城市空氣污染氣象學第三章大氣水分

城市空氣污染氣象學

第三章大氣水分3華東師范大學資環(huán)學院樂群回顧相對濕度的日變化與溫度日變化相反大氣中水汽凝結(jié)的條件（凝結(jié)核、過飽和）大氣的冷卻方式（絕熱、輻射、平流、混合）露點近地面層空氣中的凝結(jié)（輻射、平流、上坡、混合、鋒面）大氣中的凝結(jié)（云的形成條件：熱力、動力、波動、地形；云的分類）2013/11/1422013/11/143

3.卷云的形成

卷云產(chǎn)生的高度距地約6—12千米，高空大氣溫度很低且水汽很少，云由細小且稀疏的冰晶組成，故比較薄而透光性較好，潔白亮澤，常具絲縷結(jié)構(gòu)。

卷云形成的原因多樣：1）高空對流而形成，往往帶有積云的形狀；2）卷層云邊緣展裂而成；3）高積云抬升轉(zhuǎn)化而成；4）高積云所降雪幡殘留空中而成。

已形成的卷云由于下降的冰晶通過溫、濕、風等不同的氣層，也會表現(xiàn)為各種形態(tài)，如毛卷云、密(厚)卷云、鉤卷云、偽卷云四類。2013/11/1444毛卷云（左）：分布在高空，毛絲般纖維結(jié)構(gòu)非常明顯，呈馬尾狀。云體頭部稍厚，但絲縷結(jié)構(gòu)十分清晰。由于高空風較大，潔白的云絲向北平行分散排列。拍攝地點:北京，拍攝時間：1979年9月5日19時04分，拍攝方向:西，圖片來源:《中國云圖》毛卷云的出現(xiàn)大多預(yù)示天晴，故有“游絲天外飛，久晴便可期”的說法。若毛卷云變厚，量也增多，甚至發(fā)展成為卷層云，則預(yù)示天氣將有變化。密卷云：右圖中密卷云中部厚密，邊緣絲縷結(jié)構(gòu)明顯。拍攝地點:北京，拍攝時間:1980年5月22日19時15分，拍攝方向:東南，圖片來源:《中國云圖》其形與高空對流有關(guān)。密卷云的出現(xiàn)預(yù)示天氣較穩(wěn)定，但如果它繼續(xù)系統(tǒng)發(fā)展并演變成卷層云，則預(yù)示天氣將有變化。2013/11/1455鉤卷云：右圖云絲纖細潔白，平行排列。由于高空風的切變作用，云絲形成鉤狀。拍攝地點:內(nèi)蒙古呼和浩特，拍攝時間：1982年8月26日09時40分，拍攝方向:南，圖片來源:《中國云圖》。具有小鉤或逗號形狀的卷云，其上有小團簇，下有較長的拖尾，常與地面斜交。鉤卷云的曳尾常是云體的冰晶下落的過程中，因風的切變而產(chǎn)生的。“天上鉤鉤云，地下雨淋淋”：鉤卷云一般出現(xiàn)在暖鋒面和低壓的前面，鉤卷云出現(xiàn)，說明鋒面或低壓即將到來，是雨淋淋的先兆。但是，雨后或冬季出現(xiàn)的鉤鉤云，則會連續(xù)出現(xiàn)晴天或霜凍，所以又有“鉤鉤云消散，晴天多干旱”，“冬鉤云，曬起塵”的諺語。2013/11/1466偽卷云：雨后的積雨云逐漸消散，其砧狀部分剛剛脫離母體，沿高空氣流的方向向前延伸，演變偽卷云，其邊緣毛絲般纖維結(jié)構(gòu)明顯，呈白色。拍攝地點:黑龍江哈爾濱，拍攝時間:1982年7月14日14時25分，拍攝方向:西北，圖片來源:《中國云圖》偽卷云是積雨云的衍生云。當積雨云發(fā)展到消衰階段，云內(nèi)上升氣流減弱，主要為下沉氣流，由于缺乏水汽補給，積雨云母體崩解，其上的云砧部分殘留空中，即成為偽卷云。它的出現(xiàn)，表征著大氣由不穩(wěn)定轉(zhuǎn)向穩(wěn)定(當積雨云的云砧伸展到很遠的地方，測站僅見云砧部分，而不見其母體、此時云砧雖似偽卷云，實際并非偽卷，而為積雨云的一部分，因此并不表示對流運動趨于減弱)。偽卷云是大塊密而厚的冰晶組成的云，色白或深灰、云塊中間部分較均勻，僅其邊緣可見絲縷結(jié)構(gòu)，擋住太陽時，可使日光減弱，甚至全部不見太陽。2013/11/1474.波狀云的形成波狀云是波浪起伏的云層，包括卷積云、高積云、層積云。當空氣存在波動時，波峰處空氣上升，波谷處空氣下沉。空氣上升處由于絕熱冷卻而形成云，空氣下沉處則無云形成。如果在波動形成之前該處已有厚度均勻的層狀云存在，則在波峰處云加厚，波谷處云減薄以至消失，從而形成厚度不大、保持一定間距的平行云條，呈一列列或一行行的波狀云。72013/11/148一般認為形成波動的原因主要有二：

1.由于大氣中存在著空氣密度和氣流速度不同的界面，在此界面上引起波動。

2.由于氣流越山而形成的波動（地形波或背風波）。在上層風速大、密度小，下層風速小、密度大的界面上產(chǎn)生波動時，由于各高度上的風向、風速常隨時間變化，波動的方向也隨之改變，新產(chǎn)生的波動疊加在原來的波動之上，從而形成棋盤格子般的云塊。波動氣層甚高時形成卷積云，較高時形成高積云，低時形成層積云。82013/11/1499云體好像細小的魚鱗，則是卷積云，這種云多發(fā)生在低壓槽前或臺風外圍，近期會刮風或下雨，所以又有“魚鱗天，不雨也風顛”的諺語。2013/11/1410積云性高積云10積云性層積云2013/11/1411蔽光高積云11透光高積云：“天上鯉魚斑，明天曬谷不用翻”(瓦塊云，曬煞人)：鯉魚斑是指透光高積云，產(chǎn)生這種云的氣團性質(zhì)穩(wěn)定，到了晚上，一遇到下沉氣流，云體便迅速消散，次日將是晴好天氣。2013/11/1412透光層積云12蔽光層積云2013/11/14135.特殊云狀的形成（懸球狀、堡狀、絮狀、莢狀）（1）懸球狀云：在積雨云的云底或云砧下面，有時可見懸球狀云。目前對懸球狀云的成因說法不一，有一種說法是當云中有降水下降時，如果在云底有一層風速較大的類干層，于是降水在此層強烈蒸發(fā)，使此層冷卻，與其下氣層形成熱力不穩(wěn)定，出現(xiàn)了對流細胞，每一個對流細胞一方面從云底帶下一部分云塊，一方面又將帶下的云塊托上去，繼而形成下垂的球體，即懸球狀云。懸球狀云不僅見于積雨云，而且在其它云底如高層云、卷層云以及層積云云底都可出現(xiàn)。這種云出現(xiàn)時，可能預(yù)兆有降水產(chǎn)生。因為一旦上升氣流減弱，被托的水流就會下落，并形成降水。

132013/11/1414上圖：雷雨過后，積雨云砧狀底部由于下沉氣流和弱的上升氣流作用，出現(xiàn)一個個圓球形的云泡下垂，宛如懸掛，個體明顯，呈灰白色。拍攝地點:北京

拍攝時間:1981年9月18日18時15分

拍攝方向:西

圖片來源:《中國云圖》下圖：積雨云底部由于下沉氣流和強烈的擾動作用，形成了一個個圓形的云泡下垂，宛若無數(shù)氣球高懸空中。拍攝地點:內(nèi)蒙古呼和浩特

拍攝時間:1982年8月29日05時49分

拍攝方向:東南

圖片來源:《中國云圖》2013/11/1415（2）堡狀云和絮狀云：堡狀云底部水平，頂部則是并列著突起的小云塔，形狀像遠方的城堡。當波狀云在逆溫層下形成以后，如果逆溫層不太厚，則逆溫層下湍流發(fā)展時，較強的上升氣流就穿過逆溫層，使水汽凝結(jié)，形成具有圓弧頂部的云朵，這就是堡狀云。絮狀云的個體破碎，形狀像棉絮團，它常是潮濕氣層中的強烈湍流混合作用而形成的，主要為絮狀高積云。152013/11/141616堡狀高積云：云體呈條狀，底部較平，頂部有許多凸起云泡，很象城堡。這種云的出現(xiàn)往往將有雷雨天氣。諺語“城堡云，雨淋淋”指的就是這種云。拍攝地點:江西九江，拍攝時間:1982年8月2日06時29分，拍攝方向:西北西，圖片來源:《中國云圖》外形特征和表示的天氣與堡狀層積云相似，但云塊較小，高度較高。右圖堡狀層積云：水平云條上局部有一個個向上突起的云泡，云條呈暗灰色。圖上部是透光高積云，呈灰白色。這種云早、晚出現(xiàn)較多，預(yù)示未來將出現(xiàn)不穩(wěn)定天氣。拍攝地點:河北萬全，拍攝時間:1979年7月14日05分45分，拍攝方向:東北，圖片來源:《中國云圖》2013/11/141717絮狀高積云：云塊大小不一，邊緣破碎，象棉絮團，排列也不整齊。天邊有密卷云和積雨云，右下方的積雨云云頂已出現(xiàn)明顯的砧狀，說明當時大氣從低層到中層都處于不穩(wěn)定狀況。測站當時受850毫巴圖上的切變線影響，午后有雷陣雨產(chǎn)生。“朝有破絮云，午后雷雨臨”就是指的這種情況。拍攝地點:福建廈門，拍攝時間:1970年8月28日12時25分，拍攝方向:西南，圖片來源:《中國云圖》絮狀密卷云（右圖）2013/11/1418

常見的莢狀云主要是莢狀高積云和莢狀層積云。莢狀云是由局部上升氣流和下降氣流相匯合而形成的。當上升氣流使空氣絕熱冷卻而形成云時，如果遇到下降氣流的阻擋，其邊緣部分因下降氣流而逐漸變薄，這樣便形成莢狀云。在山區(qū)，氣流受到地形的影響也能形成莢狀云。（3）莢狀云：莢狀云中間厚、邊緣薄，云塊呈豆莢狀。182013/11/141919莢狀高積云：云形呈白色長條。圖上部的莢狀高積云處于消散階段，云形已松散。拍攝地點:北京西郊，拍攝時間:1982年8月19日09時，拍攝方向:南南東，圖片來源:《中國云圖》氣流越山時，在山后引起空氣的波動，也可形成莢狀云，左圖的莢狀積云呈白色，中間厚邊緣薄，呈現(xiàn)出重疊現(xiàn)象。這是由于山地氣流波動的影響而形成的。拍攝地點:北京西郊

拍攝時間:1980年6月16日13時10分，拍攝方向:西北，圖片來源:《中國云圖》莢狀云如果孤立出現(xiàn)，無其它云系相配合，多預(yù)示晴天，農(nóng)諺有"天上豆莢云，地上曬煞人"。大氣降水——從云中降到地面上的液態(tài)、固態(tài)水。降水條件：當云滴增長到能克服空氣阻力和上升氣流的頂托，且在降落地面過程中不被蒸發(fā)掉時才能形成。降水形態(tài)： 雨：自云體中降落至地面的液體水滴。 雪：從混合云中降落到地面的雪花形態(tài)固體水。 霰：從云中降落至地面的不透明的球狀晶體， 由過冷卻水滴在冰晶周圍凍結(jié)而成。 雹：由透明和不透明的冰層相間組成的固體 降水，呈球形，常降自積雨云。根據(jù)降水的性質(zhì)：連續(xù)性和陣性降水。2013/11/1420產(chǎn)生降水的一般物理過程雨、雪、雨夾雪、冰雹等等，都是降水現(xiàn)象。天空有云不一定降水，而降水的天氣必定有云，可見降水與云密切相關(guān)。2013/11/1421降水量是指從天空降落到地面上的液體（或融化后的固體降水）未經(jīng)蒸發(fā)、滲透、流失而在水平面上積聚的水層深度，以毫米為單位，取小數(shù)一位。降水強度是指單位時間內(nèi)的降水量，常以毫米每小時（mm/h）和毫米每10分鐘（mm/10min）表示。2013/11/1422降水量的測定雨量器是用于測量一段時間內(nèi)累積降水量的儀器。外殼是金屬圓筒分上下兩節(jié)，上節(jié)是一個直徑為20厘米的盛水漏斗，為防止雨水濺失，保持器口面積和形狀，筒口用堅硬銅質(zhì)做成內(nèi)直外斜的刀刃狀；下節(jié)筒內(nèi)放一個儲水瓶用來收集雨水。筒口離地70厘米高處安置。測量時，將雨水倒入直徑為4厘米的雨量杯內(nèi)讀取降水量毫米數(shù)。降雪季節(jié)將儲水瓶取出，換上不帶漏斗的筒口，雪花可直接收集在雨量筒內(nèi)，待雪融化后再讀數(shù)，也可將雪秤出重量然后根據(jù)筒口面積換算成毫米數(shù)。2013/11/14232013/11/1424各類雨的降水量標準種類24小時降水量（毫米）12小時降水量（毫米）小雨小于10.0小于5.0中雨10.0-24.95.0-14.9大雨25.0-49.915.0-29.9暴雨50.0-99.930.0-69.9大暴雨100.0-249.070.0-139.9特大暴雨250.0以上140.0以上各類雪的降水量標準種類小雪（毫米）中雪（毫米）大雪（毫米）24小時降水量2.5以下2.6-5.0大于5.012小時降水量1.0以下1.1-3.0大于3.0國家氣象局頒布的降水強度等級劃分標準（內(nèi)陸部分）項

目24小時降水總量

(mm)12小時降水總量

(mm)降水強度的等級劃分小雨、陣雨0.1-9.9≤4.9小雨—中雨5.0-16.93.0-9.9中雨10.0-24.95.0-14.9中雨—大雨17.0-37.910.0-22.9大雨25.0-49.915.0-29.9大雨—暴雨33.0-74.923.0-49.9暴雨50.0-99.930.0-69.9暴雨—大暴雨75.0-174.950.0-104.9大暴雨100.0-249.970.0-139.9大暴雨—特大暴雨175.0-299.9105.0-169.9特大暴雨≥250.0≥140.02013/11/1425零星小雨:降水數(shù)滴,對野外工作無影響。24小時降雨量0.2mm以下。小雨:雨點清晰可辨，下到地面石扳上不四濺,降雨開始后至少兩分鐘以上才能完全滴濕石板或屋瓦，屋上雨聲緩和,屋檐只有滴水。中雨:雨落如線，雨滴不易分辨，落在硬地或屋瓦上即四濺，水洼泥潭形成很快,屋上有淅淅沙沙的雨聲。大雨:雨水如傾盆,平視空間模糊成片,落到屋瓦或硬地時,四濺高達數(shù)寸，水潭形成極快,能見度大減。2013/11/1426降水形成宏觀條件：

1）水汽；

2）上升運動：可源源不斷地給云中輸送水汽；絕熱上升，水汽易凝結(jié)成云；可托住小水滴，使之不易過早掉下來。降水形成的微觀物理過程：

1）云滴凝結(jié)（或凝華）增長

2）沖并增長2013/11/14272013/11/1428

降水類型大氣中氣流上升有不同的方式，導致降水的成因也有所不同，根據(jù)氣流上升特點，降水可分以下三個基本類型：對流雨地形雨鋒面雨2013/11/14291.對流雨近地面氣層強烈受熱，造成不穩(wěn)定的對流運動，氣塊強烈上升，氣溫急劇下降，水汽迅速達到飽和而產(chǎn)生對流雨。這類降水多以暴雨形式出現(xiàn)，并伴隨雷電現(xiàn)象，所以又稱熱雷雨。其形成的條件是：空氣濕度很高，熱力對流運動強烈。從全球范圍來說，赤道帶全年以對流雨為主。我國西南季風控制的地區(qū)，也以熱雷雨為主，通常只見于夏季。2013/11/14302.地形雨

暖濕氣流在前進中，遇到較高的山地阻礙被迫抬升，因高度上升，絕熱冷卻，在達到凝結(jié)高度時，便產(chǎn)生凝結(jié)降水。地形雨多發(fā)生在山地迎風坡，世界年降水量最多的地方基本上都和地形雨有關(guān)。背風側(cè)，因水汽含量已大為減少，更重要的是氣流越山下沉，絕熱增溫，氣溫升高，發(fā)生焚風效應(yīng)。所以背風側(cè)降水很少，形成雨影區(qū)。2013/11/14313.鋒面（氣旋）雨

兩種物理性質(zhì)不同的氣塊相接觸，暖濕氣流循交界面滑升，絕熱冷卻，達到凝結(jié)高度時便產(chǎn)生云雨。由于空氣塊的水平范圍很廣，上升速度緩慢，所以鋒面雨一般具有雨區(qū)廣、持續(xù)時間長的特點。溫帶地區(qū)，鋒面雨占有重要地位。2013/11/14322013/11/1433

雨和雪的形成（1）雨的形成

由液態(tài)水滴（包括過冷卻水滴）所組成的云體稱為水成云；由冰晶組成的云體稱為冰成云；而由水滴（主要是過冷卻水滴）和冰晶共同組成的云稱為混合云。水成云內(nèi)如果具備了云滴增大為雨滴的條件，并使雨滴具有一定的下降速度，這時降落下來的就是雨或毛毛雨。從冰成云或混合云中降下的冰晶或雪花，下落到0℃以上的氣層內(nèi)，融化以后也成為雨滴下落到地面，形成降雨。2013/11/1434（2）雪的形成

在混合云中，由于冰水共存使冰晶不斷凝華增大，成為雪花。當云下氣溫低于0℃時，雪花可以一直落到地面而形成降雪。如果云下氣溫高于0℃時，則可能出現(xiàn)雨夾雪。雪花的形狀極多，有星狀、柱狀、片狀等等，但基本形狀是六角形(為什么？)。人類首次手繪記錄雪花（羅伯特·虎克）19世紀美國人WilsonBentley拍攝的雪花微距照20世紀日本北海道的Nakaya全面記錄各種“雪型”進行系統(tǒng)分類，并制造了人工雪花水的分子結(jié)構(gòu)決定雪花形狀的走向2013/11/1435

各類云的降水（1）層狀云的降水卷層云一般是不降水的。雨層云和高層云：云愈厚愈低，降水就愈強。層狀云云體比較均勻，云中氣流也比較穩(wěn)定，所以層狀云的降水是連續(xù)性的，持續(xù)時間長，降水強度變化小。2013/11/1436（2）積狀云的降水淡積云：云薄，云中含水量少，而且水滴又小，一般不降水。濃積云：降水隨地區(qū)而異。中高緯度地區(qū)，濃積云很少降水。低緯度地區(qū)，可降較大的陣雨。積雨云：冰水共存的混合云，能降大的陣雨、陣雪，有時還可下冰雹。積狀云的降水是陣性的。2013/11/1437（3）波狀云的降水含水量較小，厚度不均勻，所以降水強度較小，往往時降時停，具有間歇性。層云:只能降毛毛雨。層積云:可降小的雨、雪和霰。高積云:很少降水。2013/11/1438

人工影響云雨

人工降雨是根據(jù)自然界降水形成的原理，人