水文气象学–02大气的基本特征


孔冬冬，kongdongdong@cug.edu.cn

办公室：环境学院416

中国地质大学大气科学系 · 武汉

QA

  1. 夏天干燥还是冬天干燥？
  2. 沿海地区与内陆地区水汽含量差别多大？

1. 大气的成分与垂直结构

1.1. 大气的成分

1.1.1. 干空气

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1.1.2. 水汽

水汽是唯一能够发生相变的大气成分，常见的云、雾、雨、雪等天气现象，都是水汽相变的表现。

表1.4 各种温度和压强下的饱和比湿值

1.2. 大气的垂直结构

  1. 对流层

    对流层顶的气压约为200hPa。因此，对流层的范围如果用气压表示，约为1000hPa~200hPa。

    大气质量的3/4，水汽质量的9/10都在对流层。1.5～2km高度的水汽仅为地表的一半，5km高度的水汽是地表的1/10，再往上更少。

    （1）温度随高度的增加而降低。

    （2）对流运动明显。

    （3）气象要素分布不均匀。

重点

  • 850hPa: 地表风速、温度、水汽

  • 500hPa: 大气环流形式

  • 200hPa: 极涡、急流

  1. 平流层

    对流层顶向上到50公里左右为平流层，平流层顶的气压约1hPa；

    飞机飞行的位置；

    温度随高度升高而升高。主要是由于臭氧的作用。臭氧吸收太阳紫外辐射，使大气温度增加。臭氧的分布决定了平流层温度的垂直分布。

2. 大气状态方程

2.1. 气压

气压：气体对某一点施加的流体静力压强，来源是大气层中空气的重力，即为单位面积上的大气压力。单位：帕斯卡，简称帕（Pa, 1 N/m2）。

在海平面的平均气压约为1013.25 hPa（76cm水银柱），这个值也被称为标准大气压（简称）。

: 干空气的质量
: 水汽的质量

通常所说的气压，包含了干空气的气压和水汽的气压。

  • 水汽的气压一般用符号表示
  • 干空气的气压为：

应用：


  • 静力平衡，热空气上升，冷空气下降。

    联想物体在液体中的浮力，何时会上浮、何时会下沉？

2.1.1. 饱和水气压

饱和水汽压：指一定体积空气，在某一温度条件下所能容纳的最大水汽量所具有的压力，用表示。

饱和水汽压随温度升高而升高，随温度降低而降低。

应用：

  1. 气体的上升运动

    温度下降，下降，升高，易降水，对应着云雨；（低压系统）

  2. 气体的下沉运动

    温度升高，上升，降低，不易降水，对应高温干旱；（低压系统）

  3. 迎风坡、背风坡

    迎风坡降水（同时水汽从气态转化为液态，释放热量，背风坡气体温度偏高）

  4. 早晨露水

  5. 全球变暖背景下的极端事件

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：饱和水气压，kPa

：空气温度，℃

：的斜率

Reference

Allen, R., Pereira, L., Raes, D., & Smith, M. (1998). Crop evapotranspiration guidelines for computing crop requirements. FAO Irrig. Drain. Report modeling and application. J. Hydrol., 285, 19–40.

2.2. 大气状态方程

根据大量的科学实验总结出，一切气体在压强不太大，温度不太低（远离绝对零度）的条件下，一定质量气体的压强和体积的乘积除以其绝对温度等于常数，即:

常量

：气压()
：体积()
：气体物质的量()
：温度()
：理想气体常数（也被称为普适气体常数）(J mol-1K-1 )

根据高中化学，标准状态下(273K,1atm) ，1mol气体的体积为22.4L，带入上述公式，可得：

2.3. 理想气体状态方程的密度形式

：相对分子质量（g / mol）；
：气体的质量 （g）；
: 为比气体常数（），；
：为摩尔气体常数，。

干空气与水汽的相对分子质量，分别用符号和来表示（下标表示dry，表示water）。

根据高中化学可知，。带入上述公式，可得

  • 对于干空气，

  • 对于水汽，

2.4. 空气密度与虚温

把替换掉（）

：湿空气的总压强；
：水汽部分的压强（即前述的水汽压）；
： 干空气的压强；

2.4.1. 虚温

虚温()：与湿空气同气压、同密度情况下，干空气对应的温度。

则:

虚温的意义：将混合气体的转变为，将水汽和干空气的混合转变为干空气。

后续在位势高度的含义中会有应用

3. 基本气象要素

3.1. 水汽含量与湿度

  • 混合比（mix ratio, ）

  • 比湿（specific humidity, ）

  • 绝对湿度（水汽密度, ）

  • 相对湿度（relative humidity, ）

3.1.1. 小试牛刀： 已知, 求


答案：

3.1.2. 水汽压与水汽密度

a. 蒸发过程中，水汽压是贸易的货币。感热与潜热都先转化为水汽压，然后进行等价的交易。

b. 水汽密度不易求。因此，通常替换成空气密度。

应用：

  1. 干球温度与湿球温度的转换
  2. 水面蒸发

3.1.3. 水的相态

  1. 气化潜热：单位质量的液体，从液态变为气态所需吸收的热量。

    单位的转化（重点）：MJ/kg -> mm

    Q1: 地表单位面积上，深的水，气化所需的能量？

    Q2: 假设地表净辐射为，能量全部转化为蒸发，一天的蒸发量是多少？

  2. 升华潜热，单位质量的液体，从固态变为气态所需吸收的热量。
    冰面温度−40℃ ~ 0℃时，升华潜热近似为常数。

3.1.4. 水的比热容

比热容：单位质量的物质，温度升高1℃所需的能量。

空气的比热容为℃。

3.2. 温度










武汉市2003-2020夏季平均地温

MODIS卫星观测

Landsat

MODIS地表温度

3.2.1. 湿度计常数

从大气温度→湿球温度过程中，水汽压从。蒸发所需能量全部来源于空气降温。

  • (a) 水汽浓度升高（）；
    潜热的变化：

  • (b) 空气温度下降（）。
    感热的变化：

将干球温度(, )和湿球温度(, )的温度和水汽压带入：

Recall:

被称为湿度计常数，单位℃，表征的含义是：

在Rn=0的状态下，升温（降温）所需的能量全部来源于水汽液化（水的蒸发）。
这种条件下，在温度升高1℃，水汽压的变化量。

实战

干球温度（）、湿球温度（）、露点温度（）

  1. 较大说明什么？

    直接体现饱和水汽压差(VPD)较大、RH较小

  2. 较大说明什么？

    直接体现蒸发降温的幅度较大，间接体现RH小。

https://www.tropicaltidbits.com/analysis/models/sounding/?model=ecmwf&runtime=2022111018&fh=24&lat=33.69&lon=114.43&stationID=&tc=&mode=regular

3.2.2. 水面蒸发

水汽充足：意味着最终都能达到饱和水汽压

  1. 无外界供能下()：
    X -> Y点

  2. 有外界供能下：
    Y -> A点移动
    （A点左侧、右侧均有可能，看Rn的量级）。

3.2.3. 体感温度

  • 炎热指数(heat index)

  • 湿球温度（wet bulb）

3.3. 风速与风羽

风向：风吹来的方向（风从哪里来）。

风羽：包含风向杆、风矢（短：2m/s、长：4m/s）、风三角（20m/s）

a. 两长一短（9~10m/s）需警惕

b. -> 。气象场观测的一般是2米风速，再分析资料一般提供的是10m风速，请注意转换。

风速等级

https://www.tropicaltidbits.com/analysis/models/?model=gfs&region=ea&pkg=T850&runtime=2022111100&fh=-18

3.4. 降水

降水：包括降雨和降雪。

日降水：早8点~第二天的8点。

空气接近饱和（RH≈100%）才会产生降水


暴雨的分类：

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4. 基本的水文要素

4.1. 流域

  • 定义：由分水线所包围的闭合集水区。

    分水线：分水线两侧水流流向不同。在山区分数线是山脊线，在平原则常以堤防或岗地为分水线。

两个重要属性：

  • 集水面积：哪些区域的降水会从该河道流出？

    如何确定流域面积？数字高程+水往低处流。

  • 汇流时间（上下游滞后时间）：多久降水会从流域出口点流出？

4.1.1. 水文站点与气象站点的不同之处

水文站：代表的其控制面积（流域）上的水资源量

气象站：代表的是气象站周围的气象要素

4.2. 水文循环四要素和水量平衡

  1. 降水
  2. 蒸发
  3. 径流
  4. 土壤含水量变化（储水量变化）

上式 忽略的因素：人类活动的影响

  • 水利工程调节（大坝、水库、南水北调）

  • 人类生活用水、工业用水、灌溉用水

4.2.1. 不可忽略的人类活动影响

示例：

2022年水文干旱多极端？

今年干旱有多极端？重现期如何？

三峡修建之后，宜昌站水位降低。这个因素如何考虑？


http://113.57.190.228:8001/#!/web/Report/RiverReport

4.2.2. 流量测量的不确定性














4.2.3. 蒸散发测量的不确定性

4.2.3.1. 实际蒸散发

ET (Evapotranspiration)：Evaporation + Transpiration + Canopy Interception

  • 土壤蒸发（35%）

  • 植被蒸腾（55%）

  • 冠层截留蒸发（10%）

4.2.3.2. 潜在蒸散发

  • 潜在蒸散发：蒸发皿蒸发与陆地潜在蒸散发的区别

注意实际蒸散法与潜在蒸散发的区别

4.2.4. 储水量的不确定性

  • 站点观测：10cm, 30cm, 70cm, 100cm？（观测困难、点到面的转换不确定）

  • 卫星：GRACE重力卫星观测，2°×2°大网格

Global style

http://www.cctv.com/weather/right28.html

3. __中间层__ 4. __暖层__ 5. __散逸层__

> Recall: 饱和水气压与温度的关系。

> 小尺度意味着蒸发不会对周围的气象因素造成影响，$T$不变。

<style scoped> section[data-marpit-advanced-background] { padding: 55px; } </style>

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