一、大气中的水相变化大气中的水分来源于地球表面水体和潮湿土壤的蒸发和植物的蒸腾作用。通过水分子扩散和气流的传输而散布于大气中。在一定条件下产生水汽、水、冰等三相变化，形成雾、云、雨、雪等天气现象，蒸发和凝结是水相变化中最基本的物理过程。蒸发与凝结过程，可由实际水汽压与同温度下的饱和水汽压之间的对比来判别，其判据：e＜E 蒸发过程e＝E 动态平衡e＞E 凝结过程在水相变化过程中，也产生能量的转换。蒸发时，由于跑出去的都是具有较大动能的水分子，使液面温度降低，要保持其温度不变，就必须从外界补给热量。这部分热量等于蒸发潜热，以 L 表示，在常温下，L 的变化很小，一般取 L=597 卡／g。蒸发所消耗的热量，凝结时全部释放出来，称为凝结潜热。在温度相同的情况下，凝结潜热和蒸发潜热相等。在升华过程中也消耗热量。这热量除了包含由水变为水汽所消耗的蒸发潜热外，还包含由冰融化为水所消耗的融解热（80 卡/g）。因此，升华潜热 Ls = 597+80＝677 卡/g。在同一温度下，凝华潜热与升华潜热相等。二、大气中水汽凝结的条件（一）凝结核大气中水汽的凝结或凝华可产生一系列天气现象，如雾、云、雨、雪等。水汽的凝结或凝华必须满足两个条件：大气中有足够的凝结核存在；大气中的水汽含量达到或超过饱和状态。凝结核是指漂浮在大气中，具有吸湿性的微粒。如盐粒、干冰、二氧化硫、烟粒等。实验证明在完全纯净的空气中，相对湿度达到或超过 100%，甚至达到 300～400％时，也不产生凝结。因为微粒比水汽分子大得多，对水分子的吸引力也大，有利于水汽分子在它表面聚集，同时也不会很快被蒸发掉。大气中的凝结核是经常的、大量的存在着，尤其是大城市，工矿区的上空更多。因此，能否产生凝结，关键是大气中水汽含量是否达到或超过饱和状态。（二）大气中水汽含量达到饱和时，水处于两相（水汽与水、水汽与冰）的平衡状态。当处于过饱和时，平衡状态受到破坏，大气中水汽分子进入水面或冰面的机会大于水分子从水面或冰面逸出的机会。这样，便产生水汽的凝结或凝华，大气中的水汽含量达到或超过饱和有三种途径：气温保持不变，增加水汽供应；水汽含量不变，降低温度；增加水汽供应和降低温度同时进行。自然界中，主要通过后两种途径，使大气中的水汽含量达到并超过饱和状态，故气块上升绝热冷却是形成云雨的最重要途径。三、地面和大气中的凝结现象在地面或近地面物体上，水汽凝结或凝华形成的凝结物，主要有露、霜、雾淞和雨淞。在空气中，水汽凝结或凝华产生大量水滴或水晶构成雾和云。雾是悬浮于近地面空气中的大量水滴和冰晶，并使水平能见度小于 lkm 的大气现象。云是悬浮在空中的大量水滴或冰晶。不同的是雾接近地面，而云悬浮在空中。云的形成过程、外形特征及演化规律是当时大气状态的反映。因此，可以通过云来预测未来的天气变化；“天上鲤鱼斑，明日晒谷不用翻”的谚语，就是指当有透光高积云或透光层积云出现时，未来天气晴朗少云。“鱼鳞天，不雨也风颠”的谚语，是指有卷积云出现时，常常是风雨来临的预兆。自然界的云状千差万别，变幻无穷，但云的形成和变化还是有规律的，一般来说，依上升运动的形式和规模而异，由对流运动而形成的云主要是积状云；由波状运动而形成的云主要是波状云；由大范围有规则的上升运动而形成的云主要是层状云。云的国际分类法按云底高度和云的外貌特征，将云分为四族十属二十九种。各种云的云底高度、外貌特征和伴随出现的天气，详见表 2-3。表 2-3云的分类 …………………………………………….（2-14）惯性离心力与地转偏向力一样，它只能改变空气运动的方向，不能改变运动的速度。摩擦力(R)当两个相互作用的物体有相对运动时，两者在接触面之间会产生一种阻滞物体运动的力，这种力叫摩擦力。方向与速度不同的相邻两空气之间产生的摩擦力称为内摩擦力，其值很小。近地层运动空气与地表面之间产生的摩擦力称为外摩擦力，其值较大。它的方向与空气运动方向相反，它的大小与风速（K）和摩擦系数（V）成正比。表达式为；……………………（2-15）外摩擦力随高度增加而减小，到一定高度后可忽略不计，在该高度以下的大气层称为摩擦层，以上则称自由大气。上述四种力对空气运动的影响各不相同。水平气压梯度力是产生空气运动的原动力。它决定风向和风速。地转偏向力、摩擦力和离心力只存在于运动着的空气中，它们不能使空气由静止状态变为运动状态。但却能影响运动的空气，使其运动方向或速度发生改变。（二）地转风和梯度风地转风，在自由大气中，空气作直线运动时，作用在空气质点上的水平气压梯度力和地转偏向力达到平衡（二力大小相等，方向相反）时所形成的风，称为地转风。如图 1～13，在平直等压线的气压场中，空气质点受水平气压梯度力的作用，自南向北运动，当它开始运动时，地转偏向力即产生，并迫使空气运动方向右偏（北半球）。在水平气压梯度力作用下，风的速度不断增大，地转偏向力也随之增大，风向继续不断右偏。最后，当增大到两力大小相等、方向相反时，空气就沿等压线方间作等速直线运动，形成了地转风。地转风的特点：地转风的风向与等压线平行，在北半球背风而立，高压在右，低压在左（风压定律）南半球则相反；等压线愈密集，水平气压梯度力愈大，地转风的风速愈大。纬度愈高，地转偏向力愈大，地转风风速也图 2-13根据风压定律，可由已知的气压形势，推知风向风速，或者由已知的风向风速，推断气压场形势。梯度风 当自由大气中的空气作曲线运动时，作用于空气质点的力有水平气压梯度力、地转偏向力、惯性离心力，这三个力达到平衡时的风，称为梯度风。在高压区中，水平气压梯度力自高压区中心指向外缘，和惯性离心力的方向一致。三个力作用于空气质点。当三个力达到平衡时，地转偏向力自外缘指向高压中心，大小等于 G 和 C 之和，高压区的梯度风沿等压线呈顺时针方向吹（南半球相反）。 在低压区中，水平气压梯度力自外缘指向低压中心，地转偏向力和惯性离心力的方向自低压中心指向外缘，而且两者之和等于水平气压梯度力。由此可知，低压区中的梯度风沿等压线呈逆时针方向吹（南半球相反）。在一定纬度，当 G 相等时，低压中梯度风速小于地转风风速；高压中梯度风风速大于地转风风速，若以Vac代表高压中的梯度风速、Vc代表低压中的梯度风速、Vg代表地转风速，即 Vac＞Vg＞VC。当 G 一定时，低压中 G=A+C ,故 A＞G。地转风中 A=G 高压中 A=G+C ，因而 A＞G。由于 A 与风速成正比，它的大小实际上反映了风速的大小，因而即 Vac＞Vg＞VC（图 2-14）图 2-14高压、低压中梯度风与地转风比较（三）摩擦层中的风在摩擦层中风要受摩擦力的作用。在平直等压线的气压场中，空气作直线运动时，作用于空气的力有水平气压梯度力、地转偏向力、摩擦力。当三个力达到平衡时，这时水平气压梯度力与地转偏向力和摩擦力的合力平衡。风与等压线之间存在偏角。因摩擦力作用，不但使风速减小，也改变了风向，从而使摩擦层中的风斜穿等压线从高压吹向低压。风压定律则为：在北半球背风而立，高压在右后方，低压在左前方（南半球相反）（图 2-15）。图 2-15平直等压线中的地面风空气作曲线运动时，作用于空气的力有四个，当四个力达到平衡时，高压区风呈顺时针方向旋转并从中心向外辐散；低压区风呈逆时针方向旋转并从外缘向低压中心辐合。南半球情况相反（图 2-16）。 图 2-16北半球摩擦层中低压（a）和高压（b）中的气流大气运动不仅形式繁多，而且规模和活动时间也各不相同。它直接影响各地的天气、气候的形成和演变。 四、降水遥感是一种以物理手段、数学方法和地学分析为基础的综合性技术学科。1957 年 10 月 4 日苏联第一颗人造地球卫星发射成功，1972 年美国发射了第一颗陆地卫星，这些标志着人类从空间观测地球和探索宇宙奥秘进入了新的纪元。经过几十年的发展，遥感技术已广泛应用于资源与环境调查与监测、军事应用、城市规划等多个领域，成为一门实用的，先进的空间探测技术，具有客观性、时效性、宏观性与综合性、经济性的特点。3.2.1 遥感宏观探测范围大，可实施大面积的同步观测遥感用航摄飞机飞行高度为 10km 左右，陆地卫星的卫星轨道高度达 910km 左右，可及时获取大范围的信息。例如，降水是指液态或固态的水汽凝结物从云中下降至地面的现象。降水量是指某一时段内降至不透水平面上的水层深度。以毫米为单位。降水强度是指单位时间内降水量，单位是 mm/h 或 mm/min。（一）降水的形成降水来自云中，降水形成的宏观条件：一是大气中有充足的水汽；二是有上升运动。上升运动即可造成空气绝热冷却，使水汽凝结成云，又能托住小水滴，使它不致过早地下降而被蒸发掉。可见，降水形成的关键是云滴增长为雨滴的过程。云滴增大的过程主要有两个：一是云滴凝结或凝华增长过程；二是云滴相互冲撞并增长过程。自然界中，云滴增长是这两种过程同时作用的结果。当云滴增长到能克服空气阻力和上升气流的顶托，并且在降落过程中不被蒸发掉时，则形成降水，常见的降水形式有雨、雪、雹、霰等。（二）降水的种类按降水性质分：连续性降水：降水时间较长，降水强度变化较小，降水范围较大，通常降自高层云或雨层云中。阵性降水：降水持续时间短，强度变化大，降水范围较小，而且分布不均匀。通常降自积雨云中。毛毛状降水：是极小的滴状液体降水，降水强度很小，落在水面上没有波纹，落在干地上无湿班，通常降自层云。按降水强度分：按降水强度可将降水分为小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨、特大暴雨。（表 2-4） 表 2-4降水强度划分标准大气运动的产生和变化直接决定于大气压力的空间分布和变化。因此，研究大气运动通常从大气压力的时空分布和变化入手。一、气压随高度的变化大气柱的重力产生的压强值，称为大气压力，简称气压。某地气压的增高或降低，实质是空气柱内空气质量增加或减少的反映。由于大气质量主要集中在低层大气中，因此气压是随高度的增加而降低的。在气象上通常用气压高度方程（简称压高公式）来表示气压和高度之间的定量关系。气压高度方程是由大气静力学方程推导来的，其方程：…………………………….（2-10)式中 Z1、Z2 为高度；P1、P2 为 Z1 和 Z2 高度的气压； 为 Z1 和 Z2 高度之间的平均气温。（2-10）式指出气压随高度增加按指数规律递减。压高公式的用途比较广泛，其主要应用有：1、根据不同高度上 Z1、Z2 的气压值 P1、P2 和两个高度间的平均气温 tm，求两点间的高度差。2、根据某高度上的气压值和气柱的平均温度，求另一个高度上的气压值。3、根据某气象站的气压值，海拔高度和气柱平均温度，求海平面气压。〔例〕某气象站海拔高度为 103.0m。测得本站的气压为 1006.2 百帕，气温为 17.8℃。附近山顶气象站同时测得的气压为 873.7 百帕,气温为 11.2℃。求此高山气象站的海拔高度。将各已知值代入压高公式：在研究的气层不太厚和对精度要求不太高时，通常用气压阶表示气压随高度变化的特征。气压阶是指气压每变化一百帕时，需要上升或下降的高度。通常以 h 表示，其表达式为：……………………..( 2-11)式中 为气压阶，也称为单位气压高度差，其单位为米/百帕；p 为气压；a=1/273根据（2-11)式，可求得不同气压和气温下的 h 值。表 2-5 不同气温（℃）及气压（mb）下的单位气压高度差（m/mb）从（2-11）式及表 2-5 看出： 1、在同一气压下，暖气柱的值大于冷气柱。气柱的温度愈高，密度愈小，气压随高度递减得愈缓慢、单位气压高度差愈大。2、在同一气温下，大气低层值小于高空。大气低层气压愈大，密度愈大，气压随高度递减得愈快、单位气压高度差愈小。二、气压随时间的变化气压随时间变化的实质是空气柱的质量随时间增加或减少的反映。某地上空的空气柱质量减少。该地气压就降低；反之气压升高。因为大气总质量是一定的，而且大气是连续的流体，如果某些地区气柱质量增加，另一些地区的气柱质量必须减少；反之亦然。在同一时刻里，某一地区气压的升高，必然与另一地区气压的降低相联系。因此，各地气压随时间的变化，实质是空气质量在地球上重新分配的结果。某地的气压变化主要是由热力和动力因子引起的。热力因子指的是温度的升降，动力因子是指大气运动所引起的气柱质量的变化。归纳起来，有三种情况：水平气流的辐合与辐散 空气不停地运动着，其运动的方问和速度是不一致的。水平气流辐合指的是空气质点由四面八方向一点（一线）聚集或气流方向相同时，前面速度慢，后面速度快的情况。它可使一地空气质量增加，气压升高;水平气流辐散指的是相反情况，能使一地气压降低。在实际大气中水平气流的辐合和辐散随高度的分布是很复杂的。有时下层辐合，上层辐散、有时上层辐合，下层辐散；有时甚至有更复杂的情况。因而某地气压是升高还是降低，要看整个气柱是辐合占优势还是辐散占优势。如辐合大于幅散，则气压升高、反之则气压降低图 2-6水平气流辐合、幅散的情况图中箭头表示空气运动方向；箭头长度表示空气运动速度 图 2-7水平气流的辐散、辐合和垂直运动的联系冷暖空气的水平流动，对地面来说，冷空气移来（冷平流），空气密度增大，气柱质量增加，气压升高；反之，有暖空气移来（暖平流），空气密度减少，气柱质量减少，气压降低。对高空来说，冷空气移来时，一方面因空气密度增大，质量增加而气压升高，同时又由于冷空气产生下沉作用，使气柱质量下降而气压降低。研究表明，对高空来讲，冷空气下传造成的减压作用是主要的，则气压降低；相反暖空气移来，质量上传造成的加压作用起主导作用，气压则升高。空气垂直运动：当空气有垂直运动而气柱内的质量没有外流时，气柱中总质量没有改变，地面气压不会发生变化。但空气上升时，会使高空空气质量增大，气压升高，相反空气下沉时，会使高空减压。（图 2-8）图 2-8空气的垂直运动和气压变化的关系气压随时间的变化规律包括周期性和非周期性两种。周期性变化主要指气压的日变化和年变化；非周期性变化是指由气压系统移动引起的没有固定规律的变化。三、气压场（一）气压场的表示方法气压的分布称为气压场，三度空间的气压分布称为空间气压场。某一水平面上的气压分布称为水平气压场。前者用等压面图，后者用等高面图表示。等高面是海拔高度相同的点组成的水平面。等高面上气压相等点的连线，称为等压线。等高面上划等压线，用来表示气压水平分布的图叫等高面图。等压面是空间气压值相等的各点所组成的面。由于各地气压随高度增加而降低的速度是不均匀的，等压面在空间不是平面，而是像地形一样起伏不平。采用绘制地形图的方法，用等高线将起伏不平的等压面展示 在图上，即等压面图。等压面图用等高线表示气压空间分布。如图 2-9，等高面凸起的地区，对应的附近水平面上，是一组闭合等高线构成的高值区，即高压区。等压面下凹的地区，在等压面图上，是一组闭合等高线构成的低值区，即低压区。因此，等压面图上等高线的分布可反映等压面的起伏形势，表示气压的空间分布。气象上通常用一组等压面图表示空间气压场的分布，如同一时刻的 1000 百帕、850 百帕、700 百帕500 百帕等几张等压面图，可反映整个空间气压场分布情况。图 2-9等压面和等高线的关系等压面图中的等高线所用的单位，是采用具有能量意义的位势高度。位势高度是以单位质量的物体从海平面上升到某种高度时克服重力所作的功来表示的。单位为位势米。位势高度与几何高度虽然意义不同，但数值接近，即 1 位势米≈1 米。（二）气压场的基本形式地面气压场，其类型如下：低气压：等压线闭合，中心气压值低，向外逐渐增高，空间等压面形如盆地。低压槽：它是低压向外伸出的狭长区域或一组未闭合的等压线向气压较高方向突出的部分，附近的空间等压面类似山谷。低压槽中各等压线弯曲最大处的连线，称为槽线。高气压：由闭合等压线构成，中心气压高，向外逐渐降低，空间等压面类似山丘。高压脊：它是由高压向外伸出的狭长区域或一组未闭合的等压线向气压较低方向突出的部分。脊中等压线弯曲最大处的连线，称为脊线。脊附近的空间等压面类似山脊。鞍形气压场：它是由两个高压和两个低压相对组成的中间区域，其附近空间等压面形如马鞍。 图 2-10气压场的几种基本形式四、气压系统的垂直结构在气压场中所出现的高压、低压等各种气压形式，称为气压系统。由于气压随高度变化与温度有密切联系，气压场的空间结构决定于附近温度场的分布。常见的气压系统的垂直结构可归纳以下几类：（一）深厚的对称系统此类系统是冷低压和暖高压，它们的特点是温度场的冷（暖）中心与气压场上的低（高）中心基本重合：从地面到 500 百帕高度，气压的性质保待不变，因为冷低压中心的温度低，所以低压中心的气压随高度降低较四周更快，愈到高空低压愈强；同理，暖高压中心的温度高。高压中心的气压随高度降低得比四周慢，到高空高压则愈强（图 2-11）。（二）浅薄的对称系统此类系统包括暖低压和冷高压，其特点是暖（冷）中心和低（高）压中心重合，暖低压由于温度较高，气压随高度降低比四周慢，到某一高度时，中心的气压较四周高，成为一个高压，同理，冷高压在地面是高压，由于温度低，气压随高度降低得比四周快，到某一高度后，转变为低压中心（图 2-11）。 图 2-11不同温度场配置垂直剖面图示（三）温压场不对称系统这类系统是冷暖中心和高低压中心不相重合的气压系统。由于温压场的不对称，气压系统中心轴线（同一气压系统，在不同高度等压面上，中心点的连线）发生倾斜。在高压中，由于暖区一侧气压随高度降低比冷区一侧慢，所以高压中心轴线，愈到高空愈向暖中心靠近，同理，低压中心轴线向冷区一侧倾斜。图 2-12温压场不对称的高压（a）与低压（b） 这种温压场不对称系统，一般在地面图上呈闭合的高、低压系统，到了 500 百帕等压面图上，呈不闭合的槽脊形式，而且愈向高空，冷槽、暖脊的温压场结构愈明显。五、大气的水平运动风大气的水平运动称为风，风是由四种力相互作用形成的。风的特性用风向和风速表 示。风对大气中的水分、热量输送和天气、气候的形成、演变等都起着重要作用。（一）作用于空气的力水平气压梯度力（G）：水平气压梯度是指垂直于等压线方向的单位的距离内气压的改变量。它是一个既有方向又有大小的物理量，其表达式：式中 G 为水平气压梯度， 代表两点间的气压差， 两条等压线间的垂直距离。负号表示方向由高压指向低压，水平气压梯度的单位通常用百帕／赤道度表示。1 赤道度等于赤道上经度相差 1 度时纬圈长度，其值约为 111km。水平气压梯度力是指由水平气压梯度存在而作用在单位质量空气上的力。其数值大小用数学式表示，即：………………………………….. (2-12)式中 G 为水平气压梯度力， 空气密度， 为水平气压梯度。由（2-12）式中知：A、水平气压梯度力(G）的大小与水平气压梯度 成正比，等压线愈密，水平气压梯度力愈大。B、若水平气压梯度 一定，空气密度（ ）愈小，水平气压梯度力愈大；反之亦然。总之，水平气压梯度力是形成风的原动力，只要水平方向上存在着气压差异，就有水平气压梯度力作用于空气，它使空气质点沿着力的方向由高压向低压方向作加速运动，直到有其它力与之平衡为止。它不仅决定风向也决定风速。水平地转偏向力（ A） 由于地球自转而产生的使空气偏离水于气压梯度力方向的力，称为水平地转偏向力,简称地转偏向力。空气是在转动着的地球上运动，当空气质点依其惯性沿水平气压梯度力的方向运动的同时,地球也在转动。由于地球是一个球形体，任何两条经线间的距离，以赤道为最大，向两极减少，这样，站在地球上的观察者随地球而转动，空气质点依惯性沿原来方向前进，两者之间便产生相对运动。站在地球上的观察者看来，空气的运动偏离了原来的方向。这种改变被认为是一种力的作用而引起的。可见地转偏向力是一种假想的力。对单位质量空气来说，地转偏向力的大小用表示，其值：………………………………（2-13）式中 为地球自转角速度， 为风速， 为地理纬度。地转偏向力的基本特点：A、地转偏向力是因地球自转而产生的，只有空气相对于地面有运动时才存在，空气静止时，没有地转偏向力的作用。B、地转偏向力的方向同空气运动的方向相垂直，它只改变空气运动的方向，不能改变空气运动的速度，在北半球背风而立，它指向空气运动的右方，使风向右偏转。在南半球则相反，使风向左偏转。C、地转偏向力的大小同风速和所在纬度的正弦成正比。风速愈大，纬度愈高，地转偏向力愈大，在赤道为零。惯性离心力（C）当空气作曲线运动时，在曲线轨道上运动的空气质点还受到一个离开曲率中心向外的力的作用，这个力是空气为保持惯性运动方向而产生的，因而叫惯性离心力。惯性离心力的方向同空气运动的方向相垂直，自曲率中心指向外缘，其大小与空气运动的线速度（V）的平方成正比，与曲率半径（r）成反比，对单位质量的空气，其惯性离心力的表达式为：