城市空气污染气象学第三章大气水分

城市空气污染气象学

第三章大气水分3华东师范大学资环学院乐群回顾相对湿度的日变化与温度日变化相反大气中水汽凝结的条件（凝结核、过饱和）大气的冷却方式（绝热、辐射、平流、混合）露点近地面层空气中的凝结（辐射、平流、上坡、混合、锋面）大气中的凝结（云的形成条件：热力、动力、波动、地形；云的分类）2013/11/1422013/11/143

3.卷云的形成

卷云产生的高度距地约6—12千米，高空大气温度很低且水汽很少，云由细小且稀疏的冰晶组成，故比较薄而透光性较好，洁白亮泽，常具丝缕结构。

卷云形成的原因多样：1）高空对流而形成，往往带有积云的形状；2）卷层云边缘展裂而成；3）高积云抬升转化而成；4）高积云所降雪幡残留空中而成。

已形成的卷云由于下降的冰晶通过温、湿、风等不同的气层，也会表现为各种形态，如毛卷云、密(厚)卷云、钩卷云、伪卷云四类。2013/11/1444毛卷云（左）：分布在高空，毛丝般纤维结构非常明显，呈马尾状。云体头部稍厚，但丝缕结构十分清晰。由于高空风较大，洁白的云丝向北平行分散排列。拍摄地点:北京，拍摄时间：1979年9月5日19时04分，拍摄方向:西，图片来源:《中国云图》毛卷云的出现大多预示天晴，故有“游丝天外飞，久晴便可期”的说法。若毛卷云变厚，量也增多，甚至发展成为卷层云，则预示天气将有变化。密卷云：右图中密卷云中部厚密，边缘丝缕结构明显。拍摄地点:北京，拍摄时间:1980年5月22日19时15分，拍摄方向:东南，图片来源:《中国云图》其形与高空对流有关。密卷云的出现预示天气较稳定，但如果它继续系统发展并演变成卷层云，则预示天气将有变化。2013/11/1455钩卷云：右图云丝纤细洁白，平行排列。由于高空风的切变作用，云丝形成钩状。拍摄地点:内蒙古呼和浩特，拍摄时间：1982年8月26日09时40分，拍摄方向:南，图片来源:《中国云图》。具有小钩或逗号形状的卷云，其上有小团簇，下有较长的拖尾，常与地面斜交。钩卷云的曳尾常是云体的冰晶下落的过程中，因风的切变而产生的。“天上钩钩云，地下雨淋淋”：钩卷云一般出现在暖锋面和低压的前面，钩卷云出现，说明锋面或低压即将到来，是雨淋淋的先兆。但是，雨后或冬季出现的钩钩云，则会连续出现晴天或霜冻，所以又有“钩钩云消散，晴天多干旱”，“冬钩云，晒起尘”的谚语。2013/11/1466伪卷云：雨后的积雨云逐渐消散，其砧状部分刚刚脱离母体，沿高空气流的方向向前延伸，演变伪卷云，其边缘毛丝般纤维结构明显，呈白色。拍摄地点:黑龙江哈尔滨，拍摄时间:1982年7月14日14时25分，拍摄方向:西北，图片来源:《中国云图》伪卷云是积雨云的衍生云。当积雨云发展到消衰阶段，云内上升气流减弱，主要为下沉气流，由于缺乏水汽补给，积雨云母体崩解，其上的云砧部分残留空中，即成为伪卷云。它的出现，表征着大气由不稳定转向稳定(当积雨云的云砧伸展到很远的地方，测站仅见云砧部分，而不见其母体、此时云砧虽似伪卷云，实际并非伪卷，而为积雨云的一部分，因此并不表示对流运动趋于减弱)。伪卷云是大块密而厚的冰晶组成的云，色白或深灰、云块中间部分较均匀，仅其边缘可见丝缕结构，挡住太阳时，可使日光减弱，甚至全部不见太阳。2013/11/1474.波状云的形成波状云是波浪起伏的云层，包括卷积云、高积云、层积云。当空气存在波动时，波峰处空气上升，波谷处空气下沉。空气上升处由于绝热冷却而形成云，空气下沉处则无云形成。如果在波动形成之前该处已有厚度均匀的层状云存在，则在波峰处云加厚，波谷处云减薄以至消失，从而形成厚度不大、保持一定间距的平行云条，呈一列列或一行行的波状云。72013/11/148一般认为形成波动的原因主要有二：

1.由于大气中存在着空气密度和气流速度不同的界面，在此界面上引起波动。

2.由于气流越山而形成的波动（地形波或背风波）。在上层风速大、密度小，下层风速小、密度大的界面上产生波动时，由于各高度上的风向、风速常随时间变化，波动的方向也随之改变，新产生的波动叠加在原来的波动之上，从而形成棋盘格子般的云块。波动气层甚高时形成卷积云，较高时形成高积云，低时形成层积云。82013/11/1499云体好像细小的鱼鳞，则是卷积云，这种云多发生在低压槽前或台风外围，近期会刮风或下雨，所以又有“鱼鳞天，不雨也风颠”的谚语。2013/11/1410积云性高积云10积云性层积云2013/11/1411蔽光高积云11透光高积云：“天上鲤鱼斑，明天晒谷不用翻”(瓦块云，晒煞人)：鲤鱼斑是指透光高积云，产生这种云的气团性质稳定，到了晚上，一遇到下沉气流，云体便迅速消散，次日将是晴好天气。2013/11/1412透光层积云12蔽光层积云2013/11/14135.特殊云状的形成（悬球状、堡状、絮状、荚状）（1）悬球状云：在积雨云的云底或云砧下面，有时可见悬球状云。目前对悬球状云的成因说法不一，有一种说法是当云中有降水下降时，如果在云底有一层风速较大的类干层，于是降水在此层强烈蒸发，使此层冷却，与其下气层形成热力不稳定，出现了对流细胞，每一个对流细胞一方面从云底带下一部分云块，一方面又将带下的云块托上去，继而形成下垂的球体，即悬球状云。悬球状云不仅见于积雨云，而且在其它云底如高层云、卷层云以及层积云云底都可出现。这种云出现时，可能预兆有降水产生。因为一旦上升气流减弱，被托的水流就会下落，并形成降水。

132013/11/1414上图：雷雨过后，积雨云砧状底部由于下沉气流和弱的上升气流作用，出现一个个圆球形的云泡下垂，宛如悬挂，个体明显，呈灰白色。拍摄地点:北京

拍摄时间:1981年9月18日18时15分

拍摄方向:西

图片来源:《中国云图》下图：积雨云底部由于下沉气流和强烈的扰动作用，形成了一个个圆形的云泡下垂，宛若无数气球高悬空中。拍摄地点:内蒙古呼和浩特

拍摄时间:1982年8月29日05时49分

拍摄方向:东南

图片来源:《中国云图》2013/11/1415（2）堡状云和絮状云：堡状云底部水平，顶部则是并列着突起的小云塔，形状像远方的城堡。当波状云在逆温层下形成以后，如果逆温层不太厚，则逆温层下湍流发展时，较强的上升气流就穿过逆温层，使水汽凝结，形成具有圆弧顶部的云朵，这就是堡状云。絮状云的个体破碎，形状像棉絮团，它常是潮湿气层中的强烈湍流混合作用而形成的，主要为絮状高积云。152013/11/141616堡状高积云：云体呈条状，底部较平，顶部有许多凸起云泡，很象城堡。这种云的出现往往将有雷雨天气。谚语“城堡云，雨淋淋”指的就是这种云。拍摄地点:江西九江，拍摄时间:1982年8月2日06时29分，拍摄方向:西北西，图片来源:《中国云图》外形特征和表示的天气与堡状层积云相似，但云块较小，高度较高。右图堡状层积云：水平云条上局部有一个个向上突起的云泡，云条呈暗灰色。图上部是透光高积云，呈灰白色。这种云早、晚出现较多，预示未来将出现不稳定天气。拍摄地点:河北万全，拍摄时间:1979年7月14日05分45分，拍摄方向:东北，图片来源:《中国云图》2013/11/141717絮状高积云：云块大小不一，边缘破碎，象棉絮团，排列也不整齐。天边有密卷云和积雨云，右下方的积雨云云顶已出现明显的砧状，说明当时大气从低层到中层都处于不稳定状况。测站当时受850毫巴图上的切变线影响，午后有雷阵雨产生。“朝有破絮云，午后雷雨临”就是指的这种情况。拍摄地点:福建厦门，拍摄时间:1970年8月28日12时25分，拍摄方向:西南，图片来源:《中国云图》絮状密卷云（右图）2013/11/1418

常见的荚状云主要是荚状高积云和荚状层积云。荚状云是由局部上升气流和下降气流相汇合而形成的。当上升气流使空气绝热冷却而形成云时，如果遇到下降气流的阻挡，其边缘部分因下降气流而逐渐变薄，这样便形成荚状云。在山区，气流受到地形的影响也能形成荚状云。（3）荚状云：荚状云中间厚、边缘薄，云块呈豆荚状。182013/11/141919荚状高积云：云形呈白色长条。图上部的荚状高积云处于消散阶段，云形已松散。拍摄地点:北京西郊，拍摄时间:1982年8月19日09时，拍摄方向:南南东，图片来源:《中国云图》气流越山时，在山后引起空气的波动，也可形成荚状云，左图的荚状积云呈白色，中间厚边缘薄，呈现出重叠现象。这是由于山地气流波动的影响而形成的。拍摄地点:北京西郊

拍摄时间:1980年6月16日13时10分，拍摄方向:西北，图片来源:《中国云图》荚状云如果孤立出现，无其它云系相配合，多预示晴天，农谚有"天上豆荚云，地上晒煞人"。大气降水——从云中降到地面上的液态、固态水。降水条件：当云滴增长到能克服空气阻力和上升气流的顶托，且在降落地面过程中不被蒸发掉时才能形成。降水形态： 雨：自云体中降落至地面的液体水滴。 雪：从混合云中降落到地面的雪花形态固体水。 霰：从云中降落至地面的不透明的球状晶体， 由过冷却水滴在冰晶周围冻结而成。 雹：由透明和不透明的冰层相间组成的固体 降水，呈球形，常降自积雨云。根据降水的性质：连续性和阵性降水。2013/11/1420产生降水的一般物理过程雨、雪、雨夹雪、冰雹等等，都是降水现象。天空有云不一定降水，而降水的天气必定有云，可见降水与云密切相关。2013/11/1421降水量是指从天空降落到地面上的液体（或融化后的固体降水）未经蒸发、渗透、流失而在水平面上积聚的水层深度，以毫米为单位，取小数一位。降水强度是指单位时间内的降水量，常以毫米每小时（mm/h）和毫米每10分钟（mm/10min）表示。2013/11/1422降水量的测定雨量器是用于测量一段时间内累积降水量的仪器。外壳是金属圆筒分上下两节，上节是一个直径为20厘米的盛水漏斗，为防止雨水溅失，保持器口面积和形状，筒口用坚硬铜质做成内直外斜的刀刃状；下节筒内放一个储水瓶用来收集雨水。筒口离地70厘米高处安置。测量时，将雨水倒入直径为4厘米的雨量杯内读取降水量毫米数。降雪季节将储水瓶取出，换上不带漏斗的筒口，雪花可直接收集在雨量筒内，待雪融化后再读数，也可将雪秤出重量然后根据筒口面积换算成毫米数。2013/11/14232013/11/1424各类雨的降水量标准种类24小时降水量（毫米）12小时降水量（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以上各类雪的降水量标准种类小雪（毫米）中雪（毫米）大雪（毫米）24小时降水量2.5以下2.6-5.0大于5.012小时降水量1.0以下1.1-3.0大于3.0国家气象局颁布的降水强度等级划分标准（内陆部分）项

目24小时降水总量

(mm)12小时降水总量

(mm)降水强度的等级划分小雨、阵雨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:降水数滴,对野外工作无影响。24小时降雨量0.2mm以下。小雨:雨点清晰可辨，下到地面石扳上不四溅,降雨开始后至少两分钟以上才能完全滴湿石板或屋瓦，屋上雨声缓和,屋檐只有滴水。中雨:雨落如线，雨滴不易分辨，落在硬地或屋瓦上即四溅，水洼泥潭形成很快,屋上有淅淅沙沙的雨声。大雨:雨水如倾盆,平视空间模糊成片,落到屋瓦或硬地时,四溅高达数寸，水潭形成极快,能见度大减。2013/11/1426降水形成宏观条件：

1）水汽；

2）上升运动：可源源不断地给云中输送水汽；绝热上升，水汽易凝结成云；可托住小水滴，使之不易过早掉下来。降水形成的微观物理过程：

1）云滴凝结（或凝华）增长

2）冲并增长2013/11/14272013/11/1428

降水类型大气中气流上升有不同的方式，导致降水的成因也有所不同，根据气流上升特点，降水可分以下三个基本类型：对流雨地形雨锋面雨2013/11/14291.对流雨近地面气层强烈受热，造成不稳定的对流运动，气块强烈上升，气温急剧下降，水汽迅速达到饱和而产生对流雨。这类降水多以暴雨形式出现，并伴随雷电现象，所以又称热雷雨。其形成的条件是：空气湿度很高，热力对流运动强烈。从全球范围来说，赤道带全年以对流雨为主。我国西南季风控制的地区，也以热雷雨为主，通常只见于夏季。2013/11/14302.地形雨

暖湿气流在前进中，遇到较高的山地阻碍被迫抬升，因高度上升，绝热冷却，在达到凝结高度时，便产生凝结降水。地形雨多发生在山地迎风坡，世界年降水量最多的地方基本上都和地形雨有关。背风侧，因水汽含量已大为减少，更重要的是气流越山下沉，绝热增温，气温升高，发生焚风效应。所以背风侧降水很少，形成雨影区。2013/11/14313.锋面（气旋）雨

两种物理性质不同的气块相接触，暖湿气流循交界面滑升，绝热冷却，达到凝结高度时便产生云雨。由于空气块的水平范围很广，上升速度缓慢，所以锋面雨一般具有雨区广、持续时间长的特点。温带地区，锋面雨占有重要地位。2013/11/14322013/11/1433

雨和雪的形成（1）雨的形成

由液态水滴（包括过冷却水滴）所组成的云体称为水成云；由冰晶组成的云体称为冰成云；而由水滴（主要是过冷却水滴）和冰晶共同组成的云称为混合云。水成云内如果具备了云滴增大为雨滴的条件，并使雨滴具有一定的下降速度，这时降落下来的就是雨或毛毛雨。从冰成云或混合云中降下的冰晶或雪花，下落到0℃以上的气层内，融化以后也成为雨滴下落到地面，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断凝华增大，成为雪花。当云下气温低于0℃时，雪花可以一直落到地面而形成降雪。如果云下气温高于0℃时，则可能出现雨夹雪。雪花的形状极多，有星状、柱状、片状等等，但基本形状是六角形(为什么？)。人类首次手绘记录雪花（罗伯特·虎克）19世纪美国人WilsonBentley拍摄的雪花微距照20世纪日本北海道的Nakaya全面记录各种“雪型”进行系统分类，并制造了人工雪花水的分子结构决定雪花形状的走向2013/11/1435

各类云的降水（1）层状云的降水卷层云一般是不降水的。雨层云和高层云：云愈厚愈低，降水就愈强。层状云云体比较均匀，云中气流也比较稳定，所以层状云的降水是连续性的，持续时间长，降水强度变化小。2013/11/1436（2）积状云的降水淡积云：云薄，云中含水量少，而且水滴又小，一般不降水。浓积云：降水随地区而异。中高纬度地区，浓积云很少降水。低纬度地区，可降较大的阵雨。积雨云：冰水共存的混合云，能降大的阵雨、阵雪，有时还可下冰雹。积状云的降水是阵性的。2013/11/1437（3）波状云的降水含水量较小，厚度不均匀，所以降水强度较小，往往时降时停，具有间歇性。层云:只能降毛毛雨。层积云:可降小的雨、雪和霰。高积云:很少降水。2013/11/1438

人工影响云雨

人工降雨是根据自然界降水形成的原理，人