云物理學(xué)（云霧和降水物理學(xué)科）

云物理學(xué)（云霧和降水物理學(xué)科）云霧和降水物理學(xué)科01簡(jiǎn)介研究對(duì)象分類(lèi)主要的矛盾目錄03020405方法體系云的觀測(cè)發(fā)展簡(jiǎn)史目錄0706基本信息云物理學(xué)（cloudphysics）是以大氣熱力學(xué)和大氣動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，研究大氣中云的發(fā)生、發(fā)展、結(jié)構(gòu)及其產(chǎn)生降水(如雨、雪、雹等)所遵循的物理和動(dòng)力過(guò)程的學(xué)科。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(xué)。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介云霧和降水物理學(xué)，簡(jiǎn)稱(chēng)云物理學(xué)。是以大氣熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，研究云、霧和降水的形成過(guò)程，發(fā)展規(guī)律以及如何影響、控制它的一門(mén)學(xué)科。云和降水與天氣、氣候密切相關(guān)，大部分災(zāi)害性天氣，如暴雨、雷暴、冰雹、臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)和霧障等都和云雨過(guò)程有關(guān)；云和降水也是地-氣系統(tǒng)的動(dòng)量、熱量、水分傳輸和平衡的關(guān)鍵因素。分類(lèi)分類(lèi)按研究對(duì)象尺度的大小，云物理學(xué)可分為宏觀云物理學(xué)和微觀云物理學(xué)二部分。

前者研究水平尺度10m~100km以至1000km，垂直厚度10m~10km范圍內(nèi)云的形成、發(fā)展和消散的動(dòng)力過(guò)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(jié)（華）、碰并和蒸發(fā)等過(guò)程。其尺度僅0.1μm~1cm。宏觀云物理學(xué)主要是大氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，微觀云物理學(xué)則更多的是水汽的相變熱力學(xué)和氣溶膠力學(xué)問(wèn)題，所需的知識(shí)為熱力學(xué)原理、擴(kuò)散理論和物理化學(xué)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(xué)著作側(cè)重于云的微物理學(xué)，并不是認(rèn)為云的動(dòng)力過(guò)程不重要，主要原因是對(duì)云的動(dòng)力學(xué)的了解遠(yuǎn)不如對(duì)云的微物理學(xué)那樣清楚。研究對(duì)象宏觀尺度微尺度研究對(duì)象微尺度微尺度：云雨滴的形成、增大和消散規(guī)律。宏觀尺度（1）結(jié)構(gòu)尺度：云雨中的特征結(jié)構(gòu)；（2）中小尺度：有獨(dú)立意義的中小規(guī)模的云雨單元及天氣系統(tǒng)；（3）天氣尺度：云雨單元的集體以及范圍較大的天氣系統(tǒng)；主要的矛盾主要的矛盾云霧降水物理中最主要的矛盾是大氣在運(yùn)動(dòng)中實(shí)際可能包含的水汽量和大氣中實(shí)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(gè)自然界氣流與空中水分相變的相互制約過(guò)程中。當(dāng)然，在云霧發(fā)展的某一局部階段，其它矛盾可能暫時(shí)轉(zhuǎn)化為主要矛盾。但總的來(lái)說(shuō)，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。方法體系觀測(cè)和探測(cè)理化實(shí)驗(yàn)（隔離因子）理化模擬（綜合因子）數(shù)值模擬人工影響云霧降水作業(yè)12345方法體系觀測(cè)和探測(cè)對(duì)客觀自然云霧或人工影響后的云霧獲得感性認(rèn)識(shí)的方法。例如：（1）組織中小尺度觀測(cè)網(wǎng)；（2）進(jìn)行云內(nèi)外溫、濕、壓及氣流分布探測(cè)，云體發(fā)展及挾卷情況探測(cè)、雷過(guò)回波及衛(wèi)星云圖；（3）云內(nèi)微物理結(jié)構(gòu)及其有關(guān)參量和特征（如滴譜、含水量等）觀測(cè)、降水觀測(cè)等理化實(shí)驗(yàn)（隔離因子）從云霧過(guò)程的整體中隔離出一些因子，在實(shí)驗(yàn)室分析較為單純的一些物理關(guān)系。例如：（1）水滴半徑與下落末速度的關(guān)系；（2）凍結(jié)核的有效閾溫；（3）不同半徑水滴的重力碰并或電力碰并等。理化模擬（綜合因子）用實(shí)驗(yàn)方法，模擬自然機(jī)制及過(guò)程。使設(shè)計(jì)出的現(xiàn)象與自然過(guò)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(shí)驗(yàn)方法，研究云霧物理過(guò)程的因子、機(jī)制、子過(guò)程等。例如：（1）在有垂直風(fēng)洞的冷云室中，模擬冰雹在有過(guò)冷水滴的云中的增長(zhǎng)，并分析影響其增長(zhǎng)的因子；（2）在水箱中加入由BaCl2和Na2SO4溶液混合而沉淀出BaSO4，用此沉淀物下沉情況模擬自然熱云泡上升的情況；（3）用薄層流體頂部冷卻低部加熱，模擬自然云的細(xì)胞對(duì)流過(guò)程及鑲嵌云和波狀云的形狀，研究相應(yīng)的自然過(guò)程及云狀的形成條件等。數(shù)值模擬根據(jù)控制自然云霧降水發(fā)展過(guò)程的基本規(guī)律所遵循的數(shù)學(xué)物理方程組（包括宏觀的流體動(dòng)力及熱力學(xué)方程組和云霧微觀過(guò)程方程組），按實(shí)測(cè)的初始及邊界條件，進(jìn)行數(shù)值求解。把所得結(jié)果與自然界云霧降水發(fā)展的探測(cè)數(shù)據(jù)相比較，二者相符則認(rèn)為原采用的這些方程組所代表的過(guò)程與自然過(guò)程相符，即模擬成功?？蓴[脫實(shí)驗(yàn)室的約束和局限，可考慮較多因子。可以很復(fù)雜，但自然界的復(fù)雜性不能完全用方程表達(dá)出來(lái)。人工影響云霧降水作業(yè)用人為方法干擾云霧降水過(guò)程，觀測(cè)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(guò)程十分復(fù)雜，影響因子的主次常有變化；當(dāng)引入人為干擾時(shí)，干擾的原理、催化劑性質(zhì)和劑量、干擾部位及被干擾對(duì)象的特點(diǎn)等，都直接或間接影響云霧降水過(guò)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加造成，區(qū)分十分困難。發(fā)展簡(jiǎn)史成核作用的早期發(fā)現(xiàn)過(guò)冷卻和伯杰龍假說(shuō)IrvingLangmuir博士Schaefer的偉大發(fā)現(xiàn)Vonnegut博士的碘化銀實(shí)驗(yàn)12345發(fā)展簡(jiǎn)史成核作用的早期發(fā)現(xiàn)1870年Kelvin勛爵在愛(ài)丁堡皇家學(xué)會(huì)的會(huì)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(guān)系。1875年法國(guó)人Coulier發(fā)表了他的試驗(yàn)結(jié)果，證實(shí)了空氣中的懸浮顆粒在微量過(guò)飽和或未達(dá)到過(guò)飽和情況下，可充當(dāng)在其周?chē)l(fā)生凝結(jié)的核。1880年后，便有蘇格蘭物理學(xué)家JohnAitken埋頭苦干了近35年的卓越的研究工作。用他那個(gè)被稱(chēng)之為愛(ài)根核計(jì)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。1890年，Gibbs提出相變時(shí)能量轉(zhuǎn)化有關(guān)的Gibbs自由能概念。1897年Wilson進(jìn)行了經(jīng)典的云室試驗(yàn)，研究無(wú)塵空氣中帶電離子的凝結(jié)。1921和1926年，瑞典化學(xué)家兼氣象學(xué)家HildingKohler證實(shí)了海鹽核的重要性，并發(fā)展了吸濕性核凝結(jié)理論。繼這項(xiàng)開(kāi)拓性的工作以后，德國(guó)法蘭克福Taunus觀象臺(tái)進(jìn)行了一系列核的數(shù)目和大小的測(cè)定，由基督教徒Junge指導(dǎo)繼續(xù)進(jìn)行。Junge和他以前的JohnAitken一樣，成為這一學(xué)科的世界權(quán)威。過(guò)冷卻和伯杰龍假說(shuō)22年以后，Bergeron將觀測(cè)事實(shí)加以整理，提出了他那個(gè)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(kāi)的國(guó)際大地測(cè)量和地球物理聯(lián)合會(huì)第五次全體會(huì)議上，會(huì)議論文集直到1935年才發(fā)表。Findeisen在Bergeron思想的基礎(chǔ)上加以擴(kuò)充，于1938年發(fā)表文章對(duì)這個(gè)理論作了更為明確的闡述，并引進(jìn)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(chēng)。IrvingLangmuir博士Langmuir博士美國(guó)最早的諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者之一，因表面化學(xué)方面的工作而獲得1932年的諾貝爾獎(jiǎng)。1947年他在美國(guó)科學(xué)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(lái)實(shí)驗(yàn)室，就在機(jī)械車(chē)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(lái)他想?yún)⒓友芯抗ぷ鳌１愫臀覀円黄鹧芯勘砻婊瘜W(xué)，工作得很不錯(cuò)，發(fā)表過(guò)這方面的研究成果。他喜歡爬山，我也喜歡，總的說(shuō)我們都喜歡室外生活。這是很重要的，而且和我們后面對(duì)人工控制天氣的興趣密切相關(guān)。我們現(xiàn)在所做的許多事情都源出于那個(gè)共同的背景。誰(shuí)也不會(huì)給我們作出那種安排。要不是我們生性就喜歡這樣做的話(huà)，誰(shuí)也無(wú)法說(shuō)服我們冬天登上華盛頓山進(jìn)行這一項(xiàng)屬于自然現(xiàn)象的研究”。Schaefer的偉大發(fā)現(xiàn)觀測(cè)冰箱里濕空氣的凝結(jié)時(shí)，當(dāng)溫度降到-20℃左右時(shí)，仍沒(méi)有冰形成。最后，在一個(gè)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(diǎn)，就取了一大塊干冰投入箱中去降低溫度。忽然間，空氣中馬上充滿(mǎn)了冰晶，足有幾百萬(wàn)個(gè)。他又把干冰取出來(lái)，冰晶維持了一會(huì)。接著他發(fā)現(xiàn)，即使很小一塊干冰也能使云里充滿(mǎn)冰晶。他取一根在液態(tài)空氣中浸過(guò)的針，讓這根針在冰箱里經(jīng)過(guò)一次。結(jié)果只要一接觸這根針，就又產(chǎn)生無(wú)數(shù)個(gè)冰晶。這個(gè)效果很快散布到整個(gè)冰箱。這是一個(gè)絕妙的實(shí)驗(yàn)……。Schaefer實(shí)驗(yàn)日記中這樣寫(xiě)道：“當(dāng)我們還在云里面看見(jiàn)到處是耀眼的冰晶時(shí)，我轉(zhuǎn)向Curt和他握手，我說(shuō)：‘我們成功了’！Schaefer就他的實(shí)驗(yàn)給《科學(xué)》雜志寫(xiě)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(jié)語(yǔ)中寫(xiě)道：按計(jì)劃準(zhǔn)備在不久的將來(lái)通過(guò)一架飛機(jī)向云中播撒小塊干冰，而將過(guò)冷云大規(guī)模轉(zhuǎn)化為冰晶云。我們相信，這種作業(yè)是切實(shí)可行、比較經(jīng)濟(jì)的，同時(shí)，大面積的云系也可用這種方法進(jìn)行人工影響。最后這一句話(huà)竟落在事實(shí)后面，1946年11月13日，即這一期《科學(xué)》出版的前兩天，Schaefer進(jìn)行了一次有歷史意義的飛行，它是人類(lèi)第一次對(duì)一塊過(guò)冷云進(jìn)行科學(xué)播撒。Schaefer從Curt駕駛的一架小型飛機(jī)的座艙里，在一塊云的上方沿著一條大約3英里長(zhǎng)的航線(xiàn)，播撒了3磅干冰。這塊云是層云，云高4000多米，云中溫度-20C。Vonnegut博士的碘化銀實(shí)驗(yàn)在麻省理工學(xué)院曾研究過(guò)與飛機(jī)積冰有關(guān)的成核作用問(wèn)題的Vonnegut博士，于1946年秋季，在通用電氣實(shí)驗(yàn)室忙于研究各種成核過(guò)程。當(dāng)Schaefer實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)做過(guò)以后，便把他的注意力又轉(zhuǎn)移到冰的成核作用上來(lái)。當(dāng)他了解到冰晶可以在具有適當(dāng)?shù)木w結(jié)構(gòu)的物質(zhì)上增長(zhǎng)核化之后，他翻閱了x光晶體學(xué)手冊(cè)，尋找晶體結(jié)構(gòu)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(gè)條件的。云的觀測(cè)云的觀測(cè)云