1、1云降水物理學云降水物理學教師：劉曉莉教師：劉曉莉電話：電話：5873159258731592EmailEmail：第一章第一章 緒論緒論q 學科性質(zhì)q 學科地位q 方法體系q 發(fā)展簡史q 學習目的q 主要內(nèi)容q 參考書目3緒論緒論- -學科定義學科定義廣義上可以定義為大氣中云的科學，可以包括從云的分類、形成、演變、云中輻射傳輸、云中光電現(xiàn)象等一直到雨水的化學特性這樣的范圍。云、霧和降水物理學（簡稱云物理學）是以大氣熱力學和大氣動力學為基礎，研究大氣中水分在各階段所經(jīng)歷的物理過程，具體而言就是研究云、霧和降水和形成、發(fā)展、維持和消散規(guī)律的科學。研究目的：天氣預報和人工影響天氣4緒論緒論學科劃分

2、按研究對象尺度的大小，云物理學可分為宏觀云物理學和微觀云物理學二部分。前者研究水平尺度10m100km以至1000km，垂直厚度10m10km范圍內(nèi)云的形成、發(fā)展和消散的動力過程；后者研究云體的組成元素云粒子（包括云滴、冰晶）和降水粒子（雨、雪和冰雹等）所經(jīng)歷的凝結（華）、碰并和蒸發(fā)等過程。其尺度僅0.1 m 1cm。5緒論緒論分類宏觀云物理學主要是大氣動力學問題，微觀云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。宏觀和微觀二者是相互依存、相互作用的。通常的云物理學著作側重于云的微物理學，并不是認為云的動力過程不重要，主要原因是對云的動力學的

3、了解遠不如對云的微物理學那樣清楚。6緒論緒論研究對象微尺度：云雨滴的形成、增大和消散規(guī)律結構尺度：云雨中的特征結構中小尺度：有獨立意義的中小規(guī)模的云雨單元及天氣系統(tǒng)天氣尺度：云雨單元的集體以及范圍較大的天氣系統(tǒng)7緒論緒論- -研究對象研究對象微尺度對象尺度范圍氣體質(zhì)粒、離子11m核、云雨質(zhì)粒1m1cm雹胚、雹塊、微渦、亂流 1cm10cm小渦、墻角風10cm1m熱泡、塵卷、碎云、亮帶寬1m100m8緒論緒論- -研究對象研究對象宏觀尺度1、小尺度（結構尺度）對象尺度范圍初生云100m5km弧狀云、龍卷漏斗、懸球云、云塔寬、降水旛等雷達回波結構（弱回波區(qū)、回波墻、高懸回波等）9緒論緒論- -研究

4、對象研究對象宏觀尺度2、中小尺度對象尺度范圍陣風鋒2km25km雷暴云和積云單體龍卷氣旋中尺度高壓及低壓雨團10緒論緒論- -研究對象研究對象宏觀尺度3、大中尺度（天氣尺度）對象尺度范圍云集體（颮線、云團、細胞狀云）25km500km雨帶臺風、氣旋、鋒面及輻合帶云系500km盾狀云、螺旋云帶、逗點云11緒論緒論- -主要矛盾主要矛盾云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，才有云霧的發(fā)生發(fā)展(大多情況)，以及降水的發(fā)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，在云霧發(fā)展的某一局部階段，其它矛盾可

5、能暫時轉化為主要矛盾。但總的來說，其它矛盾不占經(jīng)常的、主要的地位。因此，各種云霧現(xiàn)象中只有與主要矛盾相聯(lián)系的現(xiàn)象才是更重要的。12緒論緒論 學科地位學科地位大氣科學：大氣物理、大氣化學、大氣生物學大氣物理學：大氣熱力學、大氣動力學、云霧降水物理學、大氣輻射學、大氣聲光電學、高層大氣物理學等研究云霧降水物理必須具有大氣物理學中其它分支的知識研究云霧降水物理必須重視云霧的地理背景、環(huán)流背景、天氣背景，應具備天氣學、氣候學知識是人工影響云霧降水的理論基礎，后者是前都是主要目的和具體應用這一，也是更深入研究的方法之一。13緒論緒論 方法體系方法體系感性認識：1、觀測和探測理性認識（分析和綜合）2、理化

6、實驗3、理化模擬4、數(shù)值模擬人為干擾（雙重意義）5、人工影響云霧降水作業(yè)14緒論緒論 方法體系方法體系1、觀測和探測對客觀自然云霧或人工影響后的云霧獲得感性認識的方法。例如：n組織中小尺度觀測網(wǎng)；組織中小尺度觀測網(wǎng)；n進行云內(nèi)外溫、濕、壓及氣流分布探測，云體發(fā)展及進行云內(nèi)外溫、濕、壓及氣流分布探測，云體發(fā)展及挾卷情況探測、雷過回波及衛(wèi)星云圖；挾卷情況探測、雷過回波及衛(wèi)星云圖；n云內(nèi)微物理結構及其有關參量和特征（如滴譜、含水云內(nèi)微物理結構及其有關參量和特征（如滴譜、含水量等）觀測、降水觀測等量等）觀測、降水觀測等15緒論緒論 方法體系方法體系2、理化實驗（隔離因子）從云霧過程的整體中隔離出一些因

7、子，在實驗室分析較為單純的一些物理關系。例如：n水滴半徑與下落末速度的關系；水滴半徑與下落末速度的關系；n凍結核的有效閾溫；凍結核的有效閾溫；n不同半徑水滴的重力碰并或電力碰并等。不同半徑水滴的重力碰并或電力碰并等。16緒論緒論 方法體系方法體系3、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(xiàn)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，研究云霧物理過程的因子、機制、子過程等。例如：n在有垂直風洞的冷云室中，模擬冰雹在有過冷水滴的云在有垂直風洞的冷云室中，模擬冰雹在有過冷水滴的云中的增長，并分析影響其增長的因子；中的增長，并分析影響其增長的因

8、子；n在水箱中加入由在水箱中加入由BaClBaCl2 2和和NaNa2 2SOSO4 4溶液混合而沉淀出溶液混合而沉淀出BaSOBaSO4 4 ，用此沉淀物下沉情況模擬自然熱云泡上升的情況；用此沉淀物下沉情況模擬自然熱云泡上升的情況；n用薄層流體頂部冷卻低部加熱，模擬自然云的細胞對流用薄層流體頂部冷卻低部加熱，模擬自然云的細胞對流過程及鑲嵌云和波狀云的形狀，研究相應的自然過程及過程及鑲嵌云和波狀云的形狀，研究相應的自然過程及云狀的形成條件等。云狀的形成條件等。17緒論緒論 方法體系方法體系4、數(shù)值模擬根據(jù)控制自然云霧降水發(fā)展過程的基本規(guī)律所遵循的數(shù)學物理方程組（包括宏觀的流體動力及熱力學方程組

9、和云霧微觀過程方程組），按實測的初始及邊界條件，進行數(shù)值求解。把所得結果與自然界云霧降水發(fā)展的探測數(shù)據(jù)相比較，二者相符則認為原采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?？蓴[脫實驗室的約束和局限，可考慮較多因子可以很復雜，但自然界的復雜性不能完全用方程表達出來18緒論緒論 方法體系方法體系5、人工影響云霧降水作業(yè)用人為方法干擾云霧降水過程，觀測干擾后果，以了解云霧降水發(fā)展規(guī)律。但是自然云霧降水過程十分復雜，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(zhì)和劑量、干擾部位及被干擾對象的特點等，都直接或間接影響云霧降水過程的其后發(fā)展；干擾后果是自然發(fā)展與人為干擾的綜合疊

10、加造成，區(qū)分十分困難。19發(fā)展簡史發(fā)展簡史16世紀：Galilei發(fā)明溫度表，定量測量氣象現(xiàn)象。20發(fā)展簡史發(fā)展簡史21發(fā)展簡史發(fā)展簡史1802年Lamerck; 1803年Howard; 1887年Hildebrandson; Abercromby對云分類Howard, Luke. On the modifications of clouds. London, 1803. Berlin, 1893. 32 p.22發(fā)展簡史發(fā)展簡史1896巴黎出版第1部國際云圖，現(xiàn)用瑞士1956年版23發(fā)展簡史發(fā)展簡史Dalton（1766-1844）測量飽和水汽壓1843年Clapeyron從理論上得出飽和

11、水汽壓隨溫度的變化，隨后Clausius將此關系改寫為通用的表達式24發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -成核作用的早期發(fā)現(xiàn)成核作用的早期發(fā)現(xiàn)1870年Kelvin勛爵在愛丁堡皇家學會的會議錄上發(fā)表了具有重大意義的論文。云滴表面飽和水汽壓隨溫度和水滴大小的變化關系。1875年法國人Coulier發(fā)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(fā)生凝結的核。1880年后，便有蘇格蘭物理學家John Aitken埋頭苦干了近35年的卓越的研究工作。用他那個被稱之為愛根核計數(shù)器的輕便膨脹室，考察了低層大氣中所含的顆粒數(shù)。1884年Raoult研究稀溶液的飽和水汽壓定律25

12、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(jīng)典的云室試驗，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，并發(fā)展了吸濕性核凝結理論。繼這項開拓性的工作以后，德國法蘭克福Taunus觀象臺進行了一系列核的數(shù)目和大小的測定，由基督教徒Junge指導繼續(xù)進行。Junge和他以前的John Aitken一樣，成為這一學科的世界權威。發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -成核作用的早期發(fā)現(xiàn)成核作用的早期發(fā)現(xiàn)26發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -過冷卻和伯杰龍假說過冷卻和伯杰龍假說1900年Berson通過氣球

13、觀測發(fā)現(xiàn)過冷卻云滴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(diào)節(jié)到冰面和水面飽和值之間的某一個值。由此產(chǎn)生的效果必然是，在冰上將連續(xù)不斷發(fā)生凝結，而同時液體水則在蒸發(fā)，這一過程一直要進行到液相完全耗盡為止”。27緒論緒論28發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -過冷卻和伯杰龍假說緒論過冷卻和伯杰龍假說緒論22年以后，Bergeron將觀測事實加以整理，提出了他那個液相和冰相混合云發(fā)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(lián)合會第五次全體會議上，會議論文集直到1935年才發(fā)表。Fin

14、deisen在Bergeron思想的基礎上加以擴充，于1938年發(fā)表文章對這個理論作了更為明確的闡述，并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。29發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -Irving LangmuirIrving Langmuir博士博士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。后來他想?yún)⒓友芯?/p>

15、工作。便和我們一起研究表面化學，工作得很不錯，發(fā)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，而且和我們后面對人工控制天氣的興趣密切相關。我們現(xiàn)在所做的許多事情都源出于那個共同的背景。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于自然現(xiàn)象的研究”。30發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -SchaeferSchaefer的偉大發(fā)現(xiàn)的偉大發(fā)現(xiàn)觀測冰箱里濕空氣的凝結時，當溫度降到-20左右時，仍沒有冰形成。最后，在一個異?？釤岬娜兆樱?946年7月12日）。冰箱里的溫度不夠低，他想讓溫度再低一點，就取了一大塊干冰投入

16、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。他又把干冰取出來，冰晶維持了一會。接著他發(fā)現(xiàn)，即使很小一塊干冰也能使云里充滿冰晶。他取一根在液態(tài)空氣中浸過的針，讓這根針在冰箱里經(jīng)過一次。結果只要一接觸這根針，就又產(chǎn)生無數(shù)個冰晶。這個效果很快散布到整個冰箱。這是一個絕妙的實驗。Schaefer實驗日記中這樣寫道：“當我們還在云里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！31Schaefer就他的實驗給科學雜志寫了一篇文章，發(fā)表于1946年11月15日的期刊上。他在文章的結語中寫道：按計劃準備在不久的將來通過一架飛機向云中播撒小塊干冰，而將過冷云大規(guī)模轉化為冰

17、晶云。我們相信，這種作業(yè)是切實可行、比較經(jīng)濟的，同時，大面積的云系也可用這種方法進行人工影響。最后這一句話竟落在事實后面，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云進行科學播撒。Schaefer從Curt駕駛的一架小型飛機的座艙里，在一塊云的上方沿著一條大約3英里長的航線，播撒了3磅干冰。這塊云是層云，云高4000多米，云中溫度-20C。在5分鐘以內(nèi)，似乎整個云都轉變成雪，在云下降落了約600米才蒸發(fā)掉。發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -SchaeferSchaefer的偉大發(fā)現(xiàn)的偉大發(fā)現(xiàn)32發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -Vonnegu

18、tVonnegut博士的碘化銀實驗博士的碘化銀實驗 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，于1946年秋季，在通用電氣實驗室忙于研究各種成核過程。當Schaefer實驗室的實驗做過以后，便把他的注意力又轉移到冰的成核作用上來。當他了解到冰晶可以在具有適當?shù)木w結構的物質(zhì)上增長核化之后，他翻閱了x光晶體學手冊，尋找晶體結構和冰晶相近、又不溶于水的物質(zhì)。碘化銀和碘化鉛似乎是最合乎這個條件的。33發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -VonnegutVonnegut博士的碘化銀實驗博士的碘化銀實驗 雷達探測計算機與云模式衛(wèi)星探測34發(fā)展簡史發(fā)展簡史國人之貢獻35發(fā)展簡史發(fā)展簡史-

19、 -國內(nèi)國內(nèi) 戰(zhàn)國竹書紀年卷：“軒轅五十年秋七月庚申天霧三日三夜，晝昏。大舜四十七年冬隕霜，不殺草木?！币笮婕坠俏模涸啤⒋笥?、猛雨、疾雨、足雨、多雨、毛毛雨、小雨、大風、霧、雪、霰、電、虹等卜辭；詩經(jīng)：“上天同云，雨雪紛紛”信南山；“有渰萋萋，興雨祁祁”大田莊子徐無鬼“風之過河也，有損焉；日之過河也，有損焉?！鼻f子天運篇“云者為雨乎？雨者為云乎？”老子道德經(jīng)“飄風不終期，驟雨不終日?！?6發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -國內(nèi)國內(nèi) 漢書天文志“陳云如垣。杼云如杼柚，云傳兩端銳。杓云如繩，鉤云如句曲。”呂氏春秋 應同“山云草莽，水云魚鱗，旱云煙火，雨云水波，無不皆類其所生以示人?！蔽鳚h董仲舒雨雹對“攢聚相合

20、，其體稍重，故雨乘虛而墜”；“風多則合速，故雨大而疏；風少則合遲，故雨細而密”春秋說題辭“盛陰之氣，凝滯為雪”呂氏春秋圜道“云氣西行云云然，冬夏不輟；水泉東流，日夜不休，上不竭，下不滿，小為大，重為輕，圜道也。”37發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -國內(nèi)國內(nèi) 周易集解篡注引三國吳陸績語“水氣上天，決降成雨”北魏末期，賈思勰齊民要術“天雨新晴，北風寒切，是夜必霜?！蔽鳚h韓嬰韓詩外傳“凡草木花多五出，雪花獨六出，雪花曰霙，雪云曰同云”霰： “如彼雨雪，先集維霰”詩經(jīng)頍弁；東漢劉熙釋名“霰，星也，水雪相搏（團也），如星而散也”西漢董仲舒雨雹對“雹，霰之流也，陰氣暴上，雨則凝結成雹焉”38發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -國

21、內(nèi)國內(nèi) 唐孔穎達禮記注疏“若云薄漏日，日照雨滴則虹生?！彼尾瘫迕娒锝狻八畾饧兓谔斐伸F，霧，云之類也”日本人在韓國境內(nèi)所發(fā)現(xiàn)清乾隆庚寅年（即乾隆35年）中國所制的測雨臺391956年1月25日，毛澤東主席召開最高國務會議時說：“人工造雨是非常重要的，希望氣象工作者多努力”。1956年10月，氣象科學研究12年遠景規(guī)劃(草案)中，第二大專題大氣物理學第四項是“云與降水物理過程和人工控制水分狀態(tài)的試驗研究”。1957年，中國科學院和北京大學分別派出留學生赴蘇聯(lián)學習云物理和人工影響天氣發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -國內(nèi)國內(nèi) 40我國的云降水物理學是在1958年“大躍進”時期創(chuàng)建的：趙九章、顧震潮、謝義

22、炳、趙柏林、徐爾灝等。1958年在當時干旱最嚴重的吉林省產(chǎn)生進行了人工降水的試驗，取得了實效。其后，西北：祁連山區(qū)、蘭州人工降水中南、華東：飛機人工降水黃山、衡山、廬山：云物理觀測基地發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -國內(nèi)國內(nèi) 41揭示我國云降水的一些宏觀和微觀物理特征；提出暖云降水的起伏理論，以及人工降水作業(yè)時的最佳播撒方法。這些理論和方法，突破了當時舊的觀點，在云物理學上很有意義；對鹽核的來源、云滴譜的形成理論、云動力學、人工影響天氣的效果檢驗、雷電定位和閃電信息的利用、爆炸對云發(fā)展的影響等方面提出了獨特見解?！拔彝嗵幗氖?，一直認為他是我學習的榜樣”（陶詩言云霧降水物理基礎序）。發(fā)展簡史發(fā)展簡

23、史- -國內(nèi)國內(nèi) 4260年代中期以前，云物理學著重于云的微物理學。70年代開始，特別是80年代以來，云物理學發(fā)展到一個新的現(xiàn)代化階段。主要標志有二：n一是用現(xiàn)代化的技術裝備（先進的多功能雷達、配有多一是用現(xiàn)代化的技術裝備（先進的多功能雷達、配有多種儀器的探測飛機、快速的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、衛(wèi)星探測等種儀器的探測飛機、快速的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、衛(wèi)星探測等多種遙感手段）來研究云、云系、強風暴的內(nèi)部結構和多種遙感手段）來研究云、云系、強風暴的內(nèi)部結構和發(fā)生發(fā)展過程；發(fā)生發(fā)展過程；n二是用現(xiàn)代化快速計算機，以云中微物理過程和動力過二是用現(xiàn)代化快速計算機，以云中微物理過程和動力過程、云與環(huán)境緊密結合，進行數(shù)值模擬

24、和試驗，從而闡程、云與環(huán)境緊密結合，進行數(shù)值模擬和試驗，從而闡明云和降水發(fā)生發(fā)展的條件、物理過程、控制因素及其明云和降水發(fā)生發(fā)展的條件、物理過程、控制因素及其變化規(guī)律。變化規(guī)律。發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -國內(nèi)國內(nèi) 431996年，經(jīng)中國氣象學會批準，云物理和人工影響天氣研究分會在北京成立。近年來，人影作業(yè)服務的規(guī)模不斷擴大，投入不斷增大。1996年2002年，21個?。▍^(qū)、市）實施飛機人工增雨作業(yè)3216架次，飛行7351小時；高炮火箭防雹作業(yè)保護面積39萬平方公里，全國人工影響天氣工作總投入累計達到17億元。目前全國有30個?。▍^(qū)、市）的1632個縣（包括縣級單位）開展了地面高炮、火箭人工增雨防

25、雹作業(yè)；擁有專用高炮6800門，各型火箭發(fā)射架3140余臺；從業(yè)人員達3.5萬人。我國的人工影響天氣作業(yè)規(guī)模已達到世界第一，成為名副其實的人工影響天氣工作的大國。 發(fā)展簡史發(fā)展簡史- -國內(nèi)國內(nèi) 44緒論緒論45我校本專業(yè)方向的歷程我校本專業(yè)方向的歷程1958年，王鵬飛在當年天氣月刊6月號發(fā)表人工影響云霧中央氣象局派觀象臺臺長羅漠到江西與省領導商定組建廬山云霧試驗站。1960年9月，大氣物理專業(yè)招生撤消大氣物理專業(yè)，學生并入天氣動力專業(yè)1978年9月南京氣象學院恢復大氣物理系，當年招收學生33人。以后每年招收10一30人，專業(yè)方向是云霧物理和人工影響天氣。至1999年，培養(yǎng)大氣物理專業(yè)學生35

26、3人46我校本專業(yè)方向的歷程我校本專業(yè)方向的歷程1980年，湖南、安徽、福建等省氣象局和南京大學、南京氣象學院及廬山云霧站等單位合作、在合肥舉行南方積云試驗和考察研究協(xié)調(diào)會，討論隨機試驗進展和積云觀測研究方案。并在此基礎上籌建南方云物理和積云降水試驗協(xié)作組。1980年，安徽省人工降雨辦公室與南京氣象學院合作，在白湖地區(qū)進行高炮人工降雨試驗，配有雷達、探空和雨量站網(wǎng)。試驗持續(xù)兩年。1981年，南京氣象學院被批準有權授予大氣物理專業(yè)碩士學位單位。當年開始招收研究生。至1999年，已培養(yǎng)40余名研究生。47我校本專業(yè)方向的歷程我校本專業(yè)方向的歷程1983年，周文賢、章澄昌譯：云物理簡明教程1983年，王鵬飛譯：云物理學簡編 1988年江蘇省科技進步三等獎：“圓錐形冰雹微結構及其理論和實驗研究”(19831985)，主要完成人員李子華等。1989，王鵬飛、李子華，微觀云物理學1989年12月15日，南京氣象學院和重慶市氣象局合作，對重慶霧進行為期1月的大規(guī)模綜合觀測試驗。觀測項目包括邊界層探測、霧的宏微觀結構、霧水化學、氣溶膠、輻射及大氣質(zhì)量監(jiān)測等。有近百人參加觀測試驗工作。48我校本專業(yè)方向的歷程我校本專業(yè)方向的歷程1990年，利用世界銀行貸款引進PMS云