云降水物理学-学习笔记
第一章绪论
1.宏观云物理学-大气热力学、动力学
微观云物理学-水汽的相变热力学和气溶胶力学，所需的知识为热力学原理、扩散理论等2.
Benoit Paul Emile Clapeyron 克拉珀龙(1799-1865)饱和水汽压与温度的关系Irying Langmuir 朗缪尔(1881-1957)积状暖云可因连锁繁生过程使雨滴数量增多+第一次开展飞机人工播云实验经纬线
Hilding Kohler 科勒(1888—1982)吸湿性核凝结理论Kohler 方程
Theodor Robert Walter Findeisen 芬德森(1909-1945)降水粒子形成理论+云降水物理学的鼻祖 3.云降水物理学的感性认识观测
研究方法探测
理性认识理化实验：在隔离因子的情况下分析研究
理化模拟：在综合因子的情况下分析研究
（用实验方法模拟自然机制及过程）
数值模拟
第二章云雾降水形成的物理基础
2.组成云体的单个云滴或冰晶存在时间很短，云体或者云系的持续存在是由新的云粒子的不断生成维持的。
3.含水量比含水量（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：g/kg，含水量（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：g/m3。
4.Clausius-Clapeyron 克劳修斯-克拉珀龙方程：平水（冰）面饱和水气压和温度的关系温度↑，饱和水汽压↑，饱和水汽压的增大速度↑
5.平冰面饱和水汽压＜同温度下的过冷却水面的饱和水汽压
6.Kohler 科勒/柯拉方程
溶液滴的饱和水汽压温度效应：温度↑，饱和水汽压↑
曲率效应：半径↑，饱和水汽压↓浓度效应：浓度↑，饱和水汽压↓
7.蒸凝现象：指固态或液态物质因升华、蒸发后转变为气态，或自气态因凝华、凝结而转变为固态或液态的现象。
发生条件：当大气中的实际水汽压介于此时共存的两种表面饱和水汽压不相同的液水或冰的饱和水汽压之间
贝吉隆过程（冰晶效应）：对冰、水共存的系统，当实际水汽压介于二者的饱和
水汽压之间时，必有水汽从过冷却水滴向冰晶方向扩散。
重要性：云中单靠水汽凝华，冰晶要增大是十分困难的。如果有过冷却水滴共存
（泛指固态水
和液态水）：ｂ站
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则虽无碰并现象，冰晶仍可以通过蒸凝过程靠消耗过冷却水滴而增大表面饱和水汽压大→蒸凝损失水分子→变小表面饱和水汽压小→蒸凝获得水分子→变大溶液滴表面饱和水汽压＜纯水面饱和水汽压
水由纯水滴上蒸发而凝到溶液滴上
大水滴表面饱和水汽压＜小水滴表面饱和水汽压
水由小水滴上蒸发而凝到大水滴上，大水滴不断凝结变大低温水滴表面饱和水汽压＜高温水滴表面饱和水汽压
水由高温水滴上蒸发而凝到低温水滴上8.云雾形成的条件增湿
降温（大气中云雾的形成主要以降温过程为主）
第三章云雾的宏观特征
1.全球云和降水的分布情况：总云量最大：中纬度海洋上空
最小：亚热带沙漠上空
降水：主要分布在中纬度和热带海洋（全球降水量的3/4都是在海洋上）2.云和云系尺度大尺度、天气尺度（>=1000km）：与气旋或锋面伴随的云系 中尺度（1km—1000km）：主要的云体和云系均在此尺度范围小尺度（<=1km）：小而短时存在的云缕、小的不规则状云、伴
随云滴生消的微物理过程等
3.云内湿度：在98-102%之间，中值约为100.1%
4.积状云
·垂直速度：平均垂直速度一般为每秒几米。最大的上升气流有20-30米／秒。·形成过程：层结不稳定的气层→对流垂直发展→积状云
积云的形成与不稳定空气对流有关，热泡上升达到凝结高度即可产生积云。·热泡理论：○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，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。
5.层状云
·水平方向可伸展数百公里，较薄时可能不产生降水，很厚时可能产生大范围的降雨或降雪，在地面的层云被称为雾。
·层状云是稳定气层受大、中尺度的抬升造成的垂直运动引起的。
呢喃的火花
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·零度层亮带：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。
·亮带结构：位于0度层以下80~400m，厚度15~150m，呈水平带状。6.气团雷暴（积雨云）
·积雨云内○
1雨滴下落与空气产生摩擦拖曳○2雨滴蒸发的冷却作用使空气密度增大，使得云内产生下沉气流，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。
·气团雷暴生命期短、尺度小（几公里至十几公里），升气流速度为几十米/秒，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。7.局地强对流风暴
由积雨云组成组成发展起来的中尺度风暴系统，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。8.飑线
由许多雷暴单体侧向排列而形成的强对流云带，其水平尺度长、宽均约几十至上百公里，持续时间几小时至十几小时。
飑线出现时通常伴有雷暴、大风（或龙卷风）、冰雹等，能量大，破坏力较强，有明显的冷池-阵风锋效应（阵风锋位于雷暴下沉气流前沿）。9.雾
雾：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。
轻雾：水平能见度超过1km 的雾。雾的分类天气学：气团雾和锋面雾
发生学辐射雾
平流雾蒸发雾
温度：暖雾（温度高于0℃）和冷雾（温度低于0℃）相态：水雾、冰雾和（冰、水）混合雾
地域：海雾、陆雾、海岸雾、湖泊雾、山谷雾、极烟和都市雾等
（1）辐射雾：辐射雾由地面和大气辐射冷却而形成。
大陆上秋冬二季的高压天气系统内最有利于辐射雾的形成（晴天微风夜间）（2）平流雾：当暖湿空气移行于冷下垫面时，空气因湍流将热量输送给下垫面而降温，温度低于露点时就有雾形成。这种由平流冷却而形成的雾称为平流雾。平流雾既可发生于海上也发生于陆上。我国冬季沿海是平流雾的多发区。
（3）蒸发雾：当冷空气移行在暖水面上使暖水面上的蒸汽凝结形成。
湖泊雾、河谷雾、岸滨雾等都属于蒸发雾。蒸发雾又称蒸汽雾，在极地称极烟。10.抬升凝结高度：未饱和湿空气块因绝热抬升达到饱和并发生凝结的高度。
第五章云降水微观特征1.云内相态分布
（1）积云中低纬度：温度较高，云由水滴组成，0度线以上为过冷云滴
高纬地区：温度低，冰相出现的机率增大
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（2）层云/层积云：高度较低，温度较高，一般多为暖云，云体由水滴组成，也有上部存在过冷水滴的情形，但高纬冬季也可以出现冰晶。
（3）高层云/积雨云：上部冰晶+中部过冷水和冰晶+下部非过冷水当积云发展为积雨云时，顶部冰晶化。（4）卷层云：都由冰晶组成。
2.尺度谱分布：云中各种直径的云滴所占数目随直径的分布横坐标：云滴半径
纵坐标：数浓度半径/表面积/体积等（参数）分布函数3.微物理特征量
·算数平均半径：表示粒子的平均线性尺度·均方根半径（面积加权平均半径）：表示粒子平均表面积或截面积大小·消光系数：表示被测溶液对光的吸收能力
·雷达反射率因子：其大小只取决于云、雨滴谱的情况，反映了气象目标内部降水粒子的尺度和数密度，常用来表示气象目标的强度。
·离散度：所有粒子的尺度偏离平均半径的尺度。可以用方差或者离散度表示。·偏度：表示偏向小于或大于平均半径的程度。·峰度：表示粒子谱峰向上突出的程度。 4.云滴和雾滴
一个典型尺度的雨滴，其质量约为1000000个典型尺度的云滴
表5.3 云雾典型微物理特征
(μm) (cm -3) (mg·m -3)
霾
<1 0.00001~0.0001 雾
0.5~30 1~100 10~500 层云
0.5~30 10~1000 350 (100~500) 积云
10~1000 100~1000 大陆性积云
6 (2~30) 450 浓积云
10 (2~40) 200 1000 积雨云
20 (2~100) 100~1000 1/2000 (1000~10000) 卷云
0.01~10 1~10 极地平流层云
1~10 0.001~0.01 夜光云
25~500 0.00001~0.0001 水在小云滴状态下最容易处于过冷却状态5.雨滴
直径<0.25mm 小雨滴直径≤5.5mm 稳定雨滴（降落过程中比较稳定的雨滴）直径>5.5mm 暂时雨滴（雨滴不稳定，极易发生碎裂或变形）
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·降水率：通过一水平面上的降水通量
·斯托克斯定律：液滴的下落末速度取决于尺度的平方，表示浮力+流体阻力和重力达到平衡时的速度。
·液滴的下落末速度通常由于三种力决定：○
1重力○2浮力○3空气阻力·大水滴的下落速度一般比小水滴快→下落过程中大滴将与小滴碰并后增大6.大陆性积云和海洋性积云的差异：
大陆性积云比海洋性积云稳定，不易降水，因为大陆上空凝结核多，形成的云滴谱窄，大粒子少。7.冰晶和雪晶
·冰晶的主要形状柱状（底面具有生长优势）
片状（侧面具有生长优势）辐枝状（棱边具有生长优势）
·冰晶的形状与环境温度、湿度、固有生长率有关
·雪晶主要由于冰晶碰并粘连产生（冰晶、雪晶的分界线：300微米）8.霰和冰雹
·霰：大量冻附的冰质粒包围积集于雪晶四周，掩蔽了雪晶的本来形状
·冰雹：雹胚主要由霰和冻滴组成。从冰雹切片中所见到的不透明和透明层次相间的结构，本质是其生长过程中交替经历干增长和湿增长过程形成。
冰雹的干增长：在含水量小而温度低的云区，因为冰雹碰并的水量少，因
冻结释放的潜热也少。再加气温低，雹块散热快，因此碰撞雹块的过冷水滴未及从冰雹表面漫流开来就已冻结为冰，在一定的程度上保持其圆球形，冻滴之间留有许多空隙，形成不透明层次。
冰雹的湿增长：相反，如果云的含水量比较大，环境气温也不太低，则冰
的散热不及冻结潜热释放的快，被碰撞水滴只能有一部分冻结，过冷水在冰雹表面铺展成水膜，冻结过程在水与冰的交界面上进行，形成的冰层透明而密度大。
·霰的直径：0.5-5mm （5mm 以上为雹）
·云底平均温度↑，冻滴胚比例↑，霰胚比例↓
·大冰雹多以霰为胚：霰的落速比冻滴小，平均增长时间不同。·通常来说冰雹尺度↑，分层数量↑
9.冻雨：容易导致输电线积冰，造成大面积停电
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1.核化过程：新相态初始胚胎的产生，物质状态的一种突变。
同质核化（自发核化、均质核化）：
单一相态分子中没有其它物质存在时发生的核化过程。
异质核化：有异质核存在时的核化现象。2.同质核化同质凝结核化（自然条件下不可能出现）
同质凝华核化（自然条件下不可能出现，比同质凝结核化更难）同质冻结核化（大气中不易通过同质冻结核化过程形成冰晶，但
一些高的卷云可以通过此过程形成）
3.中值冻结温度：指水滴中有半数水滴已冻结时的温度。
①滴尺度一定时，冷却率愈小，则中值冻结温度愈高；②冷却率一定时，滴的尺度愈大，则中值冻结温度愈高。
一般水滴的中值冻结温度都在-30~-45℃之间，因此在-40℃以上，自然云多为过冷却的。一般将-40℃作为同质冻结核化的阈温值，低于阈温值的情形可能会在对流层顶附近出现。
4.异质核化可溶性核的凝结
冰相异质核化异质凝华核化
异质冻结核化浸润冻结核化
接触冻结核化凝结冻结核化
（1）可溶性核的凝结柯拉（Köhler ）方程
溶液滴的饱和水汽压是由三个因子决定的：
温度效应：由E ∞决定，T ↑，Ern ↑曲率效应：由Cr/r 决定，r ↑，Ern ↓
浓度效应：由Cn/r3决定，r ↑（浓度↓），Ern ↑Rault （拉乌尔）定律
在一定温度下，与溶液保持平衡的蒸汽中，溶剂的饱和蒸气分压强En ，与溶液中溶剂所占的克分子分数（摩尔比）成正比。
临界相对湿度fc ：每一条平衡曲线对应的f 值的极大值
临界半径rc ：当湿度达到临界相对湿度时，对应的溶液滴半径
f ＜fc ：盐核吸湿增大有局限性，盐核可增长到与f 相对应的平衡尺度，处于
稳定态。
f=fc ：盐滴就会增大到rc 。但rc 与前不同的是处于亚稳态。如水滴半径因偶
然的原因增到大于rc ，此时它所需的平衡相对湿度就小于环境相对湿度，于是就有水汽在它上面凝结，使它继续增大甚至成为云滴，而不会因蒸发恢复到原有半径。f>fc ：，盐核将由小而大地不断增大到超过fc ，最后能继续增大成云滴。
盐核质量↑，起始的饱和溶液滴半径↑
盐核质量↑，则临界相对湿度↓，但临界半径↑
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