云动力学

云动力学是研究云的热力、动力结构及其演变规律的学科，它是云和降水物理学的组成部分，同云和降水微物理学的关系十分密切。

中文名：云动力学

外文名：Clouddynamics

内容：层状云动力学和积云动力学

1、简介

云的宏观动力过程为微物理过程提供了背景，决定了后者的进行速率、持续时间和空间范围；反过来，微物理过程中水分相变潜热的释放，和降水粒子的拖曳作用，对云的宏观动力过程又有重要的影响。

雷雨云的结构图

云动力学是一门年轻的学科，由于取得积云尺度(1～10公里)和层状云尺度(10²～10³公里)空气运动的资料很困难，实验室内又不好模拟，因此对云的动力过程的了解仍很肤浅。从二十世纪60年代以来，各种新的雷达技术、现代化数据处理方法，以及数值模式等成果的采用，推动了这门学科迅速发展。

2、发展简史

理论研究和观测研究

一、始于20世纪40年代

积云的经典气块理论到夹卷理论,雷暴三阶段模型。1946-1947年美国雷暴研究计划和气团雷暴发展三阶段模型（Byers-Braham）；

二、50年代初,提出动力夹卷理论同时根据室内实验的结果,指出夹卷率与对流单体的半径成反比。在湍流夹卷和动力夹卷假说基础上,提出了对流云发展的气块模式和气柱模式。

三、60年代,指出环境风的垂直切变有助于建立和维持稳定持久的强风暴系统，并提出了强风暴的三维结构模式。

四、70年代初，美国为了验证建立在累积带理论基础上的“竞争场”防雹原理而开展的“国家冰雹研究计划”（NHRE），还有“科罗拉多联合冰雹计划”，美国和加拿大合作的“阿尔伯塔冰雹研究计划”。1979年为研究龙卷、冰雹等灾害性天气而在美国中部开展的“强风暴和中尺度试验”计划（SESAME）。

五、1981年5月-8月在美国西北部

对流云降水协作试验CCOPE是为了研究对流风暴的降水效率及其与环境的相互作用，以及动力过程与微物理过程的相互作用。

T-28型装甲飞机，可测云内运动场的多普勒雷达，气象卫星特别是地球同步气象卫星和各种遥感仪器。如可测冰雹的双波长雷达，能辨认出非球形固体降水质点的偏振光雷达，监测龙卷等强风暴源的灵敏微压计以及激光、微波探测计，声波探测器等。

数值模拟

60年代以来,云数值模拟研究发展很快。先后出现了一维、二维和三维云模式。一维模式——只考虑垂直方向的空间分布；二维模式——分为“轴对称”和“面对称”两大类。轴对称模式使用空间柱坐标系并假定物理量不随方位角变化，二维面对称模式采用笛卡儿直角坐标系并假定物理量在某一水平轴方向（一般取y轴）无变化。

3、云动力

云动力的重要性

云雾中的动力、热力过程为微观云物理过程提供背景，决定性地影响了云质点的数密度、初始大小分布及其物理性质，规定了微物理过程进行的速率、持续时间和空间范围，以及最终降水量的大小，从而影响云体的形成、发展和消亡。

气流的运动可以使空气温度变化，可以使水汽辐合或辐散，从而可以改变相对湿度。相对湿度的变化如果使空气由不饱和成为饱和，则有利于水汽的凝结或凝华，导致云粒子的出现。在气溶胶理化特性固定时，过饱和度决定了初始云质点的数密度、初始大小分布。如果空气由饱和成为不饱和，则使云中粒子蒸发或升华。

很多微物理过程都与温度、湿度条件有关。例如，某直径的单个云滴、冰晶的质量凝结、凝华增长率与过饱和度、温度有关；冰晶的异质凝冻/凝华核化、云滴的异质冻结核化、雨滴的冻结都与过冷却度有关；云滴的均质冻结核化除了温度还与过饱和度有关；冰晶的Hallett-Mossop繁生机制所发生的温度通常为-8~-3℃。因为冻结过程与温度有关，所以不同温度对应不同相态。一般认为，大于0℃时对应水滴，在0℃~-10℃之间对应过冷水滴，-10℃~-38℃时过冷水滴和冰相粒子共存，低于-38℃时对应冰相粒子。冰相粒子类别也与温度有关，例如，-12～-17℃，是雪花的一个多发区。原因：一是冰面过饱和度最大的温度，二是产生枝状冰晶的温度，枝叉结构的冰晶相碰容易“钩连”和“攀附”在一起。

因此，云雾中的动力、热力场对云雾降水形成、发展和消亡具有重要的作用。

云动力的影响因子

积云能否发展与产生降雨，常常在很大程度上决定于天气尺度和中尺度的气象环境条件。气象环境条件是有层次的，有大中尺度天气条件作为直接环境条件的背景。

1、大中尺度条件（天气系统、地形）

锋面、低压系统、低压槽、切变线等天气系统，以及地形的抬升作用产生垂直运动。云动力学并非把天气系统和地形对云动力的影响作为其核心论题。

2、直接环境条件(温湿层结,风切变,气溶胶)

温湿层结影响气块净浮力，从而影响云中垂直速度，影响云内降温速度，影响温度。直接环境条件对云动力及云物理的研究，利用数值模拟方法做得较多。例如，徐华英等利用他们所建立的二维直角坐标非定常积云降水模式研究的大气温度递减率、地面温度和大气湿度对积云降水的影响。他们的结果表明，大气温度递减率较大时，云发展旺盛，云厚较大，所以降雨强度和总降水量都显著增大，但降雨持续时间较短，降水效率略小；地面温度较高时具有较大的降雨强度和总降雨量，而降雨持续时间较短，降水效率较小；从最大降雨强度和降雨持续时间来看，大气中上层的湿度值影响不大，而大气下层的湿度值对降水的影响却十分明显。湿度越大，降雨量和最大雨强也愈大。看来积云降水的水汽供应主要是否能从温来自云下。从降水效率来看，中上层湿度影响明显，湿度越小，降水效率愈大。湿层结中提取一个或几个决定对流强度的参量，是人们希望解决的问题。过去很多人认为CAPE决定对流强度，但观测分析和数值模拟结果表明，并不能肯定对流强度就是由CAPE决定的。

近几年有人提出抬升凝结高度和冻结高度之间的厚度对对流强度的影响很大。

观测表明，风速的垂直切变对云的发展是有影响的。Browning,Marwitz等人指出，一种强烈冰雹云常常形成于风在垂直方向有较强切变的环境中。在温带地区，一般水汽的含量在中低空大，而风速垂直切变在高空急流附近最大，因此有人认为，对流云在中低空主要靠凝结潜热维持，在高空则有盛行风供给能量。但是当风切变很大时对冰雹云的发展也是不利的。黄美元等对昔阳地区42块冰雹云的分析表明：比较强烈的冰雹云多出现在中等强度的环境风切变条件下，风切变值多在3.0~4.0m.s-1.km-1,大多数较弱的冰雹云是发生在较弱的风切变环境中，平均值为2.2m.s-1.km-1，观测到很强的风切变并不有利于冰雹的形成。1973年Schlesinger用二维非定常模式研究了低层湿度和中层风切变对积云发展的影响。模拟结果表明，在湿度很大的情况下，风切变愈大，云发展愈持久，云湿度较小的情况下，强切变并不能支持一个持久的风暴，这时中等强度的风切变条件下云发展得最持久。在低湿度强切变时，所形成的云最弱，生命时间最短。徐华英等在1985年研究了风切变对积云降水的影响。模拟结果表明，在各种大气层结下，线性风切变的存在都是使云发生倾斜，对积云降水发展起到减弱的作用。

总的来说，层结不稳定时，风切变对积云降水发展的不利影响相对较小，云倾斜较小，降水量的减少也最小。低层适当强度的切变风使得积云发展峰值强度减弱，但有利于维持低层稳定持久的水汽供应源，使积云生命史大大加长，地面降水总量大幅度提高，雨区扩大，峰值雨强减小。

3、物理过程:辐射过程,云微观过程,云合并和分裂过程

在云层形成后，由于云体的长波辐射很强，云顶强烈冷却，可使云层加厚，并在地面长波辐射使云底增暖的联合作用下使云层内形成不稳定层结而使云变形，层状云系中夜间有时会激发对流云活动，一些强对流风暴系统夜间常常加强或猛烈发展与云顶辐射冷却效应有关。

微物理过程对热力、动力过程有重要的反馈作用。云和降水粒子的凝结和凝华、蒸发和升华改变了水汽含量，所伴随的相变潜热的释放和吸收，提供了重要的热源和热汇，它极大地影响了云（特别是对流云）内外空气的运动。降水粒子的拖曳作用，又常常是促使云体消散、崩溃的重要因素。

4、研究内容

因为层状云和积状云的水平尺度和动力过程都有显著的差别，所以云动力学分为层状云动力学和积云动力学两个分支。

层状云动力学

主要研究层状云中各种尺度的动力、热力结构及其演变规律。层状云是在气流辐合而缓慢抬升、湍流混合和辐射冷却等过程中形成的，其中以气流辐合抬升最为重要。大范围的降水层状云系，一般都同气旋、锋和切变线等天气系统相联系。层状云系的上升气流运动速度约为每秒几厘米，它同地面雨强约为每小时一毫米的降水区相对应。

积云

夏季，由于对流的发展，在层状云系中往往观测到积状云，形成层状—积状复合云系，其热力、动力结构更为复杂。这类复合云系有时能产生暴雨，一天的降雨量可达几百毫米。层状云中各种尺度的热力结构和动力结构，对降水的形成过程起着十分重要的作用，必须加强对它们的细致观测。至于云内外不同尺度的空气运动和各种作用力的关系，还有待于探索和研究。

积云动力学

主要研究积云(包括淡积云、浓积云、积雨云等整个积状云)的热力、动力结构，各种作用力和积云内外的空气运动的关系。

积状云（有时简称积云）是大气对流运动的产物，故又称对流云。包括淡积云、浓积云和积雨云，它们是孤立、分散而又垂直发展的云块。发展旺盛的积云常伴随雷暴、暴雨、冰雹、龙卷等灾害性天气。

1、动力结构

积云的水平尺度和铅直尺度具有同一数量级，约为1～10公里。积云发展的完整过程经历了三个阶段：a发展阶段。云顶向上发展，云中盛行上升气流，其速度为1～20米/秒；b成熟阶段。云顶高度变化很小，云中除上升气流外，局部出现有系统的下沉气流，降水产生并发展；c消散阶段。云体逐渐消散或转化为层状云，云内盛行下沉气流，降水维持，转而停止。积云的生命一般为几十分钟到2小时。特别强盛的积雨云可持续几小时，其水平范围可达40公里，常产生强烈的降水、冰雹、雷暴和大风天气。这种积雨云（或云群）称为强对流风暴。强对流风暴的内外空气流场，往往在一段时间内保持相对稳定，由一支上升气流和一支下沉气流组成：上升气流由风暴移动方向的右前侧从近地面层向上倾斜入云，在高层沿云移动的方向流出，形成云砧；下沉气流从云后中层流入，从近地面层流出。

2、影响因子

响积云发展的主要因素包括：①大气温度直减率。积云发展的主要动力是云中空气比周围大气密度小所引起的阿基米德浮力（见大气中的作用力）。这种密度差依赖于大气温度随高度的递减率。积云在上升过程中，温度一般按湿绝热过程变化。当大气温度直减率大于湿绝热直减率时，浮力在积云上升中增加，对流就可以发展（见大气静力稳定度）。

②近地面层大气的不均匀加热和水平辐合。它们能触发积云的对流。

人工降水

③积云同环境的交换。积云内外的空气，存在着热量、动量和水分的混合交换（又称夹卷），它减小了积云的浮力和含水量，阻碍积云的发展。

④云的微物理过程。云和降水粒子的蒸发、凝结、冻结和融化等，伴随着相变潜热的释放和吸收，影响了积云的温度和气流。降水粒子的拖曳作用，则促进云内下沉气流的发展。

⑤环境风的铅直切变、低层空气和水汽的辐合、积云周围空气的补偿下沉运动等。它们对积云发展有明显的影响。

3、理论研究

从40年代以来，人们提出了几种积云理论模式：

①气块模式。假设积云是一团内部均匀的浮升气块，用参数化（见数值天气预报）的办法处理云内外的混合交换，用质点力学的办法计算积云在上升过程中的各种要素的演变。当知道环境大气各种参数时，可以预报积云发展过程的特征。

②气柱模式。即一维的时间变化模式，它把积云看作圆柱状的气流，在任一高度的截面上，其内部都是均匀的。用参数化的或者从空气的连续方程计算所得的夹卷率，处理云内外的湍流和混合交换，它可以计算积云在生消过程中各高度上各种要素随时间的演变。

③运动场模式。把积云的发展和环境空气当作统一的流体力学过程加以研究。它可以计算二维空间或三维空间积云演变的全过程。

这些理论模式，一般包括积云动力方程、热力学方程、连续方程以及反映云和降水微物理过程的方程组。它们是十分复杂的非线性方程组，一般用电子计算机求解。理论模式的计算，已能在不同程度上模拟积云的结构、演变以及降雨、降雹等过程，并开始应用于人工降水、人工防雹等试验的设计和效果的检验方面。从20世纪70年代以来，对几个积云的合并、中尺度环境同积云的相互作用等问题的理论研究，已取得了进展。

5、分支学科

大气科学、气候学、物候学、古气候学、年轮气候学、大气化学、动力气象学、大气物理学、大气边界层物理、云和降水物理学、云和降水微物理学、云动力学、雷达气象学、无线电气象学、大气辐射学、大气光学、大气电学、平流层大气物理学、大气声学、天气学、热带气象学、极地气象学、卫星气象学、生物气象学、农业气象学、森林气象学、医疗气象学、水文气象学、建筑气象学、航海气象学、航空气象学、军事气象学、空气污染气象学