[科普中国]-积云动力学

简介

积云动力学（cumulus dynamics）是指研究积状云的气流结构、作用力和温度等宏观物理量演变规律的学科，是动力学的主要组成部分。1

研究内容特征积状云是湿空气在对流上升运动中形成的，其水平尺度同垂直尺度具有同一量级(1一10km)；维持时间短(10min一2h)；垂直气流强(1—20m/s)；常伴有阵性降水。特别强盛的积雨云可持续几个小时，水平范围达几十公里。常伴有雷暴、大风、暴雨，个别还有冰雹、龙卷、飑等，称为强风暴。1

气流结构在发展阶段的积状云内一般盛行上升气流，以后局部出现下沉气流，并有降水产生，最后云内盛行下沉气流，云体消散。强风暴在成熟阶段往往形成稳定的两支倾斜的上升和下沉气流，能维持1小时以上。1

作用力积云气流所受的作用力主要是云内外空气密度不同所引起的阿基米德浮力。由于空气密度扰动主要决定于温度扰动，所以积云的动力结构同热力结构密切关联，水的相变潜热起着重要的作用。1

积云气流还受云中水凝物的拖曳力、气压梯度力和湍流阻力等的作用。1

影响因子影响积云发展的因子主要有1：

（1）大气温度垂直递减率；

（2）大气湿度；

（3）近地层大气的不均匀加热和水平辐合抬升有利于对流的触发；

（4）积云内外的热量、水分、动量等的交换（称为夹卷）不利于积云发展；

（5）云降水微物理过程的反馈作用——相变潜热和水凝物拖曳；

（6）环境风的垂直切变、环境空气的补偿下沉运动等等。

研究意义云动力学云动力学是云和降水物理学的一个重要组成部分。通过长期的云物理研究和人工影响天气试验，人们日益认识到云中降水的形成不能仅仅根据云的微物理过程加以认识。云和降水的微物理过程在相当大的程度上受到云中大气运动的制约。云发展和降水形成的宏观动力过程提供了微物理过程进行的背景，决定性地影响了云质点的数密度、初始大小分布及其物理性质，规定了微物理过程进行的速率和持续时间，以及最终降水量的大小，而且只有研究了云动力学过程，才能知道微物理过程中哪些是重要的过程。所以云动力学在云和降水物理学的研究中具有基本的意义。2

自然，微物理过程对于宏观动力过程又有重要的反馈作用。云和降水质点的凝结和凝华、蒸发和升华改变了水汽密度，伴随着相变潜热的释放和吸收，又提供了一种重要的热源和热汇，它极大地影响了云(特别是对流云)内外空气的运动，而降水质点的拖曳作用又常常是促使云体消散、崩溃的一个重要因素。

近年来，越来越多的人致力于研究云的动力学与微物理学的相互作用。当今云动力学研究的一个重要特点是将宏观动力过程和微物理过程结合起来，把云的微物理结构和动力学结构联系起来，组成统一的云模式加以研究。云和降水的数值模拟试验已成为云动力学研究的一种重要理论手段。2

积云动力学在云动力学的研究中，积云对流动力学占着突出的地位。

首先，很多局地灾害性天气现象，如雷暴、闪电、强风、冰雹，龙卷和暴雨等都与对流云的猛烈发展有关。低纬度地区大约有四分之三的雨是由对流性降水造成的，中纬度地区夏季对流云也是主要的降水源。冬季中纬度一些地区的气旋风暴中中尺度对流雨带有时会产生暴雨，特别是中纬度地区许多强烈的灾害性天气如冰雹、龙卷等常常由有组织的强对流过程引起。因此，积云对流动力学的研究将为监测和预报这些局地灾害性天气提供一定的理论基础。2

其次，积云对流在热带大气的热量收支中以及在大尺度热带扰动的形成和生长过程中起着重要作用，这是过去早就知道而现在为人们所广泛强调的。尽管各种物理因子的相互作用使热带扰动问题变得很复杂，热带深厚积雨云云塔中凝结潜热的释放仍是热带扰动动能的主要来源，积雨云在这里起着—‘种“热塔”戎“燃烧室”的作用。卫星云图分析表明，热带海洋云系是高度组织化的，往往组成云簇或云团。台风发展的物理机制，是以水汽凝结潜热为能源的扰动不稳定自激增长的结果，所谓第二类条件不稳定(CISK)就是中小尺度积雨云系统与天气尺度台风相互作用的过程。2

此外，积云对流在全球大气环流的能量平衡中起着关键作用。积云对流是大气中最有效的一种能量转换器，是水汽，热量和动力垂直输送的重要机制，它对更大尺度的天气系统或环流发生重要的影响。众所周知，就全球而言，热带海洋地区是能量的源，38°以外的中高纬度是能量的汇。为了平衡中高纬度能量收支的亏损，必须有能量从热带向中高纬度输送。研究表明，往热带地区为数不多的（1500-5000个）巨大积雨云塔，其面积仅约占赤道辐合带面积的千分之一，就承担着维持热带哈特来环流的能量供应。热带积雨云塔是平流层内水汽的一个重要来源，因此也就成了调节全球热量收支的一个重要的辐射“阀门”。这些云塔的数目和集中程度的变化趋势与信风强弱及季风变化有关，它影响平流层的水汽含量并进而可能影响气候。而直到目前为止，在全球热量收支计算中难以肯定的项目仍然是与云的形成、演变和分布以及云的辐射性质有关的热通量。它们还决定海表面的热量平衡，而这对建立有意义的稳态或时变气候模式是必需的。值得强调的是，不同尺度大气过程的相互作用已日益成为全球气候模式、数值天气预报和大气环流研究的注意焦点，而在这一尺度链中，积云对流动力过程及其与大中尺度天气系统的相互作用是至关重要的、曾经一度被忽视的、而研究起来又相当困难的关键环节。2

所以，积云对流动力学对于云物理学研究和人工影响天气试验，对于改善对流云降水，特别是局地灾害性天气的监测和短期或临近预报，以及增进热带天气的长期预报能力和完善全球气候模式及大气环流的研究都有重要的意义。这是近年来积云对流动力学得以迅速发展的主要动力。2