大气科学概论课件--云、雾和降水物理学基础
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大气科学概论第二章云等大气现象
•霜
• 符号 • 定义及形成原因（见视频）
露
霜
2.2 降水现象 冰雹切片
2.2 降水现象
2.2 降水现象
3. 雾、霾
雾 霾
44
雾：
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。
雾的厚度薄的不到1m，厚的可达几百米。 辐射雾、平流雾、蒸发雾；
霾
符号：
• 定义：悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟 粒或盐粒的集合体，使空气混浊，水平能 见度降低到10km以下的一种天气现象。
• 霾形成的原因（见视频）
• 雾和霾的区别
1）相对湿度 2）厚度 3）与晴空的界限 4） 颜色
4. 露和霜
•露
• 符号 • 定义：在温暖季节里，夜里地面物体强烈辐射冷却的时
候，与物体表面相接触的空气温度下降，在温度降到露点 以后就有多余的水汽析出，有于温度在0°Ｃ以上，多于 的水汽就凝结成水滴附着在地面物体上，形成露。 • 形成原因（见视频）
征、及天气系统有关，有其变化规律可循
13
Home
Work
云 状
三 族 、
分 类
十 属 、
表 29
类
1.1 云的分类
毛卷云 Ci fil
1.2 云的特征
冰晶过程 冰晶
-10 C
冰晶和过冷水滴
冷云
过冷水滴(云体冷于0C)
水滴
1.3 云的形成
云由小水滴、过冷水滴、冰晶或它们的混合物组
成的可见聚合体；有时也包含一些较大的雨滴 、冰粒和雪晶。其底部不接触地面
2.2 降水现象
The largest hailstone, 680g Aurora, Nebraska, June 22, 2003. 17.8cm diameter and a circumference of 18.75 inches
• 符号 • 定义及形成原因（见视频）
露
霜
2.2 降水现象 冰雹切片
2.2 降水现象
2.2 降水现象
3. 雾、霾
雾 霾
44
雾：
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。
雾的厚度薄的不到1m，厚的可达几百米。 辐射雾、平流雾、蒸发雾；
霾
符号：
• 定义：悬浮在大气中的大量微小尘粒、烟 粒或盐粒的集合体，使空气混浊，水平能 见度降低到10km以下的一种天气现象。
• 霾形成的原因（见视频）
• 雾和霾的区别
1）相对湿度 2）厚度 3）与晴空的界限 4） 颜色
4. 露和霜
•露
• 符号 • 定义：在温暖季节里，夜里地面物体强烈辐射冷却的时
候，与物体表面相接触的空气温度下降，在温度降到露点 以后就有多余的水汽析出，有于温度在0°Ｃ以上，多于 的水汽就凝结成水滴附着在地面物体上，形成露。 • 形成原因（见视频）
征、及天气系统有关，有其变化规律可循
13
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Work
云 状
三 族 、
分 类
十 属 、
表 29
类
1.1 云的分类
毛卷云 Ci fil
1.2 云的特征
冰晶过程 冰晶
-10 C
冰晶和过冷水滴
冷云
过冷水滴(云体冷于0C)
水滴
1.3 云的形成
云由小水滴、过冷水滴、冰晶或它们的混合物组
成的可见聚合体；有时也包含一些较大的雨滴 、冰粒和雪晶。其底部不接触地面
2.2 降水现象
The largest hailstone, 680g Aurora, Nebraska, June 22, 2003. 17.8cm diameter and a circumference of 18.75 inches
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。
大气科学基础课件第五章云物理学基础
• 看云识天气 天上钩钩云，地上雨淋淋。 天有城堡云，地上雷雨临。 天上扫帚云，三天雨降淋。 早晨棉絮云，午后必雨淋。 早晨东云长，有雨不过晌。 早晨云挡坝，三天有雨下。 早晨浮云走，午后晒死狗。 早雨一日晴，晚雨到天明。 今晚花花云，明天晒死人。 空中鱼鳞天，不雨也风颠。 天上豆荚云，不久雨将临。 天上铁砧云，很快大雨淋。
Hale Waihona Puke • 凝结核 Condensation Nuclei (CN) ✓CN are tiny particles suspended in the atmosphere；
✓CN stay aloft in the air for many days. They are so small that their weight is less than their air resistance.
✓ 浓积云是由淡积云发展或合并发展而成，如果清晨 有浓积云发展，显示出大气层结不稳定，会出现雷 阵雨天气。
一块发展旺盛的浓积云，顶部的对流泡体正向上凸起，
好似花椰菜的形状，云的底部较宽，云底部平整呈暗 黑色，上部有几块碎积云 。
图中前排是三块浓积云，云体垂直高度大于水平宽度， 云底较平整并有暗影；中间一块浓积云正在向上发展， 另外两块浓积云云顶向左倾斜；前排后边还有几个浓 积云正处于发展阶段，初看起来好似互相联接，高空 有几条密卷云。
Why does air rise ?
✓An air parcel will rise naturally if the air within the parcel is warmer than the surrounding air (like a hot air balloon).
✓As the earth is heated by the sun, bubbles of hot air form (called thermals) and rise upward from the warm surface.
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。
大气中的云和雾PPT共54页
一、气团
在水平方向上物理性质相 对均匀的大范围空气
（一）气团的形成条件
• （1）大范围性质比较均匀的地理区域; • （2）空气能够在气团源地长期停留或缓
慢移动。
（二）气团的分类
地理分类:冰洋气团、中纬度气
团、热带气团、赤道气团
热力分类:冷气团、暖气团。
（三）气团的变性及天气
1.气团的变性
• 当气团在源地形成后，气团中的部分空气 会离开源地移到与源地性质不同的地面， 气团中的空气与新地表产生了热量与水分 的交换，同时在移动中还会发生一些物理 过程，这样气团的物理性质就会逐渐发生 变化，这种变化称为气团的变性。
我国冬季气团活动示意图
二、锋
• 冷、暖气团之间十分狭窄的过渡区域称为锋
（一）锋的空间结构
• 锋面向冷气团一侧倾斜
（二）锋面附近气象要素的分布
1.温度场特征 锋区内温度水平梯度远比其两侧气 团内部大， 锋区内温度垂直梯度特别小
2.气压场特征
• 锋处于低压槽中
3.风的特征
• 在水平方向上从锋后到锋前，风呈气旋 式转变（即逆时针旋转）
一、雾
• （一）概念：悬浮于近地面气层中的水 滴或冰晶，使地面能见度小于1千米的现 象称雾.(50ft的云)
• 能见度在1～5千米之间称轻雾。 • 能见度在1～2千米之间称薄雾。
雾[fog(FG)]
轻雾[mist(BR)]
雾的分类
• 根据能见度分为雾和轻雾； • 根据上界高度分为浅雾、中雾和高雾； • 根据雾的物态分为水雾和冰雾； • 根据形成过程分为辐射雾、平流雾、上
坡雾和蒸发雾。
（一）辐射雾
• 由地表辐射冷却而形成的雾叫 辐射雾
辐射雾的形成条件
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。
大气科学概论PPT课件
2）大气科学研究中的这种高度分散(观测站 点)、高度集中(资料迅速集中)、高度协调(观 测站址、观测仪器和方法)和高度合作(国际间 合作)的特点，是其他学科无法比拟的。
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18
三 大气科学的学科分支
❖ 大气探测、 ❖ 气候学、 ❖ 天气学、 ❖ 动力气象学、 ❖ 大气物理学、 ❖ 大气化学、 ❖ 人工影响天气、 ❖ 应用气象学等。
大气科学概论
16.09.2020
1
❖ 绪论 ❖第一章 地球大气的成分及分布 ❖第二章 大气的分层和结构 ❖第三章 大气静力学 ❖第四章 大气的热力学过程 ❖第五章 地面和大气中的辐射过程 ❖第六章 空气的水平运动 ❖第七章 大气边界层 ❖第八章 空气污染气象
16.09.2020
2
绪论
❖一 现代大气科学的研究内容 ❖二 大气科学的研究特点 ❖三 大气科学的学科分支 ❖四 大气科学与其他学科的关系 ❖五 大气科学发展概略
7
1934
16.09.2020
8
16.09.2020
1930
9
16.09.2020
1936
10
16.09.2020
1955
11
1993
16.09.2020
12
16.09.2020
13
2、大气科学的研究对象
1）大气科学的研究对象主要是覆盖整个地球的大 气圈。
2）由于人类越来越认识到大气圈与水圈、冰雪圈、 岩石圈和生物圈之间相互作用和相互影响的重要 性，要了解大气变化过程就不能不深入到其他圈 层变化过程的研究。因此，大气科学的研究内容 越来越广泛，与其他学科之间的相互渗透也越来 越深入。
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三 大气科学的学科分支
❖ 大气探测、 ❖ 气候学、 ❖ 天气学、 ❖ 动力气象学、 ❖ 大气物理学、 ❖ 大气化学、 ❖ 人工影响天气、 ❖ 应用气象学等。
大气科学概论
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1
❖ 绪论 ❖第一章 地球大气的成分及分布 ❖第二章 大气的分层和结构 ❖第三章 大气静力学 ❖第四章 大气的热力学过程 ❖第五章 地面和大气中的辐射过程 ❖第六章 空气的水平运动 ❖第七章 大气边界层 ❖第八章 空气污染气象
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绪论
❖一 现代大气科学的研究内容 ❖二 大气科学的研究特点 ❖三 大气科学的学科分支 ❖四 大气科学与其他学科的关系 ❖五 大气科学发展概略
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2、大气科学的研究对象
1）大气科学的研究对象主要是覆盖整个地球的大 气圈。
2）由于人类越来越认识到大气圈与水圈、冰雪圈、 岩石圈和生物圈之间相互作用和相互影响的重要 性，要了解大气变化过程就不能不深入到其他圈 层变化过程的研究。因此，大气科学的研究内容 越来越广泛，与其他学科之间的相互渗透也越来 越深入。
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降水和雾ppt
❖ 雾在自然界中可以装点山川，使其呈现千姿百态，在军事上作隐 蔽物等。
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。
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。
大气科学概论课件--云、雾和降水物理学基础
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
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、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。
第十一章 云雾形成的宏观条件及一般特征 大气物理学课件
谱型
谱分布曲线的的形态：如单调上升、单调下降， 单峰、多峰等
谱分布
3 尺度分布特性 简述粒子谱分布特时，使用平均和方差的概念，如平均半径
方差
常用特征量 〔a〕众数半径
r N 1 0rn(r)dr
2N 10rrnrdr
dnr 0
dr rmo de
〔b〕中值半径
n rmed r dr1N
0
2
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局部。
– 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、开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 μm- 1cm。
冰雹的形状
冰雹的形状
冰雹的形状
冰雹的尺度
小冰雹较为多见。据新 疆观测，直径在5至 20mm间的冰雹占总数的 92%，大于20mm的仅占 8%。
大的有像鸡蛋那么大(直 径约10厘米)
冰雹的尺度
冰雹的尺度
NCAR scientist Nancy Knight Coffeyville, Kansas, 1970.
nr a2rebr
它有两个控制参数a和b，它们有特定的物理意义：
云滴数密度
N0n(r)dr2ba3
平均半径
rN 10rn(r)d
r3 b
含水量
q w 1 6 ( 0 4 3)w 0 r3 n (r)d r 1 b 66w a 0
云滴谱分布函数
水的密度 w 和 q w都以g/m3为单位， r 以cm为单位。
谱分布曲线的的形态：如单调上升、单调下降， 单峰、多峰等
谱分布
3 尺度分布特性 简述粒子谱分布特时，使用平均和方差的概念，如平均半径
方差
常用特征量 〔a〕众数半径
r N 1 0rn(r)dr
2N 10rrnrdr
dnr 0
dr rmo de
〔b〕中值半径
n rmed r dr1N
0
2
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局部。
– 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、开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 μm- 1cm。
冰雹的形状
冰雹的形状
冰雹的形状
冰雹的尺度
小冰雹较为多见。据新 疆观测，直径在5至 20mm间的冰雹占总数的 92%，大于20mm的仅占 8%。
大的有像鸡蛋那么大(直 径约10厘米)
冰雹的尺度
冰雹的尺度
NCAR scientist Nancy Knight Coffeyville, Kansas, 1970.
nr a2rebr
它有两个控制参数a和b，它们有特定的物理意义：
云滴数密度
N0n(r)dr2ba3
平均半径
rN 10rn(r)d
r3 b
含水量
q w 1 6 ( 0 4 3)w 0 r3 n (r)d r 1 b 66w a 0
云滴谱分布函数
水的密度 w 和 q w都以g/m3为单位， r 以cm为单位。
大气科学导论1章概论 95页PPT文档
发生在大气中的气象灾害，每年给全世界带 来数百亿美元的经济损失。
2019/9/4
15
（一）在防灾减灾中的作用
我国是世界气候脆弱区之一，气候异常给我国 带来了严重气候灾害，尤其是旱涝灾害。
一般年份，旱涝灾害的受灾面积可达 0.3×108~0.4×108hm2（hm2是公顷，1公顷=15 市亩），重灾年可达0.5×108hm2，约占耕地总面 积的 1／3。
提出斜压大气和环流理论，推动了整个宏观流体动力学的研究
1922年英国科学家理查逊（L. F. Richardson）
提出逐步积分的概念，促进了后来计算机枝术的发明和发展
30年代著名的美籍瑞典气象学家罗斯贝（C. G. Rossby）
提出，我国著名气象学家叶笃正、曾庆存所发展的大气适应理论 说明了在大气、海洋这种自然界中质量的分布与运动互相作用， 运动产生于质量分布不均匀中，而质置的分布是在运动中形成的， 这是自然辩证法的一个很好的发展；
在60年代初，美国伟大气象学者洛伦兹（E. N. Lorenz）
提握出分岔、混饨和怪吸引子概念，他提出科学上的确定论与随 机论不能截然分开，它们是可以互相联系起来的，这被公认为当 代自然科学的重大突破。
这些概念的握出不仅使气候动力学大大发展，而且使数学、物理学、 生物学等自然科学取得重大突破，同时使社会科学得到很大发展。
2019/9/4
32
一、大气科学的研究内容与对象
大气科学的研究内容
大气科学是研究地球大气状态的演变和发生在 大气的动力、物理、化学的各种现象的形成原 因及其随时间和空间的演变规律，以及研究如 何采用这些规律为人类服务和人类活动对大气 影响等方面的一门科学。
大气科学的研究对象（五圈）
2019/9/4
15
（一）在防灾减灾中的作用
我国是世界气候脆弱区之一，气候异常给我国 带来了严重气候灾害，尤其是旱涝灾害。
一般年份，旱涝灾害的受灾面积可达 0.3×108~0.4×108hm2（hm2是公顷，1公顷=15 市亩），重灾年可达0.5×108hm2，约占耕地总面 积的 1／3。
提出斜压大气和环流理论，推动了整个宏观流体动力学的研究
1922年英国科学家理查逊（L. F. Richardson）
提出逐步积分的概念，促进了后来计算机枝术的发明和发展
30年代著名的美籍瑞典气象学家罗斯贝（C. G. Rossby）
提出，我国著名气象学家叶笃正、曾庆存所发展的大气适应理论 说明了在大气、海洋这种自然界中质量的分布与运动互相作用， 运动产生于质量分布不均匀中，而质置的分布是在运动中形成的， 这是自然辩证法的一个很好的发展；
在60年代初，美国伟大气象学者洛伦兹（E. N. Lorenz）
提握出分岔、混饨和怪吸引子概念，他提出科学上的确定论与随 机论不能截然分开，它们是可以互相联系起来的，这被公认为当 代自然科学的重大突破。
这些概念的握出不仅使气候动力学大大发展，而且使数学、物理学、 生物学等自然科学取得重大突破，同时使社会科学得到很大发展。
2019/9/4
32
一、大气科学的研究内容与对象
大气科学的研究内容
大气科学是研究地球大气状态的演变和发生在 大气的动力、物理、化学的各种现象的形成原 因及其随时间和空间的演变规律，以及研究如 何采用这些规律为人类服务和人类活动对大气 影响等方面的一门科学。
大气科学的研究对象（五圈）
(AP09)降水理论 大气物理学课件
地球 重力
微滴下落末速度
空气阻力（Stokes’ drag force）
空气 浮力
空气 阻力
地球 重力
FD
6rvCD2N4Re
微滴下落末速度 斯托克斯定律（0.5 ~ 50 μm ）
vw29wgr21.19106r2
10μm: 0.3 cm/s 20μm: 1.2 cm/s 50μm: 7.2 cm/s 100μm: 25.6 cm/s
对 结 霜 雪 花 v s 1 ( 0 . 4 r 9 0 . 6 r 5 ) 1 / 2 4 0
碰撞效率(Collision efficiency)
微滴之间的碰撞主要通过重 力作用而引起。
碰撞的小水滴数和大水滴所 扫过的几何截面内全部小水 滴数（可能碰撞小水滴数） 之比称为碰撞效率（系数）
微滴下落末速度 500μm~5000μm
1
vw
2.2103
0
2
1
r2Biblioteka 50μm~500μmvw 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
实验结果指出，如令re表示等效半径，则 ① 当re 0.14mm时，严格成球形； ② 当0.14 re 0.5mm时，稍有变形，短半轴b与长半轴a 的比
值b / a = 0.98；
③ 当re = 1.4mm时，b / a = 0.85，雨滴的底部趋于平坦； ④ 当re = 2.0mm时，b / a = 0.78，雨滴的底部由平坦演变成凹面； ⑤ 当re= 4.0mm时，凹面进一步发展，直到某一临界半径，由于
微滴下落末速度
空气阻力（Stokes’ drag force）
空气 浮力
空气 阻力
地球 重力
FD
6rvCD2N4Re
微滴下落末速度 斯托克斯定律（0.5 ~ 50 μm ）
vw29wgr21.19106r2
10μm: 0.3 cm/s 20μm: 1.2 cm/s 50μm: 7.2 cm/s 100μm: 25.6 cm/s
对 结 霜 雪 花 v s 1 ( 0 . 4 r 9 0 . 6 r 5 ) 1 / 2 4 0
碰撞效率(Collision efficiency)
微滴之间的碰撞主要通过重 力作用而引起。
碰撞的小水滴数和大水滴所 扫过的几何截面内全部小水 滴数（可能碰撞小水滴数） 之比称为碰撞效率（系数）
微滴下落末速度 500μm~5000μm
1
vw
2.2103
0
2
1
r2Biblioteka 50μm~500μmvw 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
实验结果指出，如令re表示等效半径，则 ① 当re 0.14mm时，严格成球形； ② 当0.14 re 0.5mm时，稍有变形，短半轴b与长半轴a 的比
值b / a = 0.98；
③ 当re = 1.4mm时，b / a = 0.85，雨滴的底部趋于平坦； ④ 当re = 2.0mm时，b / a = 0.78，雨滴的底部由平坦演变成凹面； ⑤ 当re= 4.0mm时，凹面进一步发展，直到某一临界半径，由于
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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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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。
水汽由未饱和达到饱和而生成云雾有两途径：
◇增加空气中的水汽 ◇降低空气温度
一般说来，云主要是靠潮湿空气在上升 运动过程中膨胀降温达到饱和而形成， 所以， 充足的水汽和上升气流是云生成的必要条件
2、形成云的一般过程
（1） 冷却过程：(p123)
dT dt
1 c pd
dQ dt
RdT c pd
p t
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，着落与航行带来很大的影响。
7.1 云的分类、形成、特征
一、云的分类
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：
RdT cpd p
Vh
h
p
d
◇绝热冷却过程：
气块沿斜面（锋面、山坡）上升引起的冷却； 对流运动 波动运动
◇非绝热冷却过程：
辐射冷却
（2）既降温又增加水汽的过程
当温度和湿度不同的两块未饱和空气发生 混合时，湿度和温度将会发生改变，有可能达到 饱和，从而形成云或雾。
◇垂直混合： ◇水平混合：
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ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。
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。
水汽由未饱和达到饱和而生成云雾有两途径：
◇增加空气中的水汽 ◇降低空气温度
一般说来，云主要是靠潮湿空气在上升 运动过程中膨胀降温达到饱和而形成， 所以， 充足的水汽和上升气流是云生成的必要条件
2、形成云的一般过程
（1） 冷却过程：(p123)
dT dt
1 c pd
dQ dt
RdT c pd
p t
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，着落与航行带来很大的影响。
7.1 云的分类、形成、特征
一、云的分类
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：
RdT cpd p
Vh
h
p
d
◇绝热冷却过程：
气块沿斜面（锋面、山坡）上升引起的冷却； 对流运动 波动运动
◇非绝热冷却过程：
辐射冷却
（2）既降温又增加水汽的过程
当温度和湿度不同的两块未饱和空气发生 混合时，湿度和温度将会发生改变，有可能达到 饱和，从而形成云或雾。
◇垂直混合： ◇水平混合：