01introduction2hour解析

1云降水物理学云降水物理学教师：陆春松教师：陆春松 杨杨 军军第一章第一章 绪论绪论q 学科性质和研究对象（是什么What？）q 学科地位和学习目的（为什么Why？）q 方法体系（怎么样How？）q 发展简史q 参考书目3W3绪论绪论-学科性质（学科性质（1 1）广义上可以定义为大气中云的科学，可以包括从云的分类、形成、演变、云中辐射传输、云中光电现象等一直到雨水的化学特性这样的范围。云、雾和降水物理学（简称云物理学）是以大气热力学和大气动力学为基础，研究大气中水分在各阶段所经历的物理过程，具体而言就是研究云、雾和降水和形成、发展、维持和消散规律的科学。4绪论绪论-学科性质（学科性质（2 2）学科划分按研究对象尺度的大小，云物理学可分为宏观云物理学和微观云物理学二部分。前者研究水平尺度10m100km以至1000km，垂直厚度10m10km范围内云的形成、发展和消散的动力过程；后者研究云体的组成元素云粒子（包括云滴、冰晶）和降水粒子（雨、雪和冰雹等）所经历的凝结（华）、碰并和蒸发等过程。其尺度仅0.1 m 1cm。5绪论绪论-学科性质（学科性质（3 3）宏观云物理学主要是大气动力学问题，微观云物理学则更多的是水汽的相变热力学和气溶胶力学问题，所需的知识为热力学原理、扩散理论和物理化学等。宏观和微观二者是相互依存、相互作用的。6绪论绪论-研究对象（研究对象（1 1）微尺度：云雨滴的形成、增大和消散规律。结构尺度：云雨中的特征结构。中小尺度：有独立意义的中小规模的云雨单元及天气系统。天气尺度：云雨单元的集体以及范围较大的天气系统。7绪论绪论-研究对象（研究对象（2 2）微尺度对象尺度范围气体质粒、离子11m核、云雨质粒1m1cm雹胚、雹块、微涡、乱流 1cm10cm小涡、墙角风10cm1m热泡、尘卷、碎云、亮带宽1m100m8绪论绪论-研究对象（研究对象（3 3）宏观尺度1、小尺度（结构尺度）对象尺度范围初生云100m5km弧状云、龙卷漏斗、悬球云、云塔宽、降水旛等雷达回波结构（弱回波区、回波墙、高悬回波等）9绪论绪论-研究对象（研究对象（4 4）宏观尺度2、中小尺度对象尺度范围阵风锋2km25km雷暴云和积云单体龙卷气旋中尺度高压及低压雨团10绪论绪论-研究对象（研究对象（5 5）宏观尺度3、大中尺度（天气尺度）对象尺度范围云集体（飑线、云团、细胞状云）25km500km雨带台风、气旋、锋面及辐合带云系500km盾状云、螺旋云带、逗点云11绪论绪论-研究对象（研究对象（6 6）云雾降水物理中最主要的矛盾是大气在运动中实际可能包含的水汽量和大气中实际存在的水份含量之间的矛盾。该矛盾的存在，才有云雾的发生发展(大多情况)，以及降水的发生和减弱。该矛盾贯穿在整个自然界气流与空中水分相变的相互制约过程中。当然，在云雾发展的某一局部阶段，其它矛盾可能暂时转化为主要矛盾。但总的来说，其它矛盾不占经常的、主要的地位。因此，各种云雾现象中只有与主要矛盾相联系的现象才是更重要的。12云雾降水的物理基础云降水宏观特征云降水微观特征云的形成核化理论云雾粒子的扩散增长暖云降水理论冷云降水理论冰雹物理基础绪论绪论-研究对象（研究对象（7 7）13绪论绪论 学科地位和学习目的（学科地位和学习目的（1 1）大气科学：大气物理、大气化学、大气生物学大气物理学：大气热力学、大气动力学、云雾降水物理学、大气辐射学、大气声光电学、高层大气物理学等。研究云雾降水物理必须具有大气物理学中其它分支的知识研究云雾降水物理必须重视云雾的地理背景、环流背景、天气背景，应具备天气学、气候学知识是人工影响云雾降水的理论基础，后者是前者的主要目的和具体应用之一，也是更深入研究的方法之一。绪论绪论 学科地位和学习目的（学科地位和学习目的（2 2）14云与人工影响云与人工影响天气天气绪论绪论 学科地位和学习目的（学科地位和学习目的（3 3）15云与天气云与天气绪论绪论 学科地位和学习目的（学科地位和学习目的（4 4）16云与气候云与气候绪论绪论 学科地位和学习目的（学科地位和学习目的（5 5）17云与大气化学云与大气化学18绪论绪论 方法体系（方法体系（1 1）感性认识：1、观测和探测理性认识（分析和综合）2、理化实验3、理化模拟4、数值模拟人为干扰（双重意义）5、人工影响云雾降水作业19绪论绪论 方法体系（方法体系（2 2）1、观测和探测对客观自然云雾或人工影响后的云雾获得感性认识的方法。例如：n组织中小尺度观测网；组织中小尺度观测网；n进行云内外温、湿、压及气流分布探测，云体发展及进行云内外温、湿、压及气流分布探测，云体发展及挟卷情况探测、雷过回波及卫星云图；挟卷情况探测、雷过回波及卫星云图；n云内微物理结构及其有关参量和特征（如滴谱、含水云内微物理结构及其有关参量和特征（如滴谱、含水量等）观测、降水观测等。量等）观测、降水观测等。20绪论绪论 方法体系（方法体系（3 3）2、理化实验（隔离因子）从云雾过程的整体中隔离出一些因子，在实验室分析较为单纯的一些物理关系。例如：n水滴半径与下落末速度的关系；水滴半径与下落末速度的关系；n冻结核的有效阈温；冻结核的有效阈温；n不同半径水滴的重力碰并或电力碰并等。不同半径水滴的重力碰并或电力碰并等。21绪论绪论 方法体系（方法体系（4 4）3、理化模拟（综合因子）用实验方法，模拟自然机制及过程。使设计出的现象与自然过程在直观上有一定的相似性，可用增减因子或改变参量的有控制的实验方法，研究云雾物理过程的因子、机制、子过程等。例如：n在有垂直风洞的冷云室中，模拟冰雹在有过冷水滴的云在有垂直风洞的冷云室中，模拟冰雹在有过冷水滴的云中的增长，并分析影响其增长的因子；中的增长，并分析影响其增长的因子；n在水箱中加入由在水箱中加入由BaClBaCl2 2和和NaNa2 2SOSO4 4溶液混合而沉淀出溶液混合而沉淀出BaSOBaSO4 4 ，用此沉淀物下沉情况模拟自然热云泡上升的情况；用此沉淀物下沉情况模拟自然热云泡上升的情况；n用薄层流体顶部冷却低部加热，模拟自然云的细胞对流用薄层流体顶部冷却低部加热，模拟自然云的细胞对流过程及镶嵌云和波状云的形状，研究相应的自然过程及过程及镶嵌云和波状云的形状，研究相应的自然过程及云状的形成条件等。云状的形成条件等。22绪论绪论 方法体系（方法体系（5 5）4、数值模拟根据控制自然云雾降水发展过程的基本规律所遵循的数学物理方程组（包括宏观的流体动力及热力学方程组和云雾微观过程方程组），按实测的初始及边界条件，进行数值求解。把所得结果与自然界云雾降水发展的探测数据相比较，二者相符则认为原采用的这些方程组所代表的过程与自然过程相符，即模拟成功。可摆脱实验室的约束和局限，可考虑较多因子。可以很复杂，但自然界的复杂性不能完全用方程表达出来。23绪论绪论 方法体系（方法体系（6 6）5、人工影响云雾降水作业用人为方法干扰云雾降水过程，观测干扰后果，以了解云雾降水发展规律。但是自然云雾降水过程十分复杂，影响因子的主次常有变化；当引入人为干扰时，干扰的原理、催化剂性质和剂量、干扰部位及被干扰对象的特点等，都直接或间接影响云雾降水过程的其后发展；干扰后果是自然发展与人为干扰的综合叠加造成，区分十分困难。24发展简史发展简史16世纪：Galilei发明温度表，定量测量气象现象。25发展简史发展简史26发展简史发展简史1802年Lamerck;1803年Howard;1887年Hildebrandson;Abercromby对云分类Howard,Luke.On the modifications of clouds.London,1803.Berlin,1893.32 p.27发展简史发展简史1896巴黎出版第1部国际云图，现用瑞士1956年版28发展简史发展简史Dalton（1766-1844）测量饱和水汽压1843年Clapeyron从理论上得出饱和水汽压随温度的变化，随后Clausius将此关系改写为通用的表达式29发展简史发展简史-成核作用的早期发现成核作用的早期发现1870年Kelvin勋爵在爱丁堡皇家学会的会议录上发表了具有重大意义的论文。云滴表面饱和水汽压随温度和水滴大小的变化关系。1875年法国人Coulier发表了他的试验结果，证实了空气中的悬浮颗粒在微量过饱和或未达到过饱和情况下，可充当在其周围发生凝结的核。1880年后，便有苏格兰物理学家John Aitken埋头苦干了近35年的卓越的研究工作。用他那个被称之为爱根核计数器的轻便膨胀室，考察了低层大气中所含的颗粒数。1884年Raoult研究稀溶液的饱和水汽压定律301890年，Gibbs提出相变时能量转化有关的Gibbs自由能概念1897年Wilson进行了经典的云室试验，研究无尘空气中带电离子的凝结1921和1926年，瑞典化学家兼气象学家Hilding Kohler证实了海盐核的重要性，并发展了吸湿性核凝结理论。继这项开拓性的工作以后，德国法兰克福Taunus观象台进行了一系列核的数目和大小的测定，由基督教徒Junge指导继续进行。Junge和他以前的John Aitken一样，成为这一学科的世界权威。发展简史发展简史-成核作用的早期发现成核作用的早期发现31发展简史发展简史-过冷却和伯杰龙假说过冷却和伯杰龙假说1900年Berson通过气球观测发现过冷却云滴Wegener在他1911年出版的大气热力学一书中就讨论了在-20-30C的温度下观测到的液滴。书中说“水汽张力将自行调节到冰面和水面饱和值之间的某一个值。由此产生的效果必然是，在冰上将连续不断发生凝结，而同时液体水则在蒸发，这一过程一直要进行到液相完全耗尽为止”。32绪论绪论33发展简史发展简史-过冷却和伯杰龙假说绪论过冷却和伯杰龙假说绪论22年以后，Bergeron将观测事实加以整理，提出了他那个液相和冰相混合云发生降水的著名理论。Bergeron把他的理论提到1933年在里斯本召开的国际大地测量和地球物理联合会第五次全体会议上，会议论文集直到1935年才发表。Findeisen在Bergeron思想的基础上加以扩充，于1938年发表文章对这个理论作了更为明确的阐述，并引进了许多新的解释。因此Bergeron理论在许多地方便以Bergeron-Findeisen理论而著称。34发展简史发展简史-Irving LangmuirIrving Langmuir博士博士Langmuir博士美国最早的诺贝尔奖金获得者之一，因表面化学方面的工作而获得1932年的诺贝尔奖。1947年他在美国科学院的讲演中是这样叙述Schaefer早期的研究工作：“Schaefer比我年轻得多。他来实验室，就在机械车间工作，是一位很熟练的技工，给我们做了许多精密仪器。后来他想参加研究工作。便和我们一起研究表面化学，工作得很不错，发表过这方面的研究成果。他喜欢爬山，我也喜欢，总的说我们都喜欢室外生活。这是很重要的，而且和我们后面对人工控制天气的兴趣密切相关。我们现在所做的许多事情都源出于那个共同的背景。谁也不会给我们作出那种安排。要不是我们生性就喜欢这样做的话，谁也无法说服我们冬天登上华盛顿山进行这一项属于自然现象的研究”。35发展简史发展简史-SchaeferSchaefer的伟大发现的伟大发现观测冰箱里湿空气的凝结时，当温度降到-20左右时，仍没有冰形成。最后，在一个异常酷热的日子（1946年7月12日）。冰箱里的温度不够低，他想让温度再低一点，就取了一大块干冰投入箱中去降低温度。忽然间，空气中马上充满了冰晶，足有几百万个。他又把干冰取出来，冰晶维持了一会。接着他发现，即使很小一块干冰也能使云里充满冰晶。他取一根在液态空气中浸过的针，让这根针在冰箱里经过一次。结果只要一接触这根针，就又产生无数个冰晶。这个效果很快散布到整个冰箱。这是一个绝妙的实验。Schaefer实验日记中这样写道：“当我们还在云里面看见到处是耀眼的冰晶时，我转向Curt和他握手，我说：我们成功了！36Schaefer就他的实验给科学杂志写了一篇文章，发表于1946年11月15日的期刊上。他在文章的结语中写道：按计划准备在不久的将来通过一架飞机向云中播撒小块干冰，而将过冷云大规模转化为冰晶云。我们相信，这种作业是切实可行、比较经济的，同时，大面积的云系也可用这种方法进行人工影响。最后这一句话竟落在事实后面，1946年11月13日，即这一期科学出版的前两天，Schaefer进行了一次有历史意义的飞行，它是人类第一次对一块过冷云进行科学播撒。Schaefer从Curt驾驶的一架小型飞机的座舱里，在一块云的上方沿着一条大约3英里长的航线，播撒了3磅干冰。这块云是层云，云高4000多米，云中温度-20C。在5分钟以内，似乎整个云都转变成雪，在云下降落了约600米才蒸发掉。发展简史发展简史-SchaeferSchaefer的伟大发现的伟大发现37发展简史发展简史-VonnegutVonnegut博士的碘化银实验博士的碘化银实验 在麻省理工学院曾研究过与飞机积冰有关的成核作用问题的Vonnegut博士，于1946年秋季，在通用电气实验室忙于研究各种成核过程。当Schaefer实验室的实验做过以后，便把他的注意力又转移到冰的成核作用上来。当他了解到冰晶可以在具有适当的晶体结构的物质上增长核化之后，他翻阅了x光晶体学手册，寻找晶体结构和冰晶相近、又不溶于水的物质。碘化银和碘化铅似乎是最合乎这个条件的。38发展简史发展简史国人之贡献39发展简史发展简史-国内国内 战国竹书纪年卷：“轩辕五十年秋七月庚申天雾三日三夜，昼昏。大舜四十七年冬陨霜，不杀草木。”殷墟甲骨文：云、大雨、猛雨、疾雨、足雨、多雨、毛毛雨、小雨、大风、雾、雪、霰、电、虹等卜辞；诗经：“上天同云，雨雪纷纷”信南山；“有渰萋萋，兴雨祁祁”大田庄子徐无鬼“风之过河也，有损焉；日之过河也，有损焉。”庄子天运篇“云者为雨乎？雨者为云乎？”老子道德经“飘风不终期，骤雨不终日。”40发展简史发展简史-国内国内 汉书天文志“陈云如垣。杼云如杼柚，云传两端锐。杓云如绳，钩云如句曲。”吕氏春秋 应同“山云草莽，水云鱼鳞，旱云烟火，雨云水波，无不皆类其所生以示人。”西汉董仲舒雨雹对“攒聚相合，其体稍重，故雨乘虚而坠”；“风多则合速，故雨大而疏；风少则合迟，故雨细而密”春秋说题辞“盛阴之气，凝滞为雪”吕氏春秋圜道“云气西行云云然，冬夏不辍；水泉东流，日夜不休，上不竭，下不满，小为大，重为轻，圜道也。”41发展简史发展简史-国内国内 周易集解篡注引三国吴陆绩语“水气上天，决降成雨”北魏末期，贾思勰齐民要术“天雨新晴，北风寒切，是夜必霜。”西汉韩婴韩诗外传“凡草木花多五出，雪花独六出，雪花曰霙，雪云曰同云”霰：“如彼雨雪，先集维霰”诗经頍弁；东汉刘熙释名“霰，星也，水雪相搏（团也），如星而散也”西汉董仲舒雨雹对“雹，霰之流也，阴气暴上，雨则凝结成雹焉”42发展简史发展简史-国内国内 唐孔颖达礼记注疏“若云薄漏日，日照雨滴则虹生。”宋蔡卞毛诗名物解“水气纯化，在天成雾，雾，云之类也”日本人在韩国境内所发现清乾隆庚寅年（即乾隆35年）中国所制的测雨台431956年1月25日，毛泽东主席召开最高国务会议时说：“人工造雨是非常重要的，希望气象工作者多努力”。1956年10月，气象科学研究12年远景规划(草案)中，第二大专题大气物理学第四项是“云与降水物理过程和人工控制水分状态的试验研究”。1957年，中国科学院和北京大学分别派出留学生赴苏联学习云物理和人工影响天气发展简史发展简史-国内国内 44我国的云降水物理学是在1958年“大跃进”时期创建的：赵九章、顾震潮、谢义炳、赵柏林、徐尔灏等。1958年在当时干旱最严重的吉林省产生进行了人工降水的试验，取得了实效。其后，西北：祁连山区、兰州人工降水中南、华东：飞机人工降水黄山、衡山、庐山：云物理观测基地发展简史发展简史-国内国内 45揭示我国云降水的一些宏观和微观物理特征；提出暖云降水的起伏理论，以及人工降水作业时的最佳播撒方法。这些理论和方法，突破了当时旧的观点，在云物理学上很有意义；对盐核的来源、云滴谱的形成理论、云动力学、人工影响天气的效果检验、雷电定位和闪电信息的利用、爆炸对云发展的影响等方面提出了独特见解。“我同他相处近四十年，一直认为他是我学习的榜样”（陶诗言云雾降水物理基础序）。发展简史发展简史-国内国内 4660年代中期以前，云物理学着重于去的微物理学。70年代开始，特别是80年代以来，云物理学发展到一个新的现代化阶段。主要标志有二：n一是用现代化的技术装备（先进的多功能雷达、配有多一是用现代化的技术装备（先进的多功能雷达、配有多种仪器的探测飞机、快速的数据处理系统、卫星探测等种仪器的探测飞机、快速的数据处理系统、卫星探测等多种遥感手段）来研究云、云系、强风暴的内部结构和多种遥感手段）来研究云、云系、强风暴的内部结构和发生发展过程；发生发展过程；n二是用现代化快速计算机，以云中微物理过程和动力过二是用现代化快速计算机，以云中微物理过程和动力过程、云与环境紧密结合，进行数值模拟和试验，从而阐程、云与环境紧密结合，进行数值模拟和试验，从而阐明云和降水发生发展的条件、物理过程、控制因素及其明云和降水发生发展的条件、物理过程、控制因素及其变化规律。变化规律。发展简史发展简史-国内国内 471996年，经中国气象学会批准，云物理和人工影响天气研究分会在北京成立。近年来，人影作业服务的规模不断扩大，投入不断增大。1996年2002年，21个省（区、市）实施飞机人工增雨作业3216架次，飞行7351小时；高炮火箭防雹作业保护面积39万平方公里，全国人工影响天气工作总投入累计达到17亿元。目前全国有30个省（区、市）的1632个县（包括县级单位）开展了地面高炮、火箭人工增雨防雹作业；拥有专用高炮6800门，各型火箭发射架3140余台；从业人员达3.5万人。我国的人工影响天气作业规模已达到世界第一，成为名副其实的人工影响天气工作的大国。发展简史发展简史-国内国内 48我校本专业方向的历程我校本专业方向的历程1958年，王鹏飞在当年天气月刊6月号发表人工影响云雾中央气象局派观象台台长罗漠到江西与省领导商定组建庐山云雾试验站。1960年9月，大气物理专业招生1978年9月南京气象学院恢复大气物理系，当年招收学生33人。以后每年招收10一30人，专业方向是云雾物理和人工影响天气。至1999年，培养大气物理专业学生353人49我校本专业方向的历程我校本专业方向的历程1980年，湖南、安徽、福建等省气象局和南京大学、南京气象学院及庐山云雾站等单位合作、在合肥举行南方积云试验和考察研究协调会，讨论随机试验进展和积云观测研究方案。并在此基础上筹建南方云物理和积云降水试验协作组。1980年，安徽省人工降雨办公室与南京气象学院合作，在白湖地区进行高炮人工降雨试验，配有雷达、探空和雨量站网。试验持续两年。1981年，南京气象学院被批准有权授予大气物理专业硕士学位单位。当年开始招收研究生。50我校本专业方向的历程我校本专业方向的历程1983年，周文贤、章澄昌译：云物理简明教程1983年，王鹏飞译：云物理学简编 1988年江苏省科技进步三等奖：“圆锥形冰雹微结构及其理论和实验研究”(19831985)，主要完成人员李子华等。1989，王鹏飞、李子华，微观云物理学1989年12月15日，南京气象学院和重庆市气象局合作，对重庆雾进行为期1月的大规模综合观测试验。观测项目包括边界层探测、雾的宏微观结构、雾水化学、气溶胶、辐射及大气质量监测等。有近百人参加观测试验工作。51我校本专业方向的历程我校本专业方向的历程1990年，利用世界银行贷款引进PMS云降水测量系统1994年，雷达在气象导变中的应用，李子华等1996年，发表雾的三维模式和模拟试验研究结果，成功地模拟了辐射雾的生消过程1997年，云南省气象局同南京气象学院合作，在西双版纳地区实施雾的外场试验计划。探讨该地区生态环境与雾的关系。1999年，大气物理专业停招2002年，大气物理学与大气环境专业恢复招生52绪论绪论-参考书目参考书目教材类：Rogers,and Yau,1989,A short course in cloud physics(3rd edition).2nd edition 1979,云物理简明教程，周文贤、章澄昌译，气象出版社，1983。56.4254/综合借书处/20册可借北大地球物理系大气物理教研室云物理学组编，1981，云物理学基础，农业出版社。56.4254/综合借书处/13册可借顾震潮，1980，云雾降水物理基础，科学出版社。56.425/综合借书处/25册可借王鹏飞、李子华，1989，微观云物理学56.4254/综合借书处53绪论绪论-参考书目参考书目其它：梅森，1979，云物理学黄美元，徐华英等，1999，云和降水物理王明康，1991，云和降水物理学Dennis,1980,Weather Modification by Cloud SeedingPruppacher,H.R.,and J.D.Klett,1978,Microphysics of Clouds and PrecipitationBack up slidesBack up slides5455绪论绪论 学科地位和学习目的（学科地位和学习目的（4 4）