云雾降水物理学讲义
云雾降水物理
第五章云、雾和降水物理学10属云淡积云Fair weather cumulus clouds-2淡积nimbostratus212.1 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。
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。
大气科学概论课件(第十五：云雾降水2)
滴谱：云粒子浓度随云粒子尺度大小的分布。 滴谱：云粒子浓度随云粒子尺度大小的分布。
若设△ 是半径介于r r+△ 若设△N是半径介于r和r+△r之间的球形云粒子 浓度，则云滴谱分布密度总数的函数可以写为： 浓度，则云滴谱分布密度总数的函数可以写为：
∞
N = ∫ n(r)dr
0
含水量：单位体积云内所含液态和固态水的总质量， 含水量：单位体积云内所含液态和固态水的总质量，
7.1.3 主要云属的宏观和微观特征
主要云属指积状云、层状云、波状云。 主要云属指积状云、层状云、波状云。
一、积状云: 积状云:
1、宏观特征和生命史 、 积状云是大气对流运动的产物，又称对流云。 积状云是大气对流运动的产物，又称对流云。 包括淡积云、浓积云、积雨云。 包括淡积云、浓积云、积雨云。 宏观特征： 宏观特征： 它们具有孤立分散、底部平坦、 它们具有孤立分散、底部平坦、顶部有轮廓 鲜明的花椰菜隆起的外形特征， 鲜明的花椰菜隆起的外形特征，是有垂直发展 的云块。 的云块。
实际上， 实际上，一块对流云往往是由若干尺度 在几百到1 2km的对流单体 云塔）组成， 的对流单体（ 在几百到1～2km的对流单体（云塔）组成， 每个单体又由许多尺度更小的， 每个单体又由许多尺度更小的，几十到一两 百米的云泡构成。 百米的云泡构成。 云塔相继生成、 云塔相继生成、发展和演变过程构成了整 块积云的生命过程。 块积云的生命过程。 积云的生命史：p127 积云的生命史：
◇形成阶段 ◇成熟阶段： Cu cong → Cb 成熟阶段： 消散阶段： ◇消散阶段：Cb →Sc, Ci not
Cu → Cu cong
对流云生命史不仅为我们提供了了解 对流云内部机制的重要线索， 对流云内部机制的重要线索，而且对流云发 展的迅速性和崩溃的突然性这一特征，也给 展的迅速性和崩溃的突然性这一特征， 积云动力理论和微物理理论提出了需要解释的 一个重要课题。 一个重要课题。
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。
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
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
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
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
2
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。
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
- 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)。
云降水物理探测的目的在于探测自然云、降水过程的基本特征，深入了解云、降水过程的各种尺度各种物理机制，进而建立相应的云和降水数值模式。
在人影中的作用：探测施加人工影响后，云、降水动力学和微物理学的响应变量的基本特征，进而研究对人工影响天气的预估和检验。
1.
1.1.
最早出现的作为商品仪器是20世纪70年代初称作Mee一130型的云凝结核计数器。
其主体部分是平行板热力梯度扩散云室
结构：上下板间隔1-1.5厘米，两相对表面覆以潮湿的吸水海绵状物，并与水室相通，以维持表面潮湿；上板平水面保持与环境温度一致，下板平水面温度低于上板。
原理：上、下板表面的水汽密度均分别为相应温度下的饱和状态，通过分子扩散在两板之间形成温度和水汽密度的线性分布。
由于水汽密度与温度之间的指数函数关系，在两板之间中心面的平均水汽密度，高于该温度下的饱和水汽密度，从而在中心面形成过饱和，过饱和度决定于上、下板之间的温度。温差3．5℃，相应过饱和度为0.5％
1.2.
Mee一150(美国Mee公司,20世纪70年代)是对冰核数浓度进行计数的商品仪器。
原理：
主体为冷云室，把空气样本引人云室，在冰面过饱和条件下，空气中的冰核活化成冰，再凝华长大，在云室底部引出含冰晶空气；用一束偏振光照射，冰晶产生的退偏振作用使正交偏振片后的光电元件接收后输出电信号，从其面板上的计数获得冷云室内该温度条件下相应的冰核数浓度。
涂明胶样片
含水溶性染料的明胶涂在玻片上，云雾滴打在片上溶解明胶，留下一个中间透明，边缘染色的圆环。灵敏度高，水滴的蒸发和合并问题不大。缺点是测量范围有限。
金属箔碰撞取样
水滴打在铅箔、铝箔等表面产生印痕，其大小是水滴尺度与碰撞速度的函数。大滴数浓度低时，难取得代表性样本，增加取样体积又会使较小水滴暴露过度，导致重叠。对混态云有时不能从印痕形状明确区分其为水滴或固态粒子。
测雹板法所得雹谱资料的准确性和代表性取决于对测雹板材料的标定质量。由于雹块末速在不同拔海高度有较大差别，每批次取样材料的特性也会有变化，应根据取样点拔海高度、材料批次分别进行标定，以提高观测结果的可靠性。
直接取样准确度的影响因子
取样器的收集效率-绕流损失订正
样本的代表性-取样体积与粒子变化率
取样的暴露时间-减少并合误差
连续流扩散云室(CFD）
原理：
样本空气在具有不同温度的两个冰面之间通过，中心部位过饱和，冰晶在冰核上活化增长，在出口处通过光电检测系统计数。
其它冰核计数方法：
滤膜取样在静态Байду номын сангаас扩散云室中核化生长计数；
动力云室中上升膨胀降温活化生长计数；
滤膜在冷台上用去离子水检测接触冻结冰核等
1.3.
云降水粒子的取样
涂油样片
小云滴、雾滴；要求取样后及时测量
熏盖氧化镁样片
水滴与斑痕尺度比在20-240μm范围内不随水滴大小变化；此法不受水滴扩散影响，水滴也不会并合，样片可以保存。缺点是涂层质地脆弱，在气流冲击下易破裂。同时，MgO具有纹理和颗粒尺度，会干扰小云滴的测量准确性。
碳膜样片
在玻片熏盖烟炱形成碳膜，质地好，可经受气流的冲击。将碳膜样片暴露在云中，从斑痕大小测量水滴尺度。
GBPP-100
以He-Ne激光束投射到按线性矩阵排列的8×8个硅光二极管阵列，粒子穿过光束，阴影扫过光电管阵列，用透镜把阴影缩放得到不同分辨率。计量阴影摭挡的已知尺度光电元件个数，便可转换出被测粒子尺度。其中光电元件被遮挡与否的量化标准取为其面积的50%，这样只有粒子截面大于单个光电管接收面积的一半时才能被探测到，而高浓度的小粒子的阴影仅构成背景噪声而不会对测量结果造成影响。
印痕(模)的标定-取样介质与采集对象的作用
破碎和积冰
直接取样的缺点：
取样器干扰自然样本气流，引起非等动力效应；取样速度慢、效率低；取样不连续；资料的处理和分析必须在飞行之后进行，既慢且烦琐。
2.
2.1.
利用气溶胶粒子对光的散射，测量气溶胶粒子的数浓度和尺度
优点：
测量中对气溶胶的干扰小，能实时、连续进行探测。
缺点：
散射对粒子折射指数的变化、散射角以及粒子的尺度和形状比较敏感。而检定曲线使用已知尺度和折射指数的单分散球形粒子确定，故在实际测定中将引起一定的测量误差。
原理
气溶胶粒子流为洁净空气鞘包围，形成很细的束流，通过聚焦的光束，每个粒子独自受光照射并产生散射脉冲，直达光电检测器转换为电讯号。不同脉冲高度相应于不同的粒子尺度范围，脉冲数与该尺度范围内的粒子数相应。可迅速提供空气样本中粒子尺度分布资料。
问题：重叠误差
地面雹谱测量
测雹板是观测地面雹谱的常用工具。优点是设备简便、成本低，可大量布网、无需人值守。缺点是不能确切记录降雹起止时间，故无从了解降雹各参数随时间的变化。
原理与方法
测雹板法记录不同尺度雹块打击的凹痕，属于地面低速碰撞印痕取样器。凹痕的大小应与落雹的动能（质量、下降末速）有关。工作时先确定印痕的形状，然后量取印痕大小，包括不同方向，经检定曲线订正后，换算得到地面冰雹的尺度和数浓度。也可使用图像分析仪自动处理测雹板资料。
分辨率
最常用的是0.3～10μm，分成10—15道。
美国粒子测量系统(PMS)公司生产的活性腔散射粒谱探头(ASASP-100)和前向散射粒谱探头(FSSP-100)测量尺度范围分别为0.12～3.12μm，间隔0.2μm和0.5~0.8μm，间隔0.5μm。
2.2.
光散射对单个粒子的测量要求：光强稳定；光场均匀；合适的取样体积，且对云、降水粒子无障碍；自动化连续取样实时处理。
复制印模取样
采用易于固化的液态或粘质状物质做涂膜，将其暴露于云中，可以使云粒子封存其中，随后进行固化处理，留下永久性的印模，便于测量和记数。它可同时记录粒子的形态，且无渗透、蒸发和水滴合并问题。用低速飞行或使用减速器，可获得冰晶的印模。国内研制了紫外光固印模仪。
地面雨滴谱测量
滤纸色斑法
属于地面低速碰撞印痕取样器，简便、准确。事先确定水滴与斑痕尺度之间的关系，取样后进行正确的测量和计数，给出谱分布，计算各类降水谱参数和物理量。国内开发配制了涂敷滤纸的新型敏感显示剂，以适应计算机图像处理。滤纸色斑法可作为雨滴谱自动化测量仪器的比较标准。