气象学与农业气象(汇总版II)

气象学与农业气象学第四章大气中的水分第一节空气湿度一．湿度参量1.水汽压e和饱和水汽压E概念单位：1hpa=1mb=¾mmHg表示空气中水汽的绝对含量—绝对湿度指标饱和水汽压E主要取决于温度温度－饱和水汽压关系曲线E平冰面E平水面2.比湿qq=mv/(md+mv)比湿具有保守性--------只要水汽质量和空气质量保持不变，不管空气块如何膨胀或收缩，q均不变3.相对湿度f表示在同一气温条件下，空气中水汽含量距饱和的程度，其大小除取决于水汽量以外，更重要的是决定于温度是一个表示潮湿程度的相对湿度指标%100Eef4.饱和差d=E-e某气温条件下，空气块距离饱和的程度，常用于讨论水分的蒸发或凝结5.绝对湿度m单位体积空气中含有的水汽质量6、露点温度td水汽含量不变、气压一定的条件下，使空气冷却到饱和时的温度即为露点温度露点温度之高低只与空气中水汽含量有关，是表示空气水汽湿度的绝对指标td与实际气温之差可表示空气中水汽的饱和程度td0时，即为霜点温度二．空气湿度的时间变化日变化：水汽压的日变化与温度同步（因为蒸发）相对湿度的日变化则与温度反相但在沿海地区，由于海陆风的作用，相对湿度的日变化也与气温一致海、陆风成因示意图年变化：水汽压的年变化也与气温同步，最大值出现在蒸发强7~8月，最小值在1~2月相对湿度的年变化一般是夏季最小，冬季最大季风盛行的地区，相对湿度夏季大、冬季小，而气温同步季风----大范围盛行、风向有明显季节变化的风系（1）季风是大范围地区盛行风向随季节改变的现象，因为小范围风向受地形影响很大；（2）盛行风具有明显不同的来源；（3）随着盛行风向的变换，将带来明显的天气气候变化夏季风---偏南风暖湿空气（水汽含量多）冬季风---偏北风干冷空气（水汽含量少）表现出与温度同步！第二节蒸发和蒸散一．饱和水汽压下垫面水的相变是以蒸发为主还是以凝结为主，取决于实际水汽压和饱和水汽压的相对大小Ee蒸发为主Ee凝结为主E=e动态平衡而饱和水汽压的大小，也受诸多因素的影响（饱和水汽压大，则蒸发容易）★温度（指数关系）★蒸发面的形状和性质溶液---E溶液E水面蒸发面---E凸面E平面E凹面二.水面蒸发及土壤蒸发1、水面蒸发W0=A(E-e)W0=A’(E-e)/P水面的蒸发速率主要取决于饱和差，具体地，有风速、气压、温度、水汽压等因素影响水面蒸发2、土壤蒸发二个主要阶段：稳高阶段—水分充足，毛细管传导迅速，蒸发旺盛，蒸发速度主要取决于天气条件稳低阶段—土壤表面有一干枯层，毛细管作用失效，蒸发发生于某一土壤层次，再经土壤空隙扩散至大气，蒸发速度主要取决于土壤结构不同蒸发阶段的土壤保水措施！稳定高速蒸发阶段：土壤水分充分稳定低速蒸发阶段：土壤上层形成干枯层三.农田蒸散农田蒸散=土壤蒸发+植物蒸腾关于植物蒸腾：Monteith公式)(asaurreEPW影响植物蒸腾主要因素：植物的形态结构气候条件农田蒸散影响因素：气象因素：辐射差额、温度、湿度、风植物因素：覆盖度、种类、生长状况、气孔结构土壤因素：结构、性质、含水量四、农田需水量的估算关于水分的蒸散，有大量模型微气象学法水文学方法植物生理学方法遥感法FAO推荐Penman-Monteith（P-M）方程计算农田蒸散1948年，Penman将能量平衡方程与空气动力学原理结合，首次提出著名的Penman公式：aELRW/0Δ:温度-饱和水汽压关系曲线在气温处的斜率Ea：彭曼干燥力（风速、温度、水汽压）ν：干湿表常数(0.486)只适用于水分充分的条件（开放水面、充分湿润的土壤或供水充足的均匀矮小植被）1965年Monteith综合相关工作，引入表面阻抗，把它扩展到非充分湿润条件，提出冠层蒸散计算模式，即著名的Penman-Monteith模式：Es：均温下的饱和水汽压；e：实际水汽压；ra：空气动力学阻力系数；rs：冠层动力学系数；γ：干湿表常数以牧草为参考植物，简化参数后得：U2：2m处的风速；t：气温（℃）------FAO推荐的植被蒸散计算公式Penman-Monteith模型全面考虑了影响蒸散过程的大气物理特性和植被的生理特性，具有坚实的物理基础能比较充分考虑蒸散的变化过程及其影响机制，是非饱和下垫面蒸散研究的理想方法之一可以计算逐月、逐旬、逐日、逐小时的参考作物腾发量FAO推荐采用作物系数法计算作物需水量：ETc=Kc×ET0式中：ETc为植物需水量，mm/d；Kc为作物系数；ET0为参照蒸散量，mm/d。作物系数是某种作物的潜在蒸散量与参照蒸散量之比，它反映不同作物与参照作物的区别。作物系数受土壤、气候、作物生长阶段及状况和管理方式等多种因素综合影响。FAO推荐了大量植物的标准作物系数P-M模型在植被蒸散研究中的发展方向（1）与“3S”技术的结合遥感数据中可见光、近红外和热红外波段能够反映植被覆盖于地表温度的时空分布特征，可用于能量平衡中净辐射、土壤热通量、感热通量和作物系数的计算。可结合水文模型以获取不同时间步长的植被蒸散量GIS作为新的技术手段，可以为蒸散的模拟计算提供DEM、土地利用、植被分布等特征参数，并且具有强大的数据编辑与处理功能，可为蒸散量的计算提供有效帮助（2）与高精仪器的结合模型中的经验系数对模型模拟精度产生影响，需要对其有精确地测定随着蒸散测定手段和方法的不断进步，可运用精密仪器在典型条件下获得的高精度实测数据反推诸如冠层导度等参数，从而修正P-M方程，使之与具体的植被系统相统一，提高对植被蒸散量的估算精度（3）与新兴学科的结合能量守恒定律水分平衡原理太阳辐射降水地表覆盖群落类型土壤特性要素间的相互作用时空差质性生态水文学、植被水文学、植被环境学等新兴学科研究的重要内容植被蒸散作用是复杂的物理过程和生物过程的耦合，同当前众多的新兴学科相结合植物的生理生态机制植被生态水文过程动力学机制改进P-M模型单叶或单株植物的尺度测定植被蒸散量植物生理学方法景观生态学等学科的尺度转换相关理论与方法区域尺度的蒸散量与运用P-M模型计算的区域蒸散量进行对比研究第三节凝结和凝结物一．水汽的凝结条件水汽凝结或凝华的两个条件：1、空气中水汽的饱和或过饱和2、有一定的凝结核心大气水汽饱和途径--增加水汽（自然条件下，大规模增大水汽的可能性不大）--降低温度：辐射降温、平流降温、混合降温、绝热降温等其中，绝热降温是自然条件下成云的最主要降温方式%100Eef二．凝结物水汽在不同层次凝结可形成不同的凝结物1、地面凝结物---露、霜露:空气中水汽在地面物体上的液化现象霜:空气中水汽在地面物体上凝华为冰晶露、霜形成的有利条件:晴朗无风地面干燥、深色辐射能力强露、霜的作用:润物并缓解干旱缓解降温2、近地大气凝结物---雾---微小水滴悬浮在空气中形成的自然现象据成因，可分成：辐射雾厚度薄、有明显日变化、形成于半夜、日出后消散；形成有利条件：晴朗夜晚、水汽充沛、微风、气层稳定、特殊地形（下凹）更易形成有“十雾九晴”一说长波辐射、降温、饱和平流雾--暖湿空气流到冷的下垫面而形成平流雾通常浓厚、持续时间长（海雾）空气与下垫面间温差大，空气湿度大，有适宜的风速、气层稳定蒸发雾水面蒸发的水汽进入冷空气重新凝结而形成（北冰洋的冰洋烟雾）蒸发雾一般范围小，强度弱，通常发生在下半年的水塘周围雾的农业意义：寒冷季节阻挡长波辐射，缓和降温；提高散射辐射比例，提高一些经济作物的质量；减小昼夜温差、减弱太阳辐射、影响植物的授粉、有利于病原菌孢子的繁殖生长和病害发生3、自由大气凝结物---云（物理意义上，云与雾无本质区别）自由大气中热力过程和动力过程的外观表现动力过程：空气的上升运动热力过程：绝热降温---空气由不饱和变成饱和---水汽得以凝结不同的运动形成不同的云暖而有浮力的云在条件性不稳定的环境中局地上升而形成的云，----积状云稳定空气被强迫抬升----层状云大气的波动运动----波状云特殊地形条件下的强迫抬升---地形云国际气象组织把云分成三族、10属、29类一、高云族形成于6000m以上高空分三属，卷云类。由冰晶体组成。高云一般呈纤维状，薄薄的并透明1、卷云（Ci，Cirrus）丝缕状结构，柔丝般光泽，分离散乱云体通常白色无暗影，呈丝条状、羽毛状、马尾状、钩状、片状、砧状等。2、卷积云（Cc，Cirrocumulus）似鳞片或球状细小云块组成的云片或云层，常排列成行或成群，很象轻风吹过水面所引起的小波纹白色无暗影，有柔丝般光泽卷积云可由卷云、卷层云演变而成3、卷层云（Cs，Cirrostratus）白色透明的云幕，日、月透过云幕时轮廓分明，地物有影，常有晕环。有时云的组织薄得几乎看不出来，只使天空呈乳白色；有时丝缕结构隐约可辨，好象乱丝一般二、中云族形成于2500ｍ至6000m的高空。通常由过度冷冻的小水点组成。1、高积云（Ac，Altocumulus）云块较小，轮廓分明，常呈扁圆形、瓦块状、鱼鳞片，或是水波状的密集云条成群、成行、成波状排列。2、高层云（As，Altostratus）带有条纹或纤缕结构的云幕，有时较均匀，颜色灰白或灰色，有时微带蓝色云层较薄部分，可以看到昏暗不清的日月轮廓，看去好象隔了一层毛玻璃三、低云族形成于2500ｍ以下的大气中包括浓密灰暗的层云、层积云（不连续的层云）和浓密灰暗兼带雨的雨层云1、雨层云（Ns，Nimbostratus）厚而均匀的降水云层，完全遮蔽日月，呈暗灰色，布满全天，常有连续性降水如因降水不及地在云底形成雨（雪）旛时，云底显得混乱，没有明确的界限2、层积云（Sc，Stratocumulus）团块、薄片或条形云组成的云群或云层，常成行、成群或波状排列。云块个体都相当大，其视宽度角多数大于5°（相当于一臂距离处三指的视宽度）。云层有时满布全天，有时分布稀疏，常呈灰色、灰白色，常有若干部分比较阴暗3、层云（St，Stratus）低而均匀的云层，象雾，但不接地，呈灰色或灰白色。层云除直接生成外，也可由雾层缓慢抬升或由层积云演变而来可降毛毛雨或米雪四、直展云族直展云有非常强的上升气流，可以一直从底部长到更高处1、积云（Cu，Cumulus）垂直向上发展的、顶部呈圆弧形或圆拱形重叠凸起，而底部几乎是水平的云块。云体边界分明2、积雨云（Cb，Cumulonimbus）云体浓厚庞大，垂直发展极盛，远看很象耸立的高山。云顶由冰晶组成，有白色毛丝般光泽的丝缕结构，常呈铁砧状或马鬃状。云底阴暗混乱，起伏明显，有时呈悬球状结构。积雨云常产生雷暴、阵雨（雪），或有雨（雪）旛下垂第四节大气降水降水是在一定的宏观条件和微观过程共同作用下完成的，二者缺一不可充沛的水汽和空气的上升运动是形成降水的必要的宏观条件云滴增长成为降水质粒的过程则为降水的微观过程一．暖云降水暖云－－云顶温度高于0℃的云凝结核化凝结增长碰并增长（重力碰并－暖云降水物理基础）连锁反应（暖云降水繁生机制）二．冷云降水－云顶高于0℃等温线的云（通常为混合云，也有冰晶云）凝华核化冰晶效应－冷云降水的物理基础（Bergeron过程）碰并增长三．降水特征量及其分析A、降水量R降水落到地面，未经蒸发、渗透和径流而积聚在地面上的厚度即为降水量降水等级划分标准(24h降水量)降水类型降水强度等级小雨≤10.0中雨10.1~25.0雨(mm/日)大雨25.1~50.0暴雨50.1~100.0大暴雨100.1~200.0特大暴雨200.1雪(mm/日)小雪≤2.4中雪2.5~5.0大雪5.0B、降水距平、降水变率、干燥系数降水距平、降水变率降水距平=该地实际降水量-该时段多年平均降水量降水变率=降水距平/该时段多年平均降水量*100%表示一地降水的年际变动情况：------愈大，愈易成灾干燥系数KK=W0/R用于鉴定一地的干湿状况----其倒数为湿润系数四.人工影响云雾1．人工影响冷云干冰法（卵翼区-78.9℃、影响区-40.0℃）直径1cm的干冰，在-10.