云雾降水物理
大气探测与大气物理第三章 云(雾)和降水物理
对流云中的流场
对流云中的含水量
淡积云的含水量较小，很少超过0.5g/m3，但有时也会出现较大 的值，例如上海地区曾观测到2.31 g/m3。
浓积云的含水量比淡积云大，这是因为它体积庞大，环境空气 的稀释作用相对来说比淡积云的小些。据1963~1965三年间在 上海的观测，夏季浓积云的平均含水量为1.31 g/m3，最大值 达11.3 g/m3。
3. 积云宏观特征
对流云中的流场
气流分布随发展阶段而不同。在形成 阶段，云中全部为有组织的上升气 流，平均垂直速度一般为每秒几米。 锋面性积云中最大的上升气流曾观 测到有20-30米／秒的。
最大的上升气流一般发生在云的中部， 发展早期最大上升气流所出现的位 置可稍偏下。随着积云的发展，这 个位置将向积云的中上部移动。
• 二是用现代化快速计算机，以云中微物理过程和动力过 程、云与环境紧密结合，进行数值模拟和试验，从而阐 明云和降水发生发展的条件、物理过程、控制因素及其 变化规律。
–1996年，经中国气象学会批准，云物理和人工影响天气研 究分会在北京成立。
–近年来，人影作业服务的规模不断扩大，投入不断增大。
–1996年—2002年，21个省（区、市）实施飞机人工增雨作 业3216架次，飞行7351小时；高炮火箭防雹作业保护面积 39万平方公里，全国人工影响天气工作总投入累计达到17 亿元。
2、理化实验（隔离因子）
从云雾过程的整体中隔离出一些因子，在实验室分 析较为单纯的一些物理关系。
例如：
• 水滴半径与下落末速度的关系； • 冻结核的有效阈温； • 不同半径水滴的重力碰并或电力碰并等。
3、理化模拟（综合因子）
用实验方法，模拟自然机制及过程。使设计出的现 象与自然过程在直观上有一定的相似性，可用增减 因子或改变参量的有控制的实验方法，研究云雾物 理过程的因子、机制、子过程等。
云降水物理学
云降⽔物理学云降⽔物理学第⼀章、云雾形成的物理基础1、掌握⽔汽达到饱和的条件增加⽔汽和降温2、了解⼤⽓中主要降温过程⼀、绝热降温（冷却）：设⼀湿空⽓块，在它达到饱和以前绝热上升100⽶，温度⼤约降低0.98℃(⼲绝热递减率) 露点温度⼤约降低0.15～0.20℃，⽐⽓温降低慢得多。
所以只要空⽓上升得⾜够⾼，空⽓温度最终会降低到等于其露点温度，这时湿空⽓达到饱和，这个⾼度称为抬升凝结⾼度，再上升冷却就会发⽣⽔汽凝结，从⽽形成云。
由于凝结释放潜热，含云湿空⽓的温度上升冷却率(湿绝热递减率)就要变⼩，变⼩的程度视空⽓温度和湿度、⽓压等状态⽽异。
在空⽓暖湿的情况下，它⼤约是⼲绝热递减率的⼀半多⼀些(0.6℃/100⽶左右)。
在⽓温很低（⽔汽很少）的场合，例如在对流层上部或⾼纬度地区，这两种递减率相差不⼤。
上升绝热膨胀冷却：（1）热⼒性：对流抬升：积状云（2）动⼒性：地形抬升：层状云、上坡雾锋⾯抬升，多形成层状云重⼒波（开尔⽂-赫姆霍兹波）：波状云（3）热⼒+动⼒：低空辐合：ICTZ热⼒、动⼒两者可以互相转化，如热⼒上升的云可因上空稳定层阻挡⽽平衍为稳定性云，动⼒抬升的云可因潜热释放⽽产⽣对流。
⼆、⾮绝热降温：（1）辐射降温：单纯由辐射冷却形成的云很少在云层形成后，由于云体的长波辐射很强，云顶强烈冷却，可使云层加厚，并在地⾯长波辐射使云底增暖的联合作⽤下使云层内形成不稳定层结⽽使云变形，层状云系中夜间有时会激发对流云活动，⼀些强对流风暴系统夜间常常加强或猛烈发展与云顶辐射冷却效应有关。
此外，辐射冷却可形成辐射雾、露、霜（2）（等压）⽔平混合降温：两空⽓团作⽔平混合，不会都是降温的其中较暖的⼀部分空⽓因混合⽽降温考虑两个同质量、未饱和的⽓块，温度分别为-10oC与10oC，混合⽐分别为1.6g/kg、7.6g/kg。
混合之后，温度变为0oC，混合⽐变为4.6g/kg。
0oC时的饱和混合⽐为3.8g/kg。
因此，两⽓块混合之后，变为过饱和。
云降水物理知识点
云降水物理知识点1. 学科性质和含义、学科划分、云降水物理过程中主要矛盾、感性认识、理性认识、人为干扰、研究对象、主要内容。
2. 湿空气达到饱和的主要途径、绝热上升膨胀冷却、干绝热递减率、抬升凝结高度、绝热含水量、水平混合降温、垂直混合降温、辐射降温、相变降温、夹卷降温。
3. 全球云和降水的分布特征、云雾的总体特征、微观特征、云的分类、云内相对湿度、积状云的特征（外形特征和空间尺度、垂直速度、时间尺度、温度等）、热泡的形成（热泡理论）、热气柱的形成、雷暴形成的几个阶段及其特征、层状云特点及与积状云的异同、亮带、卷云的特征、雾的定义、分类及形成过程。
4. 空中水凝物的相态分布、云滴谱、微物理特征量的计算和推导、云雾滴的尺度、CCN的尺度、雨滴的尺度、云的胶性稳定性、不同云雾中滴谱的差异、雨滴的轴比、降水强度、雨滴谱、液滴下落末速度、冰雪晶的形状和尺度谱分布、雪花尺度与温度的关系、冰雪晶的下落末速度、霰、稀凇附、密凇附、雹、冻雨、冰雹的分层结构、雹胚的分类及其影响因子、冰雹的尺度谱分布。
5. 核化、同质核化的含义及分类、异质核化的含义及分类、同质冻结与同质凝华的差异、中值冻结温度、寇拉方程、Kelvin方程、拉乌尔定律、云凝结核、巨凝结核、冰核、自然冰核的过冷却谱、冰核起核化作用的条件。
6. 云雾滴凝结增长的六个方程、质量扩散方程的推导、热扩散与能量平衡方程、通风因子对水滴凝结增长的影响、云滴尺度随高度的变化、云滴群凝结增长中过饱和度和微物理量的变化、起伏增长理论、冰晶的凝华增大、蒸凝现象、冰晶效应、冰雪晶的形状及影响因子。
7. 云雨滴和云凝结核的大小、碰撞效率及云滴半径对碰撞效率的影响、并合效率、碰并效率、碰并增长方程的推导、碰并增长与凝结增长对比、随机碰并增长、凝结与随机碰并结合的作用、雨滴繁生、降水效率。
8. 凇附、冰晶与云滴的碰撞效率、聚并（碰连）、雪花的形成、冰粒的形成、冰晶的繁生。
9. 冰雹的形状、尺度、相态、分层结构、雹胚、干增长、湿增长、临界含水量、冰雹云结构、冰雹增长过程、累积带理论。
03-云降水物理1-6解析
25km—500km
>500km
7
第二部分
云雾形成的宏微观条件
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云雾形成的宏微观条件
尺度 本质 原因 举例 Cu、Cb、Ac等 镶嵌对流， Ac、Cc等 即细胞对流 上升 斜升 锋面斜升 暖锋、缓行冷锋、静止锋上的Ci、 膨胀 Cs、As、Ac、Ns等 冷却 地形斜升 上坡雾、Sc等 降 温 波动 风切变 荚状、波状、涡条状Ci、As、Sc 气流过山 等 平流 暖湿空气流经冷 暖区雾、海上及陆上平流雾及Sc等 冷却 地面 辐射 夜间辐射冷却 地面、逆温层顶、尘埃或云层顶部 冷却 形成的辐射雾及层状云
在云雾物理里常只把云中粒子的大小分布和相态结 构特征称做微观特征。
多样复杂的宏观特征反映了云雾内部过程的复杂性
建立云雾降水的宏观过程理论，理解微观过程理论， 指导人工影响天气，服务于天气预报
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1.2 云和云系尺度
大尺度、天气尺度（>=1000km）：与温带气
旋或锋面伴随的云系；
中尺度（1km—1000km）：主要的云体和云
云降水物理学
教师：黄毅梅 电话：6599225 Email： huangyimei@
1
第一部分 绪论
云、雾和降水物理学（简称云物理学）是以大 气热力学和大气动力学为基础，研究大气中 水分在各阶段所经历的物理过程，具体而言 就是研究云、雾和降水和形成、发展、维持 和消散规律的科学。 研究目的：天气预报和人工影响天气
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绪论
学科划分
按研究对象尺度的大小，云物理学可分为宏观云物 理学和微观云物理学二部分。
前者研究水平尺度10m~100km以至1000km，垂直厚度 10m~10km范围内云的形成、发展和消散的动力过程； 后者研究云体的组成元素——云粒子（包括云滴、 冰晶）和降水粒子（雨、雪和冰雹等）所经历的凝 结（华）、碰并和蒸发等过程。其尺度仅0.1 μ m ~ 1cm。
云降水物理学
云降水物理学第一章、云雾形成的物理基础1、掌握水汽达到饱和的条件增加水汽和降温2、了解大气中主要降温过程一、绝热降温（冷却）：设一湿空气块，在它达到饱和以前绝热上升100米，温度大约降低0.98℃(干绝热递减率) 露点温度大约降低0.15～0.20℃，比气温降低慢得多。
所以只要空气上升得足够高，空气温度最终会降低到等于其露点温度，这时湿空气达到饱和，这个高度称为抬升凝结高度，再上升冷却就会发生水汽凝结，从而形成云。
由于凝结释放潜热，含云湿空气的温度上升冷却率(湿绝热递减率)就要变小，变小的程度视空气温度和湿度、气压等状态而异。
在空气暖湿的情况下，它大约是干绝热递减率的一半多一些(0.6℃/100米左右)。
在气温很低（水汽很少）的场合，例如在对流层上部或高纬度地区，这两种递减率相差不大。
上升绝热膨胀冷却：（1）热力性：对流抬升：积状云（2）动力性：地形抬升：层状云、上坡雾锋面抬升，多形成层状云重力波（开尔文-赫姆霍兹波）：波状云（3）热力+动力：低空辐合：ICTZ热力、动力两者可以互相转化，如热力上升的云可因上空稳定层阻挡而平衍为稳定性云，动力抬升的云可因潜热释放而产生对流。
二、非绝热降温：（1）辐射降温：单纯由辐射冷却形成的云很少在云层形成后，由于云体的长波辐射很强，云顶强烈冷却，可使云层加厚，并在地面长波辐射使云底增暖的联合作用下使云层内形成不稳定层结而使云变形，层状云系中夜间有时会激发对流云活动，一些强对流风暴系统夜间常常加强或猛烈发展与云顶辐射冷却效应有关。
此外，辐射冷却可形成辐射雾、露、霜（2）（等压）水平混合降温：两空气团作水平混合，不会都是降温的其中较暖的一部分空气因混合而降温考虑两个同质量、未饱和的气块，温度分别为-10oC与10oC，混合比分别为 1.6g/kg、7.6g/kg。
混合之后，温度变为0oC，混合比变为4.6g/kg。
0oC时的饱和混合比为3.8g/kg。
因此，两气块混合之后，变为过饱和。
大气科学专业课学习笔记-《云降水物理学》
云降水物理学-学习笔记第一章绪论1.宏观云物理学-大气热力学、动力学微观云物理学-水汽的相变热力学和气溶胶力学，所需的知识为热力学原理、扩散理论等2.Benoit Paul Emile Clapeyron 克拉珀龙(1799-1865)饱和水汽压与温度的关系Irying Langmuir 朗缪尔(1881-1957)积状暖云可因连锁繁生过程使雨滴数量增多+第一次开展飞机人工播云实验Hilding Kohler 科勒(1888—1982)吸湿性核凝结理论Kohler 方程Theodor Robert Walter Findeisen 芬德森(1909-1945)降水粒子形成理论+云降水物理学的鼻祖3.云降水物理学的感性认识观测研究方法探测理性认识理化实验:在隔离因子的情况下分析研究理化模拟:在综合因子的情况下分析研究（用实验方法模拟自然机制及过程）数值模拟第二章云雾降水形成的物理基础1.云：水滴、冰晶、水汽和空气共同构成的统一体2.组成云体的单个云滴或冰晶存在时间很短,云体或者云系的持续存在是由新的云粒子的不断生成维持的。
3.含水量比含水量（质量含水量）：指每单位质量湿空气中所含固态或液态水的质量，常用单位：g/kg，含水量（体积含水量）：指每单位体积湿空气中所含固态或液态水的质量，常用单位：g/m3。
4.Clausius-Clapeyron 克劳修斯-克拉珀龙方程：平水（冰）面饱和水气压和温度的关系温度↑，饱和水汽压↑，饱和水汽压的增大速度↑5.平冰面饱和水汽压＜同温度下的过冷却水面的饱和水汽压6.Kohler 科勒/柯拉方程溶液滴的饱和水汽压温度效应：温度↑，饱和水汽压↑曲率效应：半径↑，饱和水汽压↓浓度效应：浓度↑，饱和水汽压↓7.蒸凝现象：指固态或液态物质因升华、蒸发后转变为气态，或自气态因凝华、凝结而转变为固态或液态的现象。
发生条件：当大气中的实际水汽压介于此时共存的两种表面饱和水汽压不相同的液水或冰的饱和水汽压之间贝吉隆过程（冰晶效应）：对冰、水共存的系统，当实际水汽压介于二者的饱和水汽压之间时，必有水汽从过冷却水滴向冰晶方向扩散。
6.云、降水和雾
世界海洋的雾
雾区分布特点：春夏多，秋冬少；中高纬多于低纬； 大洋西海岸多于东海岸；北大洋多于南大洋；大西 洋多于太平洋。
1. 日本北海道东部至阿留申群岛常年多雾:其成因 主要是黑潮和亲潮交汇的结果，出现频率高达40％。 夏季最多，是世界著名雾区之一。
我国近海雾的成因
成因：主要与我国沿海的两支 海流有关。
(1) 黑潮暖流：世界著名暖流 之一。由北赤道流在菲律宾以 东向北，到台湾岛东南转向东 北，分出一支称台湾暖流。在 日本西南分出两支，一支流向 日本海，称对马暖流。一支流 向黄海，绕过老铁山到渤海， 称黄海暖流。
我国近海雾的成因
(2) 沿岸冷流：
积状云：由不稳定层结的自由对流发展而形成的云。积 状云是大气层结不稳定作用的产物，所以又称对流云。
特点：块状，孤立分散，底部水平，顶部隆呈圆弧状， 云内不稳定，水平范围小。
种类：积云(Cu)、积雨云(Cb)和卷云(Ci)。
云的物理分类
层状云：在稳定大气层结中，由系统性的抬升运动而形成 的云。如暖锋抬升作用。
雾与航海的关系
雾与风暴不同，风暴伴随狂风、暴雨、巨浪呼啸而来。雾则 是静悄悄地来，造成一场混乱后，又静悄悄地离去，是航海 的天敌。据世界海事组织统计，有60～70％的海事与雾有关 系。雾不仅影响船舶的航行安全，还影响船舶天、地文的定 位。雾中含有许多有毒物质。对人体十分有害。52年伦敦的 大雾，造成4800多人死亡。1922年，英邮轮“埃及”号在法 国沿岸雾中与法破冰船“西奈”号相撞，船上的近百名旅客 和8000kg黄金,3万公斤白银一同沉入大海，故称“吞金夺银 的雾”。
云、雾、露、雨、雪的物理形成原因
云、雾、露、雨、雪的物理形成原因1~在夜间，地面上的草、木、石块等物体由于向外辐射热量，它们的温度要降低，当温度降至露点时，地面物体附近空气中的水蒸气便达到饱和。
若露点高于0摄氏度，水蒸气可在地面物体的表面上凝结成小水滴，这就是露。
若露点低于0摄氏度，水蒸气则要在地面物体的表面上直接凝结成小冰粒，这即是霜。
如果在夜间不仅地面上物体的温度降到了露点以下，而且地面以上稍远处的空气温度也降到了露点，那么空气中的水蒸气将以尘埃为核心凝结成细小的水滴，这便是雾。
当高空中空气的温度降到露点以下，若露点高于0度，空气中的水蒸气在尘埃上凝结成细小的水滴便是云，而凝结成较大的水滴即是雨。
若露点低于0度，则空气中的水蒸气将在尘埃上直接凝结成雪。
由此可知，露、霜和雾都不是从天而降的，而是地面附近空气中的水蒸气达到饱和直接凝结而成的。
只有雪和雨才是从天而降的，即是高空中空气里的水蒸气达到饱和时凝结而成。
2~白炽灯用久了发黑的原因是：白炽灯工作时，由于钨丝中的钨在高温状态下升华（由固体直接变成气体），遇到灯泡的玻璃壁后又凝结成固体金属钨的原因。
3~云是由水汽凝结而成；而云的厚度以及高度通常由云中水汽含量的多寡以及凝结核的数量、云内的温度所决定。
一般来说，云中的水汽胶性状态比较稳定，不易产生降水，而人工增雨就是要破坏这种胶性稳定状态。
通常的人工降雨就是通过一定的手段在云雾厚度比较大的中低云系中播散催化剂（碘化银）从而达到降雨目的。
一是增加云中的凝结核数量，有利水汽粒子的碰并增大；二是改变云中的温度，有利扰动并产生对流。
而云中的扰动及对流的产生，将更加有利于水汽的碰并增大，当空气中的上升气流承受不住水汽粒子的飘浮时，便产生了降雨。
降雨的形成在云块中，随着空气中水汽的不断补充，过饱和的水汽继续不断地在云滴上凝结和凝华，使云滴继续增大，当增大到一定程度，由于重力作用，云滴开始下落，在下落过程中，大的云滴下降速度快，小的云滴下降速度慢，因此大的云滴会赶上小的云滴，合并成更大的云滴，如此下去，云滴就象滚雪球一样越聚越大，最终落向地面，成为雨滴。
云和降水物理学
学科性质
按研究对象尺度的大小，云物理学可分为宏观云物 理学和微观云物理学二部分。
前者研究水平尺度10m~100km以至1000km，垂 直厚度10m~101km范围内云的形成、发展和消亡 的动力学过程；
后者研究云体的组成元素——云粒子（包括云滴和 冰晶）和降水粒子（雨、雪、冰雹等）所经历的形 成及其增长过程。其尺度仅为0.1 μm ~ 100 cm。
The man whom we must credit with developing the basis for our cloud classification system was Luke Howard (1772-1864), an English manufacturing chemist and pharmacist. Like many who observed and studied the workings of the atmosphere at that time, Howard was an amateur meteorologist. Despite that fact he produced several landmark works including On the Modification of Clouds, The Climate of London, and Seven Lectures on Meteorology, the first textbook on weather.
四、发展简史－云分类
Lamarck(1744-1829), 云的形成并非是随机的，对 云进行了简单的分类（1802）；但未受到重视。
Lamarck(1744-1829)
Lamarck's scientific theories were largely ignored or attacked during his lifetime; Lamarck never won the acceptance and esteem of his colleagues Buffon and Cuvier, and he died in poverty and obscurity. Today, the name of Lamarck is associated merely with a discredited theory of heredity, the "inheritance of acquired traits." However, Charles Darwin, Lyell, Haeckel, and other early evolutionists acknowledged him as a great zoologist and as a forerunner of evolution. Charles Darwin wrote in 1861: Lamarck was the first man whose conclusions on the subject excited much attention. This justly celebrated naturalist first published his views in 1801. . . he first did the eminent service of arousing attention to the probability of all changes in the organic, as well as in the inorganic world, being the result of law, and not of miraculous interposition.
大气科学概论课件--云、雾和降水物理学基础
云、雾和降水物理学基础
大气中的云、雾、降水是最引人注 目的可观测到的天气现象。
云、雾、降水的成因：
潮湿空气在上升过程中膨胀冷却，使空气 中的水汽达到饱和及过饱和时，在凝结核上 凝结成水滴（温度高于零度），或由冰核作用 经冻结和凝华成冰晶(温度低于零度）而形成的 云、雾、降水。
◇大量的水滴或冰晶悬浮在空中组成的
气溶胶体称为云；
◇大量的水滴或冰晶紧贴着地面的
气溶胶体为雾；
◇云中的云滴增长到足够大时，就会从
空中降落产生降水。
云、雾、降水物理学《云物理学》是 以大气热力学和大气动力学为基础，研究 云、雾、降水的形成过程，发展规律以及如 何影响控制它们的一门学科。
云和降水与天气、气候密切相关。大部分灾害天气，如 暴雨、雷暴、冰雹、台风、龙卷风和雾障等，均与云雨过程有关。
云和降水也是地-气系统的动量、热量、水分输送和平衡的 关键因素。
另一方面，云和降水本身又是航空运输的重大障碍，它对 飞机的起飞，分类
自然界的云千姿百态，瞬间万变，这给云的 观测带来的困难。p122（云分类法及国际分类法）
我国气象观测把云的观测调整为：
1、形态学分类：三族十属二十九类
低云族H<2500m,中云族2500m<H<5000m,高云族 H>5000m
2、物理成因：积状云、层状云、波状云 3、相态：水云、冰云、混合云 4、温度：暖云、冷云
二、云的形成条件和宏观过程
1、云的形成条件
因为云雾滴是由空气中的水汽达到饱和（并超 过饱和）时生成的。
云降水物理
卷积云的主要特征
• 由白色鳞片状的小云块组成的； • 云块常成群地出现在天空，看起来很象微风 拂过水面所引起的小波纹； • 卷积云常由卷云和卷层云蜕变而成，所以出 现卷积云时，常伴有卷云或卷层云。
卷积云
卷积云
• 1、积状云 • 2、层状云 • 3、卷云 • 4、雾
1、积状云
• 积状云是大气对流运动的产物，故又称对流云。包括淡积 云、浓积云和积雨云，它们是孤立、分散而又垂直发展的 云块。发展旺盛的积状云常伴随雷暴、暴雨、冰雹、龙卷 等灾害性天气。
1.高层云（As） 2.高积云（Ac）
高层云 •简写符号： As •填图符号：
高层云的主要特征
• 浅灰色的云幕； • 水平范围很广，常布满全天。
高层云分为： 透光高层云 蔽光高层云
透光高层云
蔽光高层云
高积云 •简写符号： Ac •填图符号：
高积云的主要特征
•由白色或灰白色的薄云片或扁平的云块 组成的； •云块或云片有时是孤立分散的，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。
平流 暖湿空气流经冷 暖区雾、海上及陆上平流雾及Sc等 冷却 地面
辐射 夜间辐射冷却 冷却
地面、逆温层顶、尘埃或云层顶部 形成的辐射雾及层状云
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湿空气达到饱和的主要途径 – 降温机制
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湿空气达到饱和的主要途径 – 降温机制
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辐射降温
湿空气达到饱和的主要途径 –
降温机制
•平流降温
平流雾
Here, warm air from the land is cooled when it passes over colder water (in
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云雾形成的宏微观条件
云雾降水物理学讲义
第十二章云降水数值模拟简介1.概述大多数云都是伴随着上升空气的膨胀冷却作用而形成的。
只有雾是个例外，其中有些雾是通过近地面空气的辐射冷却形成的，或者是由不同温度的气团混合而产生。
在层状云情况下，上升运动受大尺度运动的控制，如沿倾斜的锋面上升，或在一气旋尺度的辐合场中缓慢上升。
在积状云中，上升运动归结为层结不稳定空气中的对流运动。
大尺度运动可以通过动力气象学中的方程组来了解，但对对流运动，了解得尚不很清楚，因为在对流运动中，小尺度湍流作用很重要。
当有云生成时，要从数学上来描述此时的空气运动就更为困难了，因为这时伴随着相变释放潜热，而且凝结生成物对空气还产生阻曳作用。
尽管如此，有关云的理论模式，特别是对流云模式，现已有了发展，可以考虑云的动力学和微物理学之间的相互制约关系，可以在某些方面模拟出近乎自然云的特征。
作为近代气象学研究的一个重要领域，云的数值模式正在稳步地不断改善和发展。
在云的模式中必须考虑三种过程：即动力学过程、热力学过程和云物理学过程。
对这些过程中的绝大多数我们都有一定了解，因此问题在于要将它们组成一组能描述这些过程且可以求解的微分方程。
但由此建立的方程组目前只能求得其数值解，这是云的理论模式化的困难之一。
为此，在方程组解的确定性具体采用的数值近似方法等方面必须做大量的工作。
另一个主要的困难是对云内外空气混合的动力学过程了解得很不够。
虽然在有些模式中已经考虑了混合效应，但通常还是采用经验的甚至是任意的取近似的方法。
一般都是针对单个的孤立积云进行模拟研究。
这样云体可以处理成与其周围环境无关，尽管实际上它们之间总是互相有影响的。
即使作了这样的近似，需要考虑的空间体积(即计算的范围)仍达到甚至超过5×1010米3的量级，而且还希望研究云体在几十分钟时间内的发展。
通过数值处理，在空间和时间的网格点上确定需要计算的量(即温度、空气速度、云中含水量)。
数值模拟所要求的计算时间随着网格点数的增加而迅速加长，为了确保计算时间适当缩短，必须采用相对少一些的网格点或采取其它简化手续，这样处理后必然带来一些不可靠性。
云雾降水形成的物理基础
第二章云雾降水形成的物理基础1云雾形成的一般宏微观机制1.1 云雾的组成云雾：三相水与空气的整体云是由水滴、冰晶、水汽和空气共同构成的统一体。
水汽（先决条件）—云雾滴（维持的保证）空气（存在环境）水的密度：1；冰的密度：9/10；空气密度：1/800下落—空气阻曳力-> 飘浮组成云体的单个云滴或冰晶通过凝结等过程产生，通过蒸发或降水等过程而消失，存在时间很短。
云体或云系的持续存在是由新的云粒子的不断生成维持的。
这一过程向着新粒子生成的区域传播，就是说新粒子生成的方向不一定沿着风向。
单个云滴、冰晶或降水粒子运动速度是由环境空气流速和其自身的下落速度相加而得到的速度和决定的。
1.2 未饱和湿空气达到饱和的主要途径—相对湿度变化方程1.2.1复习：Clausius-Clapeyron方程盛裴轩等编著，2003：《大气物理学》，北京大学出版社，p127周文贤、章澄昌译，1983：《云物理简明教程》，气象出版社，P14沈春康编著，1983：《大气热力学》，气象出版社，p111相对湿度f >100%→凝结、凝华→水滴、冰晶。
1.2.2 相对湿度变化方程：/f e E =取对数微分：ln ln ln f e E =-df de dE f e E=- 平水面饱和水汽压与温度的关系，可以用Clausius-Clapeyron 方程表示（王李1.7式；Rogers&Yau2.10式）：2v v L E dE dT R T=或2v v L dT dE E R T = 其中，E 为饱和水汽压，T 为绝对温度，L v 为水汽相变潜热（0℃：2.50×106 J/Kg ），R v 为水汽比气体常数，其值为461.5 J/Kg.K 。
可得：2v v L dT df de f e R T=- 可见，增大相对温度有两个途径：增加水汽（de>0）和降温（dT<0）。
一般说来，大气中形成自然云雾，主要通过空气上升运动绝热膨胀降温，另外夜间辐射冷却也可形成局地云雾，当然局地增加水汽含量的作用也不能忽略，尤其是维持某地区上空的连续降水，必须有水汽汇流不断输入补充。
云降水总复习.
，在r<r0时，ΔS为负值，因此公式
•
右边第二项－浓度项是主要的，这时可溶性核将以溶液
滴的形式存在，且可与环境空气达到相平衡；而当r>r0时，曲率影响是主
要的，随着r的不断增大，溶液越来越稀，以至于趋近于纯水滴情况。同
时可以看出，公式(6.31)的第一项为正，第二项为负，过饱和度必然存在
一极值，称为临界过饱和度（临界相对湿度）ΔS*，
第三章 云的宏观形成及观测特征
• 雾的定义 • 雾的形成和分类（按照发生学的方法进行分类）
发生学：辐射雾、平流雾、蒸发雾 • 辐射雾、平流雾和蒸发雾的定义
第四章 云降水微观特征
粒子
CCN 典型云滴 大云滴 云雨滴分界线 典型雨滴
半径(μm) 0.1 10 50 100
1000
数浓度(l-1) 106 106 103
1
Adv. in Geophys.5, 244 (1958)
下落末速度(cm/s) 0.0001 1 27 70 650
第四章 云降水微观特征
• 大陆性积云和海洋性积云的差异：大陆性积云稳定，不易降水， 因为大陆上空凝结核多，形成的云滴谱窄，大粒子少。
• 云滴谱分布函数- Khrgian-Mazin分布 • 雨滴尺度谱分布-马歇尔和帕尔默 • 冰晶尺度谱分布
第三章 云的宏观形成及观测特征
• 零度层亮带定义及形成原因
–凡上部温度低于0度，下部高于0度的降水云，在对流不强时，往往 在雷达回波中显示出明显的亮带。
–亮带结构：位于0度层以下80~400m，厚度15~150m，呈水平带状
–亮带的形成：降水质粒的反射率与复折射指数m有关，水的折射率因 子约为冰的5倍。雪在下落到0度层，外层融化成水表，易碰并粘 连—折射率增加5倍—完全变为水滴时，尺度减小、下落末速增大— 反射率减小。由于它是雪花融化所致，故也称融化带。
气象学--6-4--云和雾的形成、降水
锋面雾的成因： 由于锋面降水在冷空气里蒸发，使锋面底部产 生雾 由于锋过境时气压下降而引起空气的绝热冷却 就凝结成雾 由于锋面上的低云延伸到地面而成雾
平流雾：暖湿空气流经冷地面或冷水面而 形成
有利于平流雾形成的条件：
暖湿空气与冷下垫面的温差较大 暖湿空气的湿度较大，可以提供形成雾的水汽 适中的风速，2－7米/秒 层结较稳定
平流雾的特征：
日变化不明显，年变化较明显。中午可能暂时消失或者减弱，在 黄昏又复出现或加强。一年中春夏多而秋冬少。南海，珠江口一 带为12月至次年4月，以2－4月海雾最盛，长江口一带5－6月， 黄河口一带则在7－8月。 海上平流雾持续时间长，陆上往往是平流辐射雾，即先暖湿平流 后辐射冷却 这种雾是大范围空气平流冷却而形成，因此具有较大的厚度和水 平范围。平流雾的垂直尺度可从几十米到两千米，水平范围可达 数百千米以上，平流雾的强度比辐射雾大 天气条件：常伴有层云、碎雨云和毛毛雨等天气
1
2
3 4
云雾形成的基本过程 雾 云 云雾的微物理结构
1. 云雾形成的基本过程
雾：大气中的水汽达到饱和以后，凝结和凝华而成小 水滴或冰晶，漂浮在贴近地面的气层的现象，并由于 组成雾的气溶胶质粒对光的散射、反射作用使能见度 减小到1千米以下 轻雾：上述同样过程，能见度等于或大于1千米时 云：上述过程发生在大气的某一高度上时
五、锋面雾
锋前雾：经常出现在暖锋之前，有时也出现在 冷锋或静止锋之下。形成这种雾的有利条件是 锋区两边温度差比较明显。 锋际雾：冷暖气团在交界的锋区混合而行成的 锋后雾：暖湿空气移至原来为冷气团控制的地 面上冷却而形成的雾。
“早晨起雾雾不散，
云雾降水物理学
3.2. 异质核化 .................................................................................................... 18 3.2.1. 可溶性粒子的凝结核化 .................................................................... 19 3.2.2. 其它异质凝结核化 ............................................................................ 22 3.2.3. 异质凝华核化 .................................................................................... 23 3.2.4. 异质冻结核化 .................................................................................... 24
云雾微物理分解
设某点周围的水汽密度梯度为 ddrv，有一个垂直于 此水汽密度梯度的球面积为A。由于此水汽密度梯 度的作用，使单位时间通过此球面积的水汽质量 为 dM 。
dt
质量扩散方程 - Fick's Law
定义水汽分子扩散系数为
意义：单位水汽密度梯度作用下，在 单位时间通过垂直于水汽密度梯度的 单位面积的水汽扩散质量；
如图液体附着固体表面，液相表面切线与下垫面夹 角为θ度，称为接触角或湿润角。
12.2 异质核化
亲液物质：θ<90°，表示液体能够润湿固体 表面。凡能够被水所润湿的物质称之为亲水性 （水湿性）物质，否则称为憎水性物质。
与θ等于0°和180°对应的为完全亲水性物质 和完全憎水性物质。
12.2 异质核化—平水/冰面饱和水汽压
自然冰核
NIN N0 expaT
a=0.3-0.8
N0常取10-2 /m3， 过冷却度T = 273 T.
按北京地区观测资料， N0 = 1.06/ m3，a = 0.42。
自然冰核
NIN cS b
冰核浓度随相对湿度而 增加，是冰面上过饱和 度S的指数函数
其中b可取常数，随地 点不同而不同，如 Huffman 根 据 对 美 国 科 罗拉多、怀俄明和密苏 里三地的测量结果，求 得b依次为3、4.5和8。
12.1 均质核化—同质凝结核化
1897年，Wilson令一个内含纯净无杂质的且相 对湿度为100%的空气云匣发生膨胀，第一次发现 在膨胀冷却到相对湿度达800％以上时，才出现自 发凝结现象。
在这样大的相对湿度下，水汽分子才能克服由于温 度和密度造成的微观起伏，自发地排列成团，形成 微水滴。
云微物理学
国内称云雾和降水物理学(简称云物理学)
以大气热力学和动力学为基础，研究云、雾和降水
的形成过程，发展规律以及如何影响、控制它的一 门学科。 云和降水与天气、气候密切相关， 大 部分灾害性 天气，如暴雨、雷暴、冰雹、台风、龙卷风和雾障 等都和云雨过程有关；云和降 水也是地-气系统的动 量、热量、水分传输和平衡的关键因素lescence efficiency E’（合并效率） 碰撞后有合并、反弹、破碎三种可能。其中合并在 碰撞中所占的比率为合并效率。 收集效率（collection efficiency） Ec =EE’
Continuous collection model 连续收集模式
6.1.1 Theory
云雾形成的过程，实质上是水汽转变 成水滴或冰晶的相变过程，即新相形成 和增大的过程。新相形成时，必须先产 生新相的初始胚胎，云雾物理学中称这 种初始胚胎的产生过程为核化过程。可 分为同质核化和异质核化过程。
同质核化凝结在纯净的空气中，靠水汽分子 随机碰撞、相互结合而生成云的胚胎，这种过 程称为同质核化凝结(或自生凝结)过程。
云的国际分类 云 高 中 低 族 出现高度 云 ＞6000m 云 2000～6000m 云 ＜2000m 云 属
卷云（Ci）、卷积云(Cc)、 卷层云(Cs) 高积云(Ac)、高层云(As) 层积云(Sc) 层积云(Sc)、雨层云(Ns)、 层云(St) 积云(Cu)、积雨云(Cb)
直展云
6.1 Nucleation of Water Vapor Condensation 水汽的核化凝结
6.1.2 Cloud Condensation Nuclei 云凝结核（CCN）
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第五章云、雾和降水物理学
10属云
淡积云Fair weather cumulus clouds-2淡积
nimbostratus
21
2.1 雾的特征及动力学
2006年
25日凌
晨开始
的南京
大雾
浓雾的危害
•雾对交通的危害最为直接
浓雾往往造成高速公路汽车追尾相撞，航班延误甚至发生空难，海上轮渡停航甚至相撞，造成巨大的人员伤亡和经济损失
•雾使电网发生污闪，造成大面积供电中断事故雾使电网发生污闪造成大面积供电中断事故输变电设备外绝缘受到雾中污染物和水分影响，常常发生污闪，造成停电事故
发生污闪造成停电事故
浓雾的危害
•雾降低农产品产量和品质，增加植物病虫害的发生概率
雾中污染物含量高，尤其是酸雾，可导致植株出现斑点、叶片黄化，最终使作物产量和品质下降
点叶片黄化最终使作物产量和品质下降
雾缩短了日照时数，减少了到达地面的太阳辐射，降低了绿色植物的光合效率
低色植物的合率
•雾严重损害人体健康
雾日的逆温，使污染物积聚；雾中产生的二次污染物毒性更大。
毒性更大
冰雹的危害
冰雹的危害
云雾降水至少在以下诸多方面都起着重要作用：
1.地球-大气水分循环中的一个关键环节(图)
22.影响地球辐射平衡(图)
3.湿沉降
4.大气中液相化学反应床
5.影响大气的垂直输送(图)
响大气的直输
66.雷暴影响全球大气电平衡过程
7.人工影响云雾降水的理论基础
地表上的水–全球年水量平衡
Cloud 20%
Cl d 20%
Cloud 4%
Earth’s radiation budget
不仅垂直输送能量、不仅垂直输送能量
水分，而且垂直输痕量气体气溶送痕量气体、气溶
胶粒子
云科学
•云物理学(云雾降水物理学的简称)物降物简称宏观云物理学,微观云物理学•云气候学
•云化学(大气化学)
•云电学(大气电学)
•人工影响云和降水
11
•1.1 云物理学
一、定义：
一定义
云物理学即云、雾和降水物理学，它是
云物理学即云雾和降水物理学它是以大气热力学和大气动力学为基础，研究
大气中水分在各阶段所经历的物理过程，
大气中水分在各阶段所经历的物理过程
具体而言，就是研究云、雾和降水的形成、
发展和消散过程，是大气科学中最为重要
的分支学科之。
的分支学科之一。
二分类
二、分类
按研究对象尺度的大小，云物理学可分按研究对象尺度的大小云物理学可分为宏观云物理学和微观云物理学二部分。
前者研究云体的形成、发展和衰亡的动力学过程.
后者研究云体的组成元素——云粒子（包括云滴和冰晶）和降水粒子（雨、雪和冰雹等）所经历的凝结（华）、碰并和蒸发等过程。
其尺度仅0.1 m ~ 1cm。
等过程其尺度仅01μm~1cm
云雾和降水物理学第五章云、雾和降水物理学•第一节云雾的定义及分类
第二节云雾形成的宏观过程
第节雾形成的宏观过程
第三节云雾的宏观特征
第四节暖云及其降水形成的微观过程
第一节
第节云雾的定义及其分类一、云的定义及分类
云
它是恶魔，阴森可
怖云是空中的彩画，赏心悦目怖，
喷射出狂风暴雨
它将雨赐予干旱的地球，喷射出狂风暴雨，雹击雷轰
养育了万物生灵-----它威吓，杀戮，
但是不！
俨然是制造毁灭和
灾难的狂暴主宰
云是如此变化无常
时而象天使。
时而象魔鬼，
善至极，恶至极
可是万物生灵何曾离得了它？
-------W.R.Cotton
美国科罗拉多州立大学大气科学系教授著名的云物理和云动力学专家
1定义
云是由空气和水凝1.定义：2物构成的漂浮在大气中的可见聚合体
2.
特点：不接地3.云的微观分类：水云、冰晶云、混合云
4.发生学分类:积状云、层状云、波状云
Cl d
Cloud
Temperature
Droplets Above 0 C (32 F)Liquid Water
-10 to 0 C (12-
Supercooled Water
32 F)
Supercooled Water
-40 to -10 C (-4-
14 F)Supercooled Water and Ice Crystals Coexist
(mixed clouds)
Below -40 C (-4
Mainly Ice Crystals (glaciated clouds) F)
•二. 雾的定义及分类
雾是小水滴或小冰晶悬浮于大气边界层内,使水
平能见度降至1km以下时的一种天气现象.
分类方法有多种,例如,天气学分类法,发生学分类法,地理分类法,相态分类法
类法态类法
详见许绍祖<<大气物理学基础>>:
云雾和降水物理学第五章云、雾和降水物理学第一节云雾的定义及分类
•第二节云雾形成的宏观过程
第节雾形成的宏观过程
第三节云雾的宏观特征
第四节暖云及其降水形成的微观过程
度结滴第二节云雾形成宏观过程相对湿度f >100% Æ凝结、凝华Æ水滴、冰雪晶。
冰雪
湿空气达过饱和的主要途径
增大相对湿度有个途径单纯降温,单增大相对湿度有三个途径：单纯降温
纯增加水汽,既降温又增湿，一般来说，大气中形成自然云雾
大气中形成自然云雾，主要以降温过
程为主。
湿空气达到饱和的主要途径-降温机制
对流
上升
湿空气达到饱和的主要途径-降温机制
锋
面
抬
升
湿空气达到饱和的主要途径-降温机制
低层辐合
抬升
波动降温
湿空气达到饱和的主要途径降温机制
-
•非绝热降温
辐射降温：
辐射冷却可形成辐射雾、露、霜
湿空气达到饱和的主要途径-降温机制气到和的要径降机制•非绝热降温（续）
湍流混合降温
湍流混合降温
湿空气达到饱和的主要途径降温机制
-
•小结
其它降温机制如：平流降温
在实际大气过程中，往往有几种降温机制共
同起作用。
同起作用
在不同的云雾物理过程中，都有某种降温机
制起着主要作用。
一般讲使空气过到饱和的过程中降温作般讲，使空气过到饱和的过程中，降温作
用比增加水汽更重要，降温作用中又以上升
膨胀降温最为重要。
最为重要
湿空气达到饱和的其他途径增湿机制
——
•增湿
–平流增湿
–冷空气流经暖水面：蒸气雾
–冷空气流经暖水面蒸气雾
湿空气达到饱和的其他途径——温湿
均变：乱流混合
均变乱流混合
–湿空气水平混合
–冷湿空气被混合后增温增湿（以增湿
为主）：锋际云雾
–暖湿空气被混合后降温增湿（以降温
为主）：锋际云雾
为主）锋际云雾
总结–云雾形成的宏观过程
–上升膨胀冷却
•对流
层结不稳定气层中，由动力抬升或热力抬升产生的.
•系统性上升运动：锋面抬升、大
地形抬升、低层低压辐合
波动
风切变和气流过山：荚状、波状、风切变和气流过山荚状波状
涡条状Ci, As, Sc等
小结–云雾形成的宏观过程
–平流冷却
–暖空气流经冷地面：暖区雾、海上及陆上平流
雾及Sc等
–辐射冷却
夜辐射冷却面成辐射雾
–夜间辐射冷却：地面形成的辐射雾
小结–云雾形成的宏观过程–平流增湿
–冷空气流经暖水面：蒸发雾
冷空气流经暖水面蒸发雾
–
小结云雾形成的宏观过程乱流混合
–湿空气水平混合
–冷湿空气被混合后增温增湿（以增湿为主）：
锋际云雾
–暖湿空气被混合后降温增湿（以降温为主）：
锋际云雾
云雾和降水物理学第五章云、雾和降水物理学第一节云雾的定义及分类
第二节云雾形成的宏观过程
第节雾形成的宏观过程•第三节云雾的宏观特征
第四节暖云及其降水形成的微观过程
第三节云雾的宏观特征
一、层状云宏观特征、层状云宏观特征
10101、空间尺度
水平尺度1~10
3km 10-1~10
0垂直尺度10km 水平尺度比垂直尺度大一两个量级水平尺度比垂直尺度大两个量级
时间尺度
2、时间尺度
对于与天气系统相联系的层状云，其生
命史常在一周以上
3、垂直速度
般在1010cm/s
一般在-1~102
但在气旋辐合上升运动时，上升速度可
但在气旋辐合上升运动时上升速度可
达5~30 cm/s
对于大范围槽前的滑升运动，常常不超过
几cm/s
湍流
4、湍流
云下的湍流最强,云内稍弱,云上最弱
5、温度
温度
温度层结有两个特点:
(1)云内层结接近湿绝热梯度,最大可能值也
不超过-0.75~-0.79/100m;
6、含水量
层状云中的含水量一般在10-1 g/m3
在北方较薄的层状云，及冰云和混合云的过在北方较薄的层状冰和混合的过冷部分，含水量更小，常在10-2g/m3
我国南方层状云，特别是在Ns和Sc的对
流泡中的含水量可高达2~3g/m3
23/
含水量的垂直分布(见下图)
图。