云雾降水形成原理.ppt

1、云雾降水形成原理,致谢,课件内容部分取自周毓荃博士、熊秋芬老师的PPT，谨此致谢。,3,云、雾和降水物理学（简称云物理学）是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，具体而言就是研究云、雾和降水的形成、发展、维持以及消散规律的科学。 研究水的三种物态气态（水汽）、液态（水）、固态（冰）之间的相互转化。 研究目的：天气预报和人工影响天气,云和降水物理学是研究自然界云的形成和产生降水过程的一门学科，是大气科学的一个重要分支。 主要分为两个密切联系的方向： 云降水发展的宏观过程和云系结构的云动力学； 云降水质粒的形成、增长的微物理过程的云微物理学 近年来云动力学发展逐渐

2、将云的宏观动力过程与微物理过程有机的结合起来，通过数值模拟的方法强化了云、降水内部动力过程与微物理结构之间相互作用的剖析。,（一）云（雾）的形成和特征,水相变化和饱和水汽压,水相变化是水的各相分子之间转化的结果 水汽分子 水分子，释放潜热，水温升高 水分子 水汽分子，吸收热量，水温降低 饱和水汽压：在一定的温度下 ，水汽与水或者水汽与冰所组成的系统达到动态平衡时的水汽压。,饱和水汽压经验公式,水面：a=7.5,b=237.3 ;冰面:a=9.5,b=265.5 冰与汽的动态平衡比水与汽的动态平衡容易达到.,云雾的组成,云是由小水滴、小冰晶或二者共同组成的可见集合体。云不仅能反应当时大气运动、大

3、气稳定度和水汽情况，而且还能预示未来天气的变化。 雾是接地的云，主要成分是悬浮在近地面大气中的大量细微水滴（或冰晶）。,云雾的组成,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。 这一过程向着新粒子生成的区域传播，就是说新粒子生成的方向不一定沿着风向。 单个云滴、冰晶或降水粒子运动速度是由环境空气流速和其自身的下落速度相加而得到的速度和决定的。,云雾的组成（续）,T=0 小水滴 T0 过冷水滴&冰晶 T=-38 冰晶,分类,根据云底高度和云的外形特征: 三族 十属 二十九类,Cu,云雾形成的宏观条件,

4、积云、积雨云、高积云,高积云、卷积云,卷云、卷层云、高层云、高积云,湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制,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0.150.20，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。,湿空气达到饱和的主要途径 -绝热降温,绝热降温（Adiabatic Cooling） 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

5、、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。,湿空气达到饱和的主要途径 -降温机制,上升绝热膨胀冷却： 热力性： 对流抬升:积状云,湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制,湿空气达到饱和的主要途径 -降温机制,上升绝热膨胀冷却： 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,湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制,湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制,云雾形成的宏观条件,湿空气达到饱和的主要途径 -绝热降温

6、,上升绝热膨胀冷却： 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。,湿空气达到饱和的主要途径 -降温机制,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,湿空气达到饱和的主要途径 -降温机制,（等压）水平混合降温 两空气团作水平混

7、合，不会都是降温的 其中较暖的一部分空气因混合而降温,湿空气达到饱和的主要途径 -降温机制,（等压）水平混合降温 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。,湿空气达到饱和的主要途径 -降温机制,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

8、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。,湿空气达到饱和的主要途径 -降温机制,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。 因相变而消耗热量从而降温的现象，称为“相变降温”,湿空气达到饱和的主要途径 -降温机制,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,湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制,小结 在实际大气过程中，往往有几种降温机制共同起作用。 在不同的云雾物理过程中，都有某种降温

9、机制起着主要作用。 一般讲，使空气过到饱和的过程中，降温作用比增加水汽更重要，降温作用中又以上升膨胀降温最为重要。,云雾形成的宏观条件,云雾形成的微观条件,云雾形成的微观条件,降温与增湿 宏观与微观,成云,致雨,水汽被抬升凝结，成云致雨；降到地面，形成径流,大气中成云致雨过程,蒸发,降雨（雪）,径流,地表上的水 全球水分循环,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。 自海洋表面蒸发的水分，上升凝结后直接降落海洋中，或自陆地表面蒸发的水分，上升凝结后也有一部分直接降落陆地上，这种水分循环就叫水分内循环，或称小循

10、环。 当海洋上蒸发的水分，被气流带到陆地上空以雨雪形式降落到地面时，一部分通过蒸发和蒸腾返回大气，一部分渗入地下形成土壤水或潜水，另一部分形成径流汇入河流，最终仍注入海洋，这叫做水分的海陆循环，或称外循环。,地表上的水 全球水分循环,降水、蒸发和径流在整个水分循环中，是最主要的环节。在全球水量平衡中，它们同样是最主要的因素。 水分循环的陆面过程是发生在陆地上的水文过程的总和。 水分循环的大气过程是指海洋和陆地上空的水汽输送和陆地不同区域上空的水分交换，主要包括水汽输送、水汽辐合与辐散、水汽收支与水分平衡。它是全球水分循环中最活跃的成分，大气中的全部水量每8天可更新一次。,大气水循环的关键环节：

11、 1） 地表水蒸发 2）上升运动，冷却凝结成云(成云过程) 3）云滴长大成为降水 (成雨过程) 4）降水回到地面 降水过程主要包括了成云和成雨这二个过程： 1） 动力的过程天气动力（水汽、抬升） 2） 物理过程云降水物理,成云过程,空气抬升冷却，达到饱和，就会凝结或凝华，形成水滴或冰晶，这就是成云过程。 大气中的抬升主要有动力学抬升和热力学抬升 动力学的抬升可以有天气系统的抬升，如锋面、气旋等，也可以有地形的抬升。 热力学的抬升主要来自热力不稳定造成的对流运动。,不同云的形态,云的形态反映出云形成的原因和动力学特点。按云状可将云分成层状云和对流云两大类， 这两类云中的上升气流速度有量级上的差别

12、，上升气流是形成云的原动力，云的宏、微观特征主要受上升气流支配。 一个云系通常是由出现在不同高度层的层状云和对流云构成。,云的宏观特征参数,云底的高度和温度 云顶的高度和温度 云中低于0的冷层厚度 云中高于0的暖层厚度 云中0层高度 -20层的高度 云的分层 各云层间的干层厚度 对流云的水平尺度 不同尺度云带宽度和走向,积状云,积状云也可称为对流云，主要包括淡积云、浓积云、积雨云。 积雨云是灾害性天气产生的主要系统之一，因空气的对流活动而成。 对流云的垂直尺度和水平尺度具有同一量级，一般属于小尺度天气系统。,积云的形成 气团雷暴,发展阶段,积云的形成 气团雷暴,成熟阶段,积云的形成 气团雷暴,

13、消散阶段,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。,局地强对流风暴-多单体,局地强对流风暴-超级单体,局地强对流风暴-超级单体,局地强对流风暴-超级单体,局地强对流风暴-超级单体,层状云,定义：除直展云外的云，是连续比较均匀分布的云层。 特点：水平尺度垂直尺度1-2个量级，生命史长，可达一周以上 温度场特征：云的上部或顶部可能

14、有逆温阻滞层存在，云内温度梯度接近湿绝热递减率。 含水量较积状云少一至两个量级，最大值在云的下半部,层状云,层状云（主要指雨层云Ns、高层云As、卷层云Cs和雨层云下的碎雨云Fn）在水平方向可伸展数百公里，较薄时可能不产生降水，很厚时（如气旋层状云系）可能产生大范围的降雨或降雪。 层状云是稳定气层受大、中尺度的辐合、锋面抬升、地形抬升等造成的垂直上升运动引起的。如果斜升空气层不稳定，便可能形成积状的对流云。 在地面的层云被称为雾。,层状云,层状云的形成,大范围的系统性上升运动和大范围不规则的乱流混合 锋面抬升 地形抬升 乱流降温,层状云,层状云和积状云特征对照,二. 降水形成的云物理过程,降水

15、类型 降雨 降雪 冻雨 降霰 降雹 （包括固态水和液体水）,雨滴长大过程：从云滴雨滴不是很容易的事： 云滴尺度10微米量级，雨滴尺度为1毫米量级，两者直径相差100倍，体积差106倍。 即要100万个云滴聚合在一起才成为一个小雨滴。通过观测发现，整个成云致雨的过程应当在几十分钟到几个小时内完成。 实际大气中的成雨过程主要有二种： 碰并过程 暖云的降水机制 冰水转化过程冷云的降水机制,成雨过程,层状云降水,暖性层状云 特点：云不厚，上升气流弱，含水量小。整体温度在0以上，由水滴组成，也称水云。 混合层状云 由冰晶层、冰晶和过冷水滴共存层以及温度高于0的水滴层组成。,云滴的碰并增长,雨 滴,暖云降

16、水理论 凝结碰 并 增 长,云滴,凝结核,云滴和雨滴的直径差100倍，体积差106倍。 100万个云滴= 1个小雨滴,微滴下落碰并增长,云滴与云滴之间碰并增长,暖云（云中温度高于0）,由于大云滴下落速度大于小云滴，这样在大云滴下落过程中赶上小云滴，小云滴会与大云滴合并，大云滴长大。 由于不同大小云凝结核形成的云滴大小不一，这样的云滴碰并增长过程是存在的，可以形成雨滴，降落到地面。,云滴长大到足够大，成为雨滴直到上升气流托举不住时，才能成为降出云底，到达地面。,由水滴组成的暖云主要是通过云滴的碰并“连锁反应”过程而长成降水粒子。在锋区和有地形抬升的条件下，有较强的上升气流和较大的含水量，云层具有

17、足够的厚度且能维持较长的时间，有利于形成暖云降水。,冷暖云降水形成主要过程,冷 云- 冰水转化,暖 云-碰 并增长,混合层状云降水粒子的形成过程比较复杂。对应不同的组成层次（冰晶层、冰晶和过冷水滴共存层、水滴层）会形成不同的降水。混合层状云降水性质也不完全取决于是否存在这三个层次，上升气流大小的分布也会对降水性质产生影响。,积状云降水,积状云特点：云内有强上升气流和较大含水量，云层较厚。产生的降水以阵性降水为主，有雨、雪、冰粒子、冰雹等形式。 积状云降水粒子的形成和混合层状云一样，包含Bergeron过程和重力碰并过程。,降水效率,定义:到达地面的降水质量与进入云中的水汽质量之比(Braham

18、，1952)。 =W降水/W入云 降水量一般小于入云水汽量。 夹卷、湍流作用使云内外水汽发生交换 云边界附近内外空气的混合引起云滴蒸发 雨滴在下落过程中蒸发,降水效率,一般小雷暴的降水效率仅为11%，大雷暴可达50% 地面雨区的总降水率与雨带的总凝结率之比。 蒙古气旋中心附近降水效率最高（94%），其次是冷锋面（87%）和暖锋面（75%）附近，暖区（60%）和冷锋后（49%）降水效率最低。 研究云的降水效率的意义降水潜力问题 人工影响天气、空中水资源的开发,0层,暖云自然降水的不均匀性,大云滴多，碰并充分,云滴小且大小均匀,大云滴少，碰并少,例如暴雨,例如雾,可催化作业的云,云滴漂浮在空中,增

19、加云凝结核,向云中播入吸湿性的云凝结核，产生大量的大云滴，诱发重力碰并过程，加快形成雨滴，进而加快降水过程。 播撒吸湿性催化剂（即云凝结核）: 食盐、氯化钙或其它吸湿性物质等。,碰并,暖云人工增雨,冷云降水理论,当云体伸展到0 层以上，而云内温度并不太低的情况下，液态的云滴并不冻结，仍以液态的过冷水存在。 一旦云中有一定数量的冰晶，根据“水冰转化理论”，冰晶就会吸收水汽、消耗过冷水滴而迅速增长变大；变大下落的过程中，又会俘获更多的小水滴继续增长，直至下落形成降水。 冷云降水由冰晶触发，冰晶的多少决定了冷云降水的效率。,冷云降水理论,冰晶的来源一是过冷水滴的自发冻结，但要求的温度必须低于-40 ，并不容易满足；另一个来源是“异质核化”产生的冰核。 在一般的冷云降水中，自然产生的冰晶浓度是很低的，降水效率一般很小。,蒸凝过程 Evaporation-Condensation Processes,贝吉隆过程或称冰晶效应 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，大气