为什么天空上会有云?

为什么天空上会有云?
为什么天空上会有云?

为什么天空上会有云?
云是降水的基础,是地球上水分循环的中间环节,并且云的发生发展总伴随着能量的交换.云的形状千变万化,一定的云状常伴随着一定的天气出现,因而云对于天气变化具有一定的指示意义.
（一）云的形成条件和分类
大气中,凝结的重要条件是,要有凝结核的存在,及空气达到过饱和.对于云的形成来说,其过饱和主要是由空气垂直上升所进行的绝热冷却引起的.上升运动的形式和规模不同,形成的云的状态、高度、厚度也不同.大气的上升运动主要有如下四种方式：
1.热力对流
指地表受热不均和大气层结不稳定引起的对流上升运动.由对流运动所形成的云多属积状云.
2.动力抬升
指暖湿气流受锋面、辐合气流的作用所引起的大范围上升运动.这种运动形成的云主要是层状云.
3.大气波动
指大气流经不平的地面或在逆温层以下所产生的波状运动.由大气波动产生的云主要属于波状云.
4.地形抬升
指大气运行中遇地形阻挡,被迫抬升而产生的上升运动.这种运动形成的云既有积状云,有波状云和层状云,通常称之为地形云.
尽管云的形态千差万别,但其形成总有一定的规律.根据云的形成高度并结合其形态,国分类法将云分为4族10属.我国于1972年出版的《中国云图》将云分成3族11属（表3·3,详见《气学与气候学实习》第五章）.
（二）各种云的形成
1.积状云的形成
积状云是垂直发展的云块,主要包括淡积云、浓积云和积雨云.积状云多形成于夏季午后,具孤立分散、云底平坦和顶部凸起的外貌形态.
积状云的形成总是与不稳定大气中的对流上升运动相联系.有对流能否形成积云,除了取决于凝结的条件外,还取决于对流上升所能达到的高度.如果对流上升所能达到的最大高度（对流上限）高于凝结高度,则积状云形成,否则就不会形成积状云.对流愈强,对流上限高于凝结高度的差值就愈大,积状云厚度就愈大.对流上升区的水平范围广大,则积状云的水平范围也就愈大.
淡积云、浓积云和积雨云是积状云发展的不同阶段.气团内部热力对流所产生的积状云最为典型.夏半年,地面受到太阳强烈辐射,地温很高,进一步加热了近地面气层.由于地表的不均一性,有的地方空气加热得厉害些,有的地方空气湿一些,因而贴地气层中就生成了大大小小与周围温度、湿度及密度稍有不同的气块（热泡）.这些气块内部温度较高,受周围空气的浮力作用而随风飘浮,不断生消.较大的气块上升的高度较大,当到达凝结高度以上,就形成了对流单体,再逐步发展,就形成孤立、分散、底部平坦、顶部凸起的淡积云.由于空气运动是连续的,相互补偿的,上升部分的空气因冷却,水汽凝结成云,而云体周围有空气下沉补充,下沉空气绝热增温快,不会形成云.所以积状云是分散的,云块间露出蓝天.对于一定的地区,在同一时间里,空气温、湿度的水平分布近于一致,其凝结高度基本相同,因而积云底部平坦.
如果对流上限稍高于凝结高度,则一般只形成淡积云.由于云顶一般在0℃等温线高度以下,所以云体由水滴组成,云内上升气流的速度不大,一般不超过5m/s,云中湍流也较弱.在淡积云出现的高度上,如果有强风和较强的湍流时,淡积云的云体会变得破碎,这种云叫碎积云.
当对流上限超过凝结高度许多时,云体高大,顶部呈花椰菜状,形成浓积云.其云顶伸展至低于0℃的高度,顶部由过冷却水滴组成,云中上升气流强,可达15—20m/s,云中湍流也强.
如果上升气流更强,浓积云云顶即可更向上伸展,云顶可伸展至-15℃以下的高空.于是云顶冻结为冰晶,出现丝缕结构,形成积雨云.积雨云顶部,在高空风的吹拂下,向水平方向展开成砧状,称为砧状云.在顺高空风的方向上,云砧能伸展很远,因而它的伸展方向,可作为判定积雨云的移动方向.积雨云的厚度很大,在中纬度地区为5 000—8 000m,在低纬度地区可达10000m以上.云中上升下沉气流的速度都很大,上升气流常可达20—30m/s,曾观测到60m/s的上升速度,下沉速度也有10—15m/s.云中湍流十分强烈.
热力对流形成的积状云具有明显的日变化.通常,上午多为淡积云.随着对流的增强,逐渐发展为浓积云.下午对流最旺盛,往往可发展为积雨云.傍晚对流减弱,积雨云逐渐消散,有时可以演变为伪卷云、积云性高积云和积云性层积云.如果到了下午,天空还只是淡积云,这表明空气比较稳定,积云不能再发展长大,天气较好,所以淡积云又叫晴天积云,是连续晴天的预兆.夏天,如果早上很早就出现了浓积云,则表示空气已很不稳定,就可能发展为积雨云.因此,早上有浓积云是有雷雨的预兆.傍晚层积云是积状云消散后演变成的,说明空气层结稳定,一到夜间云就散去,这是连晴的预兆.由此可知,利用热力对流形成的积云的日变化特点,有助于直接判断短期天气的变化.
2.层状云的形成
层状云是均匀幕状的云层,常具有较大的水平范围,其中包括卷层云、卷云、高层云及雨层云.
层状云是由于空气大规模的系统性上升运动而产生的,主要是锋面上的上升运动引起的.这种系统性的上升运动,通常水平范围大,上升速度只有0.1—1m/s,因持续时间长,能使空气上升好几千米.例如当暖空气向冷空气一侧移动时,由于二者密度不同,稳定的暖湿空气沿冷空气斜坡缓慢滑升,绝热冷却,形成层状云.云的底部同冷暖空气交绥的倾斜面（又称锋面）大体吻合,云顶近似水平.在倾斜面的不同部位,云厚的差别很大.最前面的是卷云和卷层云,其厚度最薄,一般为几百米至2000m,云体由冰晶组成.位于中部的是高层云,其厚度一般为1000—3000m,顶部多为冰晶组成,主体部分多为冰晶与过冷却水滴共同组成.最后面是雨层云,其厚度一般为3000—6000m,其顶部为冰晶组成,中部为过冷却水滴与冰晶共同组成,底部由于温度高于0℃,故为水滴组成.
从上述的系统性层状云形成中可以看到,在降水来临之前,有些云可以作为征兆.如卷层云,通常出现在层状云系的前部,其出现还往往伴随着日、月晕,因此如看到天空有晕,便知道有卷层云移来,则未来将有雨层云移来,天气可能转雨.农谚“日晕三更雨,月晕午时风”就是指此征兆.
3.波状云的形成
波状云是波浪起伏的云层,包括卷积云、高积云、层积云.云中的上升速度可达每秒几十厘米,仅次于积状云中的上升速度.
当空气存在波动时,波峰处空气上升,波谷处空气下沉.
空气上升处由于绝热冷却而形成云,空气下沉处则无云形成.如果在波动形成之前该处已有厚度均匀的层状云存在,则在波峰处云加厚,波谷处云减薄以至消失,从而形成厚度不大、保持一定间距的平行云条,呈一列列或一行行的波状云.
一般认为形成波动的原因主要有二：一是由于大气中存在着空气密度和气流速度不同的界面,在此界面上引起波动.二是由于气流越山而形成的波动（称地形波或背风波）.在上层风速大、密度小,下层风速小、密度大的界面上产生波动时,由于各高度上的风向、风速常随时间变化,波动的方向也随之改变,新产生的波动叠加在原来的波动之上,从而形成棋盘格子般的云块.波动气层甚高时形成卷积云,较高时形成高积云,低时形成层积云.
波状云的厚度不大,一般为几十米到几百米,有时可达1000—2000m.在它出现时,常表明气层比较稳定,天气少变化.谚语“瓦块云,晒死人”、“天上鲤鱼斑,明天晒谷不用翻”,就是指透光高积云或透光层积云出现后,天气晴好而少变.但是系统性波状云,像卷积云是在卷云或卷层云上产生波动后演变成的,所以它和大片层状云连在一起,表示将有风雨来临.“鱼鳞天,不雨也风颠”就是指此种预兆.
4.特殊云状的形成
除上述几种云的形成外,还有一些特殊云状,如堡状、絮状、悬球状、荚状等,它们的出现往往能预测天气的变化趋势.因此,了解它们的成因和特征,有助于利用它们判断未来天气.
（1）悬球状云：是指从云底下垂的云团,多出现在积雨云的底部.有时在高积云、高层云和雨层云的底部也可以见到.
当云中有大量的水滴时,如果云底附近有强烈的上升气流,将下降的水滴托住,便会形成好像悬挂在云底的云团,这就是悬球状云.
悬球状云的出现,通常预兆有降水产生,因为一旦上升气流减弱,原先被托住的水滴就会降落下来,形成降水.
（2）堡状云和絮状云：堡状云底部水平,顶部则是并列着突起的小云塔,形状像远方的城堡.这种云的形成,常常是在波状云的基础上发展起来的.当波状云在逆温层下形成以后,如果逆温层不太厚,则逆温层下湍流发展时,较强的上升气流就穿过逆温层,使水汽凝结,形成具有圆弧顶部的云朵,这就是堡状云.常见的堡状云有堡状高积云和堡状层积云.
絮状云的个体破碎,形状像棉絮团,它常是潮湿气层中的强烈湍流混合作用而形成的,主要为絮状高积云.
夏半年如早晨出现堡状高积云或絮状高积云,表示该高度上气层不稳定,到了中午,低层对流一发展,上下不稳定气层结合起来,会产生强烈上升气流,形成积雨云,下雷暴雨或冰雹.傍晚对流减弱,如出现堡状高积云,表明高空将有不稳定系统逼近,次日可能出现系统性雷暴雨.
（3）荚状云：荚状云中间厚、边缘薄,云块呈豆荚状.常见的荚状云主要是荚状高积云和荚状层积云.
荚状云是由局部上升气流和下降气流相汇合而形成的.当上升气流使空气绝热冷却而形成云时,如果遇到下降气流的阻挡,其边缘部分因下降气流而逐渐变薄,这样便形成荚状云.在山区,气流受到地形的影响也能形成荚状云.
上面介绍了积状云、层状云、波状云和一些特殊云状形成的物理过程.但它们并不是孤立的不变的.由于条件的变化,它们可以是发展的或消散的,也可以从这种云转化为那种云.例如积状云中,淡积云可以发展到浓积云,最后形成积雨云.积雨云在消散时,可以演变成伪卷云、积云性高积云和积云性层积云.又例如,波状云发展时,可以演变成层状云（蔽光高积云可以演变成为高层云,蔽光层积云可以演变成为雨层云）.层状云消散时,也会演变成为波状云（雨层云消散时,可演变为高层云、高积云或层积云）.总之,云的产生、发展和演变是复杂的,也是有规律的.
参考资料：《气象学与气候学(第三版）》作者：周淑珍