大气中的水分是大气组成成分中最富于变化的部分。大气从海洋、湖泊、河流以及潮湿土壤的蒸发中或者从植物的蒸腾作用中获得水分。且不断地进行着水分循环，水分由下垫面蒸发变成水汽分布于大气中，在一定条件下凝结成云，然后又以降水的形式降至地面。在水分循环过程中，形成了各种复杂的天气现象，如云、雾、雨、雪、霜、露等。地球上的水分就是通过蒸发、凝结和降水等物理过程循环不已。
空气湿度
大气中水汽含量的多少，即空气潮湿的程度，用数量来表示称为空气湿度。在气象学上常用水汽压、绝对湿度、相对湿度、饱和差和露点来度量空气湿度的大小。
水汽压（e）：空气中水汽所产生的分压力，称为水汽压。它是大气压力的一部分，单位常用毫米汞柱或毫巴（mb）表示。温度愈高，空气中所能容纳的水汽量愈多。在一定温度下，空气中水汽达到最大含量时称为饱和。
空气达到饱和时的水汽压称为饱和水汽压（E）。饱和水汽压随温度的升高而很快地增大。饱和水汽压除与温度有关外，还与物体状态、蒸发面的形状、液体的浓度等因素有关。冰面的饱和水汽压比水面的小；凹面的饱和水汽压比平面的小，平面的又比凸面的小，随着表面曲率的增加，饱和水汽压增大。
饱和水汽压又随溶液浓度的增加而减小，纯水的饱和水汽压最小。
绝对湿度（a）：通常将空气中的水汽密度称为绝对湿度。它是以1米3空气中所含水汽质量（克数）来表示的。一般，绝对湿度很难测得，所以常用水汽压来间接表示绝对湿度的多少。当绝对温度以克/米3为单位，水汽压以mm为单位，t=16.4℃时，绝对湿度和水汽压在数值上相等。
相对湿度（T）：即空气中实际水汽压与同温度下的饱和水汽压的百分比。可用下式表示：
r=e/E×100％。
相对湿度表示空气中水汽的饱和程度。在一定温度条件下，即E不变时，水汽压愈大，空气愈接近饱和。当e=E时，r=100％空气达到饱和，称为饱和状态；当e＜E时，即r＜100％，称为未饱和状态；当e＞E时，即r＞100％，而无凝结现象发生时，称为过饱和状态。
饱和差（d）：在一定温度下，饱和水汽压和实际水汽压之差，称为饱和差。单位是毫米汞柱或毫巴。饱和差表示空气中的水汽含量距离饱和的绝对数值。一定温度下，e愈大，空气愈接近饱和，当e=E时，空气达到饱和，这时候d=0。
露点（c）：气温愈低，饱和水汽压也就愈小，所以对于含有一定量水汽的空气，在气压不变的情况下降低温度，使饱和水汽压与当时的实际水汽压值相等，这时的温度，称为该空气的露点温度，简称露点，单位用℃表示。
蒸发和凝结
水有三态：固态为冰，液态为水，气态为水汽。夏天黎明时，叶片上的晶莹露珠，冬天清晨房瓦上的银色白霜，都是大气中水的不同状态。大气中的水究竟以哪种形态出现，主要取决于环境温度。
当温度升高时，液态的水分子能脱离液面跑到空气中去，成为水汽，这个过程叫蒸发。当温度高到一定程度时，固态的水也可直接变成水汽叫做升华现象。反之，当温度降低时，大气中的水汽含量超过该温度下的最大容纳量时，过剩的水汽就会变成细小的水滴从大气中分离出来，叫做凝结现象。
当气温在零度以下时，过剩的水汽会直接变成冰晶，叫做凝华。
水从一种状态转化为另一种状态时，伴有吸收或释放能量的过程。气态水所含的内能最大，而固态水所含的内能最小。1克水蒸发为同温度下的水汽要吸收597卡的热量。反之，大气中的1克水汽凝结为水时会释放出与上述数字相同的热量。这种当温度不变时，单位质量的物体从一个相态转变到另一个相态（液体转变为气体或固体转变为液体）的过程中所吸收或放出的热量，物理学上称为潜能。水物质相变时的热量变化，对各种云系的发生、发展和消亡有着极其重要的作用，特别是对台风、雷暴等强天气系统的发展更是有着重要的影响。
地表面和大气中的凝结现象
大气中的水汽凝结现象是多种多样的，有在地面物体上形成的地面凝结物，如露和霜等。它们是降水的一种；有悬浮于空中的凝结物，就是云和雾；有从云中形成下降到地面的各种降水物，如雨、雪、雹等。
1.露和霜
清晨，当你漫步在田野里、树林间，你会看到草丛里、树叶上，露珠点点，晶莹透明。等你走到它旁边，会发现你的衣服不知不觉中已经弄湿了。
冬天早上，你起来开门，会看到地上厚厚的一层白色冰晶。你就知道今天早上的温度肯定比较低了。因为有霜。
那么，这个露和霜是从哪里来的？它们又是如何形成的呢？
在傍晚或夜间，地面温度开始下降，使贴近地表面的空气层也随着降温，当空气的温度降到露点以下，即空气中水汽含量过饱和时，在地面或地物的表面就会有水汽的凝结。若此时的地面温度在0℃以上，在地面或地物上就出现微小的水滴，称为露，若此时地面温度在0℃以下，则水汽直接在地面或地物上凝华成白色的冰晶，称为霜。有时已生成的露，由于温度降到0℃以下，冻结成冰珠，称为冻露，实际上也归入霜的一类。
露和霜形成的气象条件是晴朗微风的夜晚。夜间晴朗有利于地面或地物迅速辐射冷却。微风可使辐射冷却在较厚的气层中充分进行，而且可使贴地空气得到更换，保证有足够多的水汽供应凝结。
2.雾
雾是悬浮于近地面空气中的大量水滴或冰晶，使水平能见度小于1公里的物理现象。形成雾的基本条件是近地面空气中水汽充沛，使水汽发生凝结的冷却过程和凝结核的存在。近地面的大气层中的水汽压大于其饱和水汽压时，水汽即凝结或凝华成雾。
由于辐射冷却而形成的雾称为辐射雾。当暖湿空气移到冷下垫面上时形成的雾称为平流雾。这是最常见的两种雾。其中辐射雾有明显的地方性。我国四川盆地是有名的辐射雾区，其中重庆冬季无云的夜晚或早晨，雾日几乎占80％，有时还可终日不散，甚至连续几天。所以重庆素有“雾都”之称。
由于雾里含有一些尘埃杂质等，对空气有一定的污染，所以有雾的天气不易进行体育锻炼。雾对农作物有有利的方面也有不利的方面。有利方面是可以形成水平降水，即雾滴沉积于枝叶上而形成降水；雾对作物的不利影响是持久的雾可减少日照，使近地层空气湿度很大，雾滴附于作物叶面上，造成病害传播蔓延的有利条件。
3.云
天空中有时白云朵朵，随风飘浮；有时云层密布，形成灰濛濛的一片；有时像丝缕状的薄纱，悬挂在高空，有时则像高山矗立，乌云翻腾，真是瞬息万变，千姿百态。
云是由大量小水滴和小冰晶组成的。云内温度高于0℃的区域，云滴由小水滴组成；而温度低于0℃的地方，云滴则由过冷水滴和冰晶组成；只有当温度低于-20℃，云滴才逐渐由小冰晶组成。云滴直径一般为十几微米，这样大小的云滴在空中的沉降速度仅1厘米/秒左右，要沉降100米需要3小时，所以可长期飘浮在空中。在雷雨云中，因上升气流很强，甚至可以托住直径达几百微米的大滴，因此云滴直径平均达几十微米。
云的千姿百态、瞬息万变是和云的形成密切相关的，气象上根据云的高度和云状等，把云划分为若干类，以便进行观测。
（1）高云族
高云族包括卷云、卷层云和卷积云三类。它们是冰晶构成的，云体呈白色，有蚕丝般的光泽，薄而透明。阳光通过高云时，地面物体的影子清楚可见，云的高度一般在6000米以上。
卷云：卷云具有丝缕状结构，常呈丝状或片状，分散地飘浮在空中。卷云通常为白色无暗影，并带有丝一般的光泽。卷云出现晕的机会比较少，即使出现，晕也不完整。我国北方和西部高原地区，冬季卷云有时会下微量零星的雪。卷云云层较高，因此它在早晨最先被阳光照射，而傍晚最迟变暗。
在日出以前和日落以后，卷云常呈鲜明的黄色或红色。地平线的卷云总有些发黄。
卷云的种类很多。云丝薄而分散，形如纤细羽毛状的称为毛卷云；云丝密集，聚合成片的，称为密卷云；云丝平行排列，而且上端有钩或小云团的，称为钩卷云。钩卷云常产生在中、高纬地区低气压前面，它的出现，近期内将出现风雨，所以有“天上钩钩云，地下水淋淋”的谚语。如果钩卷云、毛卷云等逐渐消散，那是由于高空低压移出本地，又有“钩钩云消散，晴天多干旱”预兆未来晴天。
卷层云：呈乳白色的云幕，透过它能清楚地看出日月的轮廓，而且经常有日晕或月晕出现。晕是太阳或月亮的光线，经过高空中由冰晶组成的卷层云时，由于折射，反射而形成的内红外紫的光环。卷层云通常是出现在低压的前部，在它的后面，就是造成降雨的高层云和雨层云。若低压的大风区经过本地，则会产生大风。有谚语曰“日晕三更雨，月晕午时风”。
卷层云中云幕薄而均匀，看不出明显结构的，称为薄幕卷层云；云幕的厚度比较均匀，云的丝缕结构明显的，称为毛卷层云。
卷积云：白色鳞片状的小云块，这些云块常成群地出现在天空，看起来很像微风拂过水面时引起的小波纹。卷积云常由卷云和卷层云蜕变而成。
（2）中云族
中云包括高积云和高层云二类，其高度通常在2000—6000米之间。
高层云由水滴和冰晶混合组成。高积云有时和高层云一样，单由水滴构成。
中云比高云浓度大得多，厚的能遮住阳光，有时还可能降雨雪。
高积云：白色或灰白色的薄云片或扁平的云块。这些云片或云块有时是孤立分散的，有时又聚合成层。成层的高积云中，云块常沿一个或两个方向有秩序地排列着。高积云可同时出现在不同的高度上，透过高积云看日月时，常有内紫外红的彩色光环。高积云的种类很多，其中云块较薄，个体分离，从间隙可见蓝天或高处云层的，称为透光高积云；云块厚大，排列密集，阳光难以透过的，称为蔽光高积云；云块像豆荚，孤立分散于天空的，称为荚状高积云；云块底部平坦，而顶部突起，类似远处城堡的，称为堡状高积云；云块个体破碎，像乱棉絮团的，称为絮状高积云；由积云顶部扩展而成的，称为积云性高积云。
