大气的水分

大气的水分_气象科学与观测

第三章　大气的水分

大气中的水分是大气组成成分中最富于变化的部分。大气从海洋、湖泊、河流以及潮湿土壤的蒸发中或者从植物的蒸腾作用中获得水分。且不断地进行着水分循环，水分由下垫面蒸发变成水汽分布于大气中，在一定条件下凝结成云，然后又以降水的形式降至地面。在水分循环过程中，形成了各种复杂的天气现象，如云、雾、雨、雪、霜、露等。地球上的水分就是通过蒸发、凝结和降水等物理过程循环不已。

空气湿度

大气中水汽含量的多少，即空气潮湿的程度，用数量来表示称为空气湿度。在气象学上常用水汽压、绝对湿度、相对湿度、饱和差和露点来度量空气湿度的大小。

水汽压（e）：空气中水汽所产生的分压力，称为水汽压。它是大气压力的一部分，单位常用毫米汞柱或毫巴（mb）表示。温度愈高，空气中所能容纳的水汽量愈多。在一定温度下，空气中水汽达到最大含量时称为饱和。

空气达到饱和时的水汽压称为饱和水汽压（E）。饱和水汽压随温度的升高而很快地增大。饱和水汽压除与温度有关外，还与物体状态、蒸发面的形状、液体的浓度等因素有关。冰面的饱和水汽压比水面的小；凹面的饱和水汽压比平面的小，平面的又比凸面的小，随着表面曲率的增加，饱和水汽压增大。

饱和水汽压又随溶液浓度的增加而减小，纯水的饱和水汽压最小。

绝对湿度（a）：通常将空气中的水汽密度称为绝对湿度。它是以1米³空气中所含水汽质量（克数）来表示的。一般，绝对湿度很难测得，所以常用水汽压来间接表示绝对湿度的多少。当绝对温度以克／米³为单位，水汽压以mm为单位，t＝16．4℃时，绝对湿度和水汽压在数值上相等。

相对湿度（T）：即空气中实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的百分比。可用下式表示：

r＝e／E×100%。

相对湿度表示空气中水汽的饱和程度。在一定温度条件下，即E不变时，水汽压愈大，空气愈接近饱和。当e＝E时，r＝100%空气达到饱和，称为饱和状态；当e＜E时，即r＜100%，称为未饱和状态；当e＞E时，即r＞100%，而无凝结现象发生时，称为过饱和状态。

饱和差（d）：在一定温度下，饱和水汽压和实际水汽压之差，称为饱和差。单位是毫米汞柱或毫巴。饱和差表示空气中的水汽含量距离饱和的绝对数值。一定温度下，e愈大，空气愈接近饱和，当e＝E时，空气达到饱和，这时候d＝0。

露点（c）：气温愈低，饱和水汽压也就愈小，所以对于含有一定量水汽的空气，在气压不变的情况下降低温度，使饱和水汽压与当时的实际水汽压值相等，这时的温度，称为该空气的露点温度，简称露点，单位用℃表示。

蒸发和凝结

水有三态：固态为冰，液态为水，气态为水汽。夏天黎明时，叶片上的晶莹露珠，冬天清晨房瓦上的银色白霜，都是大气中水的不同状态。大气中的水究竟以哪种形态出现，主要取决于环境温度。

当温度升高时，液态的水分子能脱离液面跑到空气中去，成为水汽，这个过程叫蒸发。当温度高到一定程度时，固态的水也可直接变成水汽叫做升华现象。反之，当温度降低时，大气中的水汽含量超过该温度下的最大容纳量时，过剩的水汽就会变成细小的水滴从大气中分离出来，叫做凝结现象。

当气温在零度以下时，过剩的水汽会直接变成冰晶，叫做凝华。

水从一种状态转化为另一种状态时，伴有吸收或释放能量的过程。气态水所含的内能最大，而固态水所含的内能最小。1克水蒸发为同温度下的水汽要吸收597卡的热量。反之，大气中的1克水汽凝结为水时会释放出与上述数字相同的热量。这种当温度不变时，单位质量的物体从一个相态转变到另一个相态（液体转变为气体或固体转变为液体）的过程中所吸收或放出的热量，物理学上称为潜能。水物质相变时的热量变化，对各种云系的发生、发展和消亡有着极其重要的作用，特别是对台风、雷暴等强天气系统的发展更是有着重要的影响。

地表面和大气中的凝结现象

大气中的水汽凝结现象是多种多样的，有在地面物体上形成的地面凝结物，如露和霜等。它们是降水的一种；有悬浮于空中的凝结物，就是云和雾；有从云中形成下降到地面的各种降水物，如雨、雪、雹等。

1．露和霜

清晨，当你漫步在田野里、树林间，你会看到草丛里、树叶上，露珠点点，晶莹透明。等你走到它旁边，会发现你的衣服不知不觉中已经弄湿了。

冬天早上，你起来开门，会看到地上厚厚的一层白色冰晶。你就知道今天早上的温度肯定比较低了。因为有霜。

那么，这个露和霜是从哪里来的？它们又是如何形成的呢？在傍晚或夜间，地面温度开始下降，使贴近地表面的空气层也随着降温，当空气的温度降到露点以下，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。若此时的地面温度在0℃以上，在地面或地物上就出现微小的水滴，称为露，若此时地面温度在0℃以下，则水汽直接在地面或地物上凝华成白色的冰晶，称为霜。有时已生成的露，由于温度降到0℃以下，冻结成冰珠，称为冻露，实际上也归入霜的一类。

露和霜形成的气象条件是晴朗微风的夜晚。夜间晴朗有利于地面或地物迅速辐射冷却。微风可使辐射冷却在较厚的气层中充分进行，而且可使贴地空气得到更换，保证有足够多的水汽供应凝结。

2．雾

雾是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1公里的物理现象。形成雾的基本条件是近地面空气中水汽充沛，使水汽发生凝结的冷却过程和凝结核的存在。近地面的大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。

由于辐射冷却而形成的雾称为辐射雾。当暖湿空气移到冷下垫面上时形成的雾称为平流雾。这是最常见的两种雾。其中辐射雾有明显的地方性。我国四川盆地是有名的辐射雾区，其中重庆冬季无云的夜晚或早晨，雾日几乎占80%，有时还可终日不散，甚至连续几天。所以重庆素有“雾都”之称。

由于雾里含有一些尘埃杂质等，对空气有一定的污染，所以有雾的天气不易进行体育锻炼。雾对农作物有有利的方面也有不利的方面。有利方面是可以形成水平降水，即雾滴沉积于枝叶上而形成降水；雾对作物的不利影响是持久的雾可减少日照，使近地层空气湿度很大，雾滴附于作物叶面上，造成病害传播蔓延的有利条件。

3．云

天空中有时白云朵朵，随风飘浮；有时云层密布，形成灰濛濛的一片；有时像丝缕状的薄纱，悬挂在高空，有时则像高山矗立，乌云翻腾，真是瞬息万变，千姿百态。

云是由大量小水滴和小冰晶组成的。云内温度高于0℃的区域，云滴由小水滴组成；而温度低于0℃的地方，云滴则由过冷水滴和冰晶组成；只有当温度低于－20℃，云滴才逐渐由小冰晶组成。云滴直径一般为十几微米，这样大小的云滴在空中的沉降速度仅1厘米／秒左右，要沉降100米需要3小时，所以可长期飘浮在空中。在雷雨云中，因上升气流很强，甚至可以托住直径达几百微米的大滴，因此云滴直径平均达几十微米。

云的千姿百态、瞬息万变是和云的形成密切相关的，气象上根据云的高度和云状等，把云划分为若干类，以便进行观测。

（1）高云族

高云族包括卷云、卷层云和卷积云三类。它们是冰晶构成的，云体呈白色，有蚕丝般的光泽，薄而透明。阳光通过高云时，地面物体的影子清楚可见，云的高度一般在6000米以上。

卷云：卷云具有丝缕状结构，常呈丝状或片状，分散地飘浮在空中。卷云通常为白色无暗影，并带有丝一般的光泽。卷云出现晕的机会比较少，即使出现，晕也不完整。我国北方和西部高原地区，冬季卷云有时会下微量零星的雪。卷云云层较高，因此它在早晨最先被阳光照射，而傍晚最迟变暗。

在日出以前和日落以后，卷云常呈鲜明的黄色或红色。地平线的卷云总有些发黄。

卷云的种类很多。云丝薄而分散，形如纤细羽毛状的称为毛卷云；云丝密集，聚合成片的，称为密卷云；云丝平行排列，而且上端有钩或小云团的，称为钩卷云。钩卷云常产生在中、高纬地区低气压前面，它的出现，近期内将出现风雨，所以有“天上钩钩云，地下水淋淋”的谚语。如果钩卷云、毛卷云等逐渐消散，那是由于高空低压移出本地，又有“钩钩云消散，晴天多干旱”预兆未来晴天。

卷层云：呈乳白色的云幕，透过它能清楚地看出日月的轮廓，而且经常有日晕或月晕出现。晕是太阳或月亮的光线，经过高空中由冰晶组成的卷层云时，由于折射，反射而形成的内红外紫的光环。卷层云通常是出现在低压的前部，在它的后面，就是造成降雨的高层云和雨层云。若低压的大风区经过本地，则会产生大风。有谚语曰“日晕三更雨，月晕午时风”。

卷层云中云幕薄而均匀，看不出明显结构的，称为薄幕卷层云；云幕的厚度比较均匀，云的丝缕结构明显的，称为毛卷层云。

卷积云：白色鳞片状的小云块，这些云块常成群地出现在天空，看起来很像微风拂过水面时引起的小波纹。卷积云常由卷云和卷层云蜕变而成。

（2）中云族

中云包括高积云和高层云二类，其高度通常在2000—6000米之间。

高层云由水滴和冰晶混合组成。高积云有时和高层云一样，单由水滴构成。

中云比高云浓度大得多，厚的能遮住阳光，有时还可能降雨雪。

高积云：白色或灰白色的薄云片或扁平的云块。这些云片或云块有时是孤立分散的，有时又聚合成层。成层的高积云中，云块常沿一个或两个方向有秩序地排列着。高积云可同时出现在不同的高度上，透过高积云看日月时，常有内紫外红的彩色光环。高积云的种类很多，其中云块较薄，个体分离，从间隙可见蓝天或高处云层的，称为透光高积云；云块厚大，排列密集，阳光难以透过的，称为蔽光高积云；云块像豆荚，孤立分散于天空的，称为荚状高积云；云块底部平坦，而顶部突起，类似远处城堡的，称为堡状高积云；云块个体破碎，像乱棉絮团的，称为絮状高积云；由积云顶部扩展而成的，称为积云性高积云。

高层云：呈淡灰色的云幕，看起来比卷层云厚而且浓密、出现时常布满全天。高层云可降连续或间歇性雨雪。高层云常由卷层云变厚或雨层云变薄而成。其中，云层较薄，厚度较均匀，透过它可以辨别日月位置，但其轮廓模糊不清，好像隔着一层毛玻璃，这种云称为透光高层云；云层比较厚，云底阴暗，能完全遮蔽日月，或云层的厚度不均匀，出现明暗相间的条纹，称为蔽光高层云。蔽光高层云有时可降小雨或雪。

（3）低云族

低云族包括层积云、层云、碎层云、雨层云、碎雨云、积云和积雨云七类，其高度一般在2，000米以下。层积云、层云、碎层云、碎雨云和积云主要是由水滴组成。雨层云和积雨云经常由水滴和冰晶共同组成。低云都可以有降水，但只有雨层云和积雨云才有大量降水。

层积云：灰色或灰白色的云片、云块或云条。同高积云相比，这些云块的个体都比较大，结构比较松散，厚的部分比较阴暗。厚的层积云可降间歇性的小雨或小雪。层积云中，云块之间有明显的缝隙，透过缝隙可见蓝天或上面云层的，称为透光层积云；云块彼此密接，布满全天，犹如波涛汹涌的海面的，称为蔽光层积云；由积云或积雨云衰退后衍变而成的扁平云块，称为积云性层积云；在平坦的云体上有云塔突起的，称为堡状层积云。

层云：层云是灰白色、较均匀的云层，很低（几十至几百米），且厚度不大，像雾但不着地，常能将小山或建筑物的顶部掩没；当云厚时日、月光不能透过，当云很薄时，隔云看日、月轮廓清晰可辨，像白色玉盘。层云可降毛毛雨或米雪。

碎层云：由层云分裂或浓雾抬升而形成。云块支离破碎，形状极不规则，随风移动明显。

雨层云：呈低而均匀的云幕，水平范围很大，常常遮蔽全天。由于其厚度很大，能完全遮蔽日月，故云底阴暗。雨层云有连续性降水或有雨幡（从云中落下的雨滴或雪花，在到达地面以前就被蒸发掉了）下垂。

碎雨云：低而破碎，随风飘移，形状多变，云体呈灰色或灰白色，常出现在降水云层的下面。

积云：积云是孤立垂直向上发展的云块，顶部成圆弧形或呈重叠圆拱突起，底部几乎是水平的，云体边界分明。当积云移至天顶时常是暗黑一大块，看不见圆弧形的顶与水平底。根据其发展的程度，可将积云分为三种：淡积云，云体扁平，个体不大，底部平坦，顶部呈圆弧形隆起，往往孤立分散在天空；浓积云，比淡积云高大，顶部圆弧形重叠，像菜花，底部阴暗；碎积云的云体破碎，中部稍有凸起，形状多变。

积雨云：又称雷雨云，云体浓厚庞大，垂直发展极盛，像耸立的高山。

积雨云布满全天时，云底很像雨层云，也可能有雨幡下垂和碎雨云出现。但积雨云的云底较为混乱，颜色阴暗。伴随着积雨云经常出现雷电和阵性降水、冰雹等现象。

4．降水

降水是指从云中降到地面上的液态或固态水。常见的降水形式有雨、雪、霰、冰雹等。

降水虽然主要来自云中，但有云不一定都有降水。这是因为云滴的体积很小（通常把半径小于100微米的水滴称为云滴，半径大于100微米的水滴称为雨滴）。只有当云滴增长到能克服空气阻力和上升气流的抬升，并且在下降过程中不被蒸发掉时，才能降到地面。因此降水的形成，就是云滴增大为雨滴、雪花或其他降水物，并降至地面的过程。一块云能否降水，就意味着在一定时间内能否使一百万个左右的云滴转变成一个雨滴。

云滴增长的物理过程：降水发生的原因是由于漂浮的小云滴增大以后，不能再被空气或上升气流托住才下降到地面的。云滴的增大有两种过程：水汽分子继续汇集在云滴的表面上，即由凝结方式增大起来；但是这种过程需要空气中的水汽压大于云滴面上的水汽压，如果云中有冰晶存在时，因为冰面的饱和水汽压比同温度下水面的饱和水汽压要小，因此，水汽便由液面向冰晶体上转移，而使其体积增大。大云滴的曲率小，饱和水汽压小，因此它比小云滴容易增大。

云滴相互碰撞合并增大其体积：云内的云滴大小不一，它们具有不同的运动速度，大云滴下降速度比小云滴快，因而大云滴在下降过程中很快追上了小云滴，大小云滴相互碰撞而粘附起来，成为较大的云滴，在有上升气流时，当大小云滴被上升气流向上带时，小云滴也会追上大云滴与之合并，成为更大的云滴。云滴增大以后，它的横截面积变大，在下降过程中又可合并更多的小云滴，犹如滚雪球一样，愈滚愈大。

云滴碰并增长的速度与云中的含水量、云滴的大小有关。云中含水量愈高，云滴大小愈不均匀，云滴的碰并增长愈快。

上述两种过程自始至终存在于云滴转化为降水的过程。观测表明，在云滴增长的初期，凝结增长为主，合并为次。当云滴增大到一定阶段后，凝结过程退居次要地位，而以合并为主。

（1）降水的不同形式

降水按其外形可分为如下几种：

雨：为滴状的液体降水。水成云（由液态水滴组成的云体）内如果具备了云滴增大为雨滴的条件，并使雨滴具有一定的下降速度，这时降落下来的就是雨或毛毛雨。由冰成云（冰晶组成的云体）和混合云（水滴和冰晶共同组成的云）降下的冰晶或雪花，下落到0℃以上的气层内，融化后也成为雨滴下到地面。

雨按强度的大小，分为小雨、中雨、大雨、暴雨、特大暴雨。

长期的连绵阴雨或大雨和暴雨，使得短时期内出现大量降水，形成巨大的地表径流，淹没低洼地区，或江河泛滥，淹没大片土地，致使作物被淹死，农产欠收，给国家带来巨大损失。这就是所谓的水涝天气。在我国常出现“南涝北旱”或“北涝南旱”的情况。如华中地区梅雨期持久，降水多，则长江流域水涝，而华北、东北地区却干旱无水。

抗旱防涝的最好措施是大力兴修水利。如建造大、中、小型水库，营造水土保持林、农田防护林等。我国许多地区在这方面都取得了显著成绩。

雪：是由冰晶构成的各种各样的固体降水，雪花的形状很多，有星状、柱状、片状等。但基本形状是六角形的。

雪花为什么多呈六角形，花样又如此繁多呢？这是因为冰的分子以六角形为最多，因而形成雪花多是六角形的。雪花形状的多种多样，则与它形成时的水汽条件有密切关系。由于六角形冰晶的面上、边上和角上的饱和水汽压不同，其中角上最大，边上次之，面上最小。当突有水汽压仅大于平面的饱和水汽压，水汽只在面上凝华，形成柱状雪花；当突有水汽压大于边上的饱和水汽压，边上、面上都有水汽凝华，就形成片状雪花；当突有水汽压大于角上的饱和水汽压，边上、面上、角上都有水汽凝华，就形成了枝状或星状雪花。

雪按照降水强度的大小可分为小雪、中雪和大雪。雨夹雪是融化的雪或雪与雨同时下降的降水。

雹：是表面为各种形状的冰块，直径介于5—50mm，个别也有更大的，雹的中心是一个不透明的冰核，周围包着若干层透明的和不透明的冰壳。

冰雹天气是一种严重农业灾害性天气。它出现的范围虽小，时间又短促，但来势猛、强度大，并常伴随狂风暴雨，雹粒降落在作物茎、叶和果实上，引起很大的机械损伤。严重的冰雹能使处在开花期和成熟期的作物受到毁灭性的伤害，轻者减产，重者颗粒无收。

冰雹多发生在春末夏初季节交替时。目前人工防雹有两种方法，即催化法和爆炸法。催化法其原理和人工降雨一样，往冰雹云内加入大量碘化银微粒或食盐粉末，破坏冰雹的形成过程，使云内水分分散凝结成小冰雹或水滴，避免造成严重危害。我国许多地方在人工防雹上取得了一定经验和成果。

此外，降水还有霰等形式。

人工降雨：随着农业生产的发展，如何有效地人工影响局部天气，防御不利的农业天气的出现，已是一个亟待解决的问题。1958年，我国在吉林省用干冰催化降水进行大规模人工降水试验获得成功，以后，在全国广泛开展了人工降水试验。近年来，由于科学技术迅猛发展，引用了新技术，在云、雾、降水宏观微观结构的探测以及催化方法和技术、效果检验等方面都得到了很大发展。

人工降雨的原理主要有两方面。一方面，云是由很微小的水滴组成的，云滴的体积增长100万倍才能成为一个普通大小的雨滴。为了使云滴迅速长大，就要在云内首先形成一部分冰晶或大云滴，但是自然界中并不常常具备这种情况，所以，在不少情况下，有云而无降水。为此，就需要人为地向云中播撒催化剂，使云中能生成一些冰晶或大云滴，促使云滴迅速长大成雨滴而降落。使用的催化剂有多种，对于温度低于0℃的云层多用干冰或碘化银来“引晶”，叫冷云催化。对于高于0℃的云层，多用盐粉或氯化钙来引进大云滴，叫暖云催化。另一方面，云中降水量一般与云的体积成正比，所以通过大量引晶使云上部的过冷却水滴冰晶化，同时释放潜能，导致云中上升气流发展，增大云的体积和生命期，从而增加云的降水量。目前，虽然进行了大量地面人工降水试验，然而，飞机播撒催化剂仍是人工降雨试验的主要方式。

人工降雨对缓和局部地区的旱情起到了一定作用，为农业生产作出了贡献。但抗旱的最好措施还是兴修水利，营造水土保持林、农田防护林。

（2）降水的表示方法

降水的表示方法有降水量、降水强度、降水变率等。

降水量：是指从空中降下来的液态水或融化后的固态水，在水平面上未经蒸发、渗透、流失所聚积的水层深度，通常以毫米为单位。雾、霜等凝结物称为水平降水，从云中降到地面的降水量和水平降水量之和，称为雨量。

降水强度：指单位时间内的降水量，单位为毫米／小时，或毫米／日。

降水变率：表示降水量的变动程度，有绝对变率和相对变率二种。

绝对变率：是某地实际降水量与同期多年平均降水量之差。绝对变率为正值时，表示比正常年份降水量多，负值表示比正常年份降水量少。因此，降水绝对变率表示某地降水量的变动情况。

相对变率：是绝对变率与多年平均降水量的百分比。为了便于不同地区进行比较，常采用相对变率：

相对变率＝绝对变率／平均降水量×100%

相对变率愈大，表示平均降水量的可靠程度愈小，发生旱涝灾害的可能性就愈大。

（3）降水分布

降水的分布与大气的运动、气团和锋带的活动以及海陆分布等有密切的关系。其中，空气温度对高纬度地区和冬季大陆内部的降水分布很重要。因为空气温度限制了大气最大水汽含量。南半球没有像北半球那样的广阔内陆。南半球浩瀚的海洋增加了中纬度地区的平均降水量，45°S与50°N相比，前者增加了约1／3。

总之，由于上述因素的影响，降水的分布比气温分布要复杂得多。降水分布有三个主要特点：第一，有一个赤道降水最大值，其位置和热赤道一样略偏在北半球；第二，高纬地区的降水总量很小；第三，在副热带纬度是一个次低值，尽管副热带高压区是著名的干旱区，但在这个纬度中的大陆东岸的夏季，降雨量还是相当多的。