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云和降水物理学

云和降水物理学是研究云和降水的形成和发展过程的学科,又称云物理学。潮湿空气在冷却过程中(最重要的是空气上升时的膨胀冷却过程),当水汽达到饱和状态,并在大气凝结核或大气冰核上凝结时,形成云滴或冰晶,再经过一系列的物理过程,演变成降水物而降落。决定成云致雨的主要因素,是大气运动的热力过程和动力过程、水汽的含量以及云和降水的微结构特征。

目录

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1 概念解析
2 研究简史
3 主要内容
4 研究方法
  1. 4.1 外场观测试验
  2. 4.2 室内实验
  3. 4.3 理论研究
5 与其他学科关系
6 微波衰减
  1. 6.1 微波衰减原理
  2. 6.2 衰减系数
7 发展方向
8 研究领域
  1. 8.1 云和降水形成
9 相关学科

云和降水物理学 - 概念解析

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云和降水物理学是研究云和降水的形成和发展过程的学科,又称云物理学。潮湿空气在冷却过程中(最重要的是空气上升时的膨胀冷却过程),当水汽达到饱和状态,并在大气凝结核或大气冰核上凝结时,形成云滴或冰晶,再经过一系列的物理过程,演变成降水物而降落。决定成云致雨的主要因素,是大气运动的热力过程和动力过程、水汽的含量以及云和降水的微结构特征。

云和降水物理学 - 研究简史

气象学家I·朗缪尔

(1)早在19世纪中叶,已逐步形成了湿空气块上升时凝结过程的热力学理论,这是云的宏观动力学的基础。

(2)1880~1881年,英国的J.爱根等提出了尘粒在水汽凝结而生成云滴过程中的作用(称为凝结核)

(3)但直到20世纪20年代,才建立了云滴的凝结理论。

(4)1933年,瑞典气象学家T·H·P·伯杰龙从理论上研究了冰晶和水滴间的水分转移问题,提出了冷云降水机制。虽然当时已经提出暖云中水滴互相碰并而增长成雨滴的假设

(5)但直到40年代末,才被雷达和飞机的观测所证实。尽管有了这些成果,可是在40年代之前,云和降水物理学仍然附属于物理学和气象学。大量关于云和降水特征的观测资料,都是在40年代以后获得的。40年代中期,开始对积云的结构和生消过程进行综合探测。

(6)1946年,I·朗缪尔和V.J.谢弗在过冷层状云中播撒干冰,成功地进行人工降水试验,促使云和降水物理学蓬勃发展起来。随后对云的微物理过程和宏观的动力和热力特征,进行了细致的观测研究,到50年代中期,云和降水物理学才成为大气科学中的分支学科。

云和降水物理学 - 主要内容

云和降水物理学包括两个方面:

①云和降水微物理学。

主要研究组成云和降水的云滴、冰晶和雨、雪、霰、雹等降水粒子的生成、增长和转化等微观物理过程。

②云动力学。

主要研究云和云系整体的宏观特征,热力过程和动力过程及其演变的规律。微观和宏观两个方面既有区别,又互相联系、互相影响。例如大气的热力过程和动力过程,决定了云和降水微物理过程的速率和持续的时间;而云和降水发展过程中所释放的潜热,以及云和降水粒子对气流的拖曳,又反过来影响空气的运动,即:释放的潜热将增加云继续向上发展的能量,使气流的上升加剧,拖曳作用将促使气流下沉。

云和降水物理学 - 研究方法

人工降水

云和降水物理学的研究主要有三个环节:

外场观测试验

用飞机作为运载工具,携带各种探测仪器,飞至云中取样,探测云、雨粒子的浓度、相态变化、含水量,以及温度、上升气流等数据;使用雷达观测云中大粒子区的演变过程和云中的气流;配合卫星和常规气象装备,对云雨过程进行宏观的观测。通过分析研究观测的结果,可获得云和降水的宏观结构和微观结构及其演变的知识。

室内实验

利用云室和风洞等装置,在精确控制的温度、压力、湿度和风等条件下,对云和降水粒子的生成、增长等过程,进行模拟实验,将其结果同外场观测结果相互验证。

理论研究

在室内实验和外场观测试验的基础上,应用数学和物理的基本规律,建立云和降水的理论模式,利用电子计算机计算,定量研究云和降水的过程。

云和降水物理学 - 与其他学科关系

云和降水是在一定的天气形势条件下产生和发展的,大部分重要的天气现象,如雷暴、冰雹、龙卷以及暴雨、梅雨、台风、连阴雨等,都与云和降水有关。所以云和降水物理学与天气学有密切的关系。从另外的角度看,云和降水过程是地球大气的热量、水分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、大气雷电和电磁波的传播。因此,云和降水物理学与气候学、动力气象学、大气物理学、大气探测和大气化学等分支学科以及应用技术都有密切的关系。由于人工影响天气的主要途径是影响云和降水的微物理过程,因此云和降水物理学是人工影响天气的理论基础;反过来,人工影响天气试验的广泛开展,又大大地促进了云和降水物理学的发展,并丰富了它的内容。

云和降水物理学 - 微波衰减

微波

微波衰减原理

微波在云、雨、大气中传播时,云、雨和大气对微波的吸收和散射所造成的微波能量的衰减。微波在有云、雨的大气中传播时,其能量的衰减,是大气和云滴、雨滴对微波衰减作用的总和。由于微波波长比气体分子直径大得多,所以微波波段的大气散射可以略去不计(见大气散射)。大气对微波的衰减主要是大气的微波吸收所造成的。波长大于3厘米(频率小于10吉赫)的微波作短距离传播时,大气的衰减作用可以略去,但在长距离传播中必须考虑。云、雨对微波的衰减,主要是水滴对微波的散射和吸收共同作用的结果。

衰减系数

云、雨对微波的衰减系数是吸收系数和散射系数之和。在无降水的云层中,云滴半径□□比微波波长λ小得多,当2□□□/λ□1时,可用瑞利散射来处理电磁波和云滴的相互作用,此时,云层的衰减,以吸收作用为主,散射作用可略而不计。当雨滴半径□满足2□□/λ≥1时,则需用米散射处理电磁波和雨滴的相互作用,此时,散射作用不容忽视(见云和降水粒子的微波散射)。雨的散射系数比吸收系数小。散射系数与吸收系数的比值,随着雨的增强或波长变短而加大。根据计算,在波长为3.2厘米和雨强为2毫米/小时的条件下,散射系数与吸收系数的比值为0.05;若波长为0.8厘米和雨强为90毫米/小时,则为0.49。吸收系数和散射系数都随雨强的增强而加大,但散射系数增大的趋势比吸收系数较快。雨的衰减系数随波长增加而迅速减小,例如波长由1厘米增至3厘米时,衰减系数要小一个量级,波长超过10厘米的微波,雨的衰减作用就很小了。

云和降水物理学 - 发展方向

随着仪器装备的革新、现代计算技术的应用、探测资料的积累和理论研究的不断深入,云和降水物理学无论在微物理学方面,还是在宏观动力学方面,都有不少进展。但由于云和降水的过程极其复杂,它包括了从尺度小于1微米的云核,直到尺度达千公里的云系之间的许多物理过程,因此,无论在探测和实验方面,还是在理论方面,都还待进一步的深入研究。

云和降水物理学 - 研究领域

云和降水形成

云和降水物理学是研究云和降水的形成和发展过程的学科,又称云物理学。潮湿空气在冷却过程中(最重要的是空气上升时的膨胀冷却过程),当水汽达到饱和状态,并在大气凝结核或大气冰核上凝结时,形成云滴或冰晶,再经过一系列的物理过程,演变成降水物而降落。云和降水微物理学是研究云粒子(云滴、冰晶)和降水粒子(雨滴、雪花、霰粒、雹块等)的形成、转化和聚合增长的物理规律的学科。它是云和降水物理学的重要组成部分,又是人工影响天气的理论基础。对于云和降水粒子形成、增长和转化的规律的认识,主要是从理论研究和可控条件下的实验中得到的。实际上,自然云的环境和相应的微物理进程十分复杂,加上观测方面的困难,对它们的认识还很粗浅。因此云和降水微物理学的发展方向,主要是探测和研究以自然云为宏观背景的粒子群体的演变规律。决定成云致雨的主要因素,是大气运动的热力过程和动力过程、水汽的含量以及云和降水的微结构特征。

云和降水物理学 - 相关学科

大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大气电学、平流层大气物理学、大气声学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气象学、森林气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学。

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