云的特征和过程

从太空观察地球时，最显著的特征是云层覆盖了大约一半的表面积(图8.1)。潜在的释放热量在云中是一个重要的能量来源，其运动范围从全球大气环流，飓风和中纬度气旋，到个别风暴。云是地球水循环的主要组成部分，垂直和水平地输送水，并从大气中带走水分

图8.1从卫星上看地球。

通过降水。云与世界上一些最具破坏性的天气有关:暴雨、强风和龙卷风、冰雹、雷电以及暴风雪．云通过反射短波辐射和发射长波辐射，是决定地球辐射收支的主要因素。云与辐射的相互作用决定了到达地球表面的辐射量，从而影响表面蒸发和évapotranspiration速率。云是地面天气的主要因素，也是天气的主要决定因素大气能见度．云在大气化学中也很重要，因为它们在许多化学反应中起着积极作用，并通过上升气流和与降水相关的清除来运输化学物质。

理解和建模云的一个主要挑战是涉及的广泛的空间尺度。其尺度从单个云滴的微米尺度，到单个云(公里)的尺度，再到最大的云系统(1000公里)的尺度。我们目前的计算能力只允许在一个单一模型中明确地模拟很小范围的空间尺度。其他尺度上的流程是指定的或参数化的。

本章讨论了云的特征和分类。我们描述降水云辐射相互作用:这是与云相关的两个主要不可逆过程，也是云对其环境的主要热力学影响。最后，我们介绍了大尺度模型中云过程的参数化问题。

8.1云的分类和特征

云的分类方案是在19世纪早期根据云的物理外观从地面观测者的角度引入的。这样的方案使不同的观测者能够统一地识别世界各地的云。有人认为，基于物理原理(例如，云运动或云辐射特征)的替代性云分类对大气科学更有用。然而，这种替代性的云分类尚未得到广泛接受;因此，这里使用世界气象组织的标准形态云分类。

形态云分类方案是基于云的三个特征:云的形状、云的高度和云是否在降水。云有三种主要形状:

1)卷曲的或纤维状的云被称为卷云；

2)分层或成层的云被称为层云；

3)从水平底部向上增加的块状或堆状云被称为积云．

云的区分还取决于它们形成的高度:

1）高云热带地区海拔高于6公里，极地地区海拔高于3公里(前缀:cirro)-

2)中间云，底部在热带地区位于2至8公里之间，在极地地区位于2至4公里之间(前缀:中音);

3)底面在2公里以下的低云;

4)垂直发展的云。

前缀nimbo或后缀nimbus表示有雨。

使用这个基本框架，云分类是基于10个称为属的主要云组。这十个属的定义如下(来自国际云图)。

卷云(Ci)。分离的云，白色的，有纤维状(像头发一样)的外观或丝绸般的光泽。这些云以细丝、斑块或窄带的形式出现。

卷积云(Cc)。薄薄的白色云朵，没有阴影。的云是由微粒:以颗粒或波纹形式合并或分离的非常小的元素，或多或少有规则地排列从表面上看，大多数元素的表观宽度小于1°。

卷层云(Cs)。云雾:透明、白色的纤维状云雾或光滑的乳白色云雾，全部或部分覆盖天空，通常产生晕现象

高积云(Ac)。白色或灰色的云，以一层或一小块的形式出现，通常带有阴影。云由薄片、圆形团块或卷状物组成，有时部分是纤维状或弥漫性的，可能合并也可能不合并。从表面上看，大多数规则排列的元素的表观宽度在1°到5°之间。

高层云()。略带灰色或蓝色的云层条纹状的:条纹状、纤维状或均匀外观的这一层有足够薄的部分，至少可以通过磨砂玻璃微弱地照射太阳。高层层不显示晕现象。

雨层云(Ns)。灰色的云层，通常是黑色的，由于或多或少持续的雨雪而变得弥散，但不伴有闪电、雷声或冰雹。下波层云的厚度足以遮住太阳。

层积云(Sc)。灰色或白色的斑块或云层，几乎总是有深色部分，由镶嵌、圆形团块、卷状物等组成，是非纤维状的，可能合并也可能不合并。大多数规则排列的小元素从地面上看，其表观宽度都在5°以上。

层云(St)。一般为灰色云层，可产生毛毛雨、冰棱镜或雪粒。当太阳透过云层可见时，它的轮廓清晰可辨。层云不产生晕现象，除非温度很低。有时层云以不规则斑块的形式出现。

积云(铜)。分离的云，通常密集，轮廓鲜明，垂直发展，形成上升的土丘、圆顶或塔，其凸起的上部通常像一个花椰菜。这些云被阳光照射的部分通常是明亮的白色，而它们的底部相对较暗，几乎是水平的。

积雨云(Cb)。重而浓密的云，有相当大的垂直范围，形成一个巨大的塔。它们的上部至少有一部分通常是光滑的、纤维状的或有条纹的，而且几乎总是扁平的;这部分通常以铁砧或巨大羽状物的形状展开。在这种云的底部，通常是非常黑暗的，经常有低矮的参差不齐云和降水．

在这个云分类方案中，雾不包括在属中。雾是由悬浮在大气中的非常小的水滴(有时是冰晶)组成的，它使地表的能见度降低到不到1公里。第8.4节将说明，雾可被认为是一种层云，其底部低到足以到达地面。

不同的云属除了在地面上的形态外，还与不同的特征值相关联云的温度相，冷凝的量水,云垂直速度和湍流，以及云的时间尺度。这些云的特征决定了云是否会降水、降水的形式和数量，也决定了云对辐射平衡的影响。

地球的卫星图像显示了有组织的云模式，其中一些云延伸了数百到数千公里(图8.1)。在中纬度地区，有组织的云模式通常与锋面系统有关。中等尺度对流复合体通常在温暖的陆地表面和热带海洋上空发现。即使在大规模的云系统中，云也能在它们的水平结构．

因为它们与海洋表面的耦合最为紧密，所以云的类型层云、层积云、积云和积雨云在第8.4节和8.5节中有更完整的描述。

8.2降水过程

第五章讨论了云粒子的成核和扩散生长。表5.5显示，水滴的扩散生长不足以在观察到的许多云的生命周期内生长出大到足以沉淀的颗粒。在水饱和的环境中，冰晶的扩散生长可以非常迅速地发生，从而形成足够大的颗粒，从而具有显著的下降速度。然而，许多云被观察到形成降水大小的颗粒温暖的云在10-20分钟的时间尺度上。

形成降水大小颗粒的机制可以分为暖云过程和冷云过程，这种区别源于冰粒的有无。无论是暖的还是冷的云雨云粒子的产生、碰撞和合并以形成更大的云粒子，也称为增生生长，是一个基本要素。可以发生以下云粒子相互作用，产生降水大小的粒子:水滴之间的碰撞和合并;用冰晶收集水滴;以及冰粒的聚集。云粒子之间的碰撞不足以形成聚集;一旦粒子碰撞，它们必须结合或“粘”在一起。

粒子终端速度的概念是理解沉淀以及碰撞和合并过程的核心。当云粒子与地球之间的引力被粒子在空中下落时的摩擦力平衡时，粒子下落的速度称为终端速度。对于一个小的球形液滴，我们可以将其末端速度uj近似为uT = kxr2 (8.1a)

用= 1.19xl06 cm-' s"对于r< 30 /zm的液滴，这种下落速度与大小的二次关系式称为斯托克斯定律。斯托克斯定律不适用于较大的颗粒，因为较大的液滴在下落时形状会变形，摩擦力也会变得更加复杂。对下落液滴的实验提供了以下较大液滴的近似值uT = k2r (8.1b)

k2 = 8 × 103 s-1。此公式适用于粒径范围为40pm < r < 0.6 mm的颗粒。对于最大类别的粒子，0.6 mm

其中k3 = 2.01 x 10\pjpa)m cm2 /2 s”1和p0是1.2 kg m”3的参考密度。云滴的终端速度随粒子半径的变化如图8.2所示。r < 50 pm的云滴没有明显的下降速度。最大雨滴大小约为r = 3 mm;较大的雨滴由于受到空气动力的作用而破裂。

由于冰粒形状复杂多变，理论上的下落速度比液云下落速度更难确定冰的密度

1球体上的引力为ys ^ =(4/3) m^glp， - pj，半径为r的球体上的摩擦力为S^"，， =(n/2) rVft,Q>。其中CD是表征流动的阻力系数。用雷诺数Re = 2pauTr/n，用n表示流体的动态粘度，可得= 6ntxruT (CDRel24)。对于极小雷诺数(r < 30 /im)， (cre /24) = 1, uT = (2/9) r*gpi In = ktr2。

云滴半径(mm)

图8.2云滴末端速度随滴半径的变化(数据来自Gunn和Kinzer, 1949。)

云滴半径(mm)

图8.2云滴末端速度随滴半径的变化(数据来自Gunn和Kinzer, 1949。)

晶体。图8.3显示了观测到的不同冰晶类型的下落速度。霰是下落最快的冰粒，单个(未聚集的)晶体下落速度小于1ms-1。

图8.2和8.3显示云粒子下落的速度不同，取决于它们的大小、形状和密度。一般来说，较大的粒子比较小的粒子下落得更快，并且可能与路径上较小、较慢的粒子碰撞(图8.4)。由于惯性和空气动力，较大的粒子不一定会在其路径上捕获较小的粒子。

收集效率

晶体尺寸(mm)

图8.3观测到的冰粒末端速度随晶体类型和尺寸的变化(From Fletcher, 1962.

晶体尺寸(mm)

图8.3观测到的冰粒末端速度随晶体类型和尺寸的变化(From Fletcher, 1962.

图8.4半径为R的集热器水滴以uT(R)的速度通过半径为R的更小水滴以uT(R)的速度下落时的碰撞几何图形。

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