云形成的宏观条件特征-副本.ppt

1、云降水物理学基础云降水物理学基础第十一章第十一章云雾形成的宏观条件及一般特征云雾形成的宏观条件及一般特征学科性质学科性质 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。学科性质学科性质 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-

2、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 m-1cm。学科性质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。学科性质学科性质云雾降水物理中最主要的矛盾是大气在运动

3、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。学科性质学科性质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1.人工影响云雾降水的理论基础参考书目参考书目教材类：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

4、基础，农业出版社。顾震潮，1980，云雾降水物理基础，科学出版社。参考书目参考书目其它：p王鹏飞、李子华，1989，微观云物理学p梅森，1979，云物理学p黄美元，徐华英等，1999，云和降水物理p王明康，1991，云和降水物理学pDennis,1980,Weather Modification by Cloud SeedingpPruppacher,H.R.,and J.D.Klett,1978,Microphysics of Clouds and Precipitation11.1.1 云和降水的分类云和降水的分类相对湿度f 100%凝结、凝华 水滴、冰雪晶。相对湿度变化方程：22/lnl

5、nlnClausius-Clapeyron Eq.:vvvvfe EfeEdfdedEfeEL dTdEER TL dTdfdefeR T 11.1.2 云雾形成宏观条件云雾形成宏观条件湿空气达到饱和的主要途径湿空气达到饱和的主要途径4所以,增大相对湿度有两个途径：增加水汽（de0）和降温（-dT0），一般来说，大气中形成自然云雾，主要以降温过程为主。26273.15;2.50 10/;461.5/19.8vvvvvvvvL dTdfdefeR TLdedTeR T TTK LJ kg RJ kgKLR T 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

6、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湿空气达到饱和的主要途径-降温机制降温机制总结云雾形成的宏观条件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湿空气达到饱和的主要途径降温机制总结总结云雾形成的宏观条件云雾形成的宏观条件降温4上升膨胀冷却4对流对流4孤立对流：孤立对流：Cu,Cb,Ac等等4镶嵌（细胞）对流：镶嵌（细胞）对流：Ac,Sc等等4斜升斜升4锋面斜升：暖锋、缓行冷锋、静止锋上的锋面斜升：暖锋、缓行冷锋、静止锋上的Ci,

7、Cs,As,Ac,Ns等等4地形斜升：上坡雾、地形斜升：上坡雾、Sc等等4波动波动4风切变和气流过山：荚状、波状、涡条状风切变和气流过山：荚状、波状、涡条状Ci,As,Sc等等ByersBraham雷暴单体模式雷暴单体模式11.2 云雾降水的宏观特征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积云的形成气团雷暴模型消散阶段积云的形成积云的形成局地强对流风暴局地强对流风暴4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，

8、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。4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。积云的形成积云的形成局地强对流风暴局地强对流风暴飑线飑线积云的形成积云的形成局地强对流风暴局地强对流风暴飑线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积云的形成超级单体积云的形成超级单体积云

9、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积云的形成超级单体积云的形成积云的形成超级单体超级单体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层状云 层状云层状云30,00020,00010,0004005002001000300200100Stable warm airASCICSASNSSCSTWARM FRONT STABLE CONDITIO

10、NSFOG RAIN and LOW NIMBUSTRATUS亮带亮带 4（雷达显示屏上反射率特别大的长条区）：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。4亮带结构：位于0度层以下80400m，厚度15150m，呈水平带状4亮带的形成：降水质粒的反射率与复折射指数m有关，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。亮带亮带 11.2.5 降水的宏观特征降水的宏观特征 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

11、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。4云中水分循环次数4暖锋云系：暖锋云系：4-404积状云：积状云：1.5-124降水效率4层状云系：层状云系：95%4雷雨云：雷雨云：20%4研究云的降水效率的意义降水潜力问题_precipitationcloudwaterWnWprecipitationinputWW4单个粒子4粒子群4数密度谱分布曲线4相应有表面积、体积和质量的谱分布11.3 云降水的微观特征云降水的微观特征 dNn rdr)()(lnrrnrn谱分布谱分布4谱宽4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

12、易测得，故常取最大尺度作为谱宽。4谱型4谱分布曲线的的形态：如单调上升、单调下降，单峰、多峰等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 常用特征量 （a）众数半径（b）中值半径（c）体积平均半径 0moderdrrdn Ndrrnmedr210 drrnrrNV03334340)(1drrrnNr drrnrrN021谱分布谱分布 云和云系云和云系云、雨滴尺度云、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.云滴谱云滴谱（1）修正的 分布函数云物理学中广泛使

13、用的是赫尔基安马津公式它有两个控制参数a和b，它们有特定的物理意义：云滴数密度平均半径含水量 brearrn2brarrnexp)(032)(badrrnN03)(1bdrrrnNrabdrrnrqwww0636160)()34(10云滴谱分布函数云滴谱分布函数水的密度 和 都以g/m3为单位，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（2）对数正态分布其控制参数为几何平均半径 和几何标准差 ，其离散表达式分别为),(1045.166rqawwrb3 gggrrNrn22ln2lnlnexpln2grg,lnlniiiiignrnr2121)ln(lnlniiigiign

14、rrnwwqr云滴谱分布函数云滴谱分布函数冰雪晶的形状冰雪晶的形状 雪晶是指冰晶通过凝华及撞冻、凝结、碰并等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机制增长到尺度大于300微米后的水成物。微米后的水成物。国际上将固体降水物分为十类。国际上将固体降水物分为十类。三种主要冰晶类型：三种主要冰晶类型：柱柱(针针)状、片状、片(平面平面)状和辐状和辐枝枝(六角柱六角柱)状状。形状与生长条件关系环境温度、湿度、生长率nS很大时，随很大时，随T下降形状变化：片下降形状变化：片柱柱片片柱柱交替进行。交替进行。nS较低时，变形仅出现于较低时，变形仅出现于-9(柱柱片片)及及-22(片片柱柱)

15、。近冰面饱和时，形状为厚六角片的平衡。近冰面饱和时，形状为厚六角片的平衡形态，高与直径比约形态，高与直径比约0.81。冰雪晶的形状冰雪晶的形状 冰雪晶的形状冰雪晶的形状SectorPlatesVery Thick PlatesHollowSolidPrismsSolidPrismsCups-10-20-30-40TEMPERATURE(oC)0Prisms0102030405060DendriteSectored PlateDendriticSectored PlateNeedlePrism(Column)冰晶冰晶冰晶冰晶冰晶冰晶冰晶冰晶冰晶冰晶冰晶冰晶冰雪晶冰雪晶冰雪晶冰雪晶冰雪晶冰雪晶雨滴

16、谱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)0()dNn dN ed 306wId n d u dd雨滴谱雨滴谱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雨滴谱雨滴谱冰雹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

17、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。凇附凇附Riming:The process by which ice crystals grow through the collision,collection,and freezing of supercooled water droplets.(Fred Remer)The origi

18、nal ice crystal can no longer be distinguished.graupelIce crystalTime 冰雹 冰雹的危害冰雹的危害 冰雹的危害冰雹的危害 冰雹的危害冰雹的危害 冰雹的危害冰雹的危害冰雹的形状冰雹的形状有圆球、扁圆球、椭球、扁椭球、圆锥、苹果形、盘形和不规则形。最常见的冰雹是圆球、圆锥和椭球三种。冰雹的形状冰雹的形状冰雹的形状冰雹的形状冰雹的形状冰雹的形状冰雹的尺度冰雹的尺度l小冰雹较为多见。据新疆观测，直径在5至20mm间的冰雹占总数的92%，大于20mm的仅占8%。l大的有像鸡蛋那么大(直径约10厘米)冰雹的尺度冰雹的尺度冰雹的尺度冰雹的尺度NCAR scientist Nancy Knight Coffeyville,Kansas,1970.The largest hailstone ever documented.It weighs 0.75 kilograms,and spans 14.4 centimeters.雹雹雹雹