大气中的水分

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,海洋,湖,蒸发,水汽输送,地表径流,地下径流,降水,降水,蒸发,植物蒸腾,下渗,第四章,大气中的水分,（一）,蒸发和凝结的基本原理,（二）,地表面和大气中的凝结现象,（三）,降水及人工影响天气,大气中,的水分,水、水汽、冰之间转换的物理过程,冰,水,水汽,蒸发,凝结,凝华,升华,冻结,融化,水汽是大气中,唯一,能由一种相转变为另一种相的成分,（一）蒸发和凝结的基本原理,1,、水相变化,水相变化的判据：不同相态水分子的扩散速率,N,n,未饱和 蒸发,N,=,n,饱和 动态平衡,N,n,过饱和 凝结,E,e,未饱和 蒸发,E,=,e,饱和 动态平衡,E,e,过饱和 凝结,冰与水汽两相变化和平衡判据,E,s,e,未饱和 升华,E,s,=,e,饱和 动态平衡,E,s,e,过饱和 凝华,水的三种相态分别存在于不同的温度和压强条件下,: (1),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。,水,蒸发线,升华线,融解线,水相变化的特点：巨大的能量转换,潜热,蒸发过程：较大动能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,t,有如下的关系：,水汽凝结：潜热将会全部释放出来，这就是,凝结潜热,。,在同温度下，凝结潜热与蒸发潜热相等。,冰的升华过程：冰升华为水汽消耗的热量包含两部分：,冰融化为水所需消耗的,融解潜热,融解潜热,=3.3410,5,J/kg,水变为水汽所需消耗的,蒸发潜热,蒸发潜热,=2.5,10,6,J/kg,升华潜热,L,s,表示为：,2,、饱和水汽压,影响饱和水汽压的因素是蒸发面：,（,1,）温度,、,（,2,）性质（水面、冰面，溶液面等）、（,3,）形状（平面、凹面、凸面）,影响因素之一温度,19,世纪,克拉伯龙,和,克劳修斯,分别用热力学理论推导出了纯水面饱和水汽压随温度升高而增大的数学表达式：,克拉伯龙,克劳修斯方程,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,L,=2.510,6,J/kg,，,R,w,=461J/kg K,，,T,0,=273K,，,T,=273+t,，,E,0,=6.11hPa,（为,t=0,时，,纯水平面上的饱和水汽压,）,克拉伯龙,克劳修斯方程的适用性：水平液面,经验公式：,L,是温度的函数,（,2,）饱和水汽压随温度的改变量，在高温时要比低温时大。这也说明了为什么暴雨总是发生在暖季。,（,1,）空气温度的变化，对蒸发和凝结有重要影响。,升温：,饱和空气,-,未饱和,-,水面继续蒸发,降温：,未饱和空气,-,饱和,-,过饱和,-,多余水汽凝结,蒸发面性质不同，水分子脱出蒸发面需克服分子引力也不同，,同一温度下不同蒸发面上的饱和水汽压也不相同,。,A,冰面和过冷却水面的饱和水汽压,过冷却：液态水温度在冰点以下而不冻结的现象,通常不易见到过冷却水，但是在自然界，特别是在云雾中较普遍存在,(,在,-20-30,以下不结冰,),影响因素之二：蒸发面性质,冰分子脱出冰面,所受,的束缚比水分子脱出水面的束缚,大,冰晶和过冷却水滴共存情况在云中很普遍,冰晶效应,如果实际,水汽压处于两者的饱和水汽压之间,:,水滴,不断蒸发而减小，冰晶因不断凝华而增大，在冰和水之间水汽转移现象。,冰晶效应：,这种由于冰水共存引起冰水间的水汽转移的作用,蒸发,凝华,冰晶,效应程度与其差值,有关，差值越大，冰晶效应越显著。这种效应是混合云形成降水的重要理论之一。,B,溶液面的饱和水汽压,溶液中的溶质使溶液内分子间的作用力大于纯水内分子间的作用力，使水分子脱离溶液面比脱离纯水面困难。因此同一温度下，溶液面的饱和水汽压比纯水面要小，且溶液浓度愈高饱和水汽压愈小。,这种作用对在可溶性凝结核上形成云或雾的最初胚滴明显，以溶液滴刚形成时较为显著，随着溶液滴的增大，浓度逐渐减小，溶液影响就不明显了。,此外，水滴上的电荷对水滴表面上的饱和水汽压也有一定的影响：使饱和水汽压减小,蒸发面形状不同，水分子受周围分子吸引力不同。,影响因素之三：蒸发面形状,A,凸表面水分子受到引力,最小,，表面水汽压最大,C,凹表面水分子受到引力最小，表面水汽压最小,B,平表面水分分子,的情况介于二者之间。,原因：开尔文方程,凸表面,平表面,凹表面,曲面上蒸气压,平面上蒸气压,球形液滴的半径,凸面的曲率愈大，即,r,越小，饱和水汽压愈大,云雾,中的水滴有大有,小：,大水滴半径大，饱和水汽压小,小水滴半径小，饱和水汽压大,小,水滴因蒸发而逐渐变小，大水滴因凝结而不断增大,凝结增长,。,特点：这一过程在水滴增长到半径大于,1m,时，曲率的影响就很小了。所以“凝结增长”只在云雾刚形成时起作用。,3,、影响蒸发的因素,1802,年英国著名物理学家、,化学家,Dalton,通过,大量,试验数据，,提出水面蒸发量与饱和水汽压差,(,e,),成正比，与气压,(P),成反比，且随着风速的加大而,增大：,C,为与风速,(W),有关的函数,:,C,=,f,(W),具体关系需要通过实验测定。,道尔顿蒸发定律的本质：水面蒸发模型,影响因子之一：水源,没有水源就不可能有蒸发，水,/,雪面、湿土、植被是蒸发产生的基本条件。在沙漠中，几乎没有蒸发。,影响因子之二：热源,蒸发必须消耗热量，在蒸发过程中如果没有热量供给，蒸发面就会逐渐冷却，从而使蒸发面上的水汽压降低，于是蒸发减缓或逐渐停止。因此蒸发速度在很大程度上决定于热量的供给。实际上常以蒸发耗热多少直接表示某地的蒸发速度。,在自然条件下，蒸发是发生于湍流大气,之中，,影响因素是湍流交换影响蒸发速度的主要因子有四个：,水源、热源、饱和差、风速,。,影响因子之三：饱和差（,E-e,）,蒸发速度与饱和差成正比。严格说，此处的,E,应由蒸发面的温度算出，但通常以一定气温下的饱和水汽压代替。饱和差愈大，蒸发速度也愈快。,影响因子之四：风速,大气中的水汽垂直输送和水平扩散能加快蒸发速度。无风时，蒸发面上的水汽单靠分子扩散，水汽压减小得慢，饱和差小，因而蒸发缓慢。有风时，湍流加强，蒸发面上的水汽随风和湍流迅速散布到广大的空间，蒸发面上水汽压减小，饱和差增大，蒸发加快。,除上述基本因子外，大陆上的蒸发还应考虑到土壤的结构、湿度、植被的特性等,。,实际蒸发量的计算公式较多，例如：,绝对湿度,水汽压 变化,特征：双峰型和单波型,双峰型,：两个最高值,两,个最低,值,主要,在大陆上,湍流混合较强,的夏季出现。,单波型,：水汽压与温度的日变化一致。海洋上、沿海地区和陆地上湍流不强的秋冬季节为多见。,4,、湿度随时,间的变化,9-10,21-22,双峰型原因：蒸发作用与湍流扩散作用相对强弱,相对湿度的日变化特征主要决定于气温,相对湿度,的日变化与温度日变化相反,，最高值出现,在清晨温度最低时，最低值出现在午后温度最高时。,水汽压的年变化,与温度的年变化相似：最高值出现在温度高、蒸发强的,7-8,月，最低值出现在温度低、蒸发弱的,1-2,月。,相对湿度的年变化,一般以冬季最大，夏季最小。某些季风盛行地区，由于夏季盛行风来自于海洋，冬季盛行风来自于内陆，相对湿度反而夏季大，冬季小。,湿度年,/,日变化,特征有时会因天气变化等因素而遭破坏，其中起主要作用的是,湿度平流,。,各地空气中水汽含量不一样，当空气从湿区流到干区时（称为湿平流），引起所经地区湿度的增加。当空气从干区流到湿区时（称为干平流），引起所经之处的湿度减小。,凝结：,水汽由气态变为液态的过程,凝华：,水汽直接转变为固态的过程,大气中水汽凝结或凝华的一般条件：,5,、大气中水汽凝结（凝华）的条件,条件,1,有,凝结核,或,凝华核,的存在,条件,2,大气中水汽要达到,饱和,或过饱和状态,实际大气,中,只要,水汽压,达到或超过,饱和水汽压,，水汽就会,发生凝结,纯净空气中，水汽只有达到巨大,(RH =800%),过饱和才会发生凝结,大气中存在着大量的微粒物质，它们,容易吸附,水分子，有利于水汽分子在其表面上的集聚，使其成为水汽凝结核心。,凝结核：大气中能促使水汽凝结的微粒,(,气溶胶颗粒,),凝结核直,径一般为,10,-7,-10,-3,cm,，而且半径越大，吸湿性越好的核周围越易产生凝结。,凝结核的存在是大气中水汽凝结的重要条件,之一,条件,1,凝结核,条件,2,水汽饱和或过饱和,实际大气中总是存在凝结核的，能否产生凝结，关键取决于空气是否达到过饱和。,空气团气温,25,，实际水汽压为,20hPa,如何使该空气团水汽饱和？,使空气达到过饱和的途径有,两种,：,（一）通过蒸发增加空气中的水汽：,实际水汽压,饱和水汽压。,通常情况下，,水面蒸发作用虽然可以增大空气湿度，但并不能使空气中的水汽产生凝结,。,当冷空气流经暖,水面时，暖水面蒸发,的水汽较多，很容易,在冷空气中达到饱和,，从而产生凝结。,秋冬早晨水面的蒸发雾,（二）是通过冷却作用，减少饱和水汽压，使其少于当时的实际水汽压,大气的冷却方式主要有如下四种：,（,1,）绝热冷却：,指空气在上升过程中，因体积膨胀对外做功而导致空气本身的冷却。随着高度升高，温度降低，饱和水汽压减小，空气至一定高度就会出现过饱和状态。,这是云的形成主要方式,。,（,2,）辐射冷却：,指在,晴朗,无风的夜间，由于地面的,辐射冷却,，导致近地面层空气,的降温,。当空气中温度降低到,露点温度,以下时，水汽压就会,超过,饱和水汽压产生凝结。,辐射雾,辐射雾多发生在夜长、气温低的冬季。只要满足条件，在大部分地区均可形成。,（,3,）平流冷却：,暖湿空气流经冷的下垫面时，将热量传递给冷的地表，造成空气本身温度降低。如果暖空气与冷地面温度相差较大，暖空气降温较多，也可能产生凝结。,平流雾,（,4,）混合冷却：,当温差较大，且接近饱和的两团空气水平混合后，也可能产生凝结。由于饱和水汽压随温度的改变呈指数曲线形式，就可能使混合后气团的平均水汽压比混合气团平均温度下的饱和水汽压大。,（一）,蒸 发和凝结的基本原理,（二）,地表面和大气中的凝结现象,（三）,降水及人工影响天气,大气中,的水分,一、地面的水汽凝结物,二、近地面层空气中的凝结,三、较高大气中的凝结,云,第二节 地表面和大气中的凝结现象,一、地面的水汽凝结物,（一）露和霜,1,、定义：,晚间地表辐射冷却，贴近地表空气层随之降温，当其温度降到露点以下，即空气中水汽含量过饱和时，在地面或地物的表面就会有水汽的凝结,。,（,1,）露：,T,d,0,时地面或地面物体上出现极其微小的水滴,（,2,）霜：,T,d,0,时水汽直接在地面或地物上凝华成白色的冰晶,2,、露与霜形成的气象条件：晴朗微风的夜晚,晴朗：,没有云产生的大气逆辐射，有利于地面或,地物迅速辐射冷却。,微风：,使较厚的气层进行辐射冷却，保证有足够,多的水汽供应凝结。,无风时可供凝结的水汽不多,风速过大时由于湍流太强，使贴地空气与上层较暖的空气发生强烈混合，导致贴地空气降温缓慢，均不利于露和霜的生成。,霜和露都是好天气的标志：,露水见晴天，霜重风晴天,3,、露的降水量：很少,在,温带地区,夜间露的降水量约相当于,0.1-0.3mm,的降水层，但在许多,热带地区,却很可观，多露之夜可有相当于,3mm,的降水量，平均约,1mm,左右。,露的量虽少，但,对植物很有利,，尤其在干燥地区和干热天气，夜间的露常有维持植物生命的功用。例如，干旱沙漠中，植物可以依赖露水生长发育。,4,、霜和霜冻的区别：,霜 ：指白色固体凝结物,霜冻：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,低温,。,有霜时农作物不一定遭受霜冻之害。有霜冻时可以有霜出现，也可以没有霜出现。,预防的是霜冻而不是霜。,预防措施：熏烟、浇水、,覆盖,巴西南部霜冻造成咖啡减产,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微小,冰晶,或,冰粒,。根据其形成条件和结构可分为两类： （,1,）晶状雾凇 （,2,）粒状,雾凇,（二）雾凇和雨淞,晶状雾凇,粒状,雾凇,形成过程,冰晶效应：,过冷却雾滴蒸发，再由水汽凝华,在物体表面的晶体上,过冷却的雾滴被风吹过，碰到冷的物体表面迅速冻结而成,风速条件,微风或静稳,风速较大,气温条件,温度低于,-15,气温在,-2-7,是否有雾形成,有雾,有雾,特点及其产生的可能影响,晶体与霜类似，结构松散，稍有震动就会脱落,结构紧密，能使电线、树枝折断，对交通运输、通讯、输电线路有一定影响,雨,淞：,是形成在地面或地物迎风面上的透明的或毛玻璃状的,紧密冰层,。它主要是,过冷却雨滴,降到温度低于,0,的地面或地物上冻结而成的。,雨凇的破坏性很大,，它能压断电线、折损树木，对交通运输、电讯、输电以及农业生产都有很大影响。,2008,年南方严重的冰雪灾害,二、近地面层空气中的凝结,雾,1,、定义：,悬浮于近地面空气中的大量水滴或冰晶，使水平能见度小于,1km,的物理现象。,雾的等级划分标准，按水平能见度距离划分： 水平能见度距离：,110,公里 轻雾,水平能见度距离：,1,公里 雾,水平能见度距离：,200500,米 大雾,水平能见度距离：,50200,米 浓雾,水平能见度距离：,50,米的雾 强浓雾,2,、形成雾的基本条件：,（,1,）有使水汽发生凝结的冷却过程和凝结核的存在,（,2,）近地面空气中水汽充沛,贴地气层中的水汽压大于其饱和水汽压时，水汽即凝结或凝华成雾。,如气层中富有活跃的凝结核，雾可在相对湿度小于,100,时形成。,此外，因为冰面的饱和水汽压小于水面，在相对湿度未达,100,的严寒天气里可出现冰晶雾。,二、近地面层空气中的凝结,雾,3,、雾的分类,二、近地面层空气中的凝结,雾,辐射雾,锋面雾,气团雾,冷却雾,蒸发雾,混合雾,雾,平流雾,上坡雾,辐射雾,：,（,1,）定义：由,地面辐射冷却使贴,地,气温降低到露点或露点以下，使空气中的水汽达到饱和所形成,的雾,（,2,）形成,辐射雾,的有利条件,是：,空气中有充足的,水汽；,天气晴朗少云,风力微弱（,1-3m/s,）；,大气层结,稳定,（,3,）辐射雾的特征,有明显的季节和日变化：,秋冬季居多；多在下半夜,到清晨，日出前后最浓，,白天辐射升温逐渐消散；,与地理环境有密切的关系：潮湿的山谷、洼地、盆地；,辐射雾厚度几十米到几百米，平均,150,米左右，水平范围不大，分布不均，常零星分布。,平流雾：,暖湿空气流经冷的下垫面而逐渐冷却形成的,形成平流雾的有利天气条件是：,下垫面与暖湿空气温差较大；暖湿空气的湿度大；,适宜的风向（由暖向冷）和风速（,2-7m/s,）；,层结较稳定。,二、近地面层空气中的凝结,雾,辐射雾与平流雾的区别？,三、较高大气中的凝结,云,气象卫星观测表明，地球上超过一半的面积被浮云所覆盖，对大气辐射过程和气候变化具有调节作用。,极轨气象卫星全球图像,云是降水的基础，是地球上,水分循环和能量交换的重要环节。,对流层中云的尺度、浓度、对流强度发展到一定程度后能够产生显著的降水，例如雨、雪、冰雹,云：是悬浮在大气中的液态水滴、固态冰晶及其混合物粒子组成的聚合体。,云对太阳的散射能力较为,均匀，呈白色，其底部与地表,不接触。,大气中凝结的重要条件：,（,1,）要有凝结核的存在,（,2,）空气达到过饱和,（一）云的形成：过饱和主要是由,空气垂直上升所进行的绝热冷却,引起的。上升运动的形式和规模不同，形成的云的形状、高度也不同，上升运动的方式,：,1,、热力,对流,指地表受热不均和大气层结不稳定引起的对流上升运动。由对流运动所形成的云多属积状云。,2,、动力,抬升,指,暖湿气流受锋面、辐合气流的作用所引起的大范围上升运动。这种运动形成的云主要是层状云。,3,、大气,波动,指,大气流经不平的地面或在逆温层以下所产生的波状运动。由大气波动产生的云主要属于波状云。,4,、地形,抬升,指大气运行中遇地形阻挡，被迫抬升而产生的上升运动。这种运动形成的云既有积状云，有波状云和层状云，通常称之为地形云。,（二）云的分类,尽管云的形态千差万别，根据云的,形成高度,并结合其,形态,，国际分类法将云分为,4,族,10,属。我国将云分成,3,族,11,属。,1,、积状云,(1),形成原因：热力对流,(2),总体特点：积状云多形成于夏季午后，具孤立分散、云底平坦和顶部凸起的外貌形态。,(3),分类：淡积云、浓积云、积雨云,上流气流强弱,淡积云：底平、个小、由水滴组成,浓积云：云块大、底暗、上升气流强、顶部超过,0,等温线高度。由水滴、过冷水滴组成。,积雨云,：顶部超过冻结高度，由水滴、过冷水滴、冰晶组成。常在夏季午后出现，伴有雷阵雨,。,层状云,（,1,）形成：空气大规模系统性上升运动而产生的，主要是锋面上的上升运动引起的。当暖空气向冷空气一侧移动时，由于二者密度不同，稳定的暖湿空气沿斜坡缓慢滑升，绝热冷却，形成层状云。,(2),特点：,均匀幕状的云层，常具有较大的水平范围,(3),分类：,卷层云、卷云、高层云和雨层云。,卷云,卷层云,高层云,雨层云,卷云：云底很高，由冰晶组成，因高空风很大， 云丝平行排列，成羽毛排列。,卷层云：均匀成层,、能看到,太阳和月亮的,轮廓，往往,伴随,着日、月晕，因此如看到天空有晕，便知道,有,卷层云,移来，则未来将有雨层云移来，天气可能,转,雨,“日晕三更雨，月晕午时风”。,高层云：浓密灰白、均匀成层、产生连续降水,雨层云：云幕范围大能遮云蔽日，产生连续性降水,波状云：波浪起伏的云层，包括,卷积云、高积云、层积云,。,当空气存在波动时，波峰处空气上升，波谷处空气下沉。空气上升处由于绝热冷却而形成云，空气下沉处则无云形成，从而形成厚度不大、保持一定间距的平行云条，,呈一列列或一行行,的,波状云。,波状云,：,卷积云：气流波动很高，白色细鳞片状。由冰晶组成。“鱼鳞天，不雨也风颠”。,高积云：扁圆，瓦块状，在日月照射下有华或虹彩。由冰晶和过冷水滴组成。,天上鲤鱼斑，明天晒谷不用翻；瓦块云，晒死人,层积云：灰白或灰色的大块云。由冰晶、过冷水滴、,水滴组成。,（,1,）悬球状云：是指从云底下垂的云团，多出现在积雨云的底部。有时在高积云、高层云和雨层云的底部也可以见到。,特殊云状：悬球状、堡状、絮状、荚状,悬球状云的出现，通常预兆有降水产生，因为一旦上升气流减弱，原先被托住的水滴就会降落下来，形成降水。,堡状云：底部水平，顶部则是并列着突起的小云塔，形状像远方的城堡。这种云的形成，常常是在波状云的基础上发展起来的。,絮状云：,边缘破碎，是由于潮湿空气不稳定且有强烈的湍流混合而致。,堡状云和絮状云,早晨出现堡状高积云或絮状高积云，表示该高度上气层不稳定，到了中午，低层对流一发展，上下不稳定气层结合起来，会产生强烈上升气流，形成积雨云，下雷暴雨或冰雹。,傍晚出现堡状高积云，表明高空将有不稳定系统逼近，次日可能出现系统性雷暴雨。,“天上云城堡，地下雷雨鸣”,“朝有破絮云，午后雷雨临”,荚状云：中间厚、边缘薄，云块呈豆荚状。常见的荚状云主要是荚状高积云和荚状层积云。,荚状云是由局部上升气流和下降气流相汇合而形成的。当上升气流使空气绝热冷却而形成云时，如果遇到下降气流的阻挡，其边缘部分因下降气流而逐渐变薄，这样便形成荚状云。,在山区，气流受到地形的影响也能形成荚状云,积状云、层状云、波状云和一些特殊云状不是孤立的、不变的，随着条件的变化它们是可以发展、消散或相互转化的,例如积状云中，淡积云可以发展到浓积云，最后形成积雨云。积雨云在消散时，可以演变成伪卷云、积云性高积云和积云性层积云。,总之，云的产生、发展和演变是复杂的，也是有规律的。,云的变化,第四章 大气中的水分,（一）,蒸 发和凝结的基本原理,（二）,地表面和大气中的凝结现象,（三）,降水及人工影响天气,大气中,的水分,降水的基本认识,1,、定义：,从云中降到地面上的液态的或固态的水,2,、类型：,雨、雪、霰、雹,雨：自云体中降落至地面的液体水滴。,雪：从混合云中降落到地面的雪花形态的固体水,霰：由雪晶或雪团大量地碰撞过冷云滴形成，直径,25mm,，落到地上会反弹、易破碎 。,雹：雹核在冷却中不断增大体积，是由透明和不透明的冰层相间组成的。,3,、降水的性质：连续性和阵性降水 连续性降水历时长，强度具有变化性，降水主要来自高层云和雨层云。 阵性降水历时短，强度大，具有突然性，降水来自浓积云和积雨云。,雨,mm,24,小时,小雨,200,雪,mm,24,小时,小雪,5.0,4,、降水的强度,一、云是如何转变为降水的？,二、人类是如何影响降水的？,3. Click to add Title,4. Click to add Title,1,、雨滴增长过程,2,、雨和雪的形成,3,、各种云的降水,2,、人工增雨,3,、人工消雾,1,、人工防雹,一、云是如何转变为降水的？,降水虽然主要来自云中，但有云不一定有降水。这是因为云滴的体积很小（标准云滴半径为,10m,），不能克服空气阻力和上升气流的顶托。,只有当云滴增长到雨滴（标准雨滴半径为,1000m,）到能克服空气阻力和上升气流的顶托，并且降落至地面的过程中不致被蒸发掉时，降水才形成。,1,、云滴增长的物理过程,一块云能否降水，则意味着在一定时间内（例如,1h,）能否使云滴转变成一个雨滴。,使云滴增大的过程主要有二种方式：,（,1,）云滴,凝结,（或凝华）增长。,（,2,）云滴相互,冲并,增长。,云滴的实际增长是这两种过程同时作用的结果,(1),云滴凝结（或凝华）增长,指云滴依靠水汽分子在其表面上凝聚而增长,云滴的凝结增长有,3,种不同的,模式：,过冷,水（冰晶）,凝结,大小,水滴,凝结,冷暖,水滴,凝结,云滴凝结增长的限制性：,云滴表面产生凝结（或凝华），水汽从空气中析出，空气湿度减小，云滴周围便不能维持过饱和状态，而使凝结（或凝华）停止。,要使这种凝结（或凝华）增长不断地进行，还必须有水汽的扩散转移过程，即当云层内部存在着冰水云滴共存、冷暖云滴共存或大小云滴共存的任一种条件时，产生水汽从一种云滴转化至另一种云滴上的扩散转移过程。,凝结（凝华）增长过程很难使云滴增长到雨滴的尺度，且这种作用随着雨滴的增大而减弱。,（,2,）云滴的冲并增长,大小云滴之间发生冲并而合并增大的过程,大小雨滴在运动过程中相互碰撞,注意：,云滴的凝结增长和冲并增长过程在由云滴转化为降水的过程中始终存在：,在云滴增长的初期,凝结（或凝华）增长为主，冲并为次,当云滴增大到一定阶段（一般直径达,50-70m,）后,重力冲并为主，凝结（或凝华）居次,凝结（或凝华）增长和冲并增长两种过程是不可分割的。,2,、雨和雪的形成,（,1,）雨的形成,水成云：由液态水滴所组成的云体,具备了云滴增大为雨滴的条件,雨滴具有一定的下降速度,冰成云：由冰晶组成的云体，,混合云：由水滴和冰晶共同组成的,从冰成云或混合云中降下的冰晶或雪花，下落到,0,以上的气层内，融化以后也成为雨滴下落到地面，形成降雨。,雨 或 毛毛雨,（,2,）雪的形成,在混合云中，由于冰水共存使冰晶不断凝华增大，成为雪花。当云下气温低于,0,时，雪花可以一直落到地面而形成降雪。如果云下气温高于,0,时，则可能出现雨夹雪。,雪花的形状极多，有星状、柱状、片状等等，但基本形状是六角形。雪花的不同形状与其形成时的温度有关。,美丽的雪花,3,、各类云的降水,不同的云，由于其水平范围、云高、云厚、云中含水量、云中温度和升降气流等情况不同，因而降水的形态、强度、性质也随之而有差异。,（,1,）层状云的降水,卷层云是冰晶组成的，由于冰面饱和水汽压小于同温度下水面饱和水汽压，使冰晶可以在较小的相对湿度（可以小于,100,）情况下增大。但是，因卷层云中,含水量较小，云底又高,，所以除了在冬季高纬度地区的卷云可以降微雪以外，卷层云一般是不降水的。,雨层云和高层云经常是混合云，所以云滴的凝华增大和冲并增大作用都存在，雨层云和高层云的降水与云厚和云高有密切关系。,云厚时，有利于冰晶的凝华增大，且云滴冲并增大的路程也长，有利于云滴增大。,云底高度低时，云滴离开云体降落到地面的路程短，不容易被蒸发掉，这就有利于形成降水。,对雨层云和高层云来说，云愈厚、愈低，降水就愈强。雨层云比高层云的降水大得多，也主要是这个缘故。,由于层状云云体比较均匀，云中气流也比较稳定，所以层状云的降水是连续性的，持续时间长，降水强度变化小。,（,2,）积状云的降水,积状云一般包括淡积云、浓积云和积雨云。,淡积云由于云薄，云中含水量少，而且水滴又小，所以一般不降水。,浓积云是否降水则随地区而异。在中高纬度地区，浓积云很少降水。在低纬度地区，因为有丰富的水汽和强烈的对流，浓积云的厚度、云中含水量和水滴都较大，虽然云中没有冰晶存在，但水滴之间冲并作用显著，故可降较大的阵雨。,积雨云是冰水共存的混合云，云的厚度和云中含水量都很大，云中升降气流强，因此云滴的凝华增长和冲并作用均很强烈，致使积雨云能降大的阵雨、阵雪，有时还可下冰雹。,积状云的降水是阵性的。这是因为，一方面它的云体水平范围与垂直伸展的尺度差不多，也就是说它的水平范围小，经过一个地方用不了多少时间，因而降水的起止很突然。另一方面是由于积状云中，升降气流多变化，上升气流强时，降水物被“托住”降落不下来。当上升气流减弱或出现下沉气流时，降水物骤然落下，也使降水具有阵性。,（,3,）波状云的降水,波状云由于含水量较小，厚度不均匀，所以降水强度较小，往往时降时停，具有间歇性。层云只能降毛毛雨，层积云可降小的雨、雪和霰。高积云很少降水。但在我国南方地区，由于水汽比较充沛，层积云也可产生连续性降水，高积云有时也可产生降水。,二、人类是如何影响天气的？,人工影响天气：是指在一定的有利时机和条件下，通过人工催化等技术手段，对局部区域内大气中的物理过程施加影响，使其发生某种变化，从而达到减轻或避免气象灾害目的的一种科技措施。,人工影响天气的主要类型：,1,、人工,防雹,2,、,人工降水,3,、人工,消雾,1,、人工防雹,（,1,）冰雹产生的条件：,大气中必须有相当厚的不稳定层存在；,积雨云必须发展到能使个别大水滴,冻结,的高度（一般认为温度达,-12,-16,）；,要有强的,风切变（风向或风速发生变化）,；,云的垂直厚度不能小于,6,8,千米；,积雨云内含水量丰富。一般为,3,8g/m3,，在最大上升速度的上方有一个液态过冷却水的累积带；,云内应有倾斜的、强烈而不均匀的上升气流，一般在,10,20,米,/,秒以上。,（,2,）冰雹的形成,冰雹形成的基本原理：,在对流特别旺盛的对流云（积雨云）中，当水汽随气流上升预冷会凝结成小水滴，随着高度增加温度进一步降低，达到,0,以下时，水滴就凝结成冰粒或冰晶，在它继续上升过程中，会吸附其周围小冰粒或水滴而长大，直到其重量无法为上升气流所承载时就会下降，当其降落至较高温度区域时，其表面溶解成水，同时亦会吸附周围小水滴，此时若遇强大上升气流再被抬升，其表面则又凝结成冰。若此反复进行如滚雪球般其体积越来越大，直至它的重量大于浮力和上升气流的顶托力时，冰球开始降落，若达到地面时未全部溶解成水，仍存在固态冰粒者，此即为冰雹。,（,3,）人工防雹的原理：,设法减少或切断给小冰胚的水分供应,向云中播撒足够量的催化剂，以产生大量冰晶，迅速形成更多的水滴或冰粒，造成,同雹胚竞争水分,的优势，从而抑制雹块的增长。,（,4,） 人工防雹的方法,人工防雹是用高炮或火箭将装有碘化银的弹头发射到冰雹云的适当部位，以喷焰或爆炸的方式播撒碘化银，或用飞机在云层下部播撒碘化银焰剂。,2,、人工降水,人工降水是根据不同云层的物理特性，选择合适时机，用飞机、火箭向云中播撒干冰、碘化银、盐粉等催化剂，使云层降水或增加降水量，以解除或缓解农田干旱、增加水库灌溉水量或供水能力，或增加发电水量等。,中国最早的人工降雨试验是在,1958,年，吉林省遭受到,60,年未遇大旱，人工降雨获得了成功。,1987,年在扑灭大兴安岭特大森林火灾中人工降雨发挥了重要作用。,人工影响云的微物理过程：,可以在一定条件下使本来不能自然降水的云受激发而降水, 水分供应小，经济价值有限,可使那些水分供应较多、往往能自然降水的云，提高降水效率而增加降水量 经济效益最大,人工降水存在的问题：,如何估价人工降水的效果非常困难？,人工催化增加的降水量，是催化后的实际降水量和不经催化的自然可能降水量之差。实际降水量可以测定，但能否正确估价自然可能降水量，就成了效果检验的关键：, 线性回归 随机试验,（,1,）人工影响冷云（云体温度低于,0,）降水,在温度低于,0C,的冷云降水过程中，冰晶浓度起着重要的作用。冷云之所以很少降水，主要是云内缺乏冰晶，云滴得不到增长。,冷云产生降水的基本原理是在云内制造适量的冰晶，使其产生冰晶效应，使水滴蒸发，冰晶增长。当冰晶长大到一定尺度后，发生沉降，沿途由于凝华和冲并增长而变成大的降水质点下降,静力催化,人工降雨所采用的方法，因云的性质不同，有以下两种：人工影响冷云,/,暧云降水,在云体的过冷却（,-10,）部分，大量而迅速地引入人工冰核。当冰核转化成冰晶时，要释放大量潜热，使云内温度升高，形成或增大上升气流，促使云体在垂直和水平方向迅速发展，相应延长云的生命期，加速云内降水形成过程，从而增加降水量。,动力催化,静力催化与动力催化都是从影响云的微物理结构着手，所不同的是静力催化着眼于云内水的相态不稳定性，动力催化立足于影响或加强云内的热力不稳定。,在云内人工产生冰晶的方法有二种：,方法,1,：在云中投入冷冻剂，如干冰（即固体二氧化碳），在,1013hPa,下，其升华温度为,-79,。将干冰投入过冷却云中后，在它的周围薄层内便形成一个冷区，在此冷区内，过饱和度很大，因此水汽分子结合物能够存在和长大。,试验表明，当温度低于,-40,时，即有自生冰晶。因此，在干冰周围形成了大量的冰晶胚胎，其中较大的冰晶经过湍流扩散到四周空间，以后继续成长为更大的降水质点而下落。,方法,2,：引入人工冰核（凝华核或冻结核）：,目前碘化银是一种非常有效的冷云催化剂。,对碘化银成冰作用的机制，多年来争论很大：,观点,1,水汽分子直接在,AgI,质点上凝华形成冰晶，碘化银起凝华的作用；,观点,2,碘化银起冻结核作用，一开始碘化银质点作为凝结核形成水滴，然后再冻结产生冰晶,观点,3,碘化银起接触核的作用，也就是碘化银质点与过冷水滴互相碰撞后冻结而形成冰晶,暖云：整个云体温度高于,0,的云。,我国南方夏季的浓积云、层积云多属于这种云,暖云特点：,云中缺乏大水滴，滴谱较窄，冲并作用不易进行。暖云无冰晶效应，促使降水形成起决定性作用的,是大小水滴,冲并过程。,（,2,）人工影响暖云降水,人工影响暖云降水：,引入吸湿性核（如食盐），在低饱和度下凝结增长，故可形成大滴,引入,30-40m,的大水滴，从而拓宽滴谱，加速冲并增长的过程,引入表面活性物质，改变水滴的表面张力状态，以利于形成大水滴，加速链锁反应，形成降水。,我国南方大量的野外试验中，发现在暖性对流云顶播撒大颗粒、大剂量的盐粉，效果很显著。,对于发展快、垂直厚度大、含水量丰富而又有上升气流的暖性对流云进行反复催化，可以得到大量降水。,缺点：消耗食盐量大，效率低。要求飞机有较大的载量,在美国、澳大利亚和我国都曾对暖云作过播散大水滴的试验，用飞机从云顶或云下部撒水。发现能使暖云降水有所发展，并可使薄云消散。用这种方法要求飞机有较大的载量，其效能也不如播散吸湿性物质。,3,、人工消雾,雾：是由于近地层空气中悬浮的无数小水滴或小冰晶造成水平能见度小于,1km,的一种天气现象。,近地层的气温降低和水汽增加是形成雾的基本条件。,从人工消雾的观点，主要是按雾中温度低于,0,或高于,0,将其分为冷雾（雾滴为过冷却水滴）和暖雾，以便采取相应的作业技术方法。,人工消冷雾：,向雾中播撒适当物质使之产生大量冰晶，利用冰晶效应，促使水滴不断蒸发、数量减少。,可产生冰晶的物质有：制冷剂、人工冰核（碘化银等）和通过膨胀降温产生冰晶的压缩空气。,从技术上讲，人工消冷雾比较成熟，广泛使用。,人工消暖雾,采用的方法有：,（,1,）播撒氯化钙等吸湿性核在雾中培植大水滴，拓宽雾滴谱，诱发冲并过程，造成雾的沉降，使雾消散；,（,2,）加热方法，增加局部区域温度，是雾滴蒸发而消散；,（,3,）用喷气发动机产生热气，靠热动力扰动气流，使雾蒸发消散；,（,4,）采用直升飞机破坏雾层顶部的逆温层，使雾因气流上升而消散。,人工消暖雾的技术尚处于进一步的试验研究之中。,