云和降水物理學(xué)
云和降水物理學(xué)是研究云和降水的形成和發(fā)展過程的學(xué)科，又稱云物理學(xué)。潮濕空氣在冷卻過程中（最重要的是空氣上升時(shí)的膨脹冷卻過程），當(dāng)水汽達(dá)到飽和狀態(tài)，并在大氣凝結(jié)核或大氣冰核上凝結(jié)時(shí)，形成云滴或冰晶，再經(jīng)過一系列的物理過程，演變成降水物而降落。決定成云致雨的主要因素，是大氣運(yùn)動(dòng)的熱力過程和動(dòng)力過程、水汽的含量以及云和降水的微結(jié)構(gòu)特征。
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氣象學(xué)家I·朗繆爾
（1）早在19世紀(jì)中葉，已逐步形成了濕空氣塊上升時(shí)凝結(jié)過程的熱力學(xué)理論，這是云的宏觀動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)。
（2）1880～1881年，英國的J.愛根等提出了塵粒在水汽凝結(jié)而生成云滴過程中的作用（稱為凝結(jié)核）
（3）但直到20世紀(jì)20年代，才建立了云滴的凝結(jié)理論。
（4）1933年，瑞典氣象學(xué)家T·H·P·伯杰龍從理論上研究了冰晶和水滴間的水分轉(zhuǎn)移問題，提出了冷云降水機(jī)制。雖然當(dāng)時(shí)已經(jīng)提出暖云中水滴互相碰并而增長成雨滴的假設(shè)
（5）但直到40年代末，才被雷達(dá)和飛機(jī)的觀測(cè)所證實(shí)。盡管有了這些成果，可是在40年代之前，云和降水物理學(xué)仍然附屬于物理學(xué)和氣象學(xué)。大量關(guān)于云和降水特征的觀測(cè)資料，都是在40年代以后獲得的。40年代中期，開始對(duì)積云的結(jié)構(gòu)和生消過程進(jìn)行綜合探測(cè)。
（6）1946年，I·朗繆爾和V.J.謝弗在過冷層狀云中播撒干冰，成功地進(jìn)行人工降水試驗(yàn)，促使云和降水物理學(xué)蓬勃發(fā)展起來。隨后對(duì)云的微物理過程和宏觀的動(dòng)力和熱力特征，進(jìn)行了細(xì)致的觀測(cè)研究，到50年代中期，云和降水物理學(xué)才成為大氣科學(xué)中的分支學(xué)科。
云和降水物理學(xué)包括兩個(gè)方面：
①云和降水微物理學(xué)。
主要研究組成云和降水的云滴、冰晶和雨、雪、霰、雹等降水粒子的生成、增長和轉(zhuǎn)化等微觀物理過程。
②云動(dòng)力學(xué)。
主要研究云和云系整體的宏觀特征，熱力過程和動(dòng)力過程及其演變的規(guī)律。微觀和宏觀兩個(gè)方面既有區(qū)別，又互相聯(lián)系、互相影響。例如大氣的熱力過程和動(dòng)力過程，決定了云和降水微物理過程的速率和持續(xù)的時(shí)間；而云和降水發(fā)展過程中所釋放的潛熱，以及云和降水粒子對(duì)氣流的拖曳，又反過來影響空氣的運(yùn)動(dòng)，即：釋放的潛熱將增加云繼續(xù)向上發(fā)展的能量，使氣流的上升加劇，拖曳作用將促使氣流下沉。
人工降水
云和降水物理學(xué)的研究主要有三個(gè)環(huán)節(jié)：
外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)
用飛機(jī)作為運(yùn)載工具，攜帶各種探測(cè)儀器，飛至云中取樣，探測(cè)云、雨粒子的濃度、相態(tài)變化、含水量，以及溫度、上升氣流等數(shù)據(jù)；使用雷達(dá)觀測(cè)云中大粒子區(qū)的演變過程和云中的氣流；配合衛(wèi)星和常規(guī)氣象裝備，對(duì)云雨過程進(jìn)行宏觀的觀測(cè)。通過分析研究觀測(cè)的結(jié)果，可獲得云和降水的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)及其演變的知識(shí)。
室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
利用云室和風(fēng)洞等裝置，在精確控制的溫度、壓力、濕度和風(fēng)等條件下，對(duì)云和降水粒子的生成、增長等過程，進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，將其結(jié)果同外場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果相互驗(yàn)證。
理論研究
在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理的基本規(guī)律，建立云和降水的理論模式，利用電子計(jì)算機(jī)計(jì)算，定量研究云和降水的過程。
云和降水是在一定的天氣形勢(shì)條件下產(chǎn)生和發(fā)展的，大部分重要的天氣現(xiàn)象，如雷暴、冰雹、龍卷以及暴雨、梅雨、臺(tái)風(fēng)、連陰雨等，都與云和降水有關(guān)。所以云和降水物理學(xué)與天氣學(xué)有密切的關(guān)系。從另外的角度看，云和降水過程是地球大氣的熱量、水分和動(dòng)量平衡的關(guān)鍵因素，它不僅影響到局地的和短期的天氣過程，也影響到大氣環(huán)流和全球氣候的變化。此外，云和降水還會(huì)影響大氣污染、大氣雷電和電磁波的傳播。因此，云和降水物理學(xué)與氣候?qū)W、動(dòng)力氣象學(xué)、大氣物理學(xué)、大氣探測(cè)和大氣化學(xué)等分支學(xué)科以及應(yīng)用技術(shù)都有密切的關(guān)系。由于人工影響天氣的主要途徑是影響云和降水的微物理過程，因此云和降水物理學(xué)是人工影響天氣的理論基礎(chǔ)；反過來，人工影響天氣試驗(yàn)的廣泛開展，又大大地促進(jìn)了云和降水物理學(xué)的發(fā)展，并豐富了它的內(nèi)容。
微波
微波衰減原理
微波在云、雨、大氣中傳播時(shí)，云、雨和大氣對(duì)微波的吸收和散射所造成的微波能量的衰減。微波在有云、雨的大氣中傳播時(shí)，其能量的衰減，是大氣和云滴、雨滴對(duì)微波衰減作用的總和。由于微波波長比氣體分子直徑大得多，所以微波波段的大氣散射可以略去不計(jì)（見大氣散射）。大氣對(duì)微波的衰減主要是大氣的微波吸收所造成的。波長大于3厘米(頻率小于10吉赫)的微波作短距離傳播時(shí)，大氣的衰減作用可以略去，但在長距離傳播中必須考慮。云、雨對(duì)微波的衰減，主要是水滴對(duì)微波的散射和吸收共同作用的結(jié)果。
衰減系數(shù)
云、雨對(duì)微波的衰減系數(shù)是吸收系數(shù)和散射系數(shù)之和。在無降水的云層中，云滴半徑□□比微波波長λ小得多，當(dāng)2□□□/λ□1時(shí)，可用瑞利散射來處理電磁波和云滴的相互作用，此時(shí)，云層的衰減，以吸收作用為主，散射作用可略而不計(jì)。當(dāng)雨滴半徑□滿足2□□/λ≥1時(shí)，則需用米散射處理電磁波和雨滴的相互作用，此時(shí)，散射作用不容忽視（見云和降水粒子的微波散射）。雨的散射系數(shù)比吸收系數(shù)小。散射系數(shù)與吸收系數(shù)的比值，隨著雨的增強(qiáng)或波長變短而加大。根據(jù)計(jì)算，在波長為3.2厘米和雨強(qiáng)為2毫米/小時(shí)的條件下，散射系數(shù)與吸收系數(shù)的比值為0.05；若波長為0.8厘米和雨強(qiáng)為90毫米/小時(shí)，則為0.49。吸收系數(shù)和散射系數(shù)都隨雨強(qiáng)的增強(qiáng)而加大，但散射系數(shù)增大的趨勢(shì)比吸收系數(shù)較快。雨的衰減系數(shù)隨波長增加而迅速減小，例如波長由1厘米增至3厘米時(shí)，衰減系數(shù)要小一個(gè)量級(jí)，波長超過10厘米的微波，雨的衰減作用就很小了。
隨著儀器裝備的革新、現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)的應(yīng)用、探測(cè)資料的積累和理論研究的不斷深入，云和降水物理學(xué)無論在微物理學(xué)方面，還是在宏觀動(dòng)力學(xué)方面，都有不少進(jìn)展。但由于云和降水的過程極其復(fù)雜，它包括了從尺度小于1微米的云核，直到尺度達(dá)千公里的云系之間的許多物理過程，因此，無論在探測(cè)和實(shí)驗(yàn)方面，還是在理論方面，都還待進(jìn)一步的深入研究。
云和降水形成
云和降水物理學(xué)是研究云和降水的形成和發(fā)展過程的學(xué)科，又稱云物理學(xué)。潮濕空氣在冷卻過程中（最重要的是空氣上升時(shí)的膨脹冷卻過程），當(dāng)水汽達(dá)到飽和狀態(tài)，并在大氣凝結(jié)核或大氣冰核上凝結(jié)時(shí)，形成云滴或冰晶，再經(jīng)過一系列的物理過程，演變成降水物而降落。云和降水微物理學(xué)是研究云粒子(云滴、冰晶)和降水粒子(雨滴、雪花、霰粒、雹塊等)的形成、轉(zhuǎn)化和聚合增長的物理規(guī)律的學(xué)科。它是云和降水物理學(xué)的重要組成部分，又是人工影響天氣的理論基礎(chǔ)。對(duì)于云和降水粒子形成、增長和轉(zhuǎn)化的規(guī)律的認(rèn)識(shí)，主要是從理論研究和可控條件下的實(shí)驗(yàn)中得到的。實(shí)際上，自然云的環(huán)境和相應(yīng)的微物理進(jìn)程十分復(fù)雜，加上觀測(cè)方面的困難，對(duì)它們的認(rèn)識(shí)還很粗淺。因此云和降水微物理學(xué)的發(fā)展方向，主要是探測(cè)和研究以自然云為宏觀背景的粒子群體的演變規(guī)律。決定成云致雨的主要因素，是大氣運(yùn)動(dòng)的熱力過程和動(dòng)力過程、水汽的含量以及云和降水的微結(jié)構(gòu)特征。
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