云降水物理期末复习

1 云降水物理复习整理 第一章 绪论 云降水物理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。 宏观云物理学：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； 微观云物理学：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；

第二章 云雾降水形成的物理基础（云雾形成的宏观条件） 云是由大气中水汽凝结或凝华形成的足够数量的微小水滴、过冷水滴、冰晶、雪晶等水凝物粒子单一或混合组成，形状各异漂浮在天空中的可见聚合体。 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。 湿空气达到饱和的主要途径：

对相对湿度方程𝑓=𝑒/𝑒𝑠取对数微分得：𝑑𝑓𝑓=𝑑𝑒𝑒−𝑑𝑒𝑠𝑒𝑠；带入平纯水面的双克方程𝑑𝑒𝑠𝑒𝑠=𝐿𝑣𝑑𝑇𝑅𝑣𝑇2，得

𝑑𝑓𝑓≈𝑑𝑒𝑒−𝐿𝑣𝑅𝑣𝑇𝑑𝑇𝑇，带入𝐿𝑣、𝑅𝑣、𝑇得：𝑑𝑓𝑓≈𝑑𝑒𝑒−19.8𝑑𝑇𝑇，这就是相对湿度变化方程。

所以增大相对湿度有两个途径：增加水汽即增湿（de>0）和降温（-dT>0） 1. 降温： （1） 上升膨胀冷却：对流（孤立对流、镶嵌对流即细胞对流）；斜升（锋面斜升、地形斜升）；波动（风切变、气流过山）。 （2） 平流冷却：暖湿空气流经冷下垫面。 （3） 辐射冷却：夜间辐射冷却。 2．增湿： （1） 增湿：平流增湿（冷空气流经暖水面、湿空气流入冷地面）；水汽运载辐合，继之以上升膨胀冷却。 （2） 湍流混合（温湿均变）：湿空气垂直混合；湿空气水平混合。 3．降低水汽饱和标准： （1） 冰相出现：云顶或高云的冰晶自然播散；冻结核。 （2） 大滴出现； （3）溶液出现； （4）降温； （5）水滴带电 4.微观增湿和降温: （1） 水汽垂直扩散； （2）蒸发 海洋、大气和陆地的水，随时随地通过蒸发、水汽输送、降水、下渗和地表与地下径流等水文过程，进行着连续的大规模交换，称为水分循环。 大气降温机制： 绝热降温：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。 热力性：对流抬升，积状云； 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 动力加热力性：低空辐合。 非绝热降温： 辐射降温：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

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。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。 垂直混合降温：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。 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，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。 平流降温：暖空气平流过程中经过冷下垫面，暖空气本身发生的降温现象。

第三章 云雾的宏观特征（云的宏观形成及观测特征） 云的宏观特征包括了云的外形、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。 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。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%。 云含水量的“水”，泛指固态水及液态水。 比含水量，或叫质量含水量，指每单位质量湿空气中所含固态或液态水的质量，常用单位为g/kg。类似于水汽含量中的“比湿”。云底的比含水量为零。 含水量，或叫体积含水量，指每单位体积湿空气中所含固态或液态水的质量，常用单位为g/m3。类似于水汽含量中的“绝对湿度”。 可逆湿绝热过程中，比含水量随着高度的增大而增大，直到其中水汽全部凝结出来时，比含水量达最大值。其中空气因绝热膨胀冷却所凝结出的比含水量，称为（湿）绝热比含水量，或饱和比含水量。其值（𝑞𝑙𝑧）应正好等于云底饱和比湿（𝑞𝑠𝑏）与各高度饱和比湿（𝑞𝑠𝑧）之差。 云内含水量：云底温度越低，绝热含水量（𝑊az）最大值出现的高度降低。一般情况下，云内实际含水量≤𝑊az，并受多种因素影响： 在云的上升气流区中心，含水量可能接近𝑊az，愈远离上升气流区，含水量愈小；在云的边缘，由于云内外乱流扩散或挟卷作用，含水量可远比𝑊az小。 云中的下沉气流区，以及与干空气混合的区域，由于固液质粒的蒸发，使含有水量减小。 在有降水的地方，当雨雪粒子下降速度随高度降低而减小时，出现降水质量的垂直辐合，含水量会大于𝑊az；反之降水质量辐散的区域，含水量会较小。 云厚与云底温度也与云内含水量有关，大体上云层愈厚、云底温度愈高，则其平均含水量及最大含水量都愈大。 积云的特征及其形成： 因不稳定空气的对流形成，其垂直尺度决定于不稳定层的厚度和不稳定度的大小，可与其水平尺度相当。 多由较小的热泡中水汽凝结后不断发展而成，典型水平尺度为3km，发展旺盛的积云在垂直方向可伸展到对流层顶，甚至达到平流层底数公里范围。 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。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。在成熟阶段，垂直气流速度比其发展初期要大，更重要的是这时云中还出现了与上升气流有着相同数量级的下沉气流。对流云发展末期，云中几乎都是下沉气流，同时在云的下半部及云底以下有大量的辐散气流。 成熟阶段，云顶一般直抵对流层顶，并产生冻结，形成冰晶化丝缕结构，在对流层顶的阻挡下和高空风切变作用下，云顶呈砧状，通过冷云降水机制形成降水，降水物下落拖曳和蒸发冷却作用使云内产生下沉气流，但冻结层以上仍为上升气流，故云内同时存在上升和下沉气流，此时积云发展最旺盛。 消散阶段，降水持续，下沉气流范围不断扩大，直至切断维持上升气流的暖湿空气源，造成云体整个下沉。云滴不再增大，降水逐渐停止，残留云体蜕变，蒸发消散。 对流云的含水量，积云中含水量的空间分布是不均匀的。在云顶和云底都比较小，中部有个极大值。在同一高度上，中心部位比边缘部位要大一些。含水量高值中心与上升气流速度的极大值所处的位置是相配合的，因为只有强的上 3

升气流才能支托大水滴和相应的大含水量。 积云形成理论—热泡理论，热泡形成的4个阶段是： 1）局地增温；2）浮升热柱尺度与受热局地尺度相当，热柱推开上方空气，同时形成下沉补偿气流；3）下沉气流将伸长的热柱切断（下部温度差异小），使上升热柱构成热力乱流泡；4）地面持续加热，使热柱再次发生。 热泡各部位的气流分布，中心上升气流最强，上部边缘向四周扩张的气流最强，下部边缘向中心会聚的气流最强，中部边缘的下沉气流最强，从帽顶向四周帽沿下弯，在帽底中心转向上方形成涡旋卷。 积云、积雨云的形成，热泡升达凝结高度，即可产生云体，由于挟卷、乱流和蒸发作用，先形成边缘破碎的碎积云（Fc），当碎积云飘移蒸发致使凝结区的空气湿润，云体就稳定出现，形成淡积云（Cu hum）。 热气股持续发展及旁侧其它对流泡的共同作用，使气股维持一定的高温，致使对流维持，云体垂直厚度不断增大，达到可与水平尺度比拟时，发展为浓积云（Cu cong），表现为多个云泡突起。当浓积云内含水量大，垂直气流较弱时，可产生小阵雨。 气团雷暴模型，气团雷暴对称单体生命期短、尺度小（几公里至十几公里），降水效率低于20%，雷暴内部存在下沉气流对冲上升暖湿气流的自毁机制，不出现持续强风和冰雹。 书P211 局地强对流风暴，中纬度地区暖季，当出现对流不稳定层结且从对流层低层到高层存在较大的铅直风切变时，可以发展强烈的局地对流，形成由积雨云组成发展起来的中尺度风暴系统，称为局地强风暴，以区别于气旋风暴，它同时伴生强降水、大风、冰雹等强烈天气。由于其内部上升与下沉气流互不产生破坏性对冲，故局地强风暴可以维持很长时间。 层状云：水平方向发展的云。 形成：锋面抬升，地形抬升，乱流降温，积云平衍。

积状云 层状云 尺度 L: 100km L/H : 100 H: 1-2km；L/H ≈ 10 1~2

均匀性 不均匀 较均匀 逆温层 云顶以下无 常伴随1-2 含水量 100-101 g/m3 10-1g/m3 降水 阵性降水、强度大 连续性降水、强度小 雷达回波 强回波区域 均匀、亮带 持续时间 约100小时 约101小时 亮带（雷达显示屏上反射率特别大的长条区）：凡上部温度低于0度，下部高于0度的降水云，在对流不强时，往往在雷达回波中显示出明显的亮带。位于0度层以下80～400m，厚度15～150m，呈水平带状。降水质粒的反射率与复折射指数m有关，水的折射率因子约为冰的5倍。雪在下落到0度层，外层融化成水表，易碰并粘连，折射率增加5倍。完全变为水滴时，尺度减小、下落末速增大—反射率减小。由于它是雪花融化所致，故也称融化带。 “播种云一供应云”机制：高空对流泡中通过凝华和结淞增长大量冰晶，成为自然“播种云” ，冰晶降落到低层浓密的层状云中碰并水滴，从而将云水转化为雨水。在低层，由中尺度抬升而产生的浓密的层状云为降落下来的降水粒子提供了丰富的云水，成为“供应云”。 高层播种云，一般是卷层云，在气旋云系中，高空对流泡是一种典型的播种云。由于高空对流泡尺度小，可能同时存在好几个，因此，使地面降水存在着小尺度的不均匀结构。 供应云，一般指浓密的层状云，如高层云、雨层云、层积云或层云。当供应云受到冰雪晶粒子的播种后，云内会通过云水碰冻→云冰碰连→雪晶的有效转化以及碰并等过程，使其降水强度明显增加。 温带气旋锋面云系雨带的共同特征：1、存在对流现象；2、内含雨核结构；3、具有“播种—供应”降水机制。 雾的形成和分类：雾是水汽凝结(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。发生学分类有辐射雾、平流雾、蒸发雾。 辐射雾：大都出现于晴朗的后半夜，日出后消散，强度大的可持续到午后。辐射雾由地面和大气辐射冷却而形成。