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雲和降水物理學

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雲和降水物理學是研究雲和降水的形成和發展過程的學科,又稱雲物理學。潮濕空氣在冷卻過程中(最重要的是空氣上升時的膨脹冷卻過程),當水汽達到飽和狀態,並在大氣凝結核或大氣冰核上凝結時,形成雲滴或冰晶,再經過一系列的物理過程,演變成降水物而降落。決定成雲致雨的主要因素,是大氣運動的熱力過程和動力過程、水汽的含量以及雲和降水的微結構特徵。

1 雲和降水物理學 -概念解析

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雲和降水物理學是研究雲和降水的形成和發展過程的學科,又稱雲物理學。潮濕空氣在冷卻過程中(最重要的是空氣上升時的膨脹冷卻過程),當水汽達到飽和狀態,並在大氣凝結核或大氣冰核上凝結時,形成雲滴或冰晶,再經過一系列的物理過程,演變成降水物而降落。決定成雲致雨的主要因素,是大氣運動的熱力過程和動力過程、水汽的含量以及雲和降水的微結構特徵。

2 雲和降水物理學 -研究簡史

雲和降水物理學氣象學家I·朗繆爾

(1)早在19世紀中葉,已逐步形成了濕空氣塊上升時凝結過程的熱力學理論,這是雲的宏觀動力學的基礎。

(2)1880~1881年,英國的J.愛根等提出了塵粒在水汽凝結而生成雲滴過程中的作用(稱為凝結核)

(3)但直到20世紀20年代,才建立了雲滴的凝結理論。

(4)1933年,瑞典氣象學家T·H·P·伯傑龍從理論上研究了冰晶和水滴間的水分轉移問題,提出了冷雲降水機制。雖然當時已經提出暖雲中水滴互相碰並而增長成雨滴的假設

(5)但直到40年代末,才被雷達和飛機的觀測所證實。儘管有了這些成果,可是在40年代之前,雲和降水物理學仍然附屬於物理學和氣象學。大量關於雲和降水特徵的觀測資料,都是在40年代以後獲得的。40年代中期,開始對積雲的結構和生消過程進行綜合探測。

(6)1946年,I·朗繆爾和V.J.謝弗在過冷層狀雲中播撒乾冰,成功地進行人工降水試驗,促使雲和降水物理學蓬勃發展起來。隨後對雲的微物理過程和宏觀的動力和熱力特徵,進行了細緻的觀測研究,到50年代中期,雲和降水物理學才成為大氣科學中的分支學科。

3 雲和降水物理學 -主要內容

雲和降水物理學包括兩個方面:

①雲和降水微物理學。

主要研究組成雲和降水的雲滴、冰晶和雨、雪、霰、雹等降水粒子的生成、增長和轉化等微觀物理過程。

②雲動力學。

主要研究雲和雲系整體的宏觀特徵,熱力過程和動力過程及其演變的規律。微觀和宏觀兩個方面既有區別,又互相聯繫、互相影響。例如大氣的熱力過程和動力過程,決定了雲和降水微物理過程的速率和持續的時間;而雲和降水發展過程中所釋放的潛熱,以及雲和降水粒子對氣流的拖曳,又反過來影響空氣的運動,即:釋放的潛熱將增加雲繼續向上發展的能量,使氣流的上升加劇,拖曳作用將促使氣流下沉。

4 雲和降水物理學 -研究方法

雲和降水物理學人工降水

雲和降水物理學的研究主要有三個環節:

外場觀測試驗

用飛機作為運載工具,攜帶各種探測儀器,飛至雲中取樣,探測雲、雨粒子的濃度、相態變化、含水量,以及溫度、上升氣流等數據;使用雷達觀測雲中大粒子區的演變過程和雲中的氣流;配合衛星和常規氣象裝備,對雲雨過程進行宏觀的觀測。通過分析研究觀測的結果,可獲得雲和降水的宏觀結構和微觀結構及其演變的知識。

室內實驗

利用雲室和風洞等裝置,在精確控制的溫度、壓力、濕度和風等條件下,對雲和降水粒子的生成、增長等過程,進行模擬實驗,將其結果同外場觀測結果相互驗證。

理論研究

在室內實驗和外場觀測試驗的基礎上,應用數學和物理的基本規律,建立雲和降水的理論模式,利用電子計算機計算,定量研究雲和降水的過程。

5 雲和降水物理學 -與其他學科關係

雲和降水是在一定的天氣形勢條件下產生和發展的,大部分重要的天氣現象,如雷暴、冰雹、龍捲以及暴雨、梅雨、颱風、連陰雨等,都與雲和降水有關。所以雲和降水物理學與天氣學有密切的關係。從另外的角度看,雲和降水過程是地球大氣的熱量、水分和動量平衡的關鍵因素,它不僅影響到局地的和短期的天氣過程,也影響到大氣環流和全球氣候的變化。此外,雲和降水還會影響大氣污染、大氣雷電和電磁波的傳播。因此,雲和降水物理學與氣候學、動力氣象學、大氣物理學、大氣探測和大氣化學等分支學科以及應用技術都有密切的關係。由於人工影響天氣的主要途徑是影響雲和降水的微物理過程,因此雲和降水物理學是人工影響天氣的理論基礎;反過來,人工影響天氣試驗的廣泛開展,又大大地促進了雲和降水物理學的發展,並豐富了它的內容。

6 雲和降水物理學 -微波衰減

雲和降水物理學微波
微波衰減原理

微波在雲、雨、大氣中傳播時,雲、雨和大氣對微波的吸收和散射所造成的微波能量的衰減。微波在有雲、雨的大氣中傳播時,其能量的衰減,是大氣和雲滴、雨滴對微波衰減作用的總和。由於微波波長比氣體分子直徑大得多,所以微波波段的大氣散射可以略去不計(見大氣散射)。大氣對微波的衰減主要是大氣的微波吸收所造成的。波長大於3厘米(頻率小於10吉赫)的微波作短距離傳播時,大氣的衰減作用可以略去,但在長距離傳播中必須考慮。雲、雨對微波的衰減,主要是水滴對微波的散射和吸收共同作用的結果。

衰減係數

雲、雨對微波的衰減係數是吸收係數和散射係數之和。在無降水的雲層中,雲滴半徑□□比微波波長λ小得多,當2□□□/λ□1時,可用瑞利散射來處理電磁波和雲滴的相互作用,此時,雲層的衰減,以吸收作用為主,散射作用可略而不計。當雨滴半徑□滿足2□□/λ≥1時,則需用米散射處理電磁波和雨滴的相互作用,此時,散射作用不容忽視(見雲和降水粒子的微波散射)。雨的散射係數比吸收係數小。散射係數與吸收係數的比值,隨著雨的增強或波長變短而加大。根據計算,在波長為3.2厘米和雨強為2毫米/小時的條件下,散射係數與吸收係數的比值為0.05;若波長為0.8厘米和雨強為90毫米/小時,則為0.49。吸收係數和散射係數都隨雨強的增強而加大,但散射係數增大的趨勢比吸收係數較快。雨的衰減係數隨波長增加而迅速減小,例如波長由1厘米增至3厘米時,衰減係數要小一個量級,波長超過10厘米的微波,雨的衰減作用就很小了。

7 雲和降水物理學 -發展方向

隨著儀器裝備的革新、現代計算技術的應用、探測資料的積累和理論研究的不斷深入,雲和降水物理學無論在微物理學方面,還是在宏觀動力學方面,都有不少進展。但由於雲和降水的過程極其複雜,它包括了從尺度小於1微米的雲核,直到尺度達千公里的雲系之間的許多物理過程,因此,無論在探測和實驗方面,還是在理論方面,都還待進一步的深入研究。

8 雲和降水物理學 -研究領域

雲和降水形成

雲和降水物理學是研究雲和降水的形成和發展過程的學科,又稱雲物理學。潮濕空氣在冷卻過程中(最重要的是空氣上升時的膨脹冷卻過程),當水汽達到飽和狀態,並在大氣凝結核或大氣冰核上凝結時,形成雲滴或冰晶,再經過一系列的物理過程,演變成降水物而降落。雲和降水微物理學是研究雲粒子(雲滴、冰晶)和降水粒子(雨滴、雪花、霰粒、雹塊等)的形成、轉化和聚合增長的物理規律的學科。它是雲和降水物理學的重要組成部分,又是人工影響天氣的理論基礎。對於雲和降水粒子形成、增長和轉化的規律的認識,主要是從理論研究和可控條件下的實驗中得到的。實際上,自然雲的環境和相應的微物理進程十分複雜,加上觀測方面的困難,對它們的認識還很粗淺。因此雲和降水微物理學的發展方向,主要是探測和研究以自然云為宏觀背景的粒子群體的演變規律。決定成雲致雨的主要因素,是大氣運動的熱力過程和動力過程、水汽的含量以及雲和降水的微結構特徵。

9 雲和降水物理學 -相關學科

大氣科學、氣候學、物候學、古氣候學、年輪氣候學、大氣化學、動力氣象學、大氣物理學、大氣邊界層物理、雲和降水微物理學、雲動力學、雷達氣象學、無線電氣象學、大氣輻射學、大氣光學、大氣電學、平流層大氣物理學、大氣聲學、天氣學、熱帶氣象學、極地氣象學、衛星氣象學、生物氣象學、農業氣象學、森林氣象學、醫療氣象學、水文氣象學、建築氣象學、航海氣象學、航空氣象學、軍事氣象學、空氣污染氣象學。

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