季。

2、饱和水汽压与蒸发面性质的关系

自然界中蒸发面多种多样，它们具有不同的性质和形状。水分子欲脱出蒸发面，需克服周围分子的引力，因此会因蒸发面的性状而有差异。所以，即使在同一温度下，不同蒸发面上的饱和水汽压也不相同。

（1）冰面和过冷却水面的饱和水汽压

通常，水温在0℃时开始结冰，但是试验和对云雾的直接观测发现，有时水在0℃以下，甚至在-20℃—-30℃以下仍不结冰，处于这种状态的水称过冷却水。而过冷却水与同温度下的冰面比较，饱和水汽压并不一样。

以升华潜热L s=L+L d=2.8×106J/kg取代式（3·4）式中的蒸发潜热L，并积分，可得到冰面上