積雲動力學是研究積狀雲的氣流結構、作用力和溫度等巨觀物理量演變規律的學科。在雲動力學的研究中，積雲對流動力學占著突出的地位。
基本介紹
- 中文名：積雲動力學
- 外文名：cumulus dynamics
- 學科：大氣科學
- 隸屬：動力學
- 研究對象：積狀雲
- 地位：動力學的主要組成部分
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簡介
研究內容
特徵
積狀雲是濕空氣在對流上升運動中形成的，其水平尺度同垂直尺度具有同一量級(1一10km)；維持時間短(10min一2h)；垂直氣流強(1—20m/s)；常伴有陣性降水。特彆強盛的積雨雲可持續幾個小時，水平範圍達幾十公里。常伴有雷暴、大風、暴雨，個別還有冰雹、龍捲、颮等，稱為強風暴。
氣流結構
在發展階段的積狀雲內一般盛行上升氣流，以後局部出現下沉氣流，並有降水產生，最後雲內盛行下沉氣流，雲體消散。強風暴在成熟階段往往形成穩定的兩支傾斜的上升和下沉氣流，能維持1小時以上。
作用力
積雲氣流還受雲中水凝物的拖曳力、氣壓梯度力和湍流阻力等的作用。
影響因子
影響積雲發展的因子主要有：
（1）大氣溫度垂直遞減率；
（2）大氣濕度；
（3）近地層大氣的不均勻加熱和水平輻合抬升有利於對流的觸發；
（4）積雲內外的熱量、水分、動量等的交換（稱為夾卷）不利於積雲發展；
（5）雲降水微物理過程的反饋作用——相變潛熱和水凝物拖曳；
（6）環境風的垂直切變、環境空氣的補償下沉運動等等。
研究意義
雲動力學
雲動力學是雲和降水物理學的一個重要組成部分。通過長期的雲物理研究和人工影響天氣試驗，人們日益認識到雲中降水的形成不能僅僅根據云的微物理過程加以認識。雲和降水的微物理過程在相當大的程度上受到雲中大氣運動的制約。雲發展和降水形成的巨觀動力過程提供了微物理過程進行的背景，決定性地影響了雲質點的數密度、初始大小分布及其物理性質，規定了微物理過程進行的速率和持續時間，以及最終降水量的大小，而且只有研究了雲動力學過程，才能知道微物理過程中哪些是重要的過程。所以雲動力學在雲和降水物理學的研究中具有基本的意義。
自然，微物理過程對於巨觀動力過程又有重要的反饋作用。雲和降水質點的凝結和凝華、蒸發和升華改變了水汽密度，伴隨著相變潛熱的釋放和吸收，又提供了一種重要的熱源和熱匯，它極大地影響了雲(特別是對流雲)內外空氣的運動，而降水質點的拖曳作用又常常是促使雲體消散、崩潰的一個重要因素。
近年來，越來越多的人致力於研究雲的動力學與微物理學的相互作用。當今雲動力學研究的一個重要特點是將巨觀動力過程和微物理過程結合起來，把雲的微物理結構和動力學結構聯繫起來，組成統一的雲模式加以研究。雲和降水的數值模擬試驗已成為雲動力學研究的一種重要理論手段。
積雲動力學
在雲動力學的研究中，積雲對流動力學占著突出的地位。
首先，很多局地災害性天氣現象，如雷暴、閃電、強風、冰雹，龍捲和暴雨等都與對流雲的猛烈發展有關。低緯度地區大約有四分之三的雨是由對流性降水造成的，中緯度地區夏季對流雲也是主要的降水源。冬季中緯度一些地區的氣旋風暴中中尺度對流雨帶有時會產生暴雨，特別是中緯度地區許多強烈的災害性天氣如冰雹、龍捲等常常由有組織的強對流過程引起。因此，積雲對流動力學的研究將為監測和預報這些局地災害性天氣提供一定的理論基礎。
其次，積雲對流在熱帶大氣的熱量收支中以及在大尺度熱帶擾動的形成和生長過程中起著重要作用，這是過去早就知道而現在為人們所廣泛強調的。儘管各種物理因子的相互作用使熱帶擾動問題變得很複雜，熱帶深厚積雨云云塔中凝結潛熱的釋放仍是熱帶擾動動能的主要來源，積雨雲在這裡起著—‘種“熱塔”戎“燃燒室”的作用。衛星雲圖分析表明，熱帶海洋雲系是高度組織化的，往往組成雲簇或雲團。颱風發展的物理機制，是以水汽凝結潛熱為能源的擾動不穩定自激增長的結果，所謂第二類條件不穩定(CISK)就是中小尺度積雨雲系統與天氣尺度颱風相互作用的過程。
此外，積雲對流在全球大氣環流的能量平衡中起著關鍵作用。積雲對流是大氣中最有效的一種能量轉換器，是水汽，熱量和動力垂直輸送的重要機制，它對更大尺度的天氣系統或環流發生重要的影響。眾所周知，就全球而言，熱帶海洋地區是能量的源，38°以外的中高緯度是能量的匯。為了平衡中高緯度能量收支的虧損，必須有能量從熱帶向中高緯度輸送。研究表明，往熱帶地區為數不多的（1500-5000個）巨大積雨雲塔，其面積僅約占赤道輻合帶面積的千分之一，就承擔著維持熱帶哈特來環流的能量供應。熱帶積雨雲塔是平流層內水汽的一個重要來源，因此也就成了調節全球熱量收支的一個重要的輻射“閥門”。這些雲塔的數目和集中程度的變化趨勢與信風強弱及季風變化有關，它影響平流層的水汽含量並進而可能影響氣候。而直到目前為止，在全球熱量收支計算中難以肯定的項目仍然是與雲的形成、演變和分布以及雲的輻射性質有關的熱通量。它們還決定海表面的熱量平衡，而這對建立有意義的穩態或時變氣候模式是必需的。值得強調的是，不同尺度大氣過程的相互作用已日益成為全球氣候模式、數值天氣預報和大氣環流研究的注意焦點，而在這一尺度鏈中，積雲對流動力過程及其與大中尺度天氣系統的相互作用是至關重要的、曾經一度被忽視的、而研究起來又相當困難的關鍵環節。
所以，積雲對流動力學對於雲物理學研究和人工影響天氣試驗，對於改善對流雲降水，特別是局地災害性天氣的監測和短期或臨近預報，以及增進熱帶天氣的長期預報能力和完善全球氣候模式及大氣環流的研究都有重要的意義。這是近年來積雲對流動力學得以迅速發展的主要動力。
