云物理学

云物理学（cloudphysics）是以大气热力学和大气动力学为基础，研究大气中云的发生、发展、结构及其产生降水(如雨、雪、雹等)所遵循的物理和动力过程的学科。具体而言就是研究云、雾和降水和形成、发展、维持和消散规律的科学。

中文名：云物理学

外文名：cloudphysics

定义：研究云的发生发展、结构及其降水

应用学科：大气科学

1、简介

云雾和降水物理学，简称云物理学。是以大气热力学和动力学为基础，研究云、雾和降水的形成过程，发展规律以及如何影响、控制它的一门学科。

云和降水与天气、气候密切相关，大部分灾害性天气，如暴雨、雷暴、冰雹、台风、龙卷风和雾障等都和云雨过程有关；云和降水也是地-气系统的动量、热量、水分传输和平衡的关键因素。

2、分类

按研究对象尺度的大小，云物理学可分为宏观云物理学和微观云物理学二部分。前者研究水平尺度10m~100km以至1000km，垂直厚度10m~10km范围内云的形成、发展和消散的动力过程；后者研究云体的组成元素——云粒子（包括云滴、冰晶）和降水粒子（雨、雪和冰雹等）所经历的凝结（华）、碰并和蒸发等过程。其尺度仅0.1μm~1cm。

宏观云物理学主要是大气动力学问题，微观云物理学则更多的是水汽的相变热力学和气溶胶力学问题，所需的知识为热力学原理、扩散理论和物理化学等。宏观和微观二者是相互依存、相互作用的。通常的云物理学著作侧重于云的微物理学，并不是认为云的动力过程不重要，主要原因是对云的动力学的了解远不如对云的微物理学那样清楚。

云中积聚能量释放

3、研究对象

微尺度

微尺度：云雨滴的形成、增大和消散规律。

宏观尺度

（1）结构尺度：云雨中的特征结构；

（2）中小尺度：有独立意义的中小规模的云雨单元及天气系统；

（3）天气尺度：云雨单元的集体以及范围较大的天气系统；

中小尺度

大中尺度（天气尺度）

4、主要的矛盾

云雾降水物理中最主要的矛盾是大气在运动中实际可能包含的水汽量和大气中实际存在的水份含量之间的矛盾。

该矛盾的存在，才有云雾的发生发展(大多情况)，以及降水的发生和减弱。该矛盾贯穿在整个自然界气流与空中水分相变的相互制约过程中。

当然，在云雾发展的某一局部阶段，其它矛盾可能暂时转化为主要矛盾。但总的来说，其它矛盾不占经常的、主要的地位。因此，各种云雾现象中只有与主要矛盾相联系的现象才是更重要的。

5、方法体系

观测和探测

对客观自然云雾或人工影响后的云雾获得感性认识的方法。例如：

（1）组织中小尺度观测网；

（2）进行云内外温、湿、压及气流分布探测，云体发展及挟卷情况探测、雷过回波及卫星云图；

（3）云内微物理结构及其有关参量和特征（如滴谱、含水量等）观测、降水观测等

理化实验（隔离因子）

从云雾过程的整体中隔离出一些因子，在实验室分析较为单纯的一些物理关系。例如：

（1）水滴半径与下落末速度的关系；

（2）冻结核的有效阈温；

（3）不同半径水滴的重力碰并或电力碰并等。

理化模拟（综合因子）

用实验方法，模拟自然机制及过程。使设计出的现象与自然过程在直观上有一定的相似性，可用增减因子或改变参量的有控制的实验方法，研究云雾物理过程的因子、机制、子过程等。例如：

（1）在有垂直风洞的冷云室中，模拟冰雹在有过冷水滴的云中的增长，并分析影响其增长的因子；

（2）在水箱中加入由BaCl2和Na2SO4溶液混合而沉淀出BaSO4，用此沉淀物下沉情况模拟自然热云泡上升的情况；

（3）用薄层流体顶部冷却低部加热，模拟自然云的细胞对流过程及镶嵌云和波状云的形状，研究相应的自然过程及云状的形成条件等。

数值模拟

根据控制自然云雾降水发展过程的基本规律所遵循的数学物理方程组（包括宏观的流体动力及热力学方程组和云雾微观过程方程组），按实测的初始及边界条件，进行数值求解。

把所得结果与自然界云雾降水发展的探测数据相比较，二者相符则认为原采用的这些方程组所代表的过程与自然过程相符，即模拟成功。

可摆脱实验室的约束和局限，可考虑较多因子。可以很复杂，但自然界的复杂性不能完全用方程表达出来。

人工影响云雾降水作业

用人为方法干扰云雾降水过程，观测干扰后果，以了解云雾降水发展规律。

但是自然云雾降水过程十分复杂，影响因子的主次常有变化；当引入人为干扰时，干扰的原理、催化剂性质和剂量、干扰部位及被干扰对象的特点等，都直接或间接影响云雾降水过程的其后发展；干扰后果是自然发展与人为干扰的综合叠加造成，区分十分困难。

6、发展简史

16世纪：Galilei发明温度表，定量测量气象现象。

1802年Lamerck;1803年Howard;1887年Hildebrandson;Abercromby对云分类。

1896巴黎出版第1部国际云图，现用瑞士1956年版。

Dalton（1766-1844）测量饱和水汽压。

1843年Clapeyron从理论上得出饱和水汽压随温度的变化，随后Clausius将此关系改写为通用的表达式。

成核作用的早期发现

1870年Kelvin勋爵在爱丁堡皇家学会的会议录上发表了具有重大意义的论文。云滴表面饱和水汽压随温度和水滴大小的变化关系。

1875年法国人Coulier发表了他的试验结果，证实了空气中的悬浮颗粒在微量过饱和或未达到过饱和情况下，可充当在其周围发生凝结的核。

1880年后，便有苏格兰物理学家JohnAitken埋头苦干了近35年的卓越的研究工作。用他那个被称之为爱根核计数器的轻便膨胀室，考察了低层大气中所含的颗粒数。

1884年Raoult研究稀溶液的饱和水汽压定律。

1890年，Gibbs提出相变时能量转化有关的Gibbs*能概念。

1897年Wilson进行了经典的云室试验，研究无尘空气中带电离子的凝结。

1921和1926年，瑞典化学家兼气象学家HildingKohler证实了海盐核的重要性，并发展了吸湿性核凝结理论。

继这项开拓性的工作以后，德国法兰克福Taunus观象台进行了一系列核的数目和大小的测定，由基督教徒Junge指导继续进行。Junge和他以前的JohnAitken一样，成为这一学科的世界权威。

过冷却和伯杰龙假说

1900年Berson通过气球观测发现过冷却云滴。

Wegener在他1911年出版的《大气热力学》一书中就讨论了在-20—-30C的温度下观测到的液滴。书中说“水汽张力将自行调节到冰面和水面饱和值之间的某一个值。由此产生的效果必然是，在冰上将连续不断发生凝结，而同时液体水则在蒸发，这一过程一直要进行到液相完全耗尽为止”。

过冷却和伯杰龙假说

22年以后，Bergeron将观测事实加以整理，提出了他那个液相和冰相混合云发生降水的著名理论。Bergeron把他的理论提到1933年在里斯本召开的国际大地测量和地球物理联合会第五次全体会议上，会议论文集直到1935年才发表。

Findeisen在Bergeron思想的基础上加以扩充，于1938年发表文章对这个理论作了更为明确的阐述，并引进了许多新的解释。因此Bergeron理论在许多地方便以Bergeron-Findeisen理论而著称。

IrvingLangmuir博士

Langmuir博士美国最早的诺贝尔奖金获得者之一，因表面化学方面的工作而获得1932年的诺贝尔奖。1947年他在美国科学院的讲演中是这样叙述Schaefer早期的研究工作：

“Schaefer比我年轻得多。他来实验室，就在机械车间工作，是一位很熟练的技工，给我们做了许多精密仪器。后来他想参加研究工作。便和我们一起研究表面化学，工作得很不错，发表过这方面的研究成果。他喜欢爬山，我也喜欢，总的说我们都喜欢室外生活。这是很重要的，而且和我们后面对人工控制天气的兴趣密切相关。我们现在所做的许多事情都源出于那个共同的背景。谁也不会给我们作出那种安排。要不是我们生性就喜欢这样做的话，谁也无法说服我们冬天登上华盛顿山进行这一项属于自然现象的研究”。

Schaefer的伟大发现

观测冰箱里湿空气的凝结时，当温度降到-20℃左右时，仍没有冰形成。

最后，在一个异常酷热的日子（1946年7月12日）。冰箱里的温度不够低，他想让温度再低一点，就取了一大块干冰投入箱中去降低温度。忽然间，空气中马上充满了冰晶，足有几百万个。他又把干冰取出来，冰晶维持了一会。接着他发现，即使很小一块干冰也能使云里充满冰晶。他取一根在液态空气中浸过的针，让这根针在冰箱里经过一次。结果只要一接触这根针，就又产生无数个冰晶。这个效果很快散布到整个冰箱。这是一个绝妙的实验……。

Schaefer实验日记中这样写道：“当我们还在云里面看见到处是耀眼的冰晶时，我转向Curt和他握手，我说：‘我们成功了’！

Schaefer就他的实验给《科学》杂志写了一篇文章，发表于1946年11月15日的期刊上。他在文章的结语中写道：按计划准备在不久的将来通过一架飞机向云中播撒小块干冰，而将过冷云大规模转化为冰晶云。我们相信，这种作业是切实可行、比较经济的，同时，大面积的云系也可用这种方法进行人工影响。

最后这一句话竟落在事实后面，1946年11月13日，即这一期《科学》出版的前两天，Schaefer进行了一次有历史意义的飞行，它是人类第一次对一块过冷云进行科学播撒。Schaefer从Curt驾驶的一架小型飞机的座舱里，在一块云的上方沿着一条大约3英里长的航线，播撒了3磅干冰。这块云是层云，云高4000多米，云中温度-20C。在5分钟以内，似乎整个云都转变成雪，在云下降落了约600米才蒸发掉。

Vonnegut博士的碘化银实验

在麻省理工学院曾研究过与飞机积冰有关的成核作用问题的Vonnegut博士，于1946年秋季，在通用电气实验室忙于研究各种成核过程。

当Schaefer实验室的实验做过以后，便把他的注意力又转移到冰的成核作用上来。当他了解到冰晶可以在具有适当的晶体结构的物质上增长核化之后，他翻阅了x光晶体学手册，寻找晶体结构和冰晶相近、又不溶于水的物质。碘化银和碘化铅似乎是最合乎这个条件的。

7、云的观测

云的基本观测包括云的宏观特征、微观特征和垂直结构是认识和研究云发展变化的基本手段，这些基本特征是云量、云高、云厚、流场、云液态水途径、云的生命时间、云液态含水量、云粒子相态、形态和尺度分布、云降水的化学组成等。发展和应用一些新的技术手段对云的基本特性进行空基和地基的直接和间接观测。作为直接观测手段，飞机观测是非常关键的，它可以直接测量云的特征量，其结果可用来对诸如卫星和雷达等间接测量方法的验证。