02云雾降水的物理基础
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19
湿空气达到饱和的主要途径 -辐射降温
辐射雾
20
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 湿空气流过冷地面 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） 21 原因
36
估计凝结高度
3、由T-lnP图 和地面资料 求
凝结高度点： 干绝热线与 等饱和比湿 线的交点 （P，T） 由（P，T）求 高度
37
估计凝结高度
估计凝结高度只表示：当有一定程度的抬升或 对流作用能使地面空气被抬到此高度时，会 发生凝结现象。 如当时无使空气抬到此高度的作用，仍可计算 出凝结高度，但此时该高度并无凝结发生 实际凝结高度表示：当时该高度正有凝结过程 发生
微 观 过 程
降 低 水 汽 饱 和 标 准
产生雷达 回波
工业雾 产生雷达 回波 飞行尾迹 不重要 27
云雾形成的宏微观条件
尺度 本质 原因 途径 举例 增湿 水汽沿 饱和空气接受外界扩散来的 碎雨云、秋晨水面雾、 夏季雨后雾等 垂直梯 水汽 微 度扩散 观 过 降温 （本身只能使空气饱和） 为形成云雾创造条件 程 增湿 蒸发 增湿造成水汽密度效应，可 促进扩散增湿
8
途径 对流 孤立对流
宏 观 过 程
湿空气达到饱和的主要途径 – 对流
9
湿空气达到饱和的主要途径 –对流
10
湿空气达到饱和的主要途径 –锋面斜升
11
湿空气达到饱和的主要途径 –锋面斜升
12
湿空气达到饱和的主要途径 – 地形斜升
13
湿空气达到饱和的主要途径 -地形斜升
14
湿空气达到饱和的主要途径 –波动
30
Hale Waihona Puke Baidu
凝结高度
水汽因饱和而发生凝结处
的距地高度
起始凝结高度：气块上升冷却， 水汽开始凝结的高度
继续凝结高度：起始凝结高度 以上，继续发生凝结的距地 高度 习惯上将起始凝结高度称为 “凝结高度”
凝结高度与云底高度？
31
凝结高度
凝结高度≠与云底高度！！！
凝结高度：水汽饱和区的下界 云底高度：可见云体的下界
15
湿空气达到饱和的主要途径 -平流降温
暖空气平流过程中经过冷下垫面，暖空气本
身发生的降温现象
16
湿空气达到饱和的主要途径 -平流降温
平流降温
平流雾 Here, warm air from the land is cooled when it passes over colder water (in summer, usually). Sea fogs are produced in this way, when air above warmer water moves across colder water and is cooled. 17
24
湿空气达到饱和的主要途径 -水平混合降温
（等压）水平混合降温
25
湿空气达到饱和的主要途径 -水平混合降温
（等压）水平混合降温
Mixing of air along a front betwen two air masses results in clouds along the front
第二章
云雾降水形成的 物理基础
1
云雾的组成
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
2
云雾的组成
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。
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。
3
云雾的组成
4
复习：Clausius-Clapeyron方程
参考：
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
宏 观 过 程 乱 流 混 合
湿空气达到饱和的主要途径 -水汽运载辐合
22
湿空气达到饱和的主要途径 -垂直混合降温
湍流运动所产生的各种物理量通量使大气属性重 新分布。
这种过程在合适的条件下将导致乱流层上部降温 增湿，这种过程有利于云雾在逆温层底（乱流 层顶）形成。
23
湿空气达到饱和的主要途径 -垂直混合降温
dE Lv dT 2 E RvT
5
湿空气达到饱和的主要途径
相对湿度f >100% 凝结、凝华 水滴、冰 雪晶。
相对湿度变化方程：
f e/ E ln f ln e ln E df de dE f e E dE Lv dT Clausius-Clapeyron Eq.: E RvT 2 df de Lv dT f e RvT 2
34
估计凝结高度
1、由地面气温和露点求
干绝热上升
露点递减率+干绝热直减率
饱和：气温=露点
zc m 123(T0 -Td0 )
35
估计凝结高度
2、由地面相对湿度和气温求
干绝热上升过程中比湿不变
z c m (3892+16.4t 0 )lgf 0 Blgf 0
实际应用时，可用实测方式反过来确定B的经 验值
二者不一定重合
32
凝结高度-分类
实际凝结高度
根据探空资料测得的空中水汽饱和区的下界高 度
估计凝结高度
根据地面气象资料推估出的的高空水汽饱和区 的下界高度
预报凝结高度
预测得到的末来空中水汽饱和区下界高度
33
实际凝结高度
T=Td：饱和凝结
探空仪测量Td
温度低于0℃时：T=Tf（霜点）：饱和 凝结
降温与增湿 宏观与微观
28
湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制
小结
在实际大气过程中，往往有几种降温机制共同起 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。
29
凝结高度
Condensation Level
26
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 水滴带电 离子附于水滴 原因 举例 雪幡
6
湿空气达到饱和的主要途径
所以：增大相对湿度有两个途径
增加水汽（de>0）
降温（-dT>0）
一般来说，大气中形成自然云雾，主要以降温过程 为主。
7
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
38
预报凝结高度
用于天气预报
即下式中的自变量均为预报值：
zc m (3892+16.4t 0 )lgf 0
39
湿空气达到饱和的主要途径 -平流降温
18
湿空气达到饱和的主要途径 -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
湿空气达到饱和的主要途径 -辐射降温
辐射雾
20
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 湿空气流过冷地面 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） 21 原因
36
估计凝结高度
3、由T-lnP图 和地面资料 求
凝结高度点： 干绝热线与 等饱和比湿 线的交点 （P，T） 由（P，T）求 高度
37
估计凝结高度
估计凝结高度只表示：当有一定程度的抬升或 对流作用能使地面空气被抬到此高度时，会 发生凝结现象。 如当时无使空气抬到此高度的作用，仍可计算 出凝结高度，但此时该高度并无凝结发生 实际凝结高度表示：当时该高度正有凝结过程 发生
微 观 过 程
降 低 水 汽 饱 和 标 准
产生雷达 回波
工业雾 产生雷达 回波 飞行尾迹 不重要 27
云雾形成的宏微观条件
尺度 本质 原因 途径 举例 增湿 水汽沿 饱和空气接受外界扩散来的 碎雨云、秋晨水面雾、 夏季雨后雾等 垂直梯 水汽 微 度扩散 观 过 降温 （本身只能使空气饱和） 为形成云雾创造条件 程 增湿 蒸发 增湿造成水汽密度效应，可 促进扩散增湿
8
途径 对流 孤立对流
宏 观 过 程
湿空气达到饱和的主要途径 – 对流
9
湿空气达到饱和的主要途径 –对流
10
湿空气达到饱和的主要途径 –锋面斜升
11
湿空气达到饱和的主要途径 –锋面斜升
12
湿空气达到饱和的主要途径 – 地形斜升
13
湿空气达到饱和的主要途径 -地形斜升
14
湿空气达到饱和的主要途径 –波动
30
Hale Waihona Puke Baidu
凝结高度
水汽因饱和而发生凝结处
的距地高度
起始凝结高度：气块上升冷却， 水汽开始凝结的高度
继续凝结高度：起始凝结高度 以上，继续发生凝结的距地 高度 习惯上将起始凝结高度称为 “凝结高度”
凝结高度与云底高度？
31
凝结高度
凝结高度≠与云底高度！！！
凝结高度：水汽饱和区的下界 云底高度：可见云体的下界
15
湿空气达到饱和的主要途径 -平流降温
暖空气平流过程中经过冷下垫面，暖空气本
身发生的降温现象
16
湿空气达到饱和的主要途径 -平流降温
平流降温
平流雾 Here, warm air from the land is cooled when it passes over colder water (in summer, usually). Sea fogs are produced in this way, when air above warmer water moves across colder water and is cooled. 17
24
湿空气达到饱和的主要途径 -水平混合降温
（等压）水平混合降温
25
湿空气达到饱和的主要途径 -水平混合降温
（等压）水平混合降温
Mixing of air along a front betwen two air masses results in clouds along the front
第二章
云雾降水形成的 物理基础
1
云雾的组成
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
2
云雾的组成
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。
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。
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云雾的组成
4
复习：Clausius-Clapeyron方程
参考：
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
宏 观 过 程 乱 流 混 合
湿空气达到饱和的主要途径 -水汽运载辐合
22
湿空气达到饱和的主要途径 -垂直混合降温
湍流运动所产生的各种物理量通量使大气属性重 新分布。
这种过程在合适的条件下将导致乱流层上部降温 增湿，这种过程有利于云雾在逆温层底（乱流 层顶）形成。
23
湿空气达到饱和的主要途径 -垂直混合降温
dE Lv dT 2 E RvT
5
湿空气达到饱和的主要途径
相对湿度f >100% 凝结、凝华 水滴、冰 雪晶。
相对湿度变化方程：
f e/ E ln f ln e ln E df de dE f e E dE Lv dT Clausius-Clapeyron Eq.: E RvT 2 df de Lv dT f e RvT 2
34
估计凝结高度
1、由地面气温和露点求
干绝热上升
露点递减率+干绝热直减率
饱和：气温=露点
zc m 123(T0 -Td0 )
35
估计凝结高度
2、由地面相对湿度和气温求
干绝热上升过程中比湿不变
z c m (3892+16.4t 0 )lgf 0 Blgf 0
实际应用时，可用实测方式反过来确定B的经 验值
二者不一定重合
32
凝结高度-分类
实际凝结高度
根据探空资料测得的空中水汽饱和区的下界高 度
估计凝结高度
根据地面气象资料推估出的的高空水汽饱和区 的下界高度
预报凝结高度
预测得到的末来空中水汽饱和区下界高度
33
实际凝结高度
T=Td：饱和凝结
探空仪测量Td
温度低于0℃时：T=Tf（霜点）：饱和 凝结
降温与增湿 宏观与微观
28
湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制
小结
在实际大气过程中，往往有几种降温机制共同起 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。
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凝结高度
Condensation Level
26
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 水滴带电 离子附于水滴 原因 举例 雪幡
6
湿空气达到饱和的主要途径
所以：增大相对湿度有两个途径
增加水汽（de>0）
降温（-dT>0）
一般来说，大气中形成自然云雾，主要以降温过程 为主。
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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
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预报凝结高度
用于天气预报
即下式中的自变量均为预报值：
zc m (3892+16.4t 0 )lgf 0
39
湿空气达到饱和的主要途径 -平流降温
18
湿空气达到饱和的主要途径 -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