03-云降水物理1-6解析
大气物理
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 feE=-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&Y au 2.10式）：2v v L E dE dTR T=或2v v L dT dE ER 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。
2023年高三二轮复习专项思维导图：降水
思维导图：降水【思维导图】[考点精析]一、降水的形成降水：从云层中降落到地面的液态或固态水，降水是云中水滴或冰晶增大的结果。
从雨滴到形成降水必须具备两个基本条件：①雨滴下降速度超过上升气流速度。
②雨滴从云中降落到地面前不被完全蒸发。
降水的形成必须经历云滴增大为雨滴、雪花及其他降水物的过程，云滴增长主要有两个过程。
1.云滴凝结（凝华）增长在云的发展阶段，云体上升绝热冷却，或不断有水汽输入，使云滴周围的实际水汽压大于其饱和水汽压，云滴就会因水汽凝结或凝华而逐渐增大。
当水滴和冰晶共存时，在温度相同条件下，由于冰面饱和水汽压小于水面饱和水汽压，水滴将不断蒸发变小，而冰晶则不断凝华增大，这种过程称为冰晶效应。
大小或冷暖不同的水滴在云中共存时，也会因饱和水汽压不同而使小或暖的水滴不断蒸发变小，大或冷的水滴不断凝结增大。
2云滴的冲并增长云滴大小不同，相应具有不同的运动速度。
云滴下降时，个体大的降落快，个体小的降落慢，于是大云滴将“追上”小云滴，碰撞合并成为更大的云滴。
云滴增大，横截面积变大，下降过程中又能冲并更多的小云滴。
云中含水量愈大，云滴大小愈不均匀，相互冲并增大愈迅速。
【低纬度地区云中出现冰水共存机会不多，所以对气温>0℃的暖云降水而言，云滴冲并增大显得尤为重要】目前国内外都在开展人工降水试验研究，即借助催化剂改变云滴的性质、大小和分布状况，创造云滴增大条件，以达到降水目的。
【冷云人工降水一般采用在云内播撒干冰(固体CO2)和碘化银。
干冰升华将吸收大量热能，使紧靠干冰外层的温度迅速降低，从而使云中的水汽、过冷却水滴凝华或冻结成冰晶。
碘化银微粒是良好的成冰核，只要其温度达到-5℃，水汽就能以它为核心凝华成冰晶并继续增大，产生降水。
暧云人工降水主要是在云内播撒氯化钠、氯化钾等粉末。
钠盐、钾盐吸湿性很强，是很好的凝结核，吸收水分后能迅速成长为大云滴，合并其他云滴而形成降水】【典题精研】1．阅读图文材料，完成下列要求。
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。
气象第一章 第八节云和降水
按云底高度分类
云型
低云
中云
高云 大气稳 定度
层状云 雨层云（Ns） 高层云 层云（St） （As）
波状云 层积云（Sc） 高积云 （Ac）
卷层云 （Cs）
卷积云 （Cc）
稳定
Υ<Υm< Υd
积状云 淡积云（Cu （对流 hum）浓积云
云） （Cu cong） 积雨云（Cb）
卷云（Ci） 不稳定
2、积状云降水 淡积云一般不降水的，浓积云是否降水则随地区而
异。 积雨云能降大的阵雨、阵雪，有时还伴有冰雹。 波状云降水 全球降水分布特点 1.在赤道有一个降水最大值，其位置和热赤道一致， 偏在北半球
2.高纬度的降水总量很小 3.在副热带是一个次低值 降水的分布与大气的运动、气团和锋带的活动以及
Υm<Υd <Υ
2、按云底高度和云形特征分类
云底 云族 高度
高云 >5000m
2500m 中云 ～
5000m
低云 <2500m
云
属
中文名
国际名
卷云
Cirrus
卷层云 Cirro-Stratus
卷积云 Cirro-Cumulus
高层云 Alto-Stratus
高积云 Alto-Cumulus
层积云
层云 雨层云 碎雨云
时间不超
过5小时，
降雪量不 ≥5.0 超过3 mm
各类云的降水 1、层状云降水 卷层云一般不降水的，除了在冬季高纬度地区的卷
层云可以降雨雪外。 一般雨层云比高层云的降水强得多，云愈厚、愈低，
降水就愈强。 层状云云体比较均匀，云中气流也比较稳定，所以
层状云的降水是连续性的，持续时间长，降水强度 变化小
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。
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”。
3第三章第三节降水
1、毛毛雨：由大量的小雨滴和少量的小雪花组成，雨滴半径在 0.05～0.25㎜之间。降水强度不超过0.25毫米/小时。雨滴谱较窄， 数密度很大。主要形成于稳定气团的内部，由层云和层积云中降落 下来。
2、连续性降水：多由0.3～2.0毫米中等大小的雨滴或雪花组成。 降水强度为4～40㎜/小时，雨量中等。雨滴的滴谱较宽一点，数 密度较均匀，有连续的性质。连续性降水经常与暖锋或静止锋相 联系，多半由高层云或雨层云中降落下来。
它们作为新一代的胚胎而增长，当大到临界半径后，再次破 碎分裂而重复上述过程。
云中水滴增大—破碎—增大—破碎的循环往复称之为“链锁 反应”，有时也称为暖云（降水）的繁生机制。
雷‘阵’雨：大量雨滴产生下降趋势，破坏云结 构，使其不再持续
二、 雨和雪的形成
（一） 雨的形成 （水成云、冰成云、混合云）
在雨的形成过程中，大水滴起着重要作用。当水滴 半径增大到2—3mm时，水分子间的引力难以维持这样大 的水滴，在降落途中，就很容易受气流的冲击而分裂， 通过“连锁反应”，使大水滴下降，小水滴继续存在， 形成新的大水滴。这是上升气流较强的水成云和混合云 中形成雨的重要原因。
（二） 雪的形成
在混合云中，由于冰水共存使冰晶不断凝华增大， 成为雪花。
云愈厚、愈低，降水就愈强。雨层云比高层云的 降水大得多，也主要是这个缘故。
降水性质：连续性的，持续时间长，降水强度变 化小。
（二）积状云降水
积状云一般包括淡积云、浓积云和积雨云。 淡积云：云薄，云中含水量少，而且水滴又小，
所以一般不降水。 浓积云：是否降水则随地区而异。在中高纬度
地区，浓积云很少降水。在低纬度地区，可降 较大的阵雨。 积雨云：能降大的阵雨、阵雪，有时还可下冰 雹。（冰水共存的混合云，云的厚度和云中含 水量都很大，云中升降气流强，因此云滴的凝 华增长和冲并作用均很强烈）。 积状云的降水是阵性的，这是因为它的水平范 围小，另一方面是由于云中升降气流多变化。
03云的宏观特征
3.3 积云 –The Thunderstorm Project
P-61 Nose Radar
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3.3 积云 –The Thunderstorm Project
Equipment Area on P-61
41
3.3 积云 –The Thunderstorm Project
P-61 Squadron in Flight
30
3.3 积云 –The Thunderstorm Project
P-61 Landing Incident
31
3.3 积云 –The Thunderstorm Project
Hail Damaged P-61 Nose Cone
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3.3 积云 –The Thunderstorm Project
24
积云、 积云、积雨云形成
25
3.3 积云的形成 –气团雷暴模型 20世纪40年代拜尔斯（Horace Byers）和布 拉哈姆（Roscoe R. Braham Jr.）开始对流 云发展过程进行系统研究，根据1946～1947 年美国“雷暴计划”(The Thunderstorm Project)在美国南部地区对夏季雷暴云结构 和演变过程的观测资料，按照积云发展过程 中占主要地位的垂直气流情况，将典型对流 单体的发展生命史分为形成、成熟和消散三 大阶段。
Glider over Florida
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3.3 积云 –The Thunderstorm Project
Instrument Camera for P-61
36
3.3 积云 –The Thunderstorm Project
Custom Built Aircraft Recording Equipment
初三物理降水形成原理分析
初三物理降水形成原理分析对于初三学生来说，物理学科中的降水形成原理是一个重要的知识点。
了解降水形成原理，不仅可以帮助我们更好地理解天气变化，还可以为今后的学习打下坚实的基础。
本文将通过对降水形成原理的分析，来帮助初三学生更好地掌握这一知识点。
一、蒸发和凝结：降水形成的第一步是蒸发和凝结。
蒸发是指水分由液态转变为气态的过程，而凝结则是指水分由气态转变为液态的过程。
当水面上的水分受热后，其中的一部分会蒸发为水蒸气，上升到大气中。
而当水蒸气遇到冷空气时，由于温度较低，水蒸气会凝结成小水滴，形成云的基础。
二、云的形成：凝结后的水滴会聚集在一起，形成云。
云分为低云、中云和高云三种类型。
低云的云底高度一般在2公里以下，由较大的水滴和较低的温度所组成；中云的云底高度在2至6公里之间，由较小的水滴和较低的温度所组成；高云的云底高度在6公里以上，由极细小的水滴和非常低的温度所组成。
云的形成离不开水蒸气的凝结和空气的上升。
三、降水形成：当云中的水滴足够大时，就会形成降水。
降水包括雨、雪、冰雹等形式。
当云中的水滴之间的相互碰撞增大时，水滴会逐渐增大并下落至地面，形成雨滴。
如果在降水过程中的气温较低，水滴会在下落的过程中凝结成冰晶，形成雪花；如果气温非常低，还会形成冰雹。
四、影响降水的因素：除了上述的形成原理外，还有一些因素会影响降水的形成。
其中，气温是最关键的因素之一。
温度越高，水蒸气的含量越多，降水的可能性也就越大。
此外，湿度和气压也会对降水产生影响。
当湿度较高时，水蒸气的凝结速度更快，降水的形成也就更容易。
而当气压较低时，空气会上升，从而促进云的形成和降水的生成。
通过对初三物理降水形成原理的分析，我们可以得出以下结论：降水的形成包括蒸发和凝结、云的形成以及降水的形成。
而气温、湿度和气压是影响降水的主要因素。
通过深入理解降水形成原理，我们可以更好地理解天气变化的原因和规律，为今后的学习打下坚实的基础。
在学习物理的过程中，我们还应该进行实践操作，通过模拟实验和观测天气现象来加深对降水形成原理的理解。
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
云微物理学
homogeneous freezing
等效直径
2、大气中的冰晶
（1）分类 单体、雪花、小冰丸、冰雹 （四种形态） （2）冰晶的形状与生长环境的关系 1938 日本学者中谷首先研究 结论：冰晶形状与生长环境的温度、湿度 有关； 应用：根据冰晶形状，可推断其生长环境 的温、湿情况，结合高空温湿资料，大致可推 断其形成于云的部位。
凝结增长和碰并增长
6.4.1 Growth by Condensation(凝结增长）
热量
水汽
水滴凝结增长示意图
M：the
mass of the droplet。 ρv is the water vapor density at distance x(>r) from the droplet. D：diffusion coefficient（扩散系数）
1、凝华增长 当环境水汽压对冰面饱和时，冰晶由凝华 过程进一步增长，称为凝华增长。
冰晶效应（Bergeron效应）
当过冷云中出现冰晶时，冰晶将很快 由凝华增长而生长。 概念：由于同温度时冰面饱和水汽压 小于过冷水面饱和水汽压，当实际水 汽压间于两者之间时，会发生水分从 过冷水滴蒸发而在冰晶面上凝华，导 致水滴消失而冰晶长大的现象，称为 冰晶效应。 冰晶效应在 (E ) max 0.27 hPa 时，对 应温度为-11.8OC 时最显著。
实际上，在纯净大气中不可能靠水汽的同质核化凝 结过程自发地生成一定大小的胚滴。因为球形水滴表面的 平衡水汽压(Er)与水滴半径r成反比，即水滴愈小，要达到 平衡所需的水汽压愈大，因此，水滴愈小，愈容易蒸发， 不利于形成稳定的胚滴。
Er E exp(C r r )
Cr E (1 ) r
航海技术专业《第6章云、降水和雾》
第六章云、降水和雾云是大气中水汽凝结〔凝华〕而产生的凝结物，云悬浮在空中，与下垫面有一定的厚度或高度，所以云与雾的差异。
：雾是水汽凝结〔凝华〕物与下垫面有接触的，即贴地的；而云为不贴地的。
云的形态千变万化，一定的云状是伴有一定的天气，所以云既是大气运动的产物，在一定程度上又能反映大气的变化趋势。
所以，正确观测和分析云的变化，是掌握天气变化规律的一个重要局部。
但有些云出现时，会直接引起强烈的阵风、阵雨、冰雪、龙卷或低能见度等恶劣天气现象，特别在海洋上时，云给海上航行船舶的平安会带来严重的危害。
当然云就相当于一面镜子，能很好地反映出当时天气的物理状态并能指示未来的天气变化趋势。
因此，云被广泛用于预报海上和地方性天气的重要依据。
本节主要讲述云的种类、形成过程、演变方式和云的观测方法。
一、云1、云的形成机制云是自由大气中热力过程和动力过程的外观表现。
各种云都是大气中空气湿度对水面和对冰面来说变得过饱和时才形成的。
大气中使水汽到达饱和状态一般有两种途径。
一是空气冷却，使饱和水汽压减小到小于当时的实际水汽压；二是增加空气中的水汽，使空气中的实际水汽压增加到当时温度下的饱和水汽压；或者是这两种途径共同作用的结果。
但实际上以两种因子的共同作用的结果为多。
但是，空气的冷却作用可以很大，而要使水汽含量的不断增加，两者中降温作用比增加湿度作用要大10～2021所以降温是有利于云的形成。
在自由大气中，云的形成主要是空气上升膨胀冷却的结果。
形成云主要是空气绝热上升膨胀冷却的结果。
空气的上升运动不仅能降低温度，而且能使低层的水份、气溶胶质粒源源不断地向空中输送。
由于起因的不同，空气中上升运动有不同形式，而每种上升运动都能形成相应的云的形状。
可归纳如下：1〕暖而有浮力的空气块。
在条件性不稳定的环境中局地上升，形成对流云。
对流云的生命期很短，只有几分钟到几小时。
2〕稳定空气的被强迫抬升时，就会形成层状云。
层状云范围大，边缘很模糊不清，其生命期可到达几十小时左右。
03云的宏观特征
20
3.2.1 热泡的形成
热泡的升速
热泡升速与热泡半径和上升高度成反比。
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3.2.1 热泡的形成
热泡顶高和半径的时间变化
随着时间增大，热泡的高度及尺度均有增大。
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积云、 积云、积雨云形成
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3.3 积云的形成 –气团雷暴模型 20世纪40年代拜尔斯（Horace Byers）和布 拉哈姆（Roscoe R. Braham Jr.）开始对流 云发展过程进行系统研究，根据1946～1947 年美国“雷暴计划”(The Thunderstorm Project)在美国南部地区对夏季雷暴云结构 和演变过程的观测资料，按照积云发展过程 中占主要地位的垂直气流情况，将典型对流 单体的发展生命史分为形成、成熟和消散三 大阶段。
Glider over Florida
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3.3 积云 –The Thunderstorm Project
Instrument Camera for P-61
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3.3 积云 –The Thunderstorm Project
Custom Built Aircraft Recording Equipment
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3.3 积云 –The Thunderstorm Project
Thunderstorm Project Historicalrm Project
P-61 Squadron during the Ohio Phase of the Project
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3.3 积云 –The Thunderstorm Project
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。
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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。
1）积云（cumulus: Cu）：垂直方向发展的云；
2）层云（stratus: St）：水平方向伸展的云；
3）卷云（cirrus: Ci）：源自维、丝缕状的云； 4）雨云（nimbus: Nb）。
21
1.3 云态分类
22
1.4 云内湿度
总体上在98-102% 之间，很少超过 102%的，而且过饱 和机率多于不饱和 的。
5
绪论-研究对象
宏观尺度 对象 2 、 雷暴云和积云单体 中 小 龙卷气旋 尺 度 中尺度高压及低压 尺度范围
阵风锋
2km—25km
雨团
6
绪论-研究对象
宏观尺度
3 、 大 中 尺 度 （ 天 气 尺 度 ）
对象
尺度范围
云集体（飑线、云团、细 胞状云）
雨带 台风、气旋、锋面及辐合 带云系 盾状云、螺旋云带、逗点 云
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
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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
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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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总结 – 云雾形成的宏观条件
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湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制
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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
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
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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、极烟等 垂直递 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
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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）
相对湿度中值约为 100.1%。也有人在 云的边缘测得相对 湿度低到70%，而 在云的中心部可高 达107%。
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2.云中比含水量和含水量（王1989-3.2节）
云物理学中的含水量的“水”，泛指固态水及液 态水，对于纯水云或纯冰云中，则分别指含液 水量及含冰量。
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：
降温与增湿 宏观与微观
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第三部分 云的宏观形成及观测特征
1、云的宏观特征 2、云中比含水量和含水量
3、积云的特征及其形成理论
4、层云的宏观特征 5、锋面气旋的云系结构 6、雾的形成、分类和特征
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1. 云的宏观特征
1.1 云的宏观特征
云雾总的特征，即作为整体来看的许多特征称作宏 观特征。它包括了云的外形、水平伸展、垂直伸 展、生命史、能见度、云中温度场、气流场、含 水量场等特征。