汽往冷处聚（5）-空气流、水汽流与降水

张学文，20170330-0402

大家都知道空气的流动就是俗称的“风”，而水汽是空气的一部分，它随着空气的流动已经归入风的流动中。确实我们没有单独测量空气水汽运动（以区别于风）的仪器。于是水汽是否存在相对于空气的运动问题主要从物理原理与有关现象中去分析它。现在把空气流动与水汽流动问题结合着降水现象做初步对比说明（以后会结合特定情况分别讨论）。

l 空气与水汽的流动的基本原因都是太阳能对大气的不均匀加热。平行的日光照射到球形的地球上。于是地球各地接受的日光差别很大。这就引起了大气中温度不均匀，并且导致空气的流动（风）。水汽存在于空气中，所以水汽也随着空气一起运动。

l 另外，地球吸收的太阳能还造成了下垫面的水分蒸发。这导致在地面处水汽存在一个从下垫面进入空中的水汽流。而空气则基本被认为仅存在平行于地面的气流，没有垂直于下垫面的空气流。

所以在太阳能的影响下，在大气中存在空气的流动和水汽的流动。这两种流动即有相同之处也有区别。

l 传统的气象学仅在近地面的1500米的摩擦层空气内承认水汽是穿过空气从地面钻入大气的。而在离地面1500米之上的所谓自由大气中就忽略空气中的水汽相对于空气的运动。本文突出了水汽自己可以向冷处移动，并且认为这类物理过程也可以发生在对流层。于是涉及水汽所表现的现象（如形成云，雨），可以是随着空气流动的水汽形成的也可能还要包括水汽的往冷处聚的特征的效果。

l 在任何时刻包围着地球的云大约占了50%以上的全球表面积。其中多数的云的上边界清楚，下边界也清楚，它们是比较薄的层云。大片的厚度不大的层云的存在，我们很难说它是空气垂直运动的结果，而更像是水汽穿越空气在某高度附近产生凝结的结果。或者说大气中的很多层云来自水汽对空气的相对运动。它们不表示空气自己也有明显的上升运动。这个看法与传统的气象学是不同的。

l 我们知道降水（雨，雪）是来自于云。但是很多的云并不降水。中国平均情况是大约有10%的面积上有降水。我估量全球的情况也差不多。即80%的云不能降水。这从另外一个角度说明云并不都是以变成雨雪落地为结局的，大面积的云可能以云滴再蒸发结束其存在。

l 在大气中还存在所谓对流云。即垂直厚度的尺度可能超过水平尺度的云。它们应当是由空气的上升运动形成的云。

l 降水是我们最关注的气象现象。降水是大气中水汽先凝结为水滴颗粒，雪花颗粒变大，就在重力的作用下从云中降落到下垫面上。雨滴，雪花向下降落是水往低处流的表现之一。

l 气流的水平运动本身是不能让它含有的水汽分离出来的。气流的绝热上升运动（铅直方向的气流）会使空气和水汽都降低了温度。结果就有一部分水汽因为温度低而凝结，变成云滴，雨滴，雪花（形成降水）。

l 所以降水现象可以是空气上升降温引起的水分凝结（并且降落），也可以是单独水汽穿越空气遇冷而形成降水。而后一种降水过程是我们特别指出的。它可以单独存在，也可以与空气的上升运动同时存在。

l 附带指出两种温度不同的空气，如果它们的水汽压力都接近饱和但是还没有饱和，当这两种空气混合以后，温度变成了它们的平均温度，而水汽压力却可以超过了对应的饱和水汽压力（利用气体状态方程，并且参考在之2中的水汽压力表）。这说明不同温度的空气的混合是可能出现凝结（成云）现象的。这应当是我们前面指出的两种水汽凝结现象之外的一种物理过程。

好了，形成云和进一步产生降水是气象学中的大问题。我们结合着汽往冷处聚先讨论到此。（待续）