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第5章 大气的水分(2)

高层云:呈淡灰色的云幕,看起来比卷层云厚而且浓密、出现时常布满全天。高层云可降连续或间歇性雨雪。高层云常由卷层云变厚或雨层云变薄而成。其中,云层较薄,厚度较均匀,透过它可以辨别日月位置,但其轮廓模糊不清,好像隔着一层毛玻璃,这种云称为透光高层云;云层比较厚,云底阴暗,能完全遮蔽日月,或云层的厚度不均匀,出现明暗相间的条纹,称为蔽光高层云。蔽光高层云有时可降小雨或雪。

(3)低云族

低云族包括层积云、层云、碎层云、雨层云、碎雨云、积云和积雨云七类,其高度一般在2,000米以下。层积云、层云、碎层云、碎雨云和积云主要是由水滴组成。雨层云和积雨云经常由水滴和冰晶共同组成。低云都可以有降水,但只有雨层云和积雨云才有大量降水。

层积云:灰色或灰白色的云片、云块或云条。同高积云相比,这些云块的个体都比较大,结构比较松散,厚的部分比较阴暗。厚的层积云可降间歇性的小雨或小雪。层积云中,云块之间有明显的缝隙,透过缝隙可见蓝天或上面云层的,称为透光层积云;云块彼此密接,布满全天,犹如波涛汹涌的海面的,称为蔽光层积云;由积云或积雨云衰退后衍变而成的扁平云块,称为积云性层积云;在平坦的云体上有云塔突起的,称为堡状层积云。

层云:层云是灰白色、较均匀的云层,很低(几十至几百米),且厚度不大,像雾但不着地,常能将小山或建筑物的顶部掩没;当云厚时日、月光不能透过,当云很薄时,隔云看日、月轮廓清晰可辨,像白色玉盘。层云可降毛毛雨或米雪。

碎层云:由层云分裂或浓雾抬升而形成。云块支离破碎,形状极不规则,随风移动明显。

雨层云:呈低而均匀的云幕,水平范围很大,常常遮蔽全天。由于其厚度很大,能完全遮蔽日月,故云底阴暗。雨层云有连续性降水或有雨幡(从云中落下的雨滴或雪花,在到达地面以前就被蒸发掉了)下垂。

碎雨云:低而破碎,随风飘移,形状多变,云体呈灰色或灰白色,常出现在降水云层的下面。

积云:积云是孤立垂直向上发展的云块,顶部成圆弧形或呈重叠圆拱突起,底部几乎是水平的,云体边界分明。当积云移至天顶时常是暗黑一大块,看不见圆弧形的顶与水平底。根据其发展的程度,可将积云分为三种:淡积云,云体扁平,个体不大,底部平坦,顶部呈圆弧形隆起,往往孤立分散在天空;浓积云,比淡积云高大,顶部圆弧形重叠,像菜花,底部阴暗;碎积云的云体破碎,中部稍有凸起,形状多变。

积雨云:又称雷雨云,云体浓厚庞大,垂直发展极盛,像耸立的高山。

积雨云布满全天时,云底很像雨层云,也可能有雨幡下垂和碎雨云出现。但积雨云的云底较为混乱,颜色阴暗。伴随着积雨云经常出现雷电和阵性降水、冰雹等现象。

4.降水

降水是指从云中降到地面上的液态或固态水。常见的降水形式有雨、雪、霰、冰雹等。

降水虽然主要来自云中,但有云不一定都有降水。这是因为云滴的体积很小(通常把半径小于100微米的水滴称为云滴,半径大于100微米的水滴称为雨滴)。只有当云滴增长到能克服空气阻力和上升气流的抬升,并且在下降过程中不被蒸发掉时,才能降到地面。因此降水的形成,就是云滴增大为雨滴、雪花或其他降水物,并降至地面的过程。一块云能否降水,就意味着在一定时间内能否使一百万个左右的云滴转变成一个雨滴。

云滴增长的物理过程:降水发生的原因是由于漂浮的小云滴增大以后,不能再被空气或上升气流托住才下降到地面的。云滴的增大有两种过程:

水汽分子继续汇集在云滴的表面上,即由凝结方式增大起来;但是这种过程需要空气中的水汽压大于云滴面上的水汽压,如果云中有冰晶存在时,因为冰面的饱和水汽压比同温度下水面的饱和水汽压要小,因此,水汽便由液面向冰晶体上转移,而使其体积增大。大云滴的曲率小,饱和水汽压小,因此它比小云滴容易增大。

云滴相互碰撞合并增大其体积:云内的云滴大小不一,它们具有不同的运动速度,大云滴下降速度比小云滴快,因而大云滴在下降过程中很快追上了小云滴,大小云滴相互碰撞而粘附起来,成为较大的云滴,在有上升气流时,当大小云滴被上升气流向上带时,小云滴也会追上大云滴与之合并,成为更大的云滴。云滴增大以后,它的横截面积变大,在下降过程中又可合并更多的小云滴,犹如滚雪球一样,愈滚愈大。

云滴碰并增长的速度与云中的含水量、云滴的大小有关。云中含水量愈高,云滴大小愈不均匀,云滴的碰并增长愈快。

上述两种过程自始至终存在于云滴转化为降水的过程。观测表明,在云滴增长的初期,凝结增长为主,合并为次。当云滴增大到一定阶段后,凝结过程退居次要地位,而以合并为主。

(1)降水的不同形式

降水按其外形可分为如下几种:

雨:为滴状的液体降水。水成云(由液态水滴组成的云体)内如果具备了云滴增大为雨滴的条件,并使雨滴具有一定的下降速度,这时降落下来的就是雨或毛毛雨。由冰成云(冰晶组成的云体)和混合云(水滴和冰晶共同组成的云)降下的冰晶或雪花,下落到0℃以上的气层内,融化后也成为雨滴下到地面。

雨按强度的大小,分为小雨、中雨、大雨、暴雨、特大暴雨。

长期的连绵阴雨或大雨和暴雨,使得短时期内出现大量降水,形成巨大的地表径流,淹没低洼地区,或江河泛滥,淹没大片土地,致使作物被淹死,农产欠收,给国家带来巨大损失。这就是所谓的水涝天气。在我国常出现“南涝北旱”或“北涝南旱”的情况。如华中地区梅雨期持久,降水多,则长江流域水涝,而华北、东北地区却干旱无水。

抗旱防涝的最好措施是大力兴修水利。如建造大、中、小型水库,营造水土保持林、农田防护林等。我国许多地区在这方面都取得了显著成绩。

雪:是由冰晶构成的各种各样的固体降水,雪花的形状很多,有星状、柱状、片状等。但基本形状是六角形的。

雪花为什么多呈六角形,花样又如此繁多呢?这是因为冰的分子以六角形为最多,因而形成雪花多是六角形的。雪花形状的多种多样,则与它形成时的水汽条件有密切关系。由于六角形冰晶的面上、边上和角上的饱和水汽压不同,其中角上最大,边上次之,面上最小。当突有水汽压仅大于平面的饱和水汽压,水汽只在面上凝华,形成柱状雪花;当突有水汽压大于边上的饱和水汽压,边上、面上都有水汽凝华,就形成片状雪花;当突有水汽压大于角上的饱和水汽压,边上、面上、角上都有水汽凝华,就形成了枝状或星状雪花。

雪按照降水强度的大小可分为小雪、中雪和大雪。雨夹雪是融化的雪或雪与雨同时下降的降水。

雹:是表面为各种形状的冰块,直径介于5—50mm,个别也有更大的,雹的中心是一个不透明的冰核,周围包着若干层透明的和不透明的冰壳。

冰雹天气是一种严重农业灾害性天气。它出现的范围虽小,时间又短促,但来势猛、强度大,并常伴随狂风暴雨,雹粒降落在作物茎、叶和果实上,引起很大的机械损伤。严重的冰雹能使处在开花期和成熟期的作物受到毁灭性的伤害,轻者减产,重者颗粒无收。

冰雹多发生在春末夏初季节交替时。目前人工防雹有两种方法,即催化法和爆炸法。催化法其原理和人工降雨一样,往冰雹云内加入大量碘化银微粒或食盐粉末,破坏冰雹的形成过程,使云内水分分散凝结成小冰雹或水滴,避免造成严重危害。我国许多地方在人工防雹上取得了一定经验和成果。

此外,降水还有霰等形式。

人工降雨:随着农业生产的发展,如何有效地人工影响局部天气,防御不利的农业天气的出现,已是一个亟待解决的问题。1958年,我国在吉林省用干冰催化降水进行大规模人工降水试验获得成功,以后,在全国广泛开展了人工降水试验。近年来,由于科学技术迅猛发展,引用了新技术,在云、雾、降水宏观微观结构的探测以及催化方法和技术、效果检验等方面都得到了很大发展。

人工降雨的原理主要有两方面。一方面,云是由很微小的水滴组成的,云滴的体积增长100万倍才能成为一个普通大小的雨滴。为了使云滴迅速长大,就要在云内首先形成一部分冰晶或大云滴,但是自然界中并不常常具备这种情况,所以,在不少情况下,有云而无降水。为此,就需要人为地向云中播撒催化剂,使云中能生成一些冰晶或大云滴,促使云滴迅速长大成雨滴而降落。使用的催化剂有多种,对于温度低于0℃的云层多用干冰或碘化银来“引晶”,叫冷云催化。对于高于0℃的云层,多用盐粉或氯化钙来引进大云滴,叫暖云催化。另一方面,云中降水量一般与云的体积成正比,所以通过大量引晶使云上部的过冷却水滴冰晶化,同时释放潜能,导致云中上升气流发展,增大云的体积和生命期,从而增加云的降水量。目前,虽然进行了大量地面人工降水试验,然而,飞机播撒催化剂仍是人工降雨试验的主要方式。

人工降雨对缓和局部地区的旱情起到了一定作用,为农业生产作出了贡献。但抗旱的最好措施还是兴修水利,营造水土保持林、农田防护林。

(2)降水的表示方法

降水的表示方法有降水量、降水强度、降水变率等。

降水量:是指从空中降下来的液态水或融化后的固态水,在水平面上未经蒸发、渗透、流失所聚积的水层深度,通常以毫米为单位。雾、霜等凝结物称为水平降水,从云中降到地面的降水量和水平降水量之和,称为雨量。

降水强度:指单位时间内的降水量,单位为毫米/小时,或毫米/日。

降水变率:表示降水量的变动程度,有绝对变率和相对变率二种。

绝对变率:是某地实际降水量与同期多年平均降水量之差。绝对变率为正值时,表示比正常年份降水量多,负值表示比正常年份降水量少。因此,降水绝对变率表示某地降水量的变动情况。

相对变率:是绝对变率与多年平均降水量的百分比。为了便于不同地区进行比较,常采用相对变率:

相对变率=绝对变率/平均降水量×100%

相对变率愈大,表示平均降水量的可靠程度愈小,发生旱涝灾害的可能性就愈大。

(3)降水分布

降水的分布与大气的运动、气团和锋带的活动以及海陆分布等有密切的关系。其中,空气温度对高纬度地区和冬季大陆内部的降水分布很重要。因为空气温度限制了大气最大水汽含量。南半球没有像北半球那样的广阔内陆。南半球浩瀚的海洋增加了中纬度地区的平均降水量,45°S与50°N相比,前者增加了约1/3。

总之,由于上述因素的影响,降水的分布比气温分布要复杂得多。降水分布有三个主要特点:第一,有一个赤道降水最大值,其位置和热赤道一样略偏在北半球;第二,高纬地区的降水总量很小;第三,在副热带纬度是一个次低值,尽管副热带高压区是著名的干旱区,但在这个纬度中的大陆东岸的夏季,降雨量还是相当多的。

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