云和降水物理学

云和降水物理学

潮湿空气在冷却过程中，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。

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20世纪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20世纪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。

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。

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。

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，直到尺度达数千米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。