云和降水物理学

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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。

气象学家I·朗缪尔

（1）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。

（2）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）

（3）但直到20世纪20年代，才建立了云滴的凝结理论。

（4）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

（5）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。

（6）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。

云和降水物理学包括两个方面：

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。

人工降水

云和降水物理学的研究主要有三个环节：

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。

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。

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。

微波

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。

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。

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。

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