现代大气探测学-第二讲-云的观测-夏俊荣.ppt

南京信息工程大学 夏俊荣,现代大气探测学,2012年9月12日,致 谢,本课程多媒体教材是在兰州大学张文煜教授的同类教材基础之上修改完成，此外还得到了其他诸位老师的帮助，在此谨表示衷心感谢。,第二讲 云的观测（3）,知识结构,2.1 概述2.2 云状 一、低云族 二、中云族 三、高云族2.3 云的观测 一、判定云状 二、估计云量 三、测定云高2.4 气象应用,高云,卷云(Ci),卷层云(Cs),卷积云(Cc),毛卷云(Ci fil)密卷云(Ci dens)(研修)伪卷云(Ci not)钩卷云(Ci unc),毛卷层云(Cs fil)匀卷层云(Cs nebu),卷积云(Cc),5000 m,毛卷云,密卷云,薄幕卷层云,卷积云,高云 由细小的冰晶组成，云底高度通常在5000米以上。一般不产生降水，冬季北方的卷层云、密卷云偶尔也会降雪，有时可以见到雪幡高云包括：卷云、卷层云、卷积云1、卷云 Ci 云体具有纤维状结构，通常成白色，有柔丝般的光泽，多呈丝条状、片状、羽毛状、钩状、团状、砧状等。由冰晶组成（1）毛卷云 Ci fil 云块很薄，呈白色，毛丝般的纤维状结构清晰，云丝分散，形状多变，日、月光透过云体地物阴影很明显 毛卷云的出现预示晴天。如果毛卷云增厚，发展成卷层云，则预示将有天气系统来临，天气将有变化,（2）密卷云 Ci dens 云体较厚，薄的部分呈白色，厚的部分略有淡影，边缘毛丝般纤维结构仍较明显。云丝密集，融合成片 密卷云的出现，多预示天气稳定。若演变成卷层云，则预示天气系统将来临，天气将有变化（3）伪卷云 Ci not 在积雨云崩溃消散时，从积雨云顶部脱离的云。云体大而厚密，常呈铁砧状（4）钩卷云 Ci unc 云体很薄，呈白色，云丝往往平行排列，向上的一头有小钩，很像逗号预示将有天气系统过境，将在短期内有阴雨天气。“天上钩钩云，地上雨淋淋”,2、卷层云 Cs 云体均匀成层，透明或呈乳白色，透过云层日月轮廓清晰，地物有影，常有晕的现象出现 预示将有天气系统影响本站。有“日晕三更雨，月晕午时风”的说法（1）薄幕卷层云 Cs nebu 云体很薄而又均匀，毛丝般的纤维结构不明显，有时误认为无云，一般从是否有晕来判断（2）毛卷层云 Cs fil 云体薄而不很均匀，毛丝般纤维结构较明显。有时很像大片薄的密卷云,3、卷积云 Cc 云块个体很小，呈白色细鳞片状，常成行、成群排列整齐，很像微风吹拂水面而成的小波纹 卷积云通常是由高空层结不稳定产生波动而形成的。如果天空以卷云为主，而又有卷云、卷层云，并有发展趋势，一般预示将有天气系统影响测站，常有阴雨或大风天气来临。谚语：“鱼鳞天，不雨也风颠”,云的种类和它的分布高度,相似云的判定,1 层积云、高积云与卷积云视角 层积云 5（一臂距离，三指宽度）高积云 15 卷积云 1,相似云的判定,2卷云与卷层云卷云连成片，或出现晕时，易被误认为卷层云卷云云片即使相连，仍然能分辨出个体，云丝方向很不一致，各部分厚度不均匀；出现晕时，晕圈往往不完整卷层云水平分布范围广，云丝方向比较一致，各部分厚度较均匀，常见完整的晕圈,相似云的判定,3卷云与高积云当能见度较差，天边出现零散呈条状的卷云时，易被误认为零散的高积云。卷云云丝通常与地平线成斜交，像是从地平线上某一点发射出来的。而零散高积云在天边时，往往呈长条状，与地平线平行，而且云的边缘较卷云光滑高积云的云底较高且产生纤维状的下曳（幡）时，易被误认为卷云。如果高积云母体尚存在，则判定为高积云；若高积云的母体消失，则判定为卷云,相似云的判定,4卷积云与卷云卷积云的云块呈絮状或堡状时，易误认为卷云。卷积云的云块一般都比较小，多数云块的视角 1,相似云的判定,5卷层云与层云黎明前后，呈灰白色的卷层云易误认为层云。卷层云能看出一些纤维结构，云层亮度均一，云底界线较清楚。而层云看不出什么结构，只能看出各部分明暗不一，在日出方向的部分比较明亮，低层湿度比较大，云底界线较模糊我国北部地区的冬季，由冰晶构成的层云出现晕时，易误认为卷层云。层云除了遮蔽日月的部分呈白色外，其他各部分均为灰白色或灰色，低层湿度大，能见度差。而卷层云通常呈白色或略带黄色，纤维结构较明显,相似云的判定,6雨层云与高层云雨层云的降水强度较小或云层较薄时，易误认为高层云。雨层云云底模糊，天地线不清，无法分辨日月的位置。而高层云云底界线分明，一般能清楚地看出天地线，有时可隐约地分辨出日月的位置。,相似云的判定,7雨层云与层积云雨层云下面有大量碎雨云时，易误认为层积云。通过碎雨云的缝隙看雨层云的云底，没有块状个体，云层颜色阴暗，看不出日月位置，且常降连续性雨或雪。而层积云云底呈块状结构，云层透光程度差别较大，薄的部分有时可看出日月的位置，常降间歇性雨或雪,2.2.3 形成云的基本过程,云的形成过程是空气中的水汽由各种原因达到过饱和而发生凝结或凝华的过程。水汽要凝结成水滴或凝华成冰晶而形成云，必须具备两个基本条件：一是要有水汽凝结核，二是要有水汽过饱和，二者缺一不可。大气中一般不缺乏凝结核，因此，形成云的最关键问题，还在于应有水汽的过饱和。一般来说，空气中水汽达到过饱和的方式主要有两种：（1）在空气中水汽含量不变的情况下，空气降温冷却。（2）在空气温度不变的情况下，增加水汽含量。,2.2.3 形成云的基本过程,对云的形成来说，降温冷却过程是主要过程，靠增加空气中的水汽含量来形成云，机会极少。那么降温冷却过程有哪几种呢？、绝热上升冷却：空气上升时会产生绝热膨胀冷却，所以，在一定的水汽条件下，只要具有充分的上升运动，就可以发生凝结。产生上升运动的原因，可以是热力的（对流运动）原因，也可以是动力的（动力抬升）原因引起。有三种上升运动，一是局地对流上升，二是大范围斜升，三是波动上升。、混合冷却：由于乱流交换，空气产生混合，结果使一定层次内的空气温度和水汽重新分布，暖空气与冷空气混合后，其温度必然较原来的温度降低，称为混合冷却。、辐射冷却：任何物体一方面不断吸收外界物体的辐射能量，同时又不断地向外辐射能量，当它向外辐射能量超过了它吸收的辐射能量时，本身的温度就下降，这个过程称为辐射冷却。在任何一次因冷却而形成云的过程中，有时不只是一种冷却过程在起作用。,几种云形成的机理,表面加热和自由对流,地形,空气辐合引起的大范围抬升,沿锋面的抬升,对流形成积云,地形云的形成机理,抬升作用形成的云,积雨云,高积云,卷层云,卷云,卷云,卷层云,高层云,雨层云,层云,冷锋,暖锋,波状云的形成机理大气层受地形扰动，达到凝结高度形成的云；,在逆温层附近上升、下沉运动产生的云；,大气波动形成的云,荚状云的形成机理在局部上升和下沉气流汇合处产生的云。在上升气流携带暖湿空气的上升过程中，遇到下沉气流的阻挡，云体不能向上扩展；另外，下沉气流的绝热增温使云体的边缘发生蒸发，导致云体边缘变薄，使云体形成豆荚状。当过山气流经过山体被抬升，而达到凝结高度时形成的荚状云。冷锋下沉气流与冷锋前暖湿气流抬升作用，形成荚状云。,荚状云的形成机理,滚轴云,荚状云,背风波云,气流过山形成的荚状云,堡状云和絮状云的形成机理 堡状云为中空对流云。在低层空气较稳定，而中空不稳定时，中空对流突破逆温层而形成的云。其形状好象排列的城堡 絮状云的形成机理与堡状云相似，只不过云中湍流和对流更强更普遍一些，致使云层发生形变，象棉絮团似的不规则地分布在天空,钩状云的形成机理 通常出现的是钩卷云（Ci unc)，这种云的出现往往是由于冰晶云的下垂部分因高空风速有较大的垂直切变，并伴有蒸发现象而形成的 由于大的水平高空风速的垂直切变意味着大的温度梯度，而大部分温度梯度往往伴随锋面，因此，成行的钩卷云连续地侵入天空，预示着未来有较大的天气变化,2.3云的观测,云状观测要注意它的连续演变，从外形特征、结构、色泽、排列、高度以及伴见的天气现象着眼，通过认真细致的分析，判定云状。云状按“云状分类表”中29类云的简写字母记入观测簿。云量多的云状记在前面；量相同时，记录的先后次序自定。无云时，云状栏空白,1、判定云状 2、估计云量 3、测定云高,云量是指云遮蔽天空视野的成数。估计云量的地点必须能见全部天空，当天空部分地为障碍物如山，房屋等所遮蔽时云量应从未被遮蔽的天空部分中估计；如果一部分天空为降水所遮蔽，这部分天空应作为被产生降水的云所遮蔽来看待,1、判定云状 2、估计云量 3、测定云高,云量观测包括总云量和低云量。总云量是指观测时天空被所有的云遮蔽的成数，低云量指天空被低云所遮蔽的成数，均记整数、总云量的观测 全天无云，总云量记 0；天空完全为云所遮蔽，记10；天空完全为云所遮蔽，但只要从云隙中可见青天，则记10；云占全天十分之一，记 1；云占全天十分之二，记 2；其余依次类推 天空有少许云，其量不到天空的十分之零点五时，总云量也记 0、低云量的观测 观测低云量的方法与总云量同。全天无低云或虽有少许低云但其量不到十分之零点五时，低云量记 0；天空被低云遮住一半时，低云量记 5；整个天空为低云遮蔽，低云量记 10；但如有云隙能见到青天或看到上层云时，低云量记10,1、判定云状 2、估计云量 3、测定云高,云底距测站地面的垂直距离称为云高。云高以米为单位，并在云高数值前加记云状。云状只记十个云属和Fc，Fs，Fn三个云类。实测云高在数值右上角记“”，估测云高不记任何符号,1、判定云状 2、估计云量 3、测定云高,、实测云高（1）气球测定云高：是用已知升速的氢气球或氦气球，观测其进入云底（气球开始进入像雾一样的云层但未最终消失的点）的时间，乘以气球升速求得（2）云幕灯测定云高：云幕灯，是一种夜间实测云高的仪器，由光源、反光装置和支撑保护装置三部分组成。观测时，利用云幕灯灯光垂直照射云底，形成一个明显的光点，在距云幕灯已知水平距离的观测点，用仰角器瞄准光点，测得仰角值，根据直角三角形的原理，求算出云高,（3）激光云高仪测云高(研修),Lidar,（4）激光雷达探测云高,（4）激光雷达探测云高,南信大激光雷达MPL,南信大MPL观测结果,（5）云雷达探测云高,南信大云雷达,南信大云雷达观测结果,（6）红外测云仪探测云高 图,无锡所&大气所红外测云仪,解放军理工大学红外测云仪,解放军理工大学红外测云仪(自动化),、估测云高 用目力估计，经验公式计算或利用已知目标物高度估测等方法估测云高,各云属常见云底高度范围表,天空状况不明时云状、云量的记录（1）因雪暴、雾使天空的云量、云状无法辨明时，总、低云量记10，云状栏记该现象符号。因吹雪、雾、轻雾使天空的云量、云状不能完全辨明时，总、低云量记10，云状栏记该现象符号和可见的云状。虽有吹雪、雾的现象，但天空的云量、云状可完全辨明时，则按正常情况记录（2）因烟幕、霾、浮尘、沙尘暴、扬沙等视程障碍现象使天空云量、云状全部或部分不明时，总、低云量记“-”，云状栏记该现象符号或同时记录可辨明部分的云状；若透过这些天气现象能完全辨明云量、云状时，则按正常情况记录（3）几种特殊情况下云量、云状的记法举例见下表,高山站云的观测和记录(1)当云底高度高于测站时，按正常情况观测记录(2)观测时遇有云顶低于测站的云，应在观测簿纪要栏尽可能记录其云状、云量及利用已知高度的物体确定其云顶距离测站水平线下高度。此时应对这些云的上部表面加以简单描述，如表面是平的还是波状的，有无耸立的积状云自云层上部表面凸起等。在估计云顶低于测站的云量时，成层的云层为山所刺穿的部分，也应当作为云所遮掩来考虑。在记录云顶低于测站的高度时，应在记录前加“”号 观测时遇到云底低于测站，而云顶高于测站的云，应在观测簿纪要栏记录其云状、云量，云底高度记0。云笼罩测站时，按雾记录，若云雾移出测站时，应按云记录,夜间云的观测夜间云的观测，是比较困难的。要比较正确构判定夜间云。首先必须了解当天傍晚云的发展与变化规律。如果傍晚云的性质稳定，并且变化不大，则夜间可能继续保持着。如果白天是对流云，就可根据傍晚观测云是发展还是衰退，来决定夜间可能演变为什么云状。夜晚应在没有灯光或灯光很弱的地方进行观测。根据星光的有无与模糊程度，来确定有无云，以及什么云。高云一般都可见星光。只是模糊程度不同而已。有CS时星光模糊而均匀；有Ci时则星光有的地方模糊，有的地方明亮。夜晚天空的银河与Ci很容易混淆，应注意。银河是白色呈带状（有时也有分枝），横过天空。短时间内，看不出移动。而Ci呈黑色分布很不规则，有时可以察觉其移动。层状云（Ns，As，St）一般都遮蔽全天，看不到星光，但天空明亮程度还可以分辨出。As天空较明亮；Ns天空较暗黑，云的形体结构及碎云隐约可辨；而St则均匀低暗，使天空与地平线的交界线亦难分出。Ac与Sc云块轮廓通常可以辨认。若地面有灯光照射时，低云一般是灰白色，云愈低颜色愈浅。中云是灰白色或黑色。高云为黑色，薄的Ci、Cs几乎与天空颜色很难分开。根据云的降水性质与伴见的天气现象，也有助于夜间正确判定云状。夜间估计云量时，视星光的能见与否及清晰程度来决定。看不见星光的那部分天空作为总云量。有些薄云虽然能透过星光，但可按照星光的清晰程度加以判断。夜间在云状、云量能完会确定的情况下，记录方法与白天相同。通常情况下夜间总云量都必须进行估计，由于某种原因，低云状、量不能判别时，记录以“”表示。例如云布满全天，不能确定什么云时，云量记10一，云状记“”。,一般云的演变,对流云的演变,云的生成，外形特征，量的多少，分布及其演变，不仅反映了当时大气的运动、稳定程度和水汽状况，而且也是预示未来天气变化的重要征兆之一。正确观测分析云的变化，是了解认识大气物理状况，掌握天气变化规律的一个重要因素。此外，云的观测对于保证航空飞行的安全也起着重要的作用,2.气象应用,云也是影响大气运动和地球大气系统能量平衡的重要因素。在全球增温过程中，云对地面气候的作用也是十分重要的研究课题，云在大气遥感定量产品推导中，也是必须考虑的因素。例如卷云可影响大气温度垂直分布的推导精度。而且，对全球范围内降水地区和降水量的估计，也要依靠对云的观测;气团、锋和地面低压系统的发生、发展和移动与云变化都有关系,2.气象应用,在航空气象上，云对飞机的飞行活动和飞行安全有很大的影响，所以云的预报是航空气象预报的重要内容。云高对航空气象学的要求来说是最严格的，气象部门利用云底探照灯、转动光速云幕仪、激光云高仪、云幕气球、目力估测等观测方法测定云底高度。在军事气象上，云是海军必须重视的因素之一。海区有低云时，对目力观察空中目标影响很大，给舰炮对空射击带来很大困难，同时，对舰艇机动占位也造成一定困难。但飞机可以利用云幕低空接敌，对敌舰艇实施攻击；舰艇也可以利用低云躲避敌人的空中侦察。,2.气象应用,复 习 思 考 题,1.熟记云状的分类及各种云状的国际简写。2.熟悉各类云的主要特征。3.高云族、中云族、低云族各有何特征？4.淡积云、浓积云、秃积雨云、鬃积雨云，它们之间的区别界限是什么？5.碎积云、碎层云、碎雨云，它们之间在外形及成因上有何不同？6.卷层云和高层云、高层云和雨层云、雨层云和层云，各有何异同之处？7.卷积云和高积云、高积云和层积云，各有何异同之处？,8.云的观测的主要内容是什么？9.我国现行规范对云状分类的依据是什么？10.简述云形成的基本过程。11.简述云量和云高的观测方法。12.云状观测时云状的记载和云高观测时云状的记载有何不同？,复 习 思 考 题,