云形成的宏观条件特征 - 副本
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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。
积云的形成－局地强对流风暴－飑线
积云的形成－ 局地强对流风暴 －飑线
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
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。 呈水平带状
亮带的形成：降水质粒的反射率与复折射指数m有
亮带结构：位于0度层以下80~400m，厚度15~150m，
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。
参考书目
教材类：
Rogers, and Yau, 1989, A short course in cloud physics (3rd edition), Pergamon Press.
2nd edition 1979, 云物理简明教程，周文贤、 章澄昌译，气象出版社，1983。 北大地球物理系大气物理教研室云物理学组 编，1981，《云物理基础》，农业出版社。 顾震潮，1980，《云雾降水物理基础》，科 学出版社。
谱型
谱分布曲线的的形态：如单调上升、单调下降， 单峰、多峰等
谱分布
3 尺度分布特性 简述粒子谱分布特时，使用平均和方差的概念，如平均半径
方差
1 r rn ( r ) dr 0 N
常用特征量 （a）众数半径
1 0 r r nr dr N
2
dnr 0 dr rmod e
降水效率
层状云系：95% 雷雨云：20%
研究云的降水效率的意义——降水潜力问题
11.3 云降水的微观特征
单个粒子 粒子群 数密度谱分布曲线
dN nr dr
n(ln r ) rn(r)
相应有表面积、体积和质量的谱分布
谱分布
谱宽
最大粒子与最小粒子的半径（或直径）差。限于 观测仪器对小滴的分辨率，最小粒子不易测得，故 常取最大尺度作为谱宽。
6
b
3 r
（2）对数正态分布
nr
ln r ln rg exp 2 2 ln g 2 ln g N
2
其控制参数为几何平均半径 rg 和几何标准差 g ，其离散表达式分别为
ln rg
ni ln ri
i
ni
i
,
ni (ln ri ln rg ) ln g i ni 1 i
冰雪晶的形状
冰雪晶的形状
60
50 Sector Plates Hollow
40
Dendrite Needle
30
Prisms
20
Sectored Plate
10 Very Thick Plates 0 -10 -20 TEMPERATURE (oC) -30 -40 Solid Prisms
0 Solid Cups Prisms
湿空气达到饱和的主要途径
df de Lv dT f e RvT 2 Lv dT de e RvT T T 273.15 K ; Lv 2.50 10 J / kg; Rv 461.5 J / kgK
6
Lv 19.8 RvT
所以, 增大相对湿度有两个途径：增加水汽
Byers－Braham雷暴单体模式
11.2 云雾降水的宏观特征
对流云中含水量（概念）
积云的形成－气团雷暴模型
发展阶段
积云的形成－气团雷暴模型
成熟阶段
积云的形成－气团雷暴模型
消散阶段
积云的形成－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。
参考书目
其它：
王鹏飞、李子华，1989，《微观云物理学》
梅森，1979，《云物理学》 黄美元，徐华英等，1999，《云和降水物理》 王明康，1991，《云和降水物理学》 Dennis, 1980, Weather Modification by Cloud Seeding Pruppacher, H. R., and J. D. Klett, 1978, Microphysics of Clouds and Precipitation
11.1.1 云和降水的分类
11.1.2 云雾形成宏观条件
相对湿度f >100% 凝结、凝华 水滴、冰雪晶。 相对湿度变化方程：
f e/ E ln f ln e ln E df de dE f e E dE Lv dT Clausius-Clapeyron Eq.: E RvT 2 df de Lv dT f e RvT 2
总结－云雾形成的宏观条件
降温
上升膨胀冷却
对流 孤立对流：Cu, Cb, Ac等 镶嵌（细胞）对流：Ac, Sc等 斜升 锋面斜升：暖锋、缓行冷锋、静止锋上的Ci, Cs, As, Ac, Ns等 地形斜升：上坡雾、Sc等 波动 风切变和气流过山：荚状、波状、涡条状Ci, As, Sc等
Prism (Column) Dendritic Sectored Plate
冰晶
冰晶
冰晶
冰晶
冰晶
冰晶
冰雪晶
冰雪晶
冰雪晶
雨滴谱
最常用的测定降水的宏观特征量就是地面上的降雨 率（降水强度）。而最常用的表示降水的微观特征 量便是雨滴大小的分布函数（即滴谱） 马歇尔和帕尔默(Marshall and Palmer，1948)
云降水物理学基础
第十一章 云雾形成的宏观条件及一般特征
学科性质
• 广义上可以定义为大气中云的科学，可以包 括从云的分类、形成、演变、云中辐射传输、 云中光电现象等一直到雨水的化学特性这样 的范围。
• 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、雾和降水和形成、发展和消 散过程，是大气科学中最为重要的分支学科 之一。它是雷达气象学、强风暴等物理气象 学内容的核心。
30,000
WARM FRONT STABLE CONDITIONS
Stable warm air
CI
层状云
20,000
CS AS
10,000
NS ST
AS
SC
200 100 0
FOG RAIN and LOW NIMBUSTRATUS
100 200 300 400 500
亮带
（雷达显示屏上反射率特别大的长条区）：凡上部
（b）中值半径 （c）体积平均半径
rmed
0
1 nr dr N 2
4 3 4 3 N rV r nr dr 3 3 0
云和云系
云、雨滴尺度
一个半径为1毫米的雨滴， 其质量或体积相当于100万 个半径为10微米的云滴
云滴谱
•百度文库
•
半径小于 100m的 小水滴称 为云滴. 不同的云 型滴谱差 异较大， 见图11.9.
亮带
11.2.5 降水的宏观特征
一般一次降水量总比云中总含水量要大，可见在降 水过程中云中水量往往不断地在补充，即由垂直气 流不断地输送水汽入云，这是云雾降水的一个根本 特点。 云中水分循环次数
暖锋云系：4-40 积状云：1.5-12
n
Wprecipitation Wcloud _ water Wprecipitation Winput
云滴谱分布函数
（1）修正的 分布函数
n( r ) ar exp br
云物理学中广泛使用的是赫尔基安—马津公式
nr ar2eb r
它有两个控制参数a和b，它们有特定的物理意义： 云滴数密度
N 0 n(r )dr
2a b3
平均半径
1 3 r 0 rn(r )dr N b
学科性质
– 按研究对象尺度的大小，云物理学可分为 宏观云物理学和微观云物理学二部分。
– 前者研究水平尺度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； – 后者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。 其尺度仅0.1 μm- 1cm。
学科性质
•
云雾降水物理中最主要的矛盾是大气在 运动中实际可能容纳的水汽量和大气中 实际存在的水分含量之间的矛盾。
学科性质
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
云雾降水至少在以下诸多方面都起着重要作用：
地球-大气水分循环中的一个关键环节
影响地球辐射平衡 湿沉降 大气中液相化学反应床 影响大气的垂直输送 雷暴影响全球大气电平衡过程 人工影响云雾降水的理论基础
2
1
2
冰雪晶的形状
• 雪晶是指冰晶通过凝华及撞冻、凝结、碰并等 机制增长到尺度大于300微米后的水成物。
• 国际上将固体降水物分为十类。
• 三种主要冰晶类型：柱(针)状、片(平面)状和辐 枝(六角柱)状。
形状与生长条件关系－环境温度、湿度、生长率
S很大时，随T下降形状变化：片→柱→片→柱 交替进行。 S较低时，变形仅出现于-9℃(柱→片)及-22℃(片 →柱)。近冰面饱和时，形状为厚六角片的平衡 形态，高与直径比约0.81。
凇附
Riming: The process by which ice crystals grow through the collision, collection, and freezing of supercooled water droplets.
（de>0）和降温（- dT>0），一般来说，大气 中形成自然云雾，主要以降温过程为主。
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
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
湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制
总结－云雾形成的宏观条件
湿空气达到饱和的主要途径－降温机制
含水量
4 160 3 qw 10 ( ) w 0 r n(r )dr 6 w a 3 b
6
云滴谱分布函数
水的密度 w 和 q w都以g/m3为单位， r 以cm为单位。 由以上三式中任意二式均可确定a和b，如由后两式可得
qw a 1.45 10 ( ), 6 wr
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－局地强对流风暴－单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
July
8th, 2003 - Western South Dakota
积云的形成－局地强对流风暴－多单体
积云的形成－局地强对流风暴－多单体
层状云
学科性质
•
宏观云物理学主要是大气动力学问题，微观 云物理学则更多的是水汽的相变热力学和气 溶胶力学问题，所需的知识为热力学原理、 扩散理论和物理化学等。
•
•
宏观和微观二者是相互依存、相互作用的。
通常的云物理学著作侧重于云的微物理学， 并不是认为云的动力过程不重要，主要原因 是对云的动力学的了解远不如对云的微物理 学那样清楚。
N d n(d ) N 0e d
I
6
w d n d u d d
3 0
雨滴谱
雨滴谱
两种雨强下的雨滴谱: 1 mm/h, 10 mm/h
a: 数浓度谱 ；b: 质量通量谱
雨滴谱
雨滴谱
冰雹
按尺度和结构分三类： （1）霰（软雹）：基本上由各自冻结的小云滴集合在一 起而构成。白色、透明、密度小，直径约为6mm的圆球 形或锥形的冰粒。 （2）冰丸（小雹、冰粒）：透明或半透明，直径几毫米， 形状无规则。冻滴或霰外面包一层薄冰壳，这层冰可以 是捕获小滴冻结而成，或是霰部分融化再冻结而成。 （3）冰雹：直径在5mm以上的冰块、冰球。形状多样， 大小不一。中等强度的风暴可产生直径几厘米的冰雹， 很强盛的风暴可产生10 cm乃至更大的冰雹。其密度约 0.9g/cm3。常呈透明与不透明相间的多层结构，中心初 始雹胚可以是软雹、小雹或冻滴。
对冲，故局地强风暴可以维持很长时间。
积云的形成－局地强对流风暴－飑线
积云的形成－ 局地强对流风暴 －飑线
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
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。 呈水平带状
亮带的形成：降水质粒的反射率与复折射指数m有
亮带结构：位于0度层以下80~400m，厚度15~150m，
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。
参考书目
教材类：
Rogers, and Yau, 1989, A short course in cloud physics (3rd edition), Pergamon Press.
2nd edition 1979, 云物理简明教程，周文贤、 章澄昌译，气象出版社，1983。 北大地球物理系大气物理教研室云物理学组 编，1981，《云物理基础》，农业出版社。 顾震潮，1980，《云雾降水物理基础》，科 学出版社。
谱型
谱分布曲线的的形态：如单调上升、单调下降， 单峰、多峰等
谱分布
3 尺度分布特性 简述粒子谱分布特时，使用平均和方差的概念，如平均半径
方差
1 r rn ( r ) dr 0 N
常用特征量 （a）众数半径
1 0 r r nr dr N
2
dnr 0 dr rmod e
降水效率
层状云系：95% 雷雨云：20%
研究云的降水效率的意义——降水潜力问题
11.3 云降水的微观特征
单个粒子 粒子群 数密度谱分布曲线
dN nr dr
n(ln r ) rn(r)
相应有表面积、体积和质量的谱分布
谱分布
谱宽
最大粒子与最小粒子的半径（或直径）差。限于 观测仪器对小滴的分辨率，最小粒子不易测得，故 常取最大尺度作为谱宽。
6
b
3 r
（2）对数正态分布
nr
ln r ln rg exp 2 2 ln g 2 ln g N
2
其控制参数为几何平均半径 rg 和几何标准差 g ，其离散表达式分别为
ln rg
ni ln ri
i
ni
i
,
ni (ln ri ln rg ) ln g i ni 1 i
冰雪晶的形状
冰雪晶的形状
60
50 Sector Plates Hollow
40
Dendrite Needle
30
Prisms
20
Sectored Plate
10 Very Thick Plates 0 -10 -20 TEMPERATURE (oC) -30 -40 Solid Prisms
0 Solid Cups Prisms
湿空气达到饱和的主要途径
df de Lv dT f e RvT 2 Lv dT de e RvT T T 273.15 K ; Lv 2.50 10 J / kg; Rv 461.5 J / kgK
6
Lv 19.8 RvT
所以, 增大相对湿度有两个途径：增加水汽
Byers－Braham雷暴单体模式
11.2 云雾降水的宏观特征
对流云中含水量（概念）
积云的形成－气团雷暴模型
发展阶段
积云的形成－气团雷暴模型
成熟阶段
积云的形成－气团雷暴模型
消散阶段
积云的形成－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。
参考书目
其它：
王鹏飞、李子华，1989，《微观云物理学》
梅森，1979，《云物理学》 黄美元，徐华英等，1999，《云和降水物理》 王明康，1991，《云和降水物理学》 Dennis, 1980, Weather Modification by Cloud Seeding Pruppacher, H. R., and J. D. Klett, 1978, Microphysics of Clouds and Precipitation
11.1.1 云和降水的分类
11.1.2 云雾形成宏观条件
相对湿度f >100% 凝结、凝华 水滴、冰雪晶。 相对湿度变化方程：
f e/ E ln f ln e ln E df de dE f e E dE Lv dT Clausius-Clapeyron Eq.: E RvT 2 df de Lv dT f e RvT 2
总结－云雾形成的宏观条件
降温
上升膨胀冷却
对流 孤立对流：Cu, Cb, Ac等 镶嵌（细胞）对流：Ac, Sc等 斜升 锋面斜升：暖锋、缓行冷锋、静止锋上的Ci, Cs, As, Ac, Ns等 地形斜升：上坡雾、Sc等 波动 风切变和气流过山：荚状、波状、涡条状Ci, As, Sc等
Prism (Column) Dendritic Sectored Plate
冰晶
冰晶
冰晶
冰晶
冰晶
冰晶
冰雪晶
冰雪晶
冰雪晶
雨滴谱
最常用的测定降水的宏观特征量就是地面上的降雨 率（降水强度）。而最常用的表示降水的微观特征 量便是雨滴大小的分布函数（即滴谱） 马歇尔和帕尔默(Marshall and Palmer，1948)
云降水物理学基础
第十一章 云雾形成的宏观条件及一般特征
学科性质
• 广义上可以定义为大气中云的科学，可以包 括从云的分类、形成、演变、云中辐射传输、 云中光电现象等一直到雨水的化学特性这样 的范围。
• 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、雾和降水和形成、发展和消 散过程，是大气科学中最为重要的分支学科 之一。它是雷达气象学、强风暴等物理气象 学内容的核心。
30,000
WARM FRONT STABLE CONDITIONS
Stable warm air
CI
层状云
20,000
CS AS
10,000
NS ST
AS
SC
200 100 0
FOG RAIN and LOW NIMBUSTRATUS
100 200 300 400 500
亮带
（雷达显示屏上反射率特别大的长条区）：凡上部
（b）中值半径 （c）体积平均半径
rmed
0
1 nr dr N 2
4 3 4 3 N rV r nr dr 3 3 0
云和云系
云、雨滴尺度
一个半径为1毫米的雨滴， 其质量或体积相当于100万 个半径为10微米的云滴
云滴谱
•百度文库
•
半径小于 100m的 小水滴称 为云滴. 不同的云 型滴谱差 异较大， 见图11.9.
亮带
11.2.5 降水的宏观特征
一般一次降水量总比云中总含水量要大，可见在降 水过程中云中水量往往不断地在补充，即由垂直气 流不断地输送水汽入云，这是云雾降水的一个根本 特点。 云中水分循环次数
暖锋云系：4-40 积状云：1.5-12
n
Wprecipitation Wcloud _ water Wprecipitation Winput
云滴谱分布函数
（1）修正的 分布函数
n( r ) ar exp br
云物理学中广泛使用的是赫尔基安—马津公式
nr ar2eb r
它有两个控制参数a和b，它们有特定的物理意义： 云滴数密度
N 0 n(r )dr
2a b3
平均半径
1 3 r 0 rn(r )dr N b
学科性质
– 按研究对象尺度的大小，云物理学可分为 宏观云物理学和微观云物理学二部分。
– 前者研究水平尺度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； – 后者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。 其尺度仅0.1 μm- 1cm。
学科性质
•
云雾降水物理中最主要的矛盾是大气在 运动中实际可能容纳的水汽量和大气中 实际存在的水分含量之间的矛盾。
学科性质
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
云雾降水至少在以下诸多方面都起着重要作用：
地球-大气水分循环中的一个关键环节
影响地球辐射平衡 湿沉降 大气中液相化学反应床 影响大气的垂直输送 雷暴影响全球大气电平衡过程 人工影响云雾降水的理论基础
2
1
2
冰雪晶的形状
• 雪晶是指冰晶通过凝华及撞冻、凝结、碰并等 机制增长到尺度大于300微米后的水成物。
• 国际上将固体降水物分为十类。
• 三种主要冰晶类型：柱(针)状、片(平面)状和辐 枝(六角柱)状。
形状与生长条件关系－环境温度、湿度、生长率
S很大时，随T下降形状变化：片→柱→片→柱 交替进行。 S较低时，变形仅出现于-9℃(柱→片)及-22℃(片 →柱)。近冰面饱和时，形状为厚六角片的平衡 形态，高与直径比约0.81。
凇附
Riming: The process by which ice crystals grow through the collision, collection, and freezing of supercooled water droplets.
（de>0）和降温（- dT>0），一般来说，大气 中形成自然云雾，主要以降温过程为主。
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
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
湿空气达到饱和的主要途径 - 降温机制
总结－云雾形成的宏观条件
湿空气达到饱和的主要途径－降温机制
含水量
4 160 3 qw 10 ( ) w 0 r n(r )dr 6 w a 3 b
6
云滴谱分布函数
水的密度 w 和 q w都以g/m3为单位， r 以cm为单位。 由以上三式中任意二式均可确定a和b，如由后两式可得
qw a 1.45 10 ( ), 6 wr
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－局地强对流风暴－单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
积云的形成－超级单体
July
8th, 2003 - Western South Dakota
积云的形成－局地强对流风暴－多单体
积云的形成－局地强对流风暴－多单体
层状云
学科性质
•
宏观云物理学主要是大气动力学问题，微观 云物理学则更多的是水汽的相变热力学和气 溶胶力学问题，所需的知识为热力学原理、 扩散理论和物理化学等。
•
•
宏观和微观二者是相互依存、相互作用的。
通常的云物理学著作侧重于云的微物理学， 并不是认为云的动力过程不重要，主要原因 是对云的动力学的了解远不如对云的微物理 学那样清楚。
N d n(d ) N 0e d
I
6
w d n d u d d
3 0
雨滴谱
雨滴谱
两种雨强下的雨滴谱: 1 mm/h, 10 mm/h
a: 数浓度谱 ；b: 质量通量谱
雨滴谱
雨滴谱
冰雹
按尺度和结构分三类： （1）霰（软雹）：基本上由各自冻结的小云滴集合在一 起而构成。白色、透明、密度小，直径约为6mm的圆球 形或锥形的冰粒。 （2）冰丸（小雹、冰粒）：透明或半透明，直径几毫米， 形状无规则。冻滴或霰外面包一层薄冰壳，这层冰可以 是捕获小滴冻结而成，或是霰部分融化再冻结而成。 （3）冰雹：直径在5mm以上的冰块、冰球。形状多样， 大小不一。中等强度的风暴可产生直径几厘米的冰雹， 很强盛的风暴可产生10 cm乃至更大的冰雹。其密度约 0.9g/cm3。常呈透明与不透明相间的多层结构，中心初 始雹胚可以是软雹、小雹或冻滴。