| 词条 | 云和降水物理学 |
| 释义 | 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。 简介早在19世纪中叶，人们就已经逐步了解了湿空气块上升时，其凝结过程的热力学理论，这是云的宏观动力学的基础。1880～1881年，英国的爱根等提出了尘粒在水汽凝结而生成云滴过程中的作用，但直到20世纪20年代，才建立了云滴的凝结理论；1933年，瑞典气象学家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，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，人们开始对积云的结构和生消过程进行综合探测；1946年，朗绥尔和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；随后他们又对云的微物理过程和宏观的动力、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。 主要内容云和降水物理学的内容主要包括云和降水微物理学和云动力学。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；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。 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。 研究简史早在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。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），但直到20世纪20年代，才建立了云滴的凝结理论。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，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。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。 研究方法云和降水物理学的研究方法和手段主要有外场观测试验、室内实验和理论研究三方面。 外场观测试验外场观测试验是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。 室内实验室内实验是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。 理论研究理论研究是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。 微波衰减微波在云、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。 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。 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。 作用与发展现状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。 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一微米的云核，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。 其它大气科学分支学科大气科学、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、云和降水物理学、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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