Вода в атмосфере. Конденсация водяного пара, осадки

Цель – знакомство с методами определения количества воды в атмосфере, выявление основных закономерностей в распределении облачности по территории Земного шара и внутригодового режима атмосферных осадков.

Оборудование и материалы: табл. «Давление насыщенного пара», Атлас облаков, контурная карта мира, климатическая карта Красноярского края и республики Хакассии, Атлас КАТЭК, физическая карта мира.

Вопросы для предварительной подготовки:

1) Водяной пар в атмосфере. Характеристики влажности воздуха.

2) Суточный и годовой ход влажности воздуха, ее географическое распределение и изменение с высотой.

3) Конденсация и сублимация в атмосфере.

4) Облака, микроструктура и водность облаков. Международная классификация облаков, основные генетические типы.

5) Осадки. Виды осадков и их образование.

6) Географическое распределение осадков. Водный баланс Земного шара.

Термины и понятия: влагооборот, испарение, испаряемость, суммарная испаряемость, парциальное давление водяного пара (упругость водяного пара), упругость насыщения (давление насыщенного пара), дефицит насыщения, относительная влажность, абсолютная влажность, массовая доля водяного пара (удельная влажность), отношение смеси, точка росы, психрометр, ядра конденсации, облачность, дымка, туман, мгла, смог, дождь, морось, снег, крупа, град, интенсивность осадков, ливень, обложные осадки, гроза, молния, гром, наземные гидрометеоры (роса, иней, изморозь, жидкий и твердый налет, гололед), засуха, метель.

Задание 4.1 Характеристики влажности воздуха

4.1.1. Определить дефицит насыщения водяного пара при температуре 12,5°С и парциальном давлении водяного пара 10,4 гПа. Давление насыщенного пара при температуре 12,5 °С см. по табл. 4.1.

4.1.2. Определить относительную влажность при температуре 18,3°С и парциальном давлении водяного пара 10,5 гПа.

4.1.3. Сколько граммов насыщенного водяного пара содержится в 1 м³ воздуха при температуре 300К если парциальное давление водяного пара 20 гПа

4.1.4. Пользуясь табл. 4.1, определить точку росы при следующих значениях парциального давления водяного пара: 3, 4, 6, 10 и 20 гПа.

Задание 4.2. Проанализируйте графики суточного хода относительной влажности воздуха (рис. 4.7). Как изменяется величина относительной влажности в течении суток? Когда наблюдается минимальное, максимальное значение? Зависит ли значение и суточная амплитуда данного показателя от физико-географических особенностей месторасположения наблюдательного пункта?

Рис. 4.7. Суточный ход относительной влажности воздуха (%) в июле на различных метеостанциях Среднесибирского УГМС

Задание 4.3. Испарение

4.3.1. Вычислить по формуле В.В. Шулейкина сколько воды испарится с 1 м² морской поверхности за 1 мин, если температура воды 21,4ºС, парциальное давление водяного пара 13,5 гПа, а скорость ветра на высоте 2 м составляет 8 м/с.

4.3.2. В Алма-Ате по многолетнему ряду наблюдений в самом холодном месяце (январь) средние значения температуры, парциального давления водяного пара и скорости ветра равны соответственно –7,4°С, 2,9 гПа и 1,3 м/с. Средние месячные значения этих метеорологических величин в самый теплый месяц (июль) равны соответственно 23,0°С, 13,3 гПа и 2,7 м/с. Определить годовую амплитуду скорости испарения с поверхности водохранилища.

Задание 4.4. Рассмотрите на рис. 4.8 карту географического распределения фактического испарения.

4.4.1. Как соотносится испарение с океанови испарение с суши? Чем это обусловлено? Отметьте на карте максимум и минимум испарения с суши, с океана.

4.4.2. Каково испарение на большей части акватории мирового океана в средних и низких широтах?В полярных водах?

4.4.3. Каковы на суше годовые суммы испарения в полярных и пустынных районах?

4.4.4. Проанализируйте рис.4.8 и рис.3.6, 3.7 (см. в практическую работу №3). Существует ли зависимость между географическим распределением фактического испарения и распределением температуры воздуха на уровне моря? В чем выражается? Чем обусловлено?

Рис. 4.8. Испарение с подстилающей поверхности. Средние годовые величины (в мм/год) [83]

Задание 4.5. Конденсация водяного пара

4.5.1.При конденсации водяного пара, выделяется скрытая теплота, которая идет на нагревание воздуха, в результате чего его температура повышается. Рассчитайте какое количество тепла выделится при конденсации 1 кг водяного пара при температуре 10°С? Для вычисления удельной теплоты конденсации (L – в кДж/кг) применяется эмпирическая формула: L = 2500-2,5t°С.

4.5.2. При температуре 20°С воздух находится в состоянии насыще­ния. Сколько сконденсируется водяного пара, если температура воздуха понизится до 15 °С? Из условия задачи известно, что воздух при температуре t₁ (20°С)насыщен водяным паром, абсолютная влажность равна а₁ г/м³. Если воздух охлаждается до температуры t₂ (15°С)при неизменном давлении, то конденсируется количество водяного пapa∆а = а₁ – а₂, где а₂ – абсолютная влажность насыщенного при температуре t₂.

Задание 4.6.Изучите основные формы и виды облаков по атласу, схематически зарисуйте формы облаков верхнего, среднего и нижнего яруса.

Рассмотрите рис. 4.9, на контурной карте мира выделите цветом самые малооблачные области (до 2,0 и ниже) в субтропических пустынях обоих полушарий; и районы с самой высокой облачностью (до 7,0–8,0 и больше) на севере Атлантического и Тихого океанов, включая северо-запад Европы и Японские острова, в высоких широтах Южного океана, в муссонных областях Гвинейского залива и Индии.

4.6.1. Где на земном шаре отмечается наибольшая облачность над морем или над сушей?

4.6.2. В каком полушарии отмечается наибольшая облачность? с чем это связано?

Рис. 4.9. Средняя облачность в июле (в %) [83].

Задание 4.7. Проанализируйте карту распределения осадков по земной поверхности (рис.4.5).

На контурной карте выделите цветом районы с максимальным количеством осадков – более 2000 мм/год. Обозначьте самый дождливый район Земного шара – Черапунджи (25,3° с.ш., 91,8° в.д.), расположенный в Индии в предгорьях Гималаев, на высоте около 1300 м, здесь выпадает в среднем более 11 000 мм в год.

Выделите цветом районы с минимальным количеством осадков – менее 300 мм/год. Отметьте один из самых засушливых районов Земли – Асуан (22,4° с. ш., 33,0° в. д.), где годовые суммы осадков равны нулю или несколь­ким миллиметрам.

Задание 4.8.

4.8.1. Определить скорость падения облачных капель радиусом 0,005мм, 0,5мм. Если известно, что для капель радиусом от 1 до 20 мкм скорость падения составляет V = 1,26×10⁶×r²(см/с), где r – радиус капли в см; а для более крупных капель V= 1344

4.8.2. Нижняя граница кучево-дождевых облаков располагается на высоте 1000 м. Определить, за какое время капли радиусом 2 мм, выпадающие из облака, достигнут земной поверхности при скоростивосходящих движений 3 м/с?

4.8.3. Один из сильнейших зарегистрированных ливней выпал в Панаме 29 ноября 1911г, интенсивность его составляла 12,6 мм/мин. Сколько литров воды выпало в 1 мин на площадь 10000 м²?

Осадки измеряют с точностью до 0,1 мм. Интенсивность осадков выражается количеством воды в миллиметрах, выпавших за 1 мин – мм/мин. Если на поверхность выпал слой воды в 1 мм, следовательно на площадь 1 га выпало 0,001мм ×10000 м² =10 м³ воды или (10×1000л)/60 сек = 166,67 л/сек.

4.8.4. На метеостанции «Кача» наибольшая высота снежного покрова 133 см наблюдается в лесу под кронами деревьев, а наименьшая – 31 см в поле. Какой слой воды образуется при таянии снега в лесу и в поле, если средняя плотность его одинакова, и составляет 0,23 г/см³? Сколько литров воды приходится на 1 м² поверхности?

Запас воды в снежном покрове зависит от его высоты и плотности. Высоту слоя воды (мм), образующейся после таяния снега, можно вычислить по формуле: z = 10hd,где h – в см, d – в г/см³.

Задание 4.9. Проанализируйте графики годового хода осадков, по данным с метеостанций Среднесибирского УГМС (рис.4.10). Отметьте для каждого пункта месяцы максимального и минимального количества выпавших осадков. Как изменяется годовая сумма осадков в направлении с севера на юг? Чем обусловлено большое количество осадков на метеостанции «Оленья речка»?

Рис. 4.10. Годовой ход атмосферных осадков (мм) на некоторых метеостанциях Среднесибирского УГМС