第二章 冷云微物理过程
第一节 云中冰晶的形成
1. 云中有过冷水存在――水滴在0°C 以下还不冻结
a. 现象：云中往往有过冷水滴，t < -35 °C (最新研究 t < -38 °C, Q = 4 g/m 3)
b. 重要性：对雨、雪、雹等的形成、生长有重要作用
c. 实验：冻结温度： 水的纯度、支托、冷却率 ? 实验结果较分散
d. 冻结温度T s 呈现概率分布 图2.1.1 (Bigg,1953)
随机过程 统计特征
e. T s ～V 关系：(Bigg) 图2.1.2 )(ln 0C T
T T T B A V s s
?=??= （2.1.1）
f. T = -41 °C 均质核化冻结的下限温度
2. 核化 ?
??异质核化均质核化
a. 初始冰晶胚胎
相态的转变 磷石英六边形结构 初始冰晶胚胎的出现过程――核化过程
i) 均质核化：水分子聚合在一起生成冰晶胚胎的过程 ii)
异质核化：水分子附着在外来粒子上生成冰晶胚胎的过程
一般，异质核化的温度 > 均质核化的温度
b. Gibbs 函数G Δ与*G Δ
i) 冰晶的均质核化 ?
??凝华核化冻结核化
? 冻结核化
冰晶的均质核化与水滴胚胎形成相仿，在水滴中出现一个冰晶胚胎需要的Gibbs 函数为
il i
l i r E E KT n r G βσπαπ2
34ln 34
?+???
???????=Δ （2.1.2）
0=?Δ?r
G
? 形成临界大小核所作的功： 23*
ln 316?
?
???
?
????????=
Δi l i il
E
E KT n G ξπσ （2.1.3） ????
???
?=23αβξ 由于液体分子不同于气体分子，它受到周围分子的牵制，要克服扩散过程的激活能，
因此，由过冷水滴中冻结产生的冰晶胚胎的活化率：
???
?????Δ+?=KT G U h KT
N J l *exp （2.1.4） U : 分子越过固液界面的自扩散活化能， l N :单位体积液体的分子数
K : 玻耳兹曼(Boltzman)常数 K erg K /103804.116
?×=
h :普朗克(Planck)常数 s erg h /106252.627×=
? 凝华核化
过饱和过冷水汽可自发凝华生成冰晶，凝华核化率
????
????Δ??=
KT G n r MRT p
J *'
2
*exp 2ππ （2.1.5） 'n :单位体积中水汽分子数 *r ：临界胚胎半径 p 水汽压 M 水分子量 计算结果：水汽直接凝华生成冰晶要求T < -62 °C 左右，水汽相对于冰面饱和
比为15,相对水面约为8。这在自然条件下难以达到！但在致冷剂（LCO 2、LN 2）作用下可以达到。
ii) 冰晶的异质核化 ?
??凝华核化冻结核化
粒子晶格常数与冰晶接近有利于冰晶生成，冰晶成核率 ↑ 粒子表面结构参数m
? 冻结核化 il ip
pl m σσσ?=
? 凝华核化 iv
ip
pv m σσσ?=
若核结构与冰结构差异大，则表面张力ip σ加大，使得m 减小。只有当核结构与
冰结构一致，0→ip σ，m = 1, 对核化最有利。
? 过冷水滴冻结核化率：
???
?
???
?Δ+??=KT G U h KT n r J p c
*
2
exp 4π （2.1.11） c n 为与核相接触面上单位面积上的分子数
? 过冷过饱和水汽凝华核化率：
???
?
???
?Δ?
??=
KT G n r r MRT p
J p
*
'2*2exp 42ππ （2.1.12） ? Fletcher(1962)结果： 图2.1.3 图2.1.4 ? r 定，随m ↑, T s ↑ ? r 定，随m ↓, T s ↓ ? 凝华核化比冻结核化难！
?
冻结核可在不太低的温度下成为冰核。
c. 大气冰核 IN
i) 概念： 大气冰核与浓度 ii)
IN – T 关系
在温度 > T 条件下，活化的IN 数浓度 ()[]T T N N I I ?=00exp β
Fletcher (1962)： 32010??=m N I ，1)(6.0?=C β
Bowdle 等(1985): Montana 高原上，301.0?=m N I ，1)(3.0?=C β 游来光等(1964) 北京1963年 3006.1?=m N I ，1)(42.0?=C β
游来光等(2002) 北京1995 & 1996年 308.33?=m N I ，1)(395.0?=C β
Xiao Hui et al.(2004) 青海黄河源区2002年 301.36?=m N I ，1)(296.0?=C β iii) IN – AP 比较： AP 只有很少一部分 ? IN
? 一般地，在－20 °C, L N IN /1=，L N AP /106=，AP 中只有10-6 成为IN ！！ ? 在污染区，这个比例更低
iv)
IN – Si 关系 图IN-Svi
? IN 随R.H.↑ 而 ↑， 与冰面过饱和度Si (%) 有关系：
k i I S C N ?= 图
k、C = const. k = 3 – 8, 在污染地区k 较大
? 对于充当凝华与凝结－冻结模态的活化冰核浓度
? Cotton 等(1986)结合Fletcher(1962)和Huffman(1973)的工作，有 ()[]T T q
q S N N k
is ws vi
IN
????
??????=00exp β 32010??=m N ，1)(6.0?=C β， is v vi q q S ?=：冰面过饱和度 ? Meyers 等(1992):
()vi IN S B A N N ?+=exp 0 33010?=m N ，A=-0.639, B=0.1296 ? 对于以接触模态活化的冰核数浓度，Meyers 等(1992)建议:
()[]T T b a N N IN ?+=00exp 33010?=m N
，a=-2.80, B=0.262
d.不同冰核成份、活化起始温度与冰面过饱和度的关系 图
? 对AgI粒子：
T > -9 °C 时，为凝结－冻结冰核
T < -9 °C 时，为凝华冰核（当冰面过饱和度达到后） ? 对粘土粒子：
T > -18 °C 时，为凝结－冻结冰核
T < -18 °C 时，为凝华冰核（要求冰面过饱和度更高）
e.IN – Height 关系： 图 表
? IN 随H ↑ 而 ↓
? 低层有层状结构
表 对流层内冰核平均浓度分布（1968年新疆、广东）（游来光等，1982）
高度(m) 0-3000 3000-6000 6000-9000 9000-11000
IN (m-3) 138 130 50.7 25.9
% 100 94.2 36.7 18.8
C.N. (m-3) 2×108 108<2×107
f.自然IN的来源
自然矿物沙尘（土壤沙尘、粘土等）、生物细菌等，无机物及有机物
g.不同冰核成分与活化起始温度
表 Mantana地区气溶胶化土壤产生的冰核成分(Rosinski et al., 1981)
Ice-forming nuclei active at temperature冰核活化温度化学组分
气溶胶粒子-12 °C -15
°C
°C -20 number% number% number% number% 粘土矿物:
蒙脱土194 24 28 18 17 13 41 28 长石287 36 74 48 41 32 54 38 伊利石163 20 37 24 39 31 28 38 其它27 3 8 5 19 15 10 7 有机粒子139 17 7 5 12 9 11 8 粒子数: (分析) 810 154 128 144 混合粒子成份:
NaCl 7 14 9 28 22 21 15 CuX 2 1 0 1 FeOx.nH2O 7 5 12 9 11 8 总和9 22 14 40 31 33 23
第二节 冰晶的凝华增长
1. 凝华增长
a. 与水滴凝结增长本质相同：水汽扩散 ＋ 热传导，但更难！？
b. 重要性：是降水胚胎形成的重要过程
c. 增长率大 ∵冰面饱和水汽压比水面饱和水汽压低
表：冰面过饱和度i σ与水面过饱和度l σ比较
T(°C)
-5 -10 -15 -20 -25 i σ
0.0499 0.1021 0.1577 0.2149 0.2762
l σ
0.001 – 0.01
d. 形状复杂（非球形），计算困难，而且各方向生长率不同
2. 凝华增长率公式 （静止、定常、单晶）
a. 水汽通量： 非球形 ? 向冰晶表面的水汽通量
∫∫??=A
dA n D
dt dm ρ
其中，D 为水汽在空气中的扩散系数
Pruppacher 和Klett (1997): Microphysics of Clouds and Precipitation(2nd Edition), 认为Mason (1971) 给出的D 附表数据偏大10%，为此，他们给出D 的最好估计公式（该书p.503公式(13-3)）：
1.94
2
00D 0.211/p T cm s T p ????=??
????
??，
静止大气中，设水汽扩散定常，水汽场分布由02=?ρ 解出。
n
??
?
????
=∞===?=??=?=??=Δ∞∞∞∫∫0::)
(4)(440V R V V r R V V C V V C Q dA R V
V r r A
c c πππ ?
??????
=∞===??==Δ∞∫∫ρρρρρ
ρ:
:0R r R dA R D I r A
电量：V C Q ?= C 电容
据静电场Gauss 定理，解冰晶扩散增长问题。当D=const. 时，只要
Q D I ?=π4 即 D
I Q ?=π4 并把ρ看成电位V , 则有 ()∫∫??=∞A
c C dA dn
d ρρπρ
4 ()c DC dt dm I ρρπ??==∴∞4 C: 冰晶的电容，与冰晶形状有很大关系。在静电场中，电容C 反映导体的物理性质和几何形状特征。对于同类导体，则反映导体的几何形状差别。
再由 Clausius-Clapeyron 方程 2
RT M
L dT e de s s s = 可得冰晶在静止空气中的凝华增长公式：
()T f C dt dm i i i σπ?=??????4 ())(1T DMe RT RT M L KT L T f si
s s i +???????=
1?=si
i e e
σ 冰面过饱和度 si e 冰面饱和水汽压 ? 讨论：
? i
dt dm ???
???与i σ、C 、T 有关；
? 与水滴凝结增长率公式的比较
()T f r dt dm w
w w σπ?=???
???4 ())(1T DMe RT RT LM KT L T f sw w +???????=
电位场V
∞
V 冰晶扩散 ρ
∞
ρ
1?=
sw
w e e
σ 水面过饱和度 sw e 水面饱和水汽压 冰晶凝华增长率公式与水滴凝结增长率公式的比较 水滴 r w σ sw e L (凝结潜热) 冰晶
C
i σ
si e
L s (凝华潜热)
3. 冰晶形状 (1) 冰雪晶的类型
(1.1) 国际冰雪晶委员会1951年分类:
冰雪晶：大气中由水汽凝华生成的形状规则或不规则的冰晶。 其形状按照国际冰雪晶委员会1951年分类有：
7种主要的雪晶类型：板状、星状、柱状、针状、立体枝状、盖帽柱状及不规则形状； ＋另外3种冻结降水粒子类型：霰、冰丸和冰雹
7种主要的雪晶类型：
(1) 板状：直径D约10μm-1mm的六角平板，最大达几mm；厚度约为D的0.01-0.2倍；
(2) 星状：D约10 μm-1mm的六角辐射状，最大达几mm；厚度约为D的0.01-0.2倍；
(3) 柱状：长度L约10 μm-1mm的六角棱柱，也有长达2mm；柱的宽度约为L的0.10-0.77倍分空心柱和实心柱两类，空心柱状冰晶的两端有锥形穴。
(4) 针状：细长条冰晶，常连接成“ X”形，有时连接成束。宽度与长度之比为0.05-0.33。
(5) 立体枝状：羽毛状冰晶的立体结合物，常在一星状冰晶的一侧向半个空间长出许多枝杈。
(6) 盖帽柱状：在柱状冰晶的一端或两端长出板状冰晶。
(7) 不规则形状：由微小冰晶不规则聚合而成。
(8-10) : 冰雪晶形状的多样性由形成时环境温度和湿度的差异造成的
(1.2) 按照Magono和Lee (1966)分为80类冰雪晶的类型（80种）
Magono和Lee (1966)将观测到的冰雪晶分为80类 表
Table
Magono and Lee Classification of Snow Crystals
P2g
Plate with dentritic extensions
P6a
Plate with
spatial plates
P6b
Plate with
spatial
dendrites
CP3d
Plate with
scrolls at
ends
R3c
Grauplelike
snow with
nonrimed
extensions P6c
Stellar
crystal with
spatial plates
S1
Side plans
R1b
Rimed
columnar
crystal
R1c Rimed plate or sector
Totally 80 classes
From Magono and Lee, 1966
(2) 公式中C 由冰晶的几何形状确定，又称为形状参数 表2.2.1
表 2.2.1 冰晶的形状参数C
注：a 长半轴，b 短半轴，2/12])/(1[a b e ?=偏心率
(3) 各种枝状冰晶的电容与六角板状电容C 0关系： McDonald (1963)、Podzimek (1966)的重要实验。
i) 简单的六角板状冰晶电容C 0与同面积的圆盘电容C 相差≤4%；
ii)
最大线性尺度相同的伸长椭圆电容C 0与各种棱柱状电容C 之比1.1/0≈C C 。实心短棱柱116.1/0=C C ，短的空心棱柱099.1/0≈C C 。 iii)
相同最大线性尺度下，六角板状电容C 0与各种枝状电容C 之比98.0~77.0/0=C C ,即误差max=23%。 见课本 P.47
这是凝华增长率计算困难所在！
4. 冰晶生长 － T 关系 (1) 关系很大
(2) Byers (1965) 假设：环境对水面饱和，π
41
=
C , P=1000hPa 和500hPa 结果： T dt dm i ~???
??? 图2.2.1
i) 不同的T 下，??
????dt dm i 可相差几倍，而且hPa i hPa i dt dm dt dm 1000500??????>????
??，大一倍 ii) 有一个极大值温度点
iii)
()max si sw e e ?对应的T = -12 °C ，∵ 潜热释放 ∴ max
?
??
???dt dm i 的T 低于-12 °
C
5．通风系数的影响
(1) 非静止状态：冰晶有相对空气的运动，通风系数*VL f
(2) 实验表明：当Sherwood 数中的特征长度P L /*Ω≡时，则*VL f 不受冰晶形状的严重影响。Ω 冰晶的总面积，P 垂直于气流方向平面的周长。
Sherwood 数：r V h D L K S *
2Ω≡， ΩV K 平均质量转换系数，)
(s i
V dt dm K ρρ?Ω??????≡
∞Ω
，且有0≥ΩV K (3) *VL f ：
Hall 和Pruppacher(1976): 理想的雪花晶体：
??
?≥+<=+=0
.128.086.00
.114.00.12
/13/12*
χχ
χχe c VL R S f
,/*D L U R e ∞= D S c /ν= Schmidt 数
Ji W.S.(1991), Wang 和Ji （1992）：3D 不稳定粘性流的数值模拟。 i. 0.2≤Re ≤20的柱状冰晶
432)4/(73911.0)4/(73409.0)4/(39402.2)4/(00668.00.1χχχχ??+?=V f
ii. 1.0≤R ≤120六角板状冰晶Pla
432)10/(06247.0)10/(31933.0)10/(79820.2)10/(6042.00.1χχχχ??+?=V f iii. 宽枝状冰晶Plc. 1.0≤Re ≤120
2)10/(55333.3)10/(35463.00.1χχ+?=V f , 2
/13/1e c
R S =χ, 取.632.0=c S 图fv ~χ
(4) 考虑通风系数*VL f 时, 冰晶凝华增长率为:
)(4*T f f C dt dm i VL i i
σπ=????
?? 计算结果:
i. 四种形状冰晶增长 图2.2.2 条件：环境对冰面饱和，初始冰晶m r μ30=,四种形状冰晶
冰晶的几何形状对i
dt dm ???
???的影响随冰晶尺度增大而增大。
ii. 不同T 下的i dt dm ???
??? 图2.2.3 图2.2.4
i
dt dm ???
???max: 针状N1a ( -6 °C
) 枝状Plc ( -15 °C ) i
dt dm ???
???min: 柱状 Cle (-8
~ -9 °C ) 和 ( T < -20 °C ); 板状 Pla ( T > -5°C ) 不同形状冰晶对应于不同温度下的凝华增长率随时间增长而相差越来越大。eg. 增长10 min 时， -15 °C 的枝状冰晶Plc 的大小等于-8 °C 时柱状冰晶Cle 的6倍
第十三章云降水物理探测简介 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.直接测量方法 1.1. 云凝结核计数器 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. 冰核计数器 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。 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： 滤膜取样在静态热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
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。 10. 温带气旋锋面云系雨带、温带气旋锋面云系雨带的共同特征、播种云-供应云降水机制、热带气旋
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。就可能发生凝结，形成云。此种云的水滴不大，不太可能产生降水。 （3）垂直混合降温：湍流运动所产生的各种物理量通量使大气属性重新分布。 例如比湿的高度分布将变得均匀化，温度层结趋向于干绝热递减率（中性）。 这种过程在合适的条件下将导致乱流层上部降温增湿，这种过程有利于云雾在逆温层底（乱流层顶）形成。与此相反，气层的下部将变得暖而干。 （4）相变降温：末饱和空气等压地移经云雾滴或雪花的空间，或流经水面或积有冰雪的地面时à一方面吸收蒸发的水汽，增大湿度，另一方面一部分热量被转化为潜热而消耗，使温度下降。 因相变而消耗热量从而降温的现象，称为“相变降温” 降温量：T-Tw
第一章 1. 简述我国天气雷达发展阶段及未来发展方向。 我国天气雷达发展大体上经历了从模拟天气雷达、数字化天气雷达到多普勒天气雷达的三个发展阶段。 未来:双极化、相控阵、多基地雷达 2. 简述雷达气象的研究内容。 (1) 利用天气雷达，进行大气探测和研究雷达波与大气相互作用的学科，它是大气物理学、大气探测 和天气学共同研究的一个分支。 (2)主要内容:基础理论、分析应用、探测方法与技术三部分(填空)。 （问答答法）基础理论方面包括云和降水粒子对雷达波的散射；微波经过大气、云和降水粒子时的衰减；气象条件对雷达波传播的影响，如大气折射、大气不均匀结构的散射等。 分析应用方面包括雷达测量降水和云中的含水量；天气系统(特别是中小尺度系统)的雷达回波在天气分析预报上的应用，在云和降水物理探测研究上的应用；多普勒雷达和各种波长的新型雷达在风的水平结构和铅直结构、铅直气流速度、降水粒子谱、晴空回波、大气湍流等的探测研究中的应用。 探测方法与技术方面包括各种天气雷达资料的处理和传输等。 4. 何谓雷达工作波长、频率，简述其关系。 波长λ：天气雷达发射高频电磁波的一个周期长度。波长不同，雷达性能不同。 频率f：单位时间内完成振动的次数，即每秒钟内发射出电磁波的次数 关系：f=C/λ，C为光速 5. 何谓脉冲宽度、脉冲长度，简述其关系。 脉冲宽度τ：发射高频电磁脉冲波的持续时间叫脉冲宽度 脉冲长度h：脉冲波在空间的长度叫脉冲长度。 关系：h=τ c 6. 何谓脉冲重复频率与脉冲重复周期，简述其关系。 脉冲重复频率F：是每秒钟雷达发射脉冲波的次数。 重复周期T：两个相邻脉冲波之间的时间间隔 它们之间互为倒数关系：F=1/T 11. 简述天气雷达的三种基本观测模式。 （1）圆锥扫描模式 雷达天线在仰角不变，方位进行360°的连续扫描称为圆锥扫描，也称平面位置显示(PPI)观测。 （2）垂直扫描模式 雷达天线方位角不变，仰角进行0-30° (或更高)的上下扫描称为垂直扫描，也称为距离高度显示(RHI)观测。 （3）立体扫描模式 选定的多个不同仰角圆锥扫描的集合称为立体扫描（VOL）。立体扫描一般选用大于200千米的 距离档，从0°仰角开始作圆锥扫描，完成一个圆锥扫描后，依次抬升仰角，进行多次圆锥扫描。
人工降水用人为手段增加云的降水量。运用云和降水物理学原理，通过向云中撒播催化剂（盐粉、干冰或碘化银等），使云滴或冰晶增大到一定程度，降落到地面，形成降水。撒播催化剂的方法有飞机在云中撒播、高射炮 人工降水 或火箭将碘化银炮弹射入云中爆炸和地面燃烧碘化银焰剂等。是人工影响天气中进行得最多的一项试验。 人工影响云的微物理过程，可以在一定条件下使本来不能自然降水的云受激发而降水，也可使那些水分供应较多、往往能自然降水的云，提高降水效率而增加降水量。但不能自然降水的云能供应的水分较少，因此人工催化的经济价值有限。 人工增雨原理可概括地用“触发机制”四个字来描述，即在充分研究自然降水过程的基础上，人工触发自然降雨机制。有云才能有雨，但不是所有的云都有降水潜力，只有那些有降水潜力和开发利用可能（云水资源丰富，云层较厚，对冷云来讲主要要有较丰厚的过冷水区）的云才可催化致雨。
方法 人工降水的主要方法是向云中播撒人工催化剂。在低于0℃的冷云中播撒碘化银或干冰，可以产生大量人工冰晶（每克催化剂约能产生1012个冰晶），这些冰晶能通过冰晶过程迅速长大成为降水粒子，从而使冰晶过少的自然冷云增加降水。在冷云催化过程中释放的冰晶化活热可使云中温度升高约0．5℃，从而加大浮力，促进河流和云体发展，以增加降水量，这叫动力催化。对于温度高于0℃的暖云，可以播撒大小适当的食盐、尿素或其它吸湿性物质颗粒，使云中迅速形成一批大云滴（每克盐粒约能产生107个大云滴），它们能通过碰并过程迅速长大成雨滴，从而使大云滴不足的自然暖云增加降雨。除了播云催化以外，有人试验用热流机从地面向上喷射高温气流，以加强空中或云中的局地对流，从而增加局地的水汽凝结和降水量。 原理 人工增雨的原理是根据空中云的性质、高度、厚度、浓度、范围等，向云体播撒致冷剂(如干冰、丙烷等)、结晶剂(如碘化银、碘化铅、间苯三酚、’四聚乙醛、硫化亚铁等)、吸湿剂(食盐、尿素、氯化钙)和水雾等，以增加云中冰晶浓度，弥补云中凝结核的不足，加强云中碰并活动，促使云滴增大，改变云滴的大小，分布和性质，加速雨滴的生长过程，从而达到增加降水之目的。主要有三种形式： 冷云催化 在温度低于0°C的冷云降水过程中，冰晶浓度起着重要的作用。根
云和降水微物理学 气象图 大气中的水汽凝结而成的云滴很小，半径大约10微米，浓度为每升一万至一百万个，下降的速度约 1厘米／秒，通常比云中上升的气流速度小得多，因而云滴不能落出云底。即使离开云底而下降，也会在不饱和的空气中迅速蒸发而消失。只有当云滴通过各种微物理过程，集聚和转化成为降水粒子后，才能降落到地面。 成云致雨要经过一系列复杂的微物理过程：湿空气上升膨胀冷却，其中的水汽达到饱和，并在一些吸湿性强的云凝结核上，凝结而成初始云滴的凝结核化过程；云中的过冷水滴或水汽，在冰核上冻结或凝华以及在-40℃以下，自然冻结成初始冰晶胚胎的冰相生成过程；水汽在略高于饱和的条件下时，在云滴(冰晶)上进一步凝结(凝华)，使云滴(冰晶)长大的凝结增长过程(凝华增长过程)；云内尺度较大的云滴，在下落过程中与较小的云滴碰并而长大的重力碰并过程；冰晶和过冷水滴同时存在时，因为过冷水滴的饱和水汽压比冰面的大，造成过冷水滴逐渐蒸发，而冰晶则由于水汽的凝华而逐渐长大的冰晶过程。降水粒子的尺度大约是云滴的一百倍，但其浓度却仅为云滴的百万分之一。
人工降雨 云滴由于受表面张力作用，通常呈球形。球形纯水滴表面的饱和水汽压，高于平水面的饱和水汽压。以半径为0.01微米的水滴为例，其饱和水汽压超过平水面的12.5%。在没有任何杂质的纯净空气中，初始的云滴只能靠水汽分子随机碰撞而生成。靠分子随机碰撞而产生云滴的可能性随着尺度增大而变小。 微小的初始云滴，只有在相对湿度达百分之几百的环境中才不致蒸发。但实际大气的水汽含量很少能够超过饱和值的1%。因此，在没有杂质的纯净空气中是难以直接形成云滴的。事实上，大气中存在着各种凝结核，这为凝结成云滴提供了条件。 云凝结核可分成两类：亲水性物质的大粒子，它不溶于水，但能吸附水汽，在其表面形成一层水膜，相当于一个较大的纯水滴；含有可溶性盐的气溶胶微粒。它能吸收水汽而成为盐溶液滴，属吸湿性核。例如海盐的饱和水溶液，只要环境相对湿度高于78%，就可以凝结长大。 随着凝结水量的增加，溶液滴的浓度越来越小，所要求的饱和水汽压也越高。但是，随着凝结水量的增加，溶液滴的尺度也随着增大，所要求的饱和水汽压又随尺度增大而降低。因此，不同浓度和不同尺度的溶液滴要求的饱和水汽压值各不相同，当环境水汽压大于相应的临界值时，溶液滴即可继续增长，随着尺度的增大，溶液滴渐趋纯水滴，这时溶液滴的饱和水汽压也转而下降，一个含千亿分之一克食盐的微粒，只要环境的相对湿度略大于100%，即可成为凝结核而生成云滴。
人工降雨中的物理学 摘要管理学是系统研究管理活动的基本规律和一般方法的科学。管理学是适应现代社会化大生产的需要产生的，它的目的是：研究在现有的条件下，如何通过合理的组织和配置人、财、物等因素，提高生产力的水平。管理学是一门综合性的交叉学科。既然是交叉性的学科就与生活中的物理学有许多相通的地方。 管理学本文简略的介绍管理学利用物理现象所取得的一些成就和一些离不开的物理知识。 关键词：管理与物理人工降雨 其实在管理学中利用物理想象来达到理想的管理目的的例子很多，下面我就通过以下几个例子来介绍管理学与物理之间的不可分割的联系。 人工降雨。 “……傍晚可能有雷阵雨。”8月8日的北京，潮湿闷热，像是憋着一场暴雨，让人无法不相信这样的天气预报。 “这雨怎么还不下？先下了晚上就不会有影响了！”对于晚上将要上演的奥运会开幕大戏，天气这个角色将如何上场，所有人都揪着心，盼望着天公作美。 直到8月9日凌晨，北京奥运会开幕式结束，国家主体育场“鸟巢”滴雨未下。有人认为是气象台预报错了，有人说是老天爷开眼了。其实，所有功劳都应该记在气象人身上———这是中国有史以来最大规模的有组织、有计划成功实施的人工影响天气作业，也是奥运史上在开幕式阶段首次实现人工消雨。【1】 这也是人们在管理的过程中利用物理现象而达到的一个重要而且完美的管理与物理结合的例子。 下面就介绍一下人工降雨所利用的物理学知识和好处。 一、人工降雨的方式 呼风唤雨曾经是人们的美好愿望，随着现代科技的进步，这一梦想已变成了现实，人工降雨便是其中一种实用的方式。炎热的夏天，一场大雨滂沱而至，温度下降，空气湿润又凉爽，该是如何的惬意！同理，冬季里人工降雪即可以水土保墒，又可以净化空气，减少细菌的产生，还可以给人们带来雪中的情趣。 目前，我国的人工降雨方法有三种：一种是利用飞机把冷却剂（干冰、液氮等化学药剂）播洒到云中，使云层温度下降，同时细小水滴冰晶迅速增多加大，最后形成降雨；另一种是在云中播洒吸湿性强的凝结核（如食盐、氯化钙、碘化银、硫化铜等无机盐），使云滴增大为雨滴降落下来；还有就是利用高射炮、火箭等向云层轰击产生强大的冲击波，使云与云发生碰撞，合并增大成雨滴降落下来。【2】我国的人工增雨始于1958年，当时吉林省遭遇百年未遇的大旱，国家和吉林省的有关科学家们在地方政府的支持下，开展了第一次飞机人工增雨试验。辽宁省在20世纪50年代就开展了高炮人工增雨、
南京信息工程大学2019考研大纲F05云降水物理学 考研大纲频道为大家提供南京信息工程大学2019考研大纲： F05云降水物理学，一起来了解一下吧！更多考研资讯请关注的更新! 科目代码：F05 科目名称：云降水物理学 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。 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 * 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;
冷鋒是什麼: 冷鋒是我國最常見的一種鋒，它可以活動於全國各地。但由於冷鋒和高空槽的配置、移動快慢等不同，冷鋒附近雲和降水的分布也有明顯的差別，有的主要出現在鋒後；有的則主要出現在鋒前。 根據天氣學家分析，冷鋒的天氣狀況大體可分為兩種類型： 第一類:冷鋒移動較慢，坡度也較小，處於空中700hpa槽前，通常稱為第一型冷鋒。這一類型的冷鋒，由於冷氣團一方面向前移動，使得鋒前的暖氣團一方面向前移動，一方面被迫沿鋒面向上滑行，在水汽條件充分時，便在鋒上產生了雲系和降水。 由於這類冷鋒處於高空中槽前，利於空氣的上升運動，在鋒面未到時，暖氣團並非碧空無雲，隨著冷鋒的來臨，空氣中常先有卷雲、卷層雲，雲層隨鋒線的接近而逐漸加厚，鋒線過時為雨層雲，雨區寬度約150~200公里。 第二類:冷鋒移動較快，坡度較大，處於高空中700hpa槽後或槽線附近，常稱為第二型冷鋒。這類冷鋒上面冷帄流較強，氣流下沈，僅地面鋒線附近暖空氣被抬升，但鋒面坡度大，有較強的氣流上升運動。其冬、夏天氣狀況有明顯的不同，夏季暖氣團比較溼潤，本來就不穩定，加上上空強烈的冷帄流，變得更加不穩定。故鋒線附近常形成強烈的積雨雲，排列在鋒線附近，像一座雲堤，冷鋒來臨時，出現雷暴和陣性降水，但降雨區僅數十公里。冬季，鋒前的暖空氣位於槽前，氣流上升形成卷雲、卷層雲、高層雲、雨層雲，在地面鋒線附近，有不寬的連續性降水區。降水止後，常出現大風，人們也稱這種鋒為乾冷鋒。 由於冷鋒移動速度有快有慢，因此當冷鋒移動較慢時，暖空氣上升會較慢且帄穩，因此較易出現層狀雲，同時降雨也較緩和；當冷鋒移動較快時，由於暖空氣會被冷空氣快速抬升，因此往往容易造成濃厚的積雨雲，同時下起雷電交加的大風雨。 出現時間: 西北地區一年四季均有冷鋒活動，冬季強，夏季弱，而出現的頻數相近。其形狀和移速受地形影響極大。 冷鋒活動的一般特點：在東亞地區都有冷鋒活動。冷鋒的活動頻數，北方多於南方，西南地區冷鋒出現的頻率最小；冬半年多於夏半年，春季最多，秋季最少。 出現地點: 冷鋒的強度，冬季最強，常能直驅華南及南海，而造成寒潮天氣。夏季，冷鋒較弱，主要活動在北方，夏季的冷鋒常帶來雷陣雨天氣。 華北地區是中國境內冷鋒活動的必經之地。東北地區則是一年四季都有冷鋒活動，尤其是春秋季節，冷鋒活動頻繁。這兩個地區的冷鋒來源都有西路、西北路、北-東北路三種。冬天，冷鋒主要引起降溫和大風，夏天都能產生雷雨天氣。春季，冷鋒在東北常易造成大風和降水，而在華北往往只引起風沙天氣。
云降水物理和人工影响天气研究进展和思考 发表时间：2019-04-24T16:00:55.140Z 来源：《基层建设》2019年第2期作者：王俊喜 [导读] 摘要：随着我国科学技术的快速发展和革新，不断应用到了各个行业，尤其是云降水物理和人工影响天气方面的研究获得了长足的进步。 东营市气象局山东东营 257091 摘要：随着我国科学技术的快速发展和革新，不断应用到了各个行业，尤其是云降水物理和人工影响天气方面的研究获得了长足的进步。本文首先针对云降水物理进行了分析，然后针对人工影响天气进行了详细地探讨，最后针对云降水物理与人工影响天气的研究进行了思考，望对业界人士提供有效地参考意见。 关键词：云降水物理；人工影响天气；研究进展；思考 前言：近年来，因为环境恶化带来的连锁反应，导致我国众多地区都出现了自然灾害，给当地的经济发展和农林业建设造成了巨大的损失，严重限制了地区的经济发展步伐。面对这样的情况，我国相关部门要不断强化最自然灾害治理的思想意识，通过对云降水原理进行深入地分析和研究，并与现代化的人工影响天气先进技术相结合，人为干扰自然天气，降低自然灾害对我国各方面的阻碍作用，为国家的经济发展奠定良好的基础。 1云降水物理分析 1.1 积云 通常情况下，不稳定的空气对流会在白天形成云，且具有较快的形成速度，有时候能够在短短几分钟之内就可以形成跨度为几平方公里的大面积云。当积云的范围扩展到一定程度后，就会发生一些变异情况，甚至会演变成为一种砧状云层结构。且在异变的过程中，积云的周围或者在其顶部会出现一定程度的较为稳定的下沉气流，且会对积云产生较大的影响。当气流比较合适时，存在于积云中的水滴会随着气流进行横向或者纵向运动，推动积云的继续壮大。当对流不利于积云发展时，气流对悬浮液的作用就会强化，甚至导致积云的裂解，最终会出现阵性降水。站在积云的角度来看，整体的水量分布呈现了不均匀的状态，其多集中在中部，其他位置的分布较少，尤其是同一高度上的中线位置水量分布较边缘位置水量分布更多。在暴雨、冰雹、大风等众多强烈型天气中都会出现积雨云的身影，并且积雨云持续时间较长，具有较大的可伸展范围。 1.2 层状云 与积云不同的是，层状云可以在水平方向进行数百公里的扩展，但是当其厚度较薄时，降水发生的概率较小；当层状云较厚的时候，大范围的降雪和降雨都会出现。锋面抬升、地形抬升、积云平衍、乱流降温、气层辐合等众多因素都是形成层状云的重要因素。当斜升空气层呈现不稳定的状态时，积状的对流云产生的概率较大。从上述细节内容我们可以知道，积云和层状云在形态上就有较大区别，可以轻易地进行识别云的类型。积云与层状云相比，厚度较小，看起来较为透明，但是具有较大的覆盖面积。对层状云进行分类，可以分成卷云、卷层云、高层云、雨层云四层，当天空中出现卷层云时，就会出现降雨天气。 1.3 积层混合云 积层混合云包含着多种云层，且大多数都是对流云和层状云的结合体，因此被人们成为积层混合云。积云的发展得益于层状云的积极促进，与此同时，层状云也会对流云产生一定的影响。流云的形成和发展是在层状云提供的宝盒环境前提下进行的。层状云的发展过程会产生大量的上升气流，在较短的时间内，会削弱积层混合云的降水强度，与此同时还会延长积层混合云降水的时间。由此可以推断，层状云是有效联系流云和积云的桥梁，积极推动了云降水的良性发展。 2 人工影响天气研究 2.1 冰雹云物理和人工防雹研究 2.1.1 雷达识别冰雹云的方法 在进行识别冰雹云的过程中，相关工作人员很对雷达的回波形成特征、移动、结构、强度、尺度、形状等数据进行积极的统计和分析工作，高效识别冰雹，且具有较高的冰雹识别率，甚至达到的85%，在相关工作中具有现实的应用价值。 2.1.2 冰雹云分类 根据冰雹强度的不同，我们可以把冰雹云划分为多单体雹云、传播雹云、弱单体雹云、强单体雹云四种类型。 2.1.3 催化防雹机制 源区之所以是人工催化防雹的关键部位，是因为其具有雹胚良好形成的最佳条件。借助催化作用的推动，迅速增加的源区冰晶数量，会引发雹胚的数量的逐步增加。当形成的雹胚具有较小的直径时，其相冰雹转化的比例呈现较小。利用这一点，不仅可以有效降低冰雹总质量、冰雹总数量、冰雹的平均直径，还能高效地规避冰雹灾害的发生，最大程度的保护人民的生命财产安全，保证当地的经济建设和生产。 2.2 人工增雨理论研究 2.2.1 暖云人工增雨 通过对众多案例中暖云人工增雨的研究和分析，我们发现，对流性暖云实施人工降雨的过程中，盐粉颗粒大小和盐粉撒播位置都会严重影响降水效果和实际撒播效率。在对流行暖云落实人工降雨的过程中，相关人员要充分考虑云层的生命时间、上升气流、含水量、厚度等因素，优化盐粉撒播方式，提升其撒播效率，与实际人工降雨需求相契合。 2.2.2 人工增温影响积云 通过对人工增温的研究表明，对积云开展人工增温，能够显著影响积云的宏观动力过程。针对积云落实人工增温后，不同程度的增加现象会出现在积云含水量、积云上升气流、积云中的浮力，积极推动了积云的发展。人工增温的强度和范围越大对积云造成的影响也就越大。 2.2.3 人工增雨潜力及其评估 通过相关研究发现，当云中的过冷水量越充足，对于提升人工增雨的效果越有利，汽—冰的转化水、水—冰的转化水是人工增雨过程中的主要水分来源。