01introduction(南京信息工程大学 云降水物理学)

最后这一句话竟落在事实后面，1946年11月13日，即这一期 《科学》出版的前两天，Schaefer进行了一次有历史意义 的飞行，它是人类第一次对一块过冷云进行科学播撒。 Schaefer从Curt驾驶的一架小型飞机的座舱里，在一块云 的上方沿着一条大约3英里长的航线，播撒了3磅干冰。这 块云是层云，云高4000多米，云中温度-20C。在5分钟以内， 似乎整个云都转变成雪，在云下降落了约600米才蒸发掉。
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发展简史-Schaefer的伟大发现
观测冰箱里湿空气的凝结时，当温度降到-20℃左右时，仍没 有冰形成。
最后，在一个异常酷热的日子（1946年7月12日）。冰箱里的 温度不够低，他想让温度再低一点，就取了一大块干冰投 入箱中去降低温度。忽然间，空气中马上充满了冰晶，足 有几百万个。他又把干冰取出来，冰晶维持了一会。接着 他发现，即使很小一块干冰也能使云里充满冰晶。他取一 根在液态空气中浸过的针，让这根针在冰箱里经过一次。 结果只要一接触这根针，就又产生无数个冰晶。这个效果 很快散布到整个冰箱。这是一个绝妙的实验……。
25km—500km
>500km
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绪论-主要矛盾
云雾降水物理中最主要的矛盾是大气在运动中实 际可能包含的水汽量和大气中实际存在的水份 含量之间的矛盾。
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。
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绪论 – 方法体系
5、人工影响云雾降水作业
用人为方法干扰云雾降水过程，观测干扰后果，以 了解云雾降水发展规律。
但是自然云雾降水过程十分复杂，影响因子的主次 常有变化； 当引入人为干扰时，干扰的原理、催化剂性质和剂 量、干扰部位及被干扰对象的特点等，都直接或间 接影响云雾降水过程的其后发展； 干扰后果是自然发展与人为干扰的综合叠加造成， 区分十分困难。
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发展简史-Irving Langmuir博士
Langmuir博士美国最早的诺贝尔奖金获得者之一，因表面 化学方面的工作而获得1932年的诺贝尔奖。1947年他在美 国科学院的讲演中是这样叙述Schaefer早期的研究工作： “Schaefer比我年轻得多。他来实验室，就在机械车间工作， 是一位很熟练的技工，给我们做了许多精密仪器。后来他 想参加研究工作。便和我们一起研究表面化学，工作得很 不错，发表过这方面的研究成果。他喜欢爬山，我也喜欢， 总的说我们都喜欢室外生活。这是很重要的，而且和我们 后面对人工控制天气的兴趣密切相关。我们现在所做的许 多事情都源出于那个共同的背景。谁也不会给我们作出那 种安排。要不是我们生性就喜欢这样做的话，谁也无法说 服我们冬天登上华盛顿山进行这一项属于自然现象的研 究”。
云降水物理学
教师：刘晓莉 电话：58731592 Email：liuxiaoli2004y@nuist.edu.cn
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第一章
学科性质 学科地位 方法体系 发展简史 学习目的 主要内容 参考书目

绪论
绪论-学科定义
广义上可以定义为大气中云的科学，可以包括 从云的分类、形成、演变、云中辐射传输、 云中光电现象等一直到雨水的化学特性这样 的范围。
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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
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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

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

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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。
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发展简史-Vonnegut博士的碘化银实验
在麻省理工学院曾研究过与飞机积冰有关的成核作 用问题的Vonnegut博士，于1946年秋季，在通用电 气实验室忙于研究各种成核过程。 当Schaefer实验室的实验做过以后，便把他的注意 力又转移到冰的成核作用上来。当他了解到冰晶可 以在具有适当的晶体结构的物质上增长核化之后， 他翻阅了x光晶体学手册，寻找晶体结构和冰晶相 近、又不溶于水的物质。碘化银和碘化铅似乎是最 合乎这个条件的。
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。
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绪论 – 方法体系
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。
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发展简史
16世纪：Galilei发明
温度表，定量测量气象 现象。
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发展简史
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发展简史
1802年Lamerck;
Howard; 1887年 Hildebrandson; Abercromby对云分类
1803年
Howard, Luke. On the modifications of clouds. London, 1803. Berlin, 1893. 32
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绪论 – 方法体系
4、数值模拟
根据控制自然云雾降水发展过程的基本规律所遵循 的数学物理方程组（包括宏观的流体动力及热力学 方程组和云雾微观过程方程组），按实测的初始及 边界条件，进行数值求解。 把所得结果与自然界云雾降水发展的探测数据相比 较，二者相符则认为原采用的这些方程组所代表的 过程与自然过程相符，即模拟成功。 可摆脱实验室的约束和局限，可考虑较多因子 可以很复杂，但自然界的复杂性不能完全用方程表 达出来
例如：



在有垂直风洞的冷云室中，模拟冰雹在有过冷水滴的云 中的增长，并分析影响其增长的因子； 在水箱中加入由BaCl2和Na2SO4溶液混合而沉淀出BaSO4 ， 用此沉淀物下沉情况模拟自然热云泡上升的情况； 用薄层流体顶部冷却低部加热，模拟自然云的细胞对流 过程及镶嵌云和波状云的形状，研究相应的自然过程及 云状的形成条件等。

是人工影响云雾降水的理论基础，后者是前都
是主要目的和具体应用这一，也是更深入研究 的方法之一。
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绪论 – 方法体系
感性认识：
1、观测和探测
理性认识（分析和综合）
2、理化实验
3、理化模拟 4、数值模拟
人为干扰（双重意义）
பைடு நூலகம்
5、人工影响云雾降水作业
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绪论 – 方法体系
1、观测和探测
通常的云物理学著作侧重于云的微物理学，并不是 认为云的动力过程不重要，主要原因是对云的动力 学的了解远不如对云的微物理学那样清楚。
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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 气系统 天气尺度：云雨单元的集体以及范围较大的天气系 统
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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
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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）
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发展简史-成核作用的早期发现
1890年，Gibbs提出相变时能量转化有关的Gibbs自 由能概念
1897年Wilson进行了经典的云室试验，研究无尘空 气中带电离子的凝结
1921和1926年，瑞典化学家兼气象学家Hilding Kohler证实了海盐核的重要性，并发展了吸湿性核 凝结理论。
继这项开拓性的工作以后，德国法兰克福Taunus观 象台进行了一系列核的数目和大小的测定，由基督 教徒Junge指导继续进行。Junge和他以前的John Aitken一样，成为这一学科的世界权威。
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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
Schaefer实验日记中这样写道：“当我们还在云里面看见到 处是耀眼的冰晶时，我转向Curt和他握手，我说：‘我们 成功了’！
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发展简史-Schaefer的伟大发现
Schaefer就他的实验给《科学》杂志写了一篇文章，发表于 1946年11月15日的期刊上。他在文章的结语中写道：按计 划准备在不久的将来通过一架飞机向云中播撒小块干冰， 而将过冷云大规模转化为冰晶云。我们相信，这种作业是 切实可行、比较经济的，同时，大面积的云系也可用这种 方法进行人工影响。
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发展简史
1896巴黎出版第1部国际云 图，现用瑞士1956年版
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发展简史
Dalton（1766-1844）测量饱和水汽压
1843年Clapeyron从理论上得出饱和水汽压
随温度的变化，随后Clausius将此关系改写 为通用的表达式
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发展简史-成核作用的早期发现
1870年Kelvin勋爵在爱丁堡皇家学会的会议录上发 表了具有重大意义的论文。云滴表面饱和水汽压随 温度和水滴大小的变化关系。 1875年法国人Coulier发表了他的试验结果，证实了 空气中的悬浮颗粒在微量过饱和或未达到过饱和情 况下，可充当在其周围发生凝结的核。 1880年后，便有苏格兰物理学家John Aitken埋头苦 干了近35年的卓越的研究工作。用他那个被称之为 爱根核计数器的轻便膨胀室，考察了低层大气中所 含的颗粒数。 1884年Raoult研究稀溶液的饱和水汽压定律
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发展简史-过冷却和伯杰龙假说
1900年Berson通过气球观测发现过冷却云滴 Wegener在他1911年出版的《大气热力学》一书中就 讨论了在-20—-30C的温度下观测到的液滴。书中 说“水汽张力将自行调节到冰面和水面饱和值之间 的某一个值。由此产生的效果必然是，在冰上将连 续不断发生凝结，而同时液体水则在蒸发，这一过 程一直要进行到液相完全耗尽为止”。
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绪论
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发展简史-过冷却和伯杰龙假说绪论
22年以后，Bergeron将观测事实加以整理，提出了 他那个液相和冰相混合云发生降水的著名理论。 Bergeron把他的理论提到1933年在里斯本召开的国 际大地测量和地球物理联合会第五次全体会议上， 会议论文集直到1935年才发表。
Findeisen在Bergeron思想的基础上加以扩充，于 1938年发表文章对这个理论作了更为明确的阐述， 并引进了许多新的解释。因此Bergeron理论在许多 地方便以Bergeron-Findeisen理论而著称。
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。
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绪论
分类
宏观云物理学主要是大气动力学问题，微观云物理 学则更多的是水汽的相变热力学和气溶胶力学问题， 所需的知识为热力学原理、扩散理论和物理化学等。 宏观和微观二者是相互依存、相互作用的。
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
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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。