雲物理學

雲物理學（cloud physics）是以大氣熱力學和大氣動力學為基礎，研究大氣中雲的發生、發展、結構及其產生降水(如雨、雪、雹等)所遵循的物理和動力過程的學科。 具體而言就是研究雲、霧和降水和形成、發展、維持和消散規律的科學。

基本介紹

• 中文名：雲物理學
• 外文名：cloud physics
• 定義：研究雲的發生髮展、結構及其降水
• 套用學科：大氣科學

簡介

雲霧和降水物理學，簡稱雲物理學。是以大氣熱力學和動力學為基礎，研究雲、霧和降水的形成過程，發展規律以及如何影響、控制它的一門學科。

雲和降水與天氣、氣候密切相關， 大 部分災害性天氣，如暴雨、雷暴、冰雹、颱風、龍捲風和霧障等都和雲雨過程有關；雲和降 水也是地-氣系統的動量、熱量、水分傳輸和平衡的關鍵因素。

分類

按研究對象尺度的大小，雲物理學可分為巨觀雲物理學和微觀雲物理學二部分。前者研究水平尺度10m~100 km以至1000km，垂直厚度10m~10km範圍內雲的形成、發展和消散的動力過程；後者研究雲體的組成元素——雲粒子（包括雲滴、冰晶）和降水粒子（雨、雪和冰雹等）所經歷的凝結（華）、碰並和蒸發等過程。其尺度僅0.1 μm ~ 1cm。

巨觀雲物理學主要是大氣動力學問題，微觀雲物理學則更多的是水汽的相變熱力學和氣溶膠力學問題，所需的知識為熱力學原理、擴散理論和物理化學等。巨觀和微觀二者是相互依存、相互作用的。通常的雲物理學著作側重於雲的微物理學，並不是認為雲的動力過程不重要，主要原因是對雲的動力學的了解遠不如對雲的微物理學那樣清楚。

研究對象

微尺度

微尺度：雲雨滴的形成、增大和消散規律。

對象	尺度範圍
氣體質粒、離子	1Å—1μm
核、雲雨質粒	1μm—1cm
雹胚、雹塊、微渦、亂流	1cm—10cm
小渦、牆角風	10cm—1m
熱泡、塵卷、碎雲、亮頻寬	1m—100m

巨觀尺度

（1）結構尺度：雲雨中的特徵結構；

（2）中小尺度：有獨立意義的中小規模的雲雨單元及天氣系統；

（3）天氣尺度：雲雨單元的集體以及範圍較大的天氣系統；

小尺度（結構尺度）	對象	尺度範圍
	初生雲	100m—5km
	弧狀雲、龍捲漏斗、懸球雲、雲塔寬、降水旛等
	雷達回波結構（弱回波區、回波牆、高懸回波等）
中小尺度	陣風鋒	2km—25km
	雷暴雲和積雲單體
	龍捲氣旋
	中尺度高壓及低壓
	雨團
大中尺度（天氣尺度）	雲集體（颮線、雲團、細胞狀雲）	25km—500km
	雨帶
	颱風、氣旋、鋒面及輻合帶雲系	>500km
	盾狀雲、螺旋雲帶、逗點雲

主要的矛盾

雲霧降水物理中最主要的矛盾是大氣在運動中實際可能包含的水汽量和大氣中實際存在的水份含量之間的矛盾。

該矛盾的存在，才有雲霧的發生髮展(大多情況)，以及降水的發生和減弱。該矛盾貫穿在整個自然界氣流與空中水分相變的相互制約過程中。

當然，在雲霧發展的某一局部階段，其它矛盾可能暫時轉化為主要矛盾。但總的來說，其它矛盾不占經常的、主要的地位。因此，各種雲霧現象中只有與主要矛盾相聯繫的現象才是更重要的。

方法體系

觀測和探測

對客觀自然雲霧或人工影響後的雲霧獲得感性認識的方法。例如：

（1）組織中小尺度觀測網；

（2）進行雲內外溫、濕、壓及氣流分布探測，雲體發展及挾卷情況探測、雷過回波及衛星雲圖；

（3）雲內微物理結構及其有關參量和特徵（如滴譜、含水量等）觀測、降水觀測等

理化實驗（隔離因子）

從雲霧過程的整體中隔離出一些因子，在實驗室分析較為單純的一些物理關係。例如：

（1）水滴半徑與下落末速度的關係；

（2）凍結核的有效閾溫；

（3）不同半徑水滴的重力碰並或電力碰並等。

理化模擬（綜合因子）

用實驗方法，模擬自然機制及過程。使設計出的現象與自然過程在直觀上有一定的相似性，可用增減因子或改變參量的有控制的實驗方法，研究雲霧物理過程的因子、機制、子過程等。例如：

（1）在有垂直風洞的冷雲室中，模擬冰雹在有過冷水滴的雲中的增長，並分析影響其增長的因子；

（2）在水箱中加入由BaCl2和Na2SO4溶液混合而沉澱出BaSO4 ，用此沉澱物下沉情況模擬自然熱雲泡上升的情況；

（3）用薄層流體頂部冷卻低部加熱，模擬自然雲的細胞對流過程及鑲嵌雲和波狀雲的形狀，研究相應的自然過程及雲狀的形成條件等。

數值模擬

根據控制自然雲霧降水發展過程的基本規律所遵循的數學物理方程組（包括巨觀的流體動力及熱力學方程組和雲霧微觀過程方程組），按實測的初始及邊界條件，進行數值求解。

把所得結果與自然界雲霧降水發展的探測數據相比較，二者相符則認為原採用的這些方程組所代表的過程與自然過程相符，即模擬成功。

可擺脫實驗室的約束和局限，可考慮較多因子。可以很複雜，但自然界的複雜性不能完全用方程表達出來。

人工影響雲霧降水作業

用人為方法干擾雲霧降水過程，觀測干擾後果，以了解雲霧降水發展規律。

但是自然雲霧降水過程十分複雜，影響因子的主次常有變化；當引入人為干擾時，干擾的原理、催化劑性質和劑量、干擾部位及被干擾對象的特點等，都直接或間接影響雲霧降水過程的其後發展；干擾後果是自然發展與人為干擾的綜合疊加造成，區分十分困難。

發展簡史

16世紀：Galilei發明溫度表，定量測量氣象現象。

1802年Lamerck; 1803年Howard; 1887年Hildebrandson; Abercromby對雲分類。

1896巴黎出版第1部國際雲圖，現用瑞士1956年版。

Dalton（1766-1844）測量飽和水汽壓。

1843年Clapeyron從理論上得出飽和水汽壓隨溫度的變化，隨後Clausius將此關係改寫為通用的表達式。

成核作用的早期發現

1870年Kelvin勳爵在愛丁堡皇家學會的會議錄上發表了具有重大意義的論文。雲滴表面飽和水汽壓隨溫度和水滴大小的變化關係。

1875年法國人Coulier發表了他的試驗結果，證實了空氣中的懸浮顆粒在微量過飽和或未達到過飽和情況下，可充當在其周圍發生凝結的核。

1880年後，便有蘇格蘭物理學家John Aitken埋頭苦幹了近35年的卓越的研究工作。用他那個被稱之為愛根核計數器的輕便膨脹室，考察了低層大氣中所含的顆粒數。

1884年Raoult研究稀溶液的飽和水汽壓定律。

1890年，Gibbs提出相變時能量轉化有關的Gibbs自由能概念。

1897年Wilson進行了經典的雲室試驗，研究無塵空氣中帶電離子的凝結。

1921和1926年，瑞典化學家兼氣象學家Hilding Kohler證實了海鹽核的重要性，並發展了吸濕性核凝結理論。

繼這項開拓性的工作以後，德國法蘭克福Taunus觀象台進行了一系列核的數目和大小的測定，由基督教徒Junge指導繼續進行。Junge和他以前的John Aitken一樣，成為這一學科的世界權威。

過冷卻和伯傑龍假說

1900年Berson通過氣球觀測發現過冷卻雲滴。

Wegener在他1911年出版的《大氣熱力學》一書中就討論了在-20—-30C的溫度下觀測到的液滴。書中說“水汽張力將自行調節到冰面和水面飽和值之間的某一個值。由此產生的效果必然是，在冰上將連續不斷發生凝結，而同時液體水則在蒸發，這一過程一直要進行到液相完全耗盡為止”。

過冷卻和伯傑龍假說

22年以後，Bergeron將觀測事實加以整理，提出了他那個液相和冰相混合雲發生降水的著名理論。Bergeron把他的理論提到1933年在里斯本召開的國際大地測量和地球物理聯合會第五次全體會議上，會議論文集直到1935年才發表。

Findeisen在Bergeron思想的基礎上加以擴充，於1938年發表文章對這個理論作了更為明確的闡述，並引進了許多新的解釋。因此Bergeron理論在許多地方便以Bergeron-Findeisen理論而著稱。

Irving Langmuir博士

Langmuir博士美國最早的諾貝爾獎金獲得者之一，因表面化學方面的工作而獲得1932年的諾貝爾獎。1947年他在美國科學院的講演中是這樣敘述Schaefer早期的研究工作：

“Schaefer比我年輕得多。他來實驗室，就在機械車間工作，是一位很熟練的技工，給我們做了許多精密儀器。後來他想參加研究工作。便和我們一起研究表面化學，工作得很不錯，發表過這方面的研究成果。他喜歡爬山，我也喜歡，總的說我們都喜歡室外生活。這是很重要的，而且和我們後面對人工控制天氣的興趣密切相關。我們現在所做的許多事情都源出於那個共同的背景。誰也不會給我們作出那種安排。要不是我們生性就喜歡這樣做的話，誰也無法說服我們冬天登上華盛頓山進行這一項屬於自然現象的研究”。

Schaefer的偉大發現

觀測冰櫃里濕空氣的凝結時，當溫度降到-20℃左右時，仍沒有冰形成。

最後，在一個異常酷熱的日子（1946年7月12日）。冰櫃里的溫度不夠低，他想讓溫度再低一點，就取了一大塊乾冰投入箱中去降低溫度。忽然間，空氣中馬上充滿了冰晶，足有幾百萬個。他又把乾冰取出來，冰晶維持了一會。接著他發現，即使很小一塊乾冰也能使雲里充滿冰晶。他取一根在液態空氣中浸過的針，讓這根針在冰櫃里經過一次。結果只要一接觸這根針，就又產生無數個冰晶。這個效果很快散布到整個冰櫃。這是一個絕妙的實驗……。

Schaefer實驗日記中這樣寫道：“當我們還在雲裡面看見到處是耀眼的冰晶時，我轉向Curt和他握手，我說：‘我們成功了’！

Schaefer就他的實驗給《科學》雜誌寫了一篇文章，發表於1946年11月15日的期刊上。他在文章的結語中寫道：按計畫準備在不久的將來通過一架飛機向雲中播撒小塊乾冰，而將過冷雲大規模轉化為冰晶雲。我們相信，這種作業是切實可行、比較經濟的，同時，大面積的雲系也可用這種方法進行人工影響。

最後這一句話竟落在事實後面，1946年11月13日，即這一期《科學》出版的前兩天，Schaefer進行了一次有歷史意義的飛行，它是人類第一次對一塊過冷雲進行科學播撒。Schaefer從Curt駕駛的一架小型飛機的座艙里，在一塊雲的上方沿著一條大約3英里長的航線，播撒了3磅乾冰。這塊雲是層雲，雲高4000多米，雲中溫度-20C。在5分鐘以內，似乎整個雲都轉變成雪，在雲下降落了約600米才蒸發掉。

Vonnegut博士的碘化銀實驗

在麻省理工學院曾研究過與飛機積冰有關的成核作用問題的Vonnegut博士，於1946年秋季，在通用電氣實驗室忙於研究各種成核過程。

當Schaefer實驗室的實驗做過以後，便把他的注意力又轉移到凍的成核作用上來。當他了解到冰晶可以在具有適當的晶體結構的物質上增長核化之後，他翻閱了x光晶體學手冊，尋找晶體結構和冰晶相近、又不溶於水的物質。碘化銀和碘化鉛似乎是最合乎這個條件的。

雲的觀測

雲的基本觀測包括雲的巨觀特徵、微觀特徵和垂直結構是認識和研究雲發展變化的基本手段，這些基本特徵是雲量、雲高、雲厚、流場、雲液態水途徑、雲的生命時間、雲液態含水量、雲粒子相態、形態和尺度分布、雲降水的化學組成等。發展和套用一些新的技術手段對雲的基本特性進行空基和地基的直接和間接觀測。作為直接觀測手段，飛機觀測是非常關鍵的，它可以直接測量雲的特徵量，其結果可用來對諸如衛星和雷達等間接測量方法的驗證。