云动力学

云动力学（ cloud dynamics ），研究云的热力、动力结构及其演变规律的学科。它是云和降水物理学的组成部分，同云和降水微物理学的关系十分密切。云的宏观动力过程为微物理过程提供了背景，决定了后者的进行速率、持续时间和空间范围；反过来，微物理过程中水分相变潜热的释放和降水粒子的拖曳作用，对云的宏观动力过程有重要的影响。

云动力学是一门年轻的学科，由于取得积云尺度（1～10公里）和层状云尺度（102～103公里）空气运动的资料很困难，实验室内又不好模拟，因此对云的动力过程的了解仍很肤浅。从20世纪60年代以来，各种新的雷达技术（特别是多普勒雷达技术）、现代化数据处理方法以及数值模式等成果的采用，推动了这门学科迅速发展。层状云和积状云的水平尺度和动力过程都有显著的差别，云动力学分为层状云动力学和积云动力学两个分支。

层状云动力学

主要研究层状云中各种尺度的动力、热力结构及其演变规律。层状云是在气流辐合而缓慢抬升、湍流混合和辐射冷却等过程中形成的，其中以气流辐合抬升最为重要。大范围的降水层状云系，一般都同气旋、锋和切变线等天气系统相联系，其水平尺度同天气尺度天气系统相当，约为1000公里，维持时间为1～3天。层状云系的上升气流运动速度约为几厘米每秒，它同地面雨强约为1毫米/小时的降水区相对应。

20世纪60年代以来，通过雷达、飞机和加密的气象观测网，对冬季温带气旋的层状云系进行了详细的探测。用多普勒雷达测得的暖锋铅直环流(图1 )，大体上同 天气分析的结果一致。此外，还观测到一些中尺度的上升气流区，其水平尺度约为50公里，升速为几十厘米每秒(图中100公里附近)，此上升气流区同地面雨强约10毫米/小时的雨带相对应。这些中尺度雨带一般同锋面平行，按其位置不同，可分为暖锋雨带、暖区雨带和冷锋雨带。在冷锋的地面锋线附近，发现有小尺度的低层辐合上升区，其水平宽度不到10公里，升速为100厘米/秒，它随锋线移动，造成地面的冷锋狭雨带。在层状云系的中尺度上升气流区内，高空往往有一些小尺度的降水生成中心，其水平尺度为几公里，上升气流约为100厘米/秒。它们生成大量降水粒子胚胎，落到下层，逐渐长大而形成较强的降水中心。

夏季，由于对流的发展，在层状云系中往往观测到积状云，形成层状-积状复合云系，其热力、动力结构更为复杂。这类复合云系有时能产生暴雨，一天的降雨量可达几百毫米。层状云中各种尺度的热力结构和动力结构，对降水的形成过程起着十分重要的作用，必须加强对它们的细致观测。至于云内外不同尺度的空气运动和各种作用力的关系，还有待于探索和研究。

积云动力学

主要研究积云（包括淡积云、浓积云、积雨云等整个积状云）的热力、动力结构，各种作用力和积云内外的空气运动的关系。

动力结构

积云的水平尺度和铅直尺度具有同一数量级，约为1～10公里。积云发展的完整过程经历了三个阶段（图2）：a发展阶段。云顶向上发展，云中盛行上升气流，其速度为1～20米/秒；b成熟阶段。云顶高度变化很小，云中除上升气流外，局部出现有系统的下沉气流，降水产生并发展；c消散阶段。云体逐渐消散或转化为层状云，云内盛行下沉气流，降水维持，转而停止。

积云的生命一般为几十分钟到2小时。特别强盛的积雨云可持续几小时，其水平范围可达40公里，常产生强烈的降水、冰雹、雷暴和大风天气。这种积雨云（或云群）称为强对流风暴。强对流风暴的内外空气流场，往往在一段时间内保持相对稳定，由一支上升气流和一支下沉气流组成：上升气流由风暴移动方向的右前侧从近地面层向上倾斜入云，在高层沿云移动的方向流出，形成云砧；下沉气流从云后中层流入，从近地面层流出(图3）。

影响因子

影响积云发展的主要因素包括：①大气温度直减率。积云发展的主要动力是云中空气比周围大气密度小所引起的阿基米德浮力（见大气中的作用力）。这种密度差依赖于大气温度随高度的递减率。积云在上升过程中，温度一般按湿绝热过程变化。当大气温度直减率大于湿绝热直减率时，浮力在积云上升中增加，对流就可以发展（见大气静力稳定度）。②近地面层大气的不均匀加热和水平辐合。它们能触发积云的对流。③积云同环境的交换。积云内外的空气，存在着热量、动量和水分的混合交换（又称夹卷），它减小了积云的浮力和含水量，阻碍积云的发展。④云的微物理过程。云和降水粒子的蒸发、凝结、冻结和融化等，伴随着相变潜热的释放和吸收，影响了积云的温度和气流。降水粒子的拖曳作用，则促进云内下沉气流的发展。⑤环境风的铅直切变、低层空气和水汽的辐合、积云周围空气的补偿下沉运动等。它们对积云发展有明显的影响。

理论研究

从40年代以来，人们提出了几种积云理论模式：①气块模式。假设积云是一团内部均匀的浮升气块，用参数化（见数值天气预报）的办法处理云内外的混合交换，用质点力学的办法计算积云在上升过程中的各种要素的演变。当知道环境大气各种参数时，可以预报积云发展过程的特征。②气柱模式。即一维的时间变化模式，它把积云看作圆柱状的气流，在任一高度的截面上，其内部都是均匀的。用参数化的或者从空气的连续方程计算所得的夹卷率，处理云内外的湍流和混合交换，它可以计算积云在生消过程中各高度上各种要素随时间的演变。③运动场模式。把积云的发展和环境空气当作统一的流体力学过程加以研究。它可以计算二维空间或三维空间积云演变的全过程。

这些理论模式，一般包括积云动力方程、热力学方程、连续方程以及反映云和降水微物理过程的方程组。它们是十分复杂的非线性方程组，一般用电子计算机求解。理论模式的计算，已能在不同程度上模拟积云的结构、演变以及降雨、降雹等过程，并开始应用于人工降水、人工防雹等试验的设计和效果的检验方面。从20世纪70年代以来，对几个积云的合并、中尺度环境同积云的相互作用等问题的理论研究，已取得了进展。