地球大氣的成分及分布第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

2.3

大氣中的水汽

水汽含量雖不多，僅僅占大氣成份的0.1%--3%，卻是大氣中最活躍的成份。2.3.1水汽的特性

來源：大氣中的水汽主要來源于江、河、湖、海及潮濕物體表面的水分蒸發(fā)和植物的蒸騰。第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

作用：1、在大氣溫度變化的范圍內(nèi)，它可以凝結(jié)或凝華為水滴或冰晶，成云致雨，落雪降雹(云、霧、露、霜、雨、雪、霧凇、雨凇、冰雹…），是天氣變化中的一個(gè)重要角色。

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第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

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第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2、水汽能強(qiáng)烈吸收和放出長波輻射，直接影響地面和空氣的溫度。

水的相變和水分循環(huán)不僅把大氣圈、海洋、陸地和生物圈緊密地聯(lián)系在一起，而且對大氣運(yùn)動的能量轉(zhuǎn)換和變化，以及對地面和大氣溫度都有重要的影響。第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

水汽是自然條件下，大氣中唯一可以發(fā)生相變,能以固、液、氣三種相態(tài)存在的成份。

小知識：同是氣態(tài)物質(zhì)，卻稱為氧氣、氬氣等稱“氣”，而水汽卻稱成“汽”？why?

總之，由于水對于地球上生命的意義以及水在地球大氣條件下的三相變化，使水汽不同于其他微量氣體而更具重要性。第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

2.3.2大氣濕度的表示法

水汽和干空氣的混合氣體稱為濕空氣。

表示濕空氣中水汽含量的物理量稱為

空氣濕度。測量水汽含量的物理量的最基本方法是稱重法，直接稱出一定體積濕空氣的水汽和干空氣的質(zhì)量。最基本的大氣濕度物理量是混合比r與比濕q，其他濕度參量是導(dǎo)出量。第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

空氣濕度可用多個(gè)物理量表示：一、混合比r與比濕q

設(shè)一定體積的空氣中含有水汽質(zhì)量mv克,干空氣的質(zhì)量md克。

定義混合比r為水汽與干空氣的質(zhì)量比：

即

定義比濕q為水汽與濕空氣的質(zhì)量比：即

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上式分子分母同除以md，r和q的關(guān)系：

因大氣中的r,q都小于0.4,可以認(rèn)為r≈q，單位都是g/kg,g/g。r,q與e的關(guān)系：單位：g/kg

單位：g/kg第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

二、水汽壓e和飽和水汽壓es1、水汽壓e

水汽壓e是大氣中所含水汽的分壓強(qiáng)。單位：hpa。

顯然，它是大氣壓強(qiáng)的一部分，不容易測量，因此必須通過間接計(jì)算出來。第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

２、飽和水汽壓es

假設(shè)在一個(gè)密封容器中，下部盛放純液態(tài)水，上部為空氣，其壓強(qiáng)為p，純水和空氣具有相同的溫度。設(shè)最初容器中的空氣是干燥的，則液態(tài)水開始蒸發(fā)，有水汽不斷進(jìn)入水面上方的空氣中，空氣壓強(qiáng)會因水汽的分壓強(qiáng)e的增大而升高。

顯然，當(dāng)水汽壓e增大到某一限度值es，氣態(tài)水和液態(tài)水就不會增加減少，水和水汽達(dá)到動態(tài)平衡，蒸發(fā)停止。這種平衡稱為相態(tài)平衡。第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

定義：達(dá)到相態(tài)平衡時(shí)空氣中的飽和水汽產(chǎn)生的水汽壓稱為飽和水汽壓es。

當(dāng)容器中的水溫增加時(shí)，上方空氣能容納的水汽也增加，即飽和水汽壓es隨溫度增加。

也就是說，飽和水汽壓es表示在一定溫度下空氣中水汽的最大容量，其值隨溫度的升高而增大。且es和t是一一對應(yīng)關(guān)系。（見下表）第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

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氣象上常用兩種公式來表示飽和水汽壓es和溫度T或(t)的關(guān)系。

克拉柏龍—克勞修斯方程

利用熱力學(xué)定律和態(tài)函數(shù)可以推導(dǎo)克拉柏龍—克勞修斯方程：

對于水面上的飽和水汽壓es而言：Ｌ是水的汽化潛熱，Ａ為熱功當(dāng)量，Rv為水汽的比氣體常數(shù)，es０＝6.11hpa,表示Ｔ＝273K時(shí)的飽和水汽壓。第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

經(jīng)驗(yàn)公式

在精度要求不高的情況時(shí)，可采用經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算es：

式中t是攝氏溫度，a和b是常數(shù)：對水面：a=7.5,b=237.3對冰面：a=9.5,b=265.5

練習(xí)１：分別求溫度為-5°的水面和冰面的飽和水汽壓，并與表中數(shù)值比較。第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

由上經(jīng)驗(yàn)公式可知，

同溫度下，

es水面>esi冰面,

且在t=-12℃時(shí)，es－esi最大。

冰水飽和水汽壓的不同，在云霧降水的形成發(fā)展中具有重要意義。如有名的貝吉龍過程。第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

三、水汽密度(ρv)

水汽密度表示單位體積濕空氣中含有的水汽質(zhì)量，也稱為絕對濕度。

在常溫常壓下，純水汽可以看成理想氣體，由狀態(tài)方程得：

e=ρvRvT

即

Rv=R*/Mv

Mv為水的比氣體常數(shù),單位g／m3第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

四、相對濕度f(Uw)

在一定的溫度和壓強(qiáng)下，水汽壓和飽和水汽壓之比成為相對濕度。

同樣，f=r/rs，

f=q/qs單位％

練習(xí)2:溫度為15oC的空氣相對濕度為80％,該空氣的實(shí)際水汽壓e和水汽密度ρv又為多少？第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

五、露點(diǎn)Td和霜點(diǎn)Tf1、露點(diǎn)Td

對于一定質(zhì)量的空氣，若令其定壓冷卻，q,r,e都將保持不變，而es(T)卻因溫度的降低而減少。當(dāng)es(T)=e時(shí)，空氣達(dá)到飽和。濕空氣定壓降溫達(dá)到飽和時(shí)的溫度稱為露點(diǎn)Td。

露點(diǎn)雖然是溫度，但露點(diǎn)差T–Td卻反映了濕度的大?。?/p>

T–Td越大，空氣越干燥；

T–Td越小，空氣越潮濕，

T–Td＝０時(shí)，空氣達(dá)到飽和。

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2、霜點(diǎn)Tf

對于一定質(zhì)量的空氣，若令其定壓冷卻，q,r,e都將保持不變，而esi(T)卻因溫度的降低而減少。當(dāng)esi(T)=e時(shí)，空氣達(dá)到飽和。

如果是對于冰面飽和，則濕空氣定壓降溫達(dá)到飽和時(shí)的溫度稱為霜點(diǎn)Tf。

例3：溫度為15oC的空氣相對濕度為80％,氣壓p為1010hpa,該空氣的Td、Tf、r、q，e，es，ρv

又為多少？第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

總結(jié)各濕度參量：

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各濕度間的相互關(guān)系：ρv=e/RvTf=e/ese=es(Td)e=esi(Tf)第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

2.2.2濕空氣的狀態(tài)方程

上節(jié)提到，水汽和干空氣組成的混合理想氣體稱濕空氣。

根據(jù)平均摩爾質(zhì)量計(jì)算公式

濕空氣的平均摩爾質(zhì)量為：第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

上式分子分母同除md+mv,由上式可計(jì)算濕空氣的比氣體常數(shù)：第35頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

則濕空氣的狀態(tài)方程可寫成：

P=ρRＴ＝ρRd(1+0.608q)T定義虛溫Tv：

Tv＝T(1+0.608q)＝T(1+0.608*0.622e/p)=T(1+0.378e/p)濕空氣的狀態(tài)方程可以寫出：

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虛溫Tv的物理意義：

濕空氣因水汽的存在，它比同溫度下的干空氣密度要小，如果在壓強(qiáng)不變的條件下，升高干空氣的溫度，以代替水