云降水物理學基礎第十一章云霧形成的宏觀條件及一般特征學科性質廣義上可以定義為大氣中云的科學，可以包括從云的分類、形成、演變、云中輻射傳輸、云中光電現象等一直到雨水的化學特性這樣的范圍。云、霧和降水物理學（簡稱云物理學）是以大氣熱力學和大氣動力學為基礎，研究大氣中水分在各階段所經歷的物理過程，具體而言就是研究云、霧和降水和形成、發展和消散過程，是大氣科學中最為重要的分支學科之一。它是雷達氣象學、強風暴等物理氣象學內容的核心。學科性質按研究對象尺度的大小，云物理學可分為宏觀云物理學和微觀云物理學二部分。前者研究水平尺度10m-100km以至1000km，垂直厚度10m-10km范圍內云的形成、發展和消散的動力過程；后者研究云體的組成元素—云粒子（包括云滴、冰晶）和降水粒子（雨、雪和冰雹等）所經歷的凝結（華）、碰并和蒸發等過程。其尺度僅0.1μm-1cm。學科性質宏觀云物理學主要是大氣動力學問題，微觀云物理學則更多的是水汽的相變熱力學和氣溶膠力學問題，所需的知識為熱力學原理、擴散理論和物理化學等。宏觀和微觀二者是相互依存、相互作用的。通常的云物理學著作側重于云的微物理學，并不是認為云的動力過程不重要，主要原因是對云的動力學的了解遠不如對云的微物理學那樣清楚。學科性質云霧降水物理中最主要的矛盾是大氣在運動中實際可能容納的水汽量和大氣中實際存在的水分含量之間的矛盾。學科性質云霧降水至少在以下諸多方面都起著重要作用：地球-大氣水分循環中的一個關鍵環節影響地球輻射平衡濕沉降大氣中液相化學反應床影響大氣的垂直輸送雷暴影響全球大氣電平衡過程人工影響云霧降水的理論基礎參考書目教材類：Rogers,andYau,1989,Ashortcourseincloudphysics(3rdedition),PergamonPress.2ndedition1979,云物理簡明教程，周文賢、章澄昌譯，氣象出版社，1983。北大地球物理系大氣物理教研室云物理學組編，1981，《云物理基礎》，農業出版社。顧震潮，1980，《云霧降水物理基礎》，科學出版社。參考書目其它：王鵬飛、李子華，1989，《微觀云物理學》梅森，1979，《云物理學》黃美元，徐華英等，1999，《云和降水物理》王明康，1991，《云和降水物理學》Dennis,1980,WeatherModificationbyCloudSeedingPruppacher,H.R.,andJ.D.Klett,1978,MicrophysicsofCloudsandPrecipitation11.1.1云和降水的分類相對濕度f>100%凝結、凝華水滴、冰雪晶。相對濕度變化方程：11.1.2云霧形成宏觀條件濕空氣達到飽和的主要途徑所以,增大相對濕度有兩個途徑：增加水汽（de>0）和降溫（-dT>0），一般來說，大氣中形成自然云霧，主要以降溫過程為主。濕空氣達到飽和的主要途徑－降溫機制濕空氣達到飽和的主要途徑－降溫機制濕空氣達到飽和的主要途徑－降溫機制濕空氣達到飽和的主要途徑－降溫機制濕空氣達到飽和的主要途徑-降溫機制總結－云霧形成的宏觀條件濕空氣達到飽和的主要途徑－降溫機制總結－云霧形成的宏觀條件降溫上升膨脹冷卻對流孤立對流：Cu,Cb,Ac等鑲嵌（細胞）對流：Ac,Sc等斜升鋒面斜升：暖鋒、緩行冷鋒、靜止鋒上的Ci,Cs,As,Ac,Ns等地形斜升：上坡霧、Sc等波動風切變和氣流過山：莢狀、波狀、渦條狀Ci,As,Sc等Byers－Braham雷暴單體模式11.2云霧降水的宏觀特征對流云中含水量（概念）積云的形成－氣團雷暴模型發展階段積云的形成－氣團雷暴模型成熟階段積云的形成－氣團雷暴模型消散階段積云的形成－局地強對流風暴中緯度地區暖季，當出現對流不穩定層結且從對流層低層到高層存在較大的鉛直風切變時，可以發展強烈的局地對流，形成由積雨云組成組成發展起來的中尺度風暴系統，稱為局地強風暴，以區別于氣旋風暴，它同時伴生強降水、大風、冰雹等強烈天氣。由于其內部上升與下沉氣流互不產生破壞性對沖，故局地強風暴可以維持很長時間。積云的形成－局地強對流風暴－颮線積云的形成－

局地強對流風暴－颮線積云的形成－超級單體積云的形成－超級單體積云的形成－超級單體積云的形成－超級單體積云的形成－超級單體積云的形成－超級單體積云的形成－超級單體積云的形成－超級單體積云的形成－超級單體積云的形成－局地強對流風暴－單體積云的形成－超級單體積云的形成－超級單體積云的形成－超級單體July8th,2003-WesternSouthDakota積云的形成－局地強對流風暴－多單體積云的形成－局地強對流風暴－多單體層狀云層狀云30,00020,00010,0004005002001000300200100StablewarmairASCICSASNSSCSTWARMFRONTSTABLECONDITIONSFOGRAINandLOWNIMBUSTRATUS亮帶（雷達顯示屏上反射率特別大的長條區）：凡上部溫度低于0度，下部高于0度的降水云，在對流不強時，往往在雷達回波中顯示出明顯的亮帶。亮帶結構：位于0度層以下80~400m，厚度15~150m，呈水平帶狀亮帶的形成：降水質粒的反射率與復折射指數m有關，水的折射率因子約為冰的5倍。雪在下落到0度層，外層融化成水表，易碰并粘連—折射率增加5倍—完全變為水滴時，尺度減小、下落末速增大—反射率減小。由于它是雪花融化所致，故也稱融化帶。亮帶

11.2.5降水的宏觀特征一般一次降水量總比云中總含水量要大，可見在降水過程中云中水量往往不斷地在補充，即由垂直氣流不斷地輸送水汽入云，這是云霧降水的一個根本特點。云中水分循環次數暖鋒云系：4-40積狀云：1.5-12降水效率層狀云系：95%雷雨云：20%研究云的降水效率的意義——降水潛力問題單個粒子粒子群數密度譜分布曲線相應有表面積、體積和質量的譜分布11.3云降水的微觀特征譜分布譜寬最大粒子與最小粒子的半徑（或直徑）差。限于觀測儀器對小滴的分辨率，最小粒子不易測得，故常取最大尺度作為譜寬。譜型譜分布曲線的的形態：如單調上升、單調下降，單峰、多峰等3尺度分布特性簡述粒子譜分布特時，使用平均和方差的概念，如平均半徑方差

常用特征量

（a）眾數半徑（b）中值半徑（c）體積平均半徑譜分布云和云系云、雨滴尺度一個半徑為1毫米的雨滴，其質量或體積相當于100萬個半徑為10微米的云滴半徑小于100m的小水滴稱為云滴.不同的云型滴譜差異較大，見圖11.9.云滴譜（1）修正的分布函數云物理學中廣泛使用的是赫爾基安—馬津公式它有兩個控制參數a和b，它們有特定的物理意義：云滴數密度平均半徑含水量云滴譜分布函數水的密度和都以g/m3為單位，以cm為單位。由以上三式中任意二式均可確定a和b，如由后兩式可得（2）對數正態分布其控制參數為幾何平均半徑和幾何標準差，其離散表達式分別為云滴譜分布函數冰雪晶的形狀雪晶是指冰晶通過凝華及撞凍、凝結、碰并等機制增長到尺度大于300微米后的水成物。國際上將固體降水物分為十類。三種主要冰晶類型：柱(針)狀、片(平面)狀和輻枝(六角柱)狀。形狀與生長條件關系－環境溫度、濕度、生長率S很大時，隨T下降形狀變化：片→柱→片→柱交替進行。S較低時，變形僅出現于-9℃(柱→片)及-22℃(片→柱)。近冰面飽和時，形狀為厚六角片的平衡形態，高與直徑比約0.81。冰雪晶的形狀冰雪晶的形狀DendriteSectoredPlateDendriticSectoredPlateNeedlePrism(Column)冰晶冰晶冰晶冰晶冰晶冰晶冰雪晶冰雪晶冰雪晶雨滴譜最常用的測定降水的宏觀特征量就是地面上的降雨率（降水強度）。而最常用的表示降水的微觀特征量便是雨滴大小的分布函數（即滴譜）馬歇爾和帕爾默(MarshallandPalmer，1948)雨滴譜雨滴譜兩種雨強下的雨滴譜:1mm/h,10mm/ha:數濃度譜；b:質量通量譜雨滴譜雨滴譜冰雹按尺度和結構分三類：（1）霰（軟雹）：基本上由各自凍結的小云滴集合在一起而構成。白色、透明、密度小，直徑約為6mm的圓球形或錐形的冰粒。（2）冰丸（小雹、冰粒）：透明或半透明，直徑幾毫米，形狀無規則。凍滴或霰外面包一層薄冰殼，這層冰可以是捕獲小滴凍結而成，或是霰部分融化再凍結而成。（3）冰雹：直徑在5mm以上的冰塊、冰球。形狀多樣，大小不一。中等強度的風暴可產生直徑幾厘米的冰雹，很強盛的風暴可產生10cm乃至更大的冰雹。其密度約0.9g/cm3。常呈透明與不透明相間的多層結構，中心初始雹胚可以是軟雹、小雹或凍滴。凇附Riming:Theprocessbywhichicecrystalsgrowthroughthecollision,collection,andfreezingofsupercooledwaterdroplets.

(FredRemer)Theoriginalicecrystalcannolongerbedistinguished.graupelIcecrystalTime冰雹冰雹的危害冰雹的危害冰雹的危害冰雹的危害冰雹的形狀有圓球、扁圓球、橢球、扁橢球、圓錐、蘋果形、盤形和不規則形。最常見的冰雹是圓球、圓錐和橢球三種。冰雹的形狀冰雹的形狀冰雹的形狀冰雹的尺度