03-云降水物理1-6
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。
简介：云和降水物理学、凝结核、气溶胶、与人工降水1
（三）凝结核对人类生产、生活的意义
地球气象现象中的各种降水现象的性质和规模大小，都与凝结核的有无与凝结核是否充沛息息相关。例如，富含水蒸气的云系，如果在其经过区域上空有丰富的凝结核存在，则极易形成降水降落到地面。反之，如果某区域上空凝结核的丰度较低，即使经过云系含有丰富的水蒸气，仍然不能形成降水条件。而冰雹、冻雨等灾害天气现象，也与凝结核有密切的关系。
运用云和降水物理学原理，通过向云中撒播催化剂（盐粉、干冰、或碘化银等），使云滴或冰晶增大到一定程度，降落到地面，形成降水。又称人工增加降水。其原理是通过撒播催化剂，影响云的微物理过程，使在一定条件下本来不能自然降水的云，受激发而产生降水；也可使本来能自然降水的云，提高降水效率，增加降水量。撒播催化剂的方法有飞机在云中撒播、高射炮或火箭将碘化银炮弹射入云中爆炸和地面燃烧碘化银焰剂等。
我们知道，有雨必先有云，但是有云不一定有雨。自然界过冷云降雨（或雪）是 由于云中除小水滴外，还有足够的冰晶--饱和水汽或过冷却水滴在冰核（不溶于 水的尘粒）作用下凝华或冻结而形成的冰相胚胎。过冷云中水滴的水分子会不断蒸 发并凝华到冰晶上，冰晶不断长大以致下落为雪，如果云下气温高于0 ℃，它们就 会融化成雨。如果自然界这种云雾中缺少足够的冰晶，因云中水滴十分细小，能够 长期稳定地在空气中悬浮而降不下来，于是就只有云而无雨。这时候如果向这种云 雾中播洒碘化银粒子，则能产生很多冰晶，云中水滴上的水分经蒸发、凝华迅速转 化到这些人工冰晶上，使冰晶很快长大产生降雪，如果地面气温较高，雪降落过程 中边融化边碰撞合并为水滴，最终成为降雨。这就是人工降雨。
（1）不溶于水，但表面能为水所湿润的核。主要是一些经风化后的矿物微粒，如碳酸钙等。这类核的凝结性能，决定于核的大小及吸附水分子的能力。
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。
南京信息工程大学硕士云降水物理学003-F05
南京信息工程大学硕士研究生招生入学考试考试大纲科目代码：F05科目名称：云降水物理学第一部分课程目标与基本要求云、雾、降水物理过程是大气水循环的核心组成部分，是地球大气的热量、水份和动量平衡的关键因素，它不仅影响到局地的和短期的天气过程，也影响到大气环流和全球气候的变化。
此外，云和降水还会影响大气污染、大气雷电和电磁辐射的传播。
本课程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，即研究云、雾和降水和形成、发展和消散的物理规律，是大气科学中最为重要的分支学科之一，是雷达气象学、天气导变、强风暴等物理气象学的核心，与《云动力学》、《云降水物理实验》等课程相配合，共同构筑专业知识结构的核心框架。
课程教学目标是使学生掌握云降水形成的基本原理，培养学生从微物理角度分析和解决大气科学问题的能力。
第二部分课程内容与考核目标1．绪论（1）掌握云降水物理学的学科性质和研究意义；（2）熟悉研究方法体系；（3）理解学科发展与社会经济进步的关系；（4）了解主要研究对象；（5）了解学科发展历史；2．云降水宏观特征（1）掌握湿空气达到饱和的主要途径（2）掌握云内湿度和含水量的一般特征、积状云和层状云的宏观特征、热泡理论、气团雷暴的结构与生命史；（3）熟悉锋面气旋中的雨带结构；（4）了解大气水循环过程、雾的形成过程与结构特征、卷云的宏观特征、热带气旋的云系结构特征；（5）初步了解全球云、雾、降水分布和云的日、季变化；3．云降水微观特征（1）掌握云降水粒子相态和尺度谱分布、云的胶体稳定性；（2）熟悉云降水粒子谱分布数据处理方法及微物理特征量的计算；（3）理解不同云降水粒子的尺度谱分布差异；4．云的形成—核化理论（1）了解水汽、液水、冰的结构及其与空气之间的界面特性（2）掌握核化的概念、可溶性核上的凝结核化过程、柯拉方程及其意义；（2）熟悉云凝结核和大气冰核的性质和特点、冰核起核化作用的条件；（3）理解同质核化的基本性质、同质冻结核化和异质冻结核化的差异；（4）了解离子和不可溶粒子表面凝结核化的基本特点；（5）初步了解由化学势概念导出开尔文公式；5．云雾粒子的扩散增长（1）掌握Maxwell方程的推导、扩散系数、导热系数、扩散增长基本规律、贝吉龙理论及基本规律；（2）熟悉云滴群凝结增长过程基本规律；（3）理解冰晶凝华增长处理方法；（4）了解单滴凝结增长方程的推导过思路、冰晶的形状与温度和湿度的关系；（5）初步了解云滴的起伏凝结增长理论；额6．暖云降水理论（1）掌握微滴下落末速度规律、碰撞效率概念及规律、雨滴繁生机制；（2）熟悉Stokes末速定律推导、连续碰并增长方程的推导及应用；（3）理解凝结增长与碰并增长的共同作用过程；（4）了解随机碰并增长模型、凝结增长过渡到碰并增长的可能机制；7．冷云降水理论（1）掌握冷云降水的主要机制、冰质粒繁生机制、“播种云—供应云”降水机制；（2）熟悉连续碰并增长方程对冰相粒子碰并增长过程的应用；（3）理解成云致雨的物理总过程；（4）初步了解大气冰相粒子的运动特性；8．冰雹物理基础（1）掌握冷雹分层结构的形成机制、干增长和湿增长概念；（2）熟悉冰雹云结构与冰雹形成过程的关系；（3）理解干增长和湿增长判据；（4）了解雹胚与云体温度的关系；9．人工影响天气原理（1）掌握暖云和冷云增雨、人工抑雹、人工消雾的基本原理；（2）熟悉人工影响天气主要催化剂的性质；第三部分有关说明与实施要求1、命题说明（可包含题型设计）：本课程对各考核点的能力要求一般分为三个层次用相关词语描述：较低要求—了解：基础知识和基本概念；一般要求—理解：基本原理和物理规律；较高要求—掌握：理论分析与定量计算。
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。
气象学与气候学-降水
美丽的雪花
9
四、各类云的降水
（一）类型：
1、按降水时间和强度分： 连续性：均匀的雨滴或雪花，降水时间长，降水量大。 （高层云、雨层云） 阵性： 强度大，降水时间短，雨滴大。（浓积云、积雨云） 毛毛雨：雨滴小强度弱（层积云、层云）
10
2、按降水的成因分类
11
（二）全球降水量分布
影响因素：纬度、海陆分布、大气环流、地形 赤道多雨带：上升气流强，多对流雨 副热带少雨带：信风带的西岸（背风海岸）
气象学与气候学
降水
1
一、概述
1、降水
从云中降到地面上的液态的或固态的水，称为降水。
云滴r<100μm，标准云滴r=10μm 雨滴r>100μm，标准云滴r=1000μm
2、降水的类型
雨：从云中降下的液体水滴
雪：从混合云中降下的固体水
霰：从云中降下的不透明球状晶体
雹：从云中降下的有透明层和不透明层相间组成的固
体降水，呈球状。
2理过程
降水的形成就是云滴增大为雨滴、雪花或其它降水物， 并降至地面的过程。
1、凝结或凝华增长（初期）
冰水共存：在冷却水滴和冰晶共存的冷云中，如果存在 E冰<e<E过冷却水 ，冰晶因凝结而不断长大，而过冷却水滴 因不断蒸发而变小。（低纬度机会多）
约可产生1014个冰晶。
13
播入碘化銀後，一塊積雲呈爆發性增長
14
（二）暖云降水
1、暖云：云体全部或部分的温度T>0℃ 2、不降水的原因：
缺少大小水滴共存的条件。 3、方法：
氯化钠或氯化钾： 吸湿性强，形成大小水滴共存的环境
15
6
2、 冲并增长
定义： 由于云滴大小不同，具有不同的升降速度，相互
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
16
湿空气达到饱和的主要途径 – 降温机制
17
湿空气达到饱和的主要途径 – 降温机制
18
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
15
云雾形成的宏微观条件
第三节-降水
是凝集在地面或地面物体表面上的小水 珠。
如果温度持续降至0℃以下时，露滴冻结成冰 珠，称为冻露
是白色的具有晶体结构的水汽凝集物。
露是贴近地气层的温度高于0℃时形成 的； 霜是在贴地气层的温度为0 ℃以下才 能形成。
是在地面、树干、电线等建筑设施上形 成的光滑而透明的冰层。
过冷水滴降落到温度低于0℃的地面或 物体上以后，就会冷结成光滑透明坚 硬的冰层，呈透明或毛玻璃状。
A雨
C霰
D
B雪 雹
表示方法
降水量
降水强度
（1）降水量 概念：从天空降落到地面上的液态或
固态水，未经蒸发、渗透、流失，而 在水平面上积聚的深度。
降水量是表示降水多少的特征量，通 常以mm为单位。
（2）降水强度
➢概念：是指单位时间内的降雨量。
➢降水强度是反映降水急缓的特征量， 单位为mm/d 或mm/h 。
（2）降水强度
单位时间内的降水数量，称为降水强 度。
依据降水强度的大小
将液态降水分为小雨、中雨、大雨、 暴雨、特大暴雨；
将固态降水如雪分为小雪、中雪、大 雪。
（二）空气湿度
1、概念：表示空气中水汽含量多少（即 空气的潮湿程度）的物理量称为空气 湿度
2、表示方法：水汽压、相对湿度、露点 温度
水汽压概念：
目录
降水 空气湿度 土壤水分
1、概念：降水是指以雨、雪、霰、雹等 形式从云中降落到地面的液态或固态水。
广义的降水包括云中降水（雨、雪、霰、 雹等）和地面水汽凝结物（露、霜、雾等）
一般情况下，降水是指云中降水
2、降水形成的原因
大气降水的形成，就是云层中水滴 或冰晶增长到一定程度，在不断下 降的过程中，不因蒸发而导致水分 耗尽，降落到地面，即成为降水。
云降水物理学
18
发展简史 16世纪：Galilei发明
温度表，定量测量气象 现象。
19
发展简史
20
发展简史
1802年Lamerck; 1803年 Howard; 1887年 Hildebrandson; Abercromby对云分类
该矛盾的存在，才有云雾的发生发展(大多情况)， 以及降水的发生和减弱。该矛盾贯穿在整个自然界 气流与空中水分相变的相互制约过程中。
当然，在云雾发展的某一局部阶段，其它矛盾可能 暂时转化为主要矛盾。但总的来说，其它矛盾不占 经常的、主要的地位。因此，各种云雾现象中只有 与主要矛盾相联系的现象才是更重要的。
11
绪论 – 学科地位
大气科学：大气物理、大气化学、大气生物学
大气物理学：大气热力学、大气动力学、云雾 降水物理学、大气辐射学、大气声光电学、高 层大气物理学等
研究云雾降水物理必须具有大气物理学中其它分支 的知识
研究云雾降水物理必须重视云雾的地理背景、环流 背景、天气背景，应具备天气学、气候学知识
对客观自然云雾或人工影响后的云雾获得感性认 识的方法。
例如：
组织中小尺度观测网； 进行云内外温、湿、压及气流分布探测，云体发展及
挟卷情况探测、雷过回波及卫星云图； 云内微物理结构及其有关参量和特征（如滴谱、含水
量等）观测、降水观测等
14
绪论 – 方法体系 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。
5
绪论 研究对象
微尺度：云雨滴的形成、增大和消散规律 结构尺度：云雨中的特征结构 中小尺度：有独立意义的中小规模的云雨单元及天
雷电原理 第五章 云雾降水电结构和电场
§5.5
雷暴云概况
雷暴出现带来强降水、大风、光、强电场和强电流、雷（次声） 、瞬变电磁脉冲辐射（天 电） 、无线电噪声等。一方面它可以造成洪涝灾害；另一方面也以强电流、强电场造成人类 生命财产的损失。它时常从两个方面给国民经济带来重大损失，因此对雷暴的研究和分析有 重要意义。 雷暴是发展旺盛的强对流现象，是伴有强风骤雨、雷鸣闪电的积雨云系统的统称。如果 以雷声间隔不超过 15 分钟算作一次雷暴进行统计，全球全年约出现 1600 万次雷暴，每天平 均约 44,000 次。在全球纬度带平均而言，赤道地区雷暴活动最频繁，每年约有 100-150 个雷 暴日；热带地区约为 75-100 天；中纬度地区约 20-40 天；极圈内最少，仅有 9 天。 我国地
表 5.1 云的类型
云类 卷云 卷积云 卷层云 高积云 高层云 雨层云 层积云 层云 积云 积雨云
垂直分类 高云 高云 高云 中云 中云 低云 低云 低云 直 展 云 （滴 水滴 水滴 水滴 水滴
宏观特点 白色狭条状，细丝或碎片状，具有纤维或柔丝般光泽的 外形或两者兼有 由白色颗粒状或波纹状等很小的单元组成,排列有规律。 具有细微结构的淡白色的云幕， 均匀地覆盖大部分天空。 白色或灰色的云层，云的小单体排列较有规律，有明显 的轮廓。 淡灰色或淡蓝色云层，具有均匀或纤维的外形，覆盖大 部分天空。 灰色厚云层，很暗，有雨或雪。 灰色或灰白色云层，带有暗黑部分，有规律排列。 灰色云层，云底很均匀，有时有毛毛雨，或米雪。 离散云体，浓密轮廓清楚，垂直方向发展，产生阵性降 水。
陈渭民编著
第五章 云雾降水电结构和电场
§5.1 大气中云的类型和特点
云是大气中闪电的重要载体，但是并非所有的云都形成闪电，实际上只有少量特定的云 才有闪电和雷击。云带电特点与云的类型、降水相关联, 不同类型云所荷电量和电结构有很 大的不同。为此先对云的分类作一介绍，如表 5.1 中，在气象学中, 按地面观测（只能观测 到云底） ，将云分成高（卷云、卷积云和卷层云） 、中（高层云、高积云） 、低云（层云、层 积云、雨层云、积云和积雨云） ，但是如果按云的稳定性分成层状云和直展（对流）云，层 状云按高度分高（卷云、卷积云和卷层云） 、中（高层云、高积云） 、低（层云、层积云）三 类云，直展（对流）云（积云、浓积云和积雨云） ，其积雨云云底与低云一样，但云顶相差 很大，从稳定性上与低云有很大不同，雾的成因与层状云类似，只是层状云是大范围潮湿空 气抬升而成，两者无本质的差别。对于以上各类云都能带电，但能形成闪电的灾害云是积雨 云，由于它带来强烈灾害性天气（闪电、冰雹、大风和暴雨） ，也称做雷暴云。
降水和雾ppt
雾的种类、特征、成因和生消条件
❖ 雾： 由大量小冰滴、小冰晶或两者的混合体所组成悬浮在近地 面气层中，使水平能见度小于0.5海里的天气现象。
❖ 轻雾： 水平能见度在0.5～5海里。
❖ 浓雾： 水平能见度小于0.5海里。
❖ 雾的形成与云的形成大致类似，但云在空中，雾贴近地面。按其成 因雾可分如下几种：
2. 气温不变增加水汽:增加水汽的途径主要是蒸发，如水面蒸发和 云雨滴在下降过程中的蒸发等。蒸发量的大小主要取决于水面 上空气的饱和差（Ew-e）和风速的大小。
3. 两者同时作用:若增加水汽和降低温度同时进行，将加速凝结过 程。
§1 云（Cloud）
云的定义 1．定义：
云(Cloud)
云是由大量的小水滴、小冰晶或两者混合物组成的悬浮在空 中的可见聚合体。
❖ ⑴ 风向突变，风力增加（但大洋上风力再大有时也不散）； ❖ ⑵ 水温下降，温差拉大； ❖ ⑶ 冷锋过境； ❖ ⑷ 层结不稳定。
锋面雾 (Frontal fog)
❖ 定义： 锋面上暖气团中的较暖水滴落到冷空气中，水滴蒸发所形成的
雾。多见于锢囚锋两侧和暖锋前，在第一型冷锋后也可出现。
❖ 特点： 范围不大，浓度和厚度均小，随锋移动，持续时间短，日变化
(Cc）； ❖ 中云（云底高2500～5000m）： 包括高积云(Ac)和高层云(As)； ❖ 低云（云底高＜2500m）：包括层积云(Sc) 、层云(St) 、雨层
云(Ns)、 碎雨云（Fn）、积云(Cu)和积雨云(Cb) 。
§2 降 水 (Precipitation)
❖ 降水的种类： 雨、毛毛雨、冻雨（雨夹雪）、雪、 冰雹、冰粒、冰针等。
云降水总复习.
综合曲线(即柯拉曲线)看，半径较小时，综合曲线在1线以 下，说明溶液因子比曲率因子更起控制作用；当半径较大时， 综合曲线在l线以上，说明曲率因子反而比溶液因子更为重 要了。
第五章 云雾形成的微物理基础
贝吉隆过程或称冰晶效应
绘出柯拉曲线草图； 该曲线所代表的物理意义是什么？
在图中标明临界半径 Rc 和临界相对湿度 fc （或临界 饱和比Sc）；
柱状、片状和平面辐枝状冰晶的凇附最小尺度分别 约为35、110和200 μm
• 雪花：
– 温度较高时淞附密度大、湿雪 – 温度较低时凝华、碰连密度小、碎雪
第九章 冷云降水理论
• 0～-5℃及-12～-17℃是雪花的两个多发区 的原因 • 冰质粒的繁生过程 脆弱冰晶的破裂、过冷大水滴的冻结破裂、结 凇时的繁生、冰晶蒸发时的繁生 • 结凇时的繁生-Hallett-Mossop机制
自然云中许多云滴常一起增长，并争食云内可被利用的水 汽。当微滴相当大或者数量充分多时，消耗水汽的速率可 以超出产生过饱和度的速率，这将阻碍或终止微滴的增长 过程。
• 过饱和度是先增大后减小的。 • 含盐粒较大的云滴都易于活化增大。而半径小的难以达到活化 半径；而且在以后湿度下降时，甚至会蒸发变小。 • 过到活化半径而增大的各种大小的云滴，它们会渐渐增大到尺 度相近的半径。
试说明当环境相对湿度 f < fc （或饱和比 S < Sc ） 时，液滴半径如何响应环境f或S的微小变化？
第六章 云雾的形成——核化理论
• 大气中形成云雾粒子的相变过程，称为云的核化过程 • 单位时间单位体积中形成活化核（能够稳定存在并增长的水 滴胚胎）的数目称为核化率、活化率或成核率。 • 每一条Köhler曲线表示的是具有一定干尺度的粒子在吸收 水汽凝结长大过程中，不同半径的溶液滴与环境过饱和度的 关系。当过饱和度ΔS=0时对应的液滴半径 ， 在r<r0时，ΔS为负值，因此公式
大气物理-降水理论
凝结与随机碰并结合的作用
暖云降水起伏理论
顾震潮、周秀骥
dR EW uR
dt 4w
雨滴繁生
雨滴繁生
问题：随着高度的降低，降水 质粒的数密度增大
雨滴繁生主要途径有二：
一是碰撞破碎
两个水滴互相碰撞时，可发生三 种情况：“并合”、“破碎”、 “弹开’，主要由相对速度和 碰撞角决定
暖云降水，雨滴直径一般截止于2~3毫米以下，原 因主要是碰撞破裂所致。冷云降水中包含有冰雪晶， 则可出现直径大于3毫米的雨滴
暖云降水过程
暖云降水过程
冷云降水理论
固态降水粒子的增长
冰晶同云滴碰并—— 凇附或碰冻霰
冰晶碰撞的小水滴存 在尺度范围，在大水 滴端和小水滴端均有 碰撞效率为零的现象
冰晶的尺度必须大于 某一临界值才能碰撞 小水滴
片状晶的凇粒多集中 于边缘呈环状，雪晶 中部常无水滴相碰
固态降水粒子的增长
微滴下落末速度 500μm~5000μm
1
vw
2.2103
0
2
1
r2
50μm~500μm
vw 8103r
微滴下落末速度
冰雪晶下落末速
冰雪晶和雪花的下落速度通常可通过实测得到。图12.12给出 了一些冰雪晶下落速度与尺度之间关系的实测结果。(p334)
经 验 公 式 表 示 下 落 速 度 v s 与 尺 度 的 关 系 ： v s k n 或 D v s k nL
转换为大滴的半径增长率
d d R t 30 R R R r 2 u R u r n rE R ,rr3 d r
碰并增长
大滴的半径增长率
d d R t 30 R R R r 2 u R u r n rE R ,rr3 d r
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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
宏 观 过 程 乱 流 混 合
云雾形成的宏微观条件
尺度 本质 途径 云顶或高云的冰晶自然播撒 冰相出现 冻结核 新冻结核增入 降温达冻结核活化温度 雪花下降融为大滴 吸湿性巨核溶化形成大滴 大滴出现 混合核表面吸湿成大滴 碰并成大滴 溶液出现 盐粒或SO2、CO2、NH3等溶入水滴 高温水滴被气流带入低温区 降温 高温区有低温气流进入 局地膨胀降温 原因 举例 雪幡
24
2.1 上升空气的“绝热比含水量”
云底：比含水量=0 可逆湿绝热过程：
比含水量就会随着高度的增大而增大，直到其中水汽全部 凝结出来时，比含水量达最大值
可逆湿绝热过程中，空气因绝热膨胀冷却所凝结出的比含 水量，称为（湿）绝热比含水量，或饱和比含水量。
25
2.2 上升空气的“绝热含水量”
类似绝对湿度与比湿之间的关系为ρ v=ρ q，绝热含 水量Waz与绝热比含水量qlz之间的关系为：
28
3.1 积云宏观特征
3.1.2 对流云中的流场
29
3.1 积云宏观特征
3.1.3 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。 积雨云中的含水量很大，个别部位可达20 g/m3左右。 积云中含水量的空间分布是不均匀的。在云顶和云底都比较 小，中部有个极大值。在同一高度上，中心部位比边缘部 位要大一些。含水量高值中心与上升气流速度的极大值所 处的位置是相配合的，因为只有强的上升气流才能支托大 水滴和相应的大含水量。
3
绪论-研究对象
微尺度
对象
气体质粒、离子 核、云雨质粒
尺度范围
1Å—1μm 1μm—1cm
雹胚、雹块、微涡、乱流 1cm—10cm 小涡、墙角风 10cm—1m
热泡、尘卷、碎云、亮带 1m—100m 宽
4
绪论-研究对象
宏观尺度
1 、 小 尺 度 （ 结 构 尺 度 ）
对象
尺度范围
初生云 弧状云、龙卷漏斗、悬 球云、云塔宽、降水旛 等 100m—5km 雷达回波结构（弱回波 区、回波墙、高悬回波 等）
30
3.1 积云宏观特征
3.1.3 对流云中的含水量
31
4 层状云
层状云（主要指雨层云Ns、高层云As、卷层
云Cs和雨层云下的碎雨云Fn）在水平方向可 伸展数百公里，较薄时可能不产生降水，很 厚时（如气旋层状云系）可能产生大范围的 降雨或降雪。
层状云是稳定气层受大、中尺度的辐合、锋
面抬升、地形抬升等造成的垂直上升运动引 起的。如果斜升空气层不稳定，便可能形成 积状的对流云。
Waz z qlz
26
2.3 云内实际含水量
一般情况下，云内实际含水量受多种因素影响：
在云的上升气流区中心，含水量可能接近Waz，愈远 离上升气流区，含水量愈小；在云的边缘，由于云 内外乱流扩散或挟卷作用，含水量可远比Waz小。 云中的下沉气流区，以及与干空气混合的区域，由于 固液质粒的蒸发，使含有水量减小。 在有降水的地方，当雨雪粒子下降速度随高度降低而 减小时，出现降水质量的垂直辐合，含水量会大于 Waz；反之降水质量辐散的区域，含水量会较小。 云厚与云底温度也与云内含水量有关，大体上云层愈 厚、云底温度愈高，则其平均含水量及最大含水量 都愈大。
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
19
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
27
3.1 积云宏观特征
3.1.2 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。
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
系均在此尺度范围；
小尺度（<=1km）：小而短时存在的云缕、
积云中可分辨的小塔状云、小的不规则状云、 伴随云滴生消的微物理过程等。
20
1.3 云态分类
云的形态分类，最早是由英国的药剂师Luke Howard在1803年提出，他过于乐观地宣称：通过他 的分类，“气象学将从经验的神秘主义和没完没了 的不确定性争论中被拯救出来”。 Luke Howard对云所进行的分类还是在国际上被广 泛采用至今。他把云按形态分为四类：
9
途径 对流 孤立对流
宏 观 过 程
湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制
10
湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制
11
湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制
12
总结 – 云雾形成的宏观条件
13
湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制
14
云雾形成的宏微观条件
尺度 本质 途径 举例 平流增 冷空气流经暖水面 蒸汽雾 湿 湿空气流入冷地面 雾、有时地面附有淞附物 增 湿 水汽运 继之以上升膨胀冷 为形成云创造重要条件 载辐合 却 湿空气 乱流层顶降温增湿 St、Sc等 垂直混 而致 合 （ 温 冷湿空气被混合后 锋际云雾 湿 均 湿空气 增温增湿（增湿为 变 水平混 主） ） 暖湿空气被混合后 合 降温降湿（降温为 主） 15 原因
37
4.4 亮带
38
5. 温带气旋锋面云系
39
5. 温带气旋锋面云系的雨带
40
5. 温带气旋锋面云系雨带的共同特征
存在对流现象
内含雨核结构
具有“播种—供应”降水机制
41
6. 雾的形成和分类
雾是水汽凝结(华)物悬浮于大气边界层内，使地面 水平能见度降至1km以下的天气现象。水平能见度 超过1km的为轻雾。雾的厚度薄的不到1m，厚的可 达几百米。 发生学：辐射雾、平流雾、蒸发雾；
大陆上秋冬二季的高压天气系统内最有利于
辐射雾的形成。
43
6.2 平流雾
当暖湿空气移行于冷下垫面时，空气因湍流
将热量输送给下垫面而降温，温度低于露点 时就有雾形成。这种由平流冷却而形成的雾 称为平流雾。
在地面的层云被称为雾。
32
4.1 层状云的形成-举例
锋面抬升
地形抬升
33
30,000
层状云
Stable warm air
20,000
WARM FRONT STABLE CONDITIONS
CI
CS AS
10,000
NS ST
100 0
AS
SC
200
FOG RAIN AND LOW NIMBUSTRATUS
2
绪论
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 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。
25km—500km
>500km
7
第二部分
云雾形成的宏微观条件
8
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
100 200 300 400
500
34
层状云
35
4.3 层状云的特征
积状云 L: 100km 尺度 L/H : 100 均匀性 不均匀 逆温层 云顶以下无 含水量 100-101 g/m3 降水 阵性降水、强度大 雷达回波 强回波区域 持续时间 约100小时 层状云 H: 1-2km；L/H ≈ 10 1~2 较均匀 常伴随1-2 10-1g/m3 连续性降水、强度小 均匀、亮带 约101小时
36
4.4 亮带
（雷达显示屏上反射率特别大的长条区）：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。