雲動力學是研究雲的熱力、動力結構及其演變規律的學科，它是雲和降水物理學的組成部分，同雲和降水微物理學的關係十分密切。
基本介紹
- 中文名：雲動力學
- 外文名：Cloud dynamics
- 內容：層狀雲動力學和積雲動力學
簡介,發展簡史,理論研究和觀測研究,數值模擬,雲動力,雲動力的重要性,雲動力的影響因子,研究內容,層狀雲動力學,積雲動力學,分支學科,
簡介
雲的巨觀動力過程為微物理過程提供了背景，決定了後者的進行速率、持續時間和空間範圍；反過來，微物理過程中水分相變潛熱的釋放，和降水粒子的拖曳作用，對雲的巨觀動力過程又有重要的影響。
雷雨雲的結構圖
雷雨雲的結構圖雲動力學是一門年輕的學科，由於取得積雲尺度(1～10公里)和層狀雲尺度(10²～10³公里)空氣運動的資料很困難，實驗室內又不好模擬，因此對雲的動力過程的了解仍很膚淺。從二十世紀60年代以來，各種新的雷達技術、現代化數據處理方法，以及數值模式等成果的採用，推動了這門學科迅速發展。
發展簡史
理論研究和觀測研究
一、始於20世紀40年代
積雲的經典氣塊理論到夾卷理論,雷暴三階段模型。1946-1947年美國雷暴研究計畫和氣團雷暴發展三階段模型（Byers-Braham）；
二、50年代初,提出動力夾卷理論同時根據室內實驗的結果,指出夾卷率與對流單體的半徑成反比。在湍流夾卷和動力夾卷假說基礎上,提出了對流雲發展的氣塊模式和氣柱模式。
三、60年代,指出環境風的垂直切變有助於建立和維持穩定持久的強風暴系統，並提出了強風暴的三維結構模式。
四、70年代初，美國為了驗證建立在累積帶理論基礎上的“競爭場”防雹原理而開展的“國家冰雹研究計畫”（NHRE），還有“科羅拉多聯合冰雹計畫”，美國和加拿大合作的“阿爾伯塔冰雹研究計畫”。1979年為研究龍捲、冰雹等災害性天氣而在美國中部開展的“強風暴和中尺度試驗”計畫（SESAME）。
五、1981年5月-8月在美國西北部
對流雲降水協作試驗CCOPE是為了研究對流風暴的降水效率及其與環境的相互作用，以及動力過程與微物理過程的相互作用。
T-28型裝甲飛機，可測雲內運動場的都卜勒雷達，氣象衛星特別是地球同步氣象衛星和各種遙感儀器。如可測冰雹的雙波長雷達，能辨認出非球形固體降水質點的偏振光雷達，監測龍捲等強風暴源的靈敏微壓計以及雷射、微波探測計，聲波探測器等。
數值模擬
60年代以來,雲數值模擬研究發展很快。先後出現了一維、二維和三維雲模式。一維模式——只考慮垂直方向的空間分布；二維模式——分為“軸對稱”和“面對稱”兩大類。軸對稱模式使用空間柱坐標系並假定物理量不隨方位角變化，二維面對稱模式採用笛卡兒直角坐標系並假定物理量在某一水平軸方向（一般取y軸）無變化。
雲動力
雲動力的重要性
雲霧中的動力、熱力過程為微觀雲物理過程提供背景，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、持續時間和空間範圍，以及最終降水量的大小，從而影響雲體的形成、發展和消亡。
氣流的運動可以使空氣溫度變化，可以使水汽輻合或輻散，從而可以改變相對濕度。相對濕度的變化如果使空氣由不飽和成為飽和，則有利於水汽的凝結或凝華，導致雲粒子的出現。在氣溶膠理化特性固定時，過飽和度決定了初始雲質點的數密度、初始大小分布。如果空氣由飽和成為不飽和，則使雲中粒子蒸發或升華。
很多微物理過程都與溫度、濕度條件有關。例如，某直徑的單個雲滴、冰晶的質量凝結、凝華增長率與過飽和度、溫度有關；冰晶的異質凝凍/凝華核化、雲滴的異質凍結核化、雨滴的凍結都與過冷卻度有關；雲滴的均質凍結核化除了溫度還與過飽和度有關；冰晶的Hallett-Mossop繁生機制所發生的溫度通常為-8~-3℃。因為凍結過程與溫度有關，所以不同溫度對應不同相態。一般認為，大於0℃時對應水滴，在0℃~-10℃之間對應過冷水滴，-10℃~-38℃時過冷水滴和冰相粒子共存，低於-38℃時對應冰相粒子。冰相粒子類別也與溫度有關，例如，-12～-17℃，是雪花的一個多發區。原因：一是冰面過飽和度最大的溫度，二是產生枝狀冰晶的溫度，枝叉結構的冰晶相碰容易“鉤連”和“攀附”在一起。
因此，雲霧中的動力、熱力場對雲霧降水形成、發展和消亡具有重要的作用。
雲動力的影響因子
積雲能否發展與產生降雨，常常在很大程度上決定於天氣尺度和中尺度的氣象環境條件。氣象環境條件是有層次的，有大中尺度天氣條件作為直接環境條件的背景。
1、大中尺度條件（天氣系統、地形）
鋒面、低壓系統、低壓槽、切變線等天氣系統，以及地形的抬升作用產生垂直運動。雲動力學並非把天氣系統和地形對雲動力的影響作為其核心論題。
2、直接環境條件(溫濕層結,風切變,氣溶膠)
溫濕層結影響氣塊淨浮力，從而影響雲中垂直速度，影響雲內降溫速度，影響溫度。直接環境條件對雲動力及雲物理的研究，利用數值模擬方法做得較多。例如，徐華英等利用他們所建立的二維直角坐標非定常積雲降水模式研究的大氣溫度遞減率、地面溫度和大氣濕度對積雲降水的影響。他們的結果表明，大氣溫度遞減率較大時，雲發展旺盛，雲厚較大，所以降雨強度和總降水量都顯著增大，但降雨持續時間較短，降水效率略小；地面溫度較高時具有較大的降雨強度和總降雨量，而降雨持續時間較短，降水效率較小；從最大降雨強度和降雨持續時間來看，大氣中上層的濕度值影響不大，而大氣下層的濕度值對降水的影響卻十分明顯。濕度越大，降雨量和最大雨強也愈大。看來積雲降水的水汽供應主要是否能從溫來自雲下。從降水效率來看，中上層濕度影響明顯，濕度越小，降水效率愈大。濕層結中提取一個或幾個決定對流強度的參量，是人們希望解決的問題。過去很多人認為CAPE決定對流強度，但觀測分析和數值模擬結果表明，並不能肯定對流強度就是由CAPE決定的。
近幾年有人提出抬升凝結高度和凍結高度之間的厚度對對流強度的影響很大。
觀測表明，風速的垂直切變對雲的發展是有影響的。Browning,Marwitz等人指出，一種強烈冰雹雲常常形成於風在垂直方向有較強切變的環境中。在溫帶地區，一般水汽的含量在中低空大，而風速垂直切變在高空急流附近最大，因此有人認為，對流雲在中低空主要靠凝結潛熱維持，在高空則有盛行風供給能量。但是當風切變很大時對冰雹雲的發展也是不利的。黃美元等對昔陽地區42塊冰雹雲的分析表明：比較強烈的冰雹雲多出現在中等強度的環境風切變條件下，風切變值多在3.0~4.0m.s-1.km-1,大多數較弱的冰雹雲是發生在較弱的風切變環境中，平均值為2.2m.s-1.km-1，觀測到很強的風切變並不有利於冰雹的形成。1973年Schlesinger用二維非定常模式研究了低層濕度和中層風切變對積雲發展的影響。模擬結果表明，在濕度很大的情況下，風切變愈大，雲發展愈持久，雲濕度較小的情況下，強切變並不能支持一個持久的風暴，這時中等強度的風切變條件下雲發展得最持久。在低濕度強切變時，所形成的雲最弱，生命時間最短。徐華英等在1985年研究了風切變對積雲降水的影響。模擬結果表明，在各種大氣層結下，線性風切變的存在都是使雲發生傾斜，對積雲降水發展起到減弱的作用。
總的來說，層結不穩定時，風切變對積雲降水發展的不利影響相對較小，雲傾斜較小，降水量的減少也最小。低層適當強度的切變風使得積雲發展峰值強度減弱，但有利於維持低層穩定持久的水汽供應源，使積雲生命史大大加長，地面降水總量大幅度提高，雨區擴大，峰值雨強減小。
3、物理過程:輻射過程,雲微觀過程,雲合併和分裂過程
在雲層形成後，由於雲體的長波輻射很強，雲頂強烈冷卻，可使雲層加厚，並在地面長波輻射使雲底增暖的聯合作用下使雲層內形成不穩定層結而使雲變形，層狀雲系中夜間有時會激發對流雲活動，一些強對流風暴系統夜間常常加強或猛烈發展與雲頂輻射冷卻效應有關。
微物理過程對熱力、動力過程有重要的反饋作用。雲和降水粒子的凝結和凝華、蒸發和升華改變了水汽含量，所伴隨的相變潛熱的釋放和吸收，提供了重要的熱源和熱匯，它極大地影響了雲（特別是對流雲）內外空氣的運動。降水粒子的拖曳作用，又常常是促使雲體消散、崩潰的重要因素。
研究內容
因為層狀雲和積狀雲的水平尺度和動力過程都有顯著的差別，所以雲動力學分為層狀雲動力學和積雲動力學兩個分支。
層狀雲動力學
主要研究層狀雲中各種尺度的動力、熱力結構及其演變規律。層狀雲是在氣流輻合而緩慢抬升、湍流混合和輻射冷卻等過程中形成的，其中以氣流輻合抬升最為重要。大範圍的降水層狀雲系，一般都同氣旋、鋒和切變線等天氣系統相聯繫。層狀雲系的上升氣流運動速度約為每秒幾厘米，它同地面雨強約為每小時一毫米的降水區相對應。
積雲
積雲夏季，由於對流的發展，在層狀雲系中往往觀測到積狀雲，形成層狀—積狀複合雲系，其熱力、動力結構更為複雜。這類複合雲系有時能產生暴雨，一天的降雨量可達幾百毫米。層狀雲中各種尺度的熱力結構和動力結構，對降水的形成過程起著十分重要的作用，必須加強對它們的細緻觀測。至於雲內外不同尺度的空氣運動和各種作用力的關係，還有待於探索和研究。
積雲動力學
主要研究積雲(包括淡積雲、濃積雲、積雨雲等整個積狀雲)的熱力、動力結構，各種作用力和積雲內外的空氣運動的關係。
積狀雲（有時簡稱積雲）是大氣對流運動的產物，故又稱對流雲。包括淡積雲、濃積雲和積雨雲，它們是孤立、分散而又垂直發展的雲塊。發展旺盛的積雲常伴隨雷暴、暴雨、冰雹、龍捲等災害性天氣。
1、動力結構
積雲的水平尺度和鉛直尺度具有同一數量級，約為 1～10公里。積雲發展的完整過程經歷了三個階段：a發展階段。雲頂向上發展，雲中盛行上升氣流，其速度為1～20米/秒；b成熟階段。雲頂高度變化很小，雲中除上升氣流外，局部出現有系統的下沉氣流，降水產生並發展；c消散階段。雲體逐漸消散或轉化為層狀雲，雲內盛行下沉氣流，降水維持，轉而停止。積雲的生命一般為幾十分鐘到 2小時。特彆強盛的積雨雲可持續幾小時，其水平範圍可達40公里，常產生強烈的降水、冰雹、雷暴和大風天氣。這種積雨雲（或雲群）稱為強對流風暴。強對流風暴的內外空氣流場，往往在一段時間內保持相對穩定，由一支上升氣流和一支下沉氣流組成：上升氣流由風暴移動方向的右前側從近地面層向上傾斜入雲，在高層沿雲移動的方向流出，形成雲砧；下沉氣流從雲後中層流入，從近地面層流出。
2、影響因子
響積雲發展的主要因素包括： ①大氣溫度直減率。積雲發展的主要動力是雲中空氣比周圍大氣密度小所引起的阿基米德浮力（見大氣中的作用力）。這種密度差依賴於大氣溫度隨高度的遞減率。積雲在上升過程中，溫度一般按濕絕熱過程變化。當大氣溫度直減率大於濕絕熱直減率時，浮力在積雲上升中增加，對流就可以發展（見大氣靜力穩定度）。
②近地面層大氣的不均勻加熱和水平輻合。它們能觸發積雲的對流。
人工降水
人工降水③積雲同環境的交換。積雲內外的空氣，存在著熱量、動量和水分的混合交換（又稱夾卷），它減小了積雲的浮力和含水量，阻礙積雲的發展。
④雲的微物理過程。雲和降水粒子的蒸發、凝結、凍結和融化等，伴隨著相變潛熱的釋放和吸收，影響了積雲的溫度和氣流。降水粒子的拖曳作用，則促進雲內下沉氣流的發展。
⑤環境風的鉛直切變、低層空氣和水汽的輻合、積雲周圍空氣的補償下沉運動等。它們對積雲發展有明顯的影響。
3、理論研究
從40年代以來，人們提出了幾種積雲理論模式：
①氣塊模式。假設積雲是一團內部均勻的浮升氣塊，用參數化（見數值天氣預報）的辦法處理雲內外的混合交換，用質點力學的辦法計算積雲在上升過程中的各種要素的演變。當知道環境大氣各種參數時，可以預報積雲發展過程的特徵。
②氣柱模式。即一維的時間變化模式，它把積雲看作圓柱狀的氣流，在任一高度的截面上，其內部都是均勻的。用參數化的或者從空氣的連續方程計算所得的夾卷率，處理雲內外的湍流和混合交換，它可以計算積雲在生消過程中各高度上各種要素隨時間的演變。
③運動場模式。把積雲的發展和環境空氣當作統一的流體力學過程加以研究。它可以計算二維空間或三維空間積雲演變的全過程。
這些理論模式，一般包括積雲動力方程、熱力學方程、連續方程以及反映雲和降水微物理過程的方程組。它們是十分複雜的非線性方程組，一般用電子計算機求解。理論模式的計算，已能在不同程度上模擬積雲的結構、演變以及降雨、降雹等過程，並開始套用於人工降水、人工防雹等試驗的設計和效果的檢驗方面。從20世紀70年代以來，對幾個積雲的合併、中尺度環境同積雲的相互作用等問題的理論研究，已取得了進展。
