第三章大气中的水分 第一节蒸发和凝结 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
第三章 大气中的水分 第一节 蒸发和凝结 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
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tk=374C,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、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tk=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
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。 起初,系统中的水汽浓度不大,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。 蒸发的结果使系统内的水汽浓度加大,水
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。 起初，系统中的水汽浓度不大，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。 蒸发的结果使系统内的水汽浓度加大，水
汽压也就增大了,这时分子碰撞的机会增多, 落回水面的水汽分子也就增多。如果这样继续 下去,就有可能在同一时间内,跑出水面的水 分子与落回水中的水汽分子恰好相等,系统内 的水量和水汽分子含量都不再改变,即水和水 汽之间达到了两相平衡,这种平衡叫做动态平 衡(因为这时仍有水分子跑出水面和水汽分子 落回水中,只不过进出水面的分子数相等而 已)。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
汽压也就增大了，这时分子碰撞的机会增多， 落回水面的水汽分子也就增多。如果这样继续 下去，就有可能在同一时间内，跑出水面的水 分子与落回水中的水汽分子恰好相等，系统内 的水量和水汽分子含量都不再改变，即水和水 汽之间达到了两相平衡，这种平衡叫做动态平 衡（因为这时仍有水分子跑出水面和水汽分子 落回水中，只不过进出水面的分子数相等而 已）。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.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= pWRWT可知, 在温度一定时,水汽e与水汽密度pW成正比, 而pW与n成正比,所以e和n之间也成正比
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=ρwRwT可知， 在温度一定时，水汽e与水汽密度ρw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 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ns,ns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 水汽和压判据 E>e蒸发(未饱和) E=e动态平衡(饱和)(31) E<e凝结(过饱和) 若Es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
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ns，ns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 水汽和压判据 E＞e蒸发（未饱和） E=e动态平衡（饱和）（3·1） E＜e凝结（过饱和） 若Es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 Es>e升华 Es=e动态平衡 Es<e凝华 上面说明了水相0 变化是可以由实测的8 水汽压值e与同温度6 冰 下的饱和水汽压值E (或Es)之间的比较2 B 水汽 B 来判定的。 16-12-8-404°C 图3·1纯水〔平水面)的位相平衡
和平衡的判据 Es＞e升华 Es=e动态平衡 Es＜e凝华 上面说明了水相 变化是可以由实测的 水汽压值e与同温度 下的饱和水汽压值E （或Es）之间的比较 来判定的
图31是根据大量经验数据绘制的水的位相 平衡图。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°C以上的区域, 冰只存在于0C以下的区域,水汽虽然可存在 于0°C以上及以下的区域,但其压强却被限制 在一定值域下。图31中OA线和OB线分别表示 水与水汽、冰与水汽两相共存时的状态曲线。 显然这两条曲线上各点的压强就是在相应温度 下水汽的饱和水汽压,因为只有水汽达到饱和 时,两相才能共存。所以OA线又称蒸发线, 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
图3.1是根据大量经验数据绘制的水的位相 平衡图。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。图3·1中OA线和OB线分别表示 水与水汽、冰与水汽两相共存时的状态曲线。 显然这两条曲线上各点的压强就是在相应温度 下水汽的饱和水汽压，因为只有水汽达到饱和 时，两相才能共存。所以 OA线又称蒸发线， 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k和临界压力(Ek=22×105 hPa),高于临界温度时就只能有气态存在了, 因此蒸发线在K点中断。OB称升华线,它表示 冰与水汽平衡时冰面上饱和水汽压与温度的关 系。OC线是融解线,表示冰与水达到平衡时压 力与温度的关系。O点为三相共存点:to= 0.0076℃,E0=611hPa。上述三线划分了冰、 水、水汽的三个区域,在各个区域内不存在两 相间的稳定平衡。例如图中的1、2、3点,点 1位于OA线之下,eiE,此时多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
是水汽的临界温度tk和临界压力(Ek= 2.2×105 hPa） ，高于临界温度时就只能有气态存在了， 因此蒸发线在K点中断。OB称升华线，它表示 冰与水汽平衡时冰面上饱和水汽压与温度的关 系。OC线是融解线，表示冰与水达到平衡时压 力与温度的关系。O点为三相共存点：t0= 0.0076℃，E0=6.11hPa。上述三线划分了冰、 水、水汽的三个区域，在各个区域内不存在两 相间的稳定平衡。例如图中的 1、2、3点，点 1位于OA线之下，ei＜E，这时水要蒸发；点 2 处，e2＞E，此时多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