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全球云的平均光学厚度

大气层中以为主,包含其他多种较少量化学物质构成的可见或冰集合体,这些悬浮的颗粒物也被称作气溶胶。研究云的科学称为云物理学,为气象学的一支。实务上,云专指距离地面较远的液滴冰晶集合体,距离地表较近的则称为,不过两者在化学构成上其实是相同的。在太阳系的其它一些行星卫星上也观测到云。由于各星球的温度特性不同,构成云的物质也有多种,比如甲烷硫酸

科学上,云的主要结构为,当大气中的水汽达到饱和蒸汽压时,便会成云。在地球上,水汽能达到饱和通常肇于两种原因:空气的冷却和水汽的增加。当云的密度超过空气浮力时,有些云会落至地面,形成降水;幡状云则不会形成降水,因为所有液态水在到达地表前就先被蒸发了[来源请求]。云是地球上水循环和能量的最好例子。太阳辐射电磁波至地表,提供热能使地表水蒸发形成水蒸气;最后,云再借由降水的方式释放潜热并将水回归至地表。

像这样,当太阳光穿过云间的空隙,形成一缕一缕的光束时,摄影上称为“耶稣光”,饶具美学价值。

云的颜色与外观成因于水滴或冰晶散射阳光的行为。此外,因为云反射散射所有波段的电磁波,所以云的颜色成灰度色,云层比较薄时成白色,但是当它们变得太厚或太浓密而使得阳光不能通过的话,它们可以看起来是灰色或黑色的。

虽然地球上大部分的云都形成于对流层,但有时也会在平流层中间层观测到云。这三个大气层的主要圈层常并称为“均质层”,均质层中大气各物质组成比例大致均匀(水除外),不太因地点、时间、高度改变。均质层常与非均质层作为对比,后者由增温层散逸层组成属于外层空间的过度区。

成因

大气中水汽的含量称为湿度。在定温下,水汽含量超过饱和蒸汽压便会开始凝结。饱和水汽压和空气温度、压力有关,一般来说,饱和水汽压随高度上升而递减。因此,当潮湿空气所处位置温度较低时,便容易饱和,此时水分子就会聚集在空气中的微尘(凝结核)周围,形成云。至于潮湿空气会位于低温地区的原因有很多,主要包括以下几种,依照其形成的原因或外观命名。

锋面云

当冷暖锋交会时,温度较高,水汽含量通常也较高的暖气团因为重量较轻,而在锋面处抬升,成云。台湾每年4至6月的梅雨就是一个很好的例子,气象图上经常可以看到一个长条状的连续云带。

地形云

当潮湿空气因为海风季风信风、谷风等原因被吹送至一个地形爬升的地方时,湿空气会沿正地形上升至低温的高空,形成云。由地形云导致的雨称为地形雨,印度的乞拉朋吉地区便常因为地形云、地形雨导致大量降水。

平流云

气团经过一个较冷的下垫面时,例如一个冷的水体,便可能成云。

对流云

当空气对流时,通常含水量较高的暖空气会因为较轻而上升,到低温的高空时便有可能成云。

气旋云

海面水汽随气旋气流上升而产生的云,例如台风系统丰富的云胞。

火积云

火积云是一种相当浓厚的积云,常伴随火山或山火等高温环境中形成。火积云是因为来自地表的空气被加热到极高温而形成。高热会产生对流使气体上升到稳定的区域,成云。世界气象组织并无将火积云列为独立的类别,而是列入积云中。

蕈状云

蕈状云,是一种由烟尘组成的蘑菇火积云,通常由大爆炸引起的水蒸气压缩造成。当水汽解压缩时,温度会降低,形成云朵。蕈状云常见于核爆炸火山喷发撞击事件世界气象组织并无将蕈状云列为独立的类别,而是列入积云中。

云的分类

云类和高度比

简单来说,云主要有三种形态:一大团的积云、一大片的层云和纤维状的卷云

云的科学分类最早是由法国博物学家让-巴普蒂斯特·拉马克于1801年提出的。1803年,业余气象学家卢克·霍华德提出以拉丁语命名云的想法。1929年,国际气象组织以霍华德的分类法为基础,按云的形状、组成、形成原因等把云分为十大云属。而这十大云属则可按其云底高度把它们划入三个云族:高云族、中云族、低云族。另一种分法则将积云、积雨云从低云族中分出,称为直展云族。这里使用的云底高度仅适用于中纬度地区。在中文命名上,高云族云属的开头是“卷”、中云族是“高”、低云族是“层”。

高云族

  • 卷云(Ci, Cirrus):常呈现丝条状、羽毛状、马尾状、钩状、片状或砧状等。
  • 卷积云(Cc, Cirrocumulus):似鳞片或球状细小云块。
  • 卷层云(Cs, Cirrostratus):呈现薄幕状。

毛卷云 卷积云 卷层云

高云形成于6000m至18000m高空,对流层较冷的部分。分三属,都是卷云类的。在这高度的水都会凝固结晶,所以这族的云都是由冰晶体所组成的。高云云一般呈现纤维状,薄薄的并多数会透明。

中云族

中云于2500m至6000m的高空形成。它们是由过度冷冻的小水点组成。

  • 高积云(Ac, Altocumulus):呈扁圆形、瓦片状等,且以波浪形排列。
  • 高层云(As, Altostratus):像一种带有条纹的幕,颜色多为灰白色或灰色。

低云族

低云是在2500m以下的大气中形成。当中包括浓密灰暗的层云、层积云(不连续的层云)。

  • 层云(St, Stratus):层云完全没有结构,它由细小的水珠组成。层云接地就被称为
  • 层积云(Sc, Stratocumulus):层积云由积云平展而成,常呈波状,较薄处为白色或浅灰色。
  • 雨层云(Ns, Nimbostratus):雨层云呈暗灰色,云层较厚且均匀,覆盖全天,常伴随持续性降雨。

直展云族

  • 积云(Cu, Cumulus):积云如同棉花团,云体垂直向上发展,常见于上午,午间发展最旺盛,并于午后开始逐渐消散。
天空中发展中的浓积云
  • 积雨云(Cb, Cumulonimbus):由积云发展而来,伴随雷暴与阵雨,云体高耸,顶部常呈花菜状或砧状,云底阴暗。

直展云有非常强的上升气流,所以它们可以一直从底部长到更高处。带有大量降雨和雷暴的积雨云就可以从接近地面的高度开始,然后一直发展到13000m的高空。在积雨云的底部,当下降中较冷的空气与上升中较暖的空气相遇就会形成像一个个小袋的乳状云。薄薄的幞状云则会在积雨云膨胀时于其顶部形成。

其他

凝结尾迹(飞机云)是指当喷射飞机在高空划过时所形成的细长而稀薄的云。

夜光云很罕见,它形成于大气层的中间层,只能在高纬度地区看到。

晨辉是非常罕见的云,通常出现在早晨,所以英文是与牵牛花相同的Morning Glory。

三条晨辉

火焰云火烧云流火云,通常发生在日出日落的时分,天空的云层会呈现一片由黄色红色的云彩,气象学上称为“”。因为日出和日落的时候,太阳的位置靠近地平线,此时太阳与地面之间的夹角很小,太阳的光线必须通过较厚的大气层,才能够达到地面。太阳光线的光谱中含有七种颜色的光线,其中以红光和橙光穿透大气层的能力相对较强,因此较其他颜色的光线容易抵达地面。因此在日出与日落的时候,从地面用肉眼观看天空的云层,较容易看见一片橘红色的天空。火烧云的出现代表云层中的水分充足,才会反射出不同的光谱,所以民间盛传火烧云出现后会有大雨,而且过去台风来临前,也常见有火烧云的气象,但(现中国台湾省)中央气象局指出两者并没有必然关系。


云与天气

民间早就认识到可以通过观云来预测天气变化。1802年,英国博物学家卢克·霍华德提出了著名的云的分类法,使观云测天气更加准确。霍华德将云分为三类:积云层云卷云。这三类云加上表示高度的词和表示降雨的词,产生了十种云的基本类型。根据这些云相,人们掌握了一些比较可靠的预测未来12个小时天气变化的经验。比如:绒毛状的积云如果分布非常分散,可表示为好天气,但是如果云块扩大或有新的发展,则意味着会突降暴雨。

对气候的影响

2009年10月的全球平均云量。NASA的卫星图像;更高清晰度图片可由此获得页面存档备份,存于互联网档案馆)。

云在天气气候中的角色是预测全球变暖时的主要不确定性之一。和云有关的过程的脆弱的平衡,以及从毫米到行星的大范围的尺度跨度会造成这种不确定性。因此,全球气候模式很难准确描述大尺度天气英语synoptic meteorology和云之间的相互作用。前面章节列出的云的复杂性和多样性增加了模拟的难度。一方面,白云顶部对来自太阳的短波辐射会有反射,从而使得地表冷却。另一方面,大多数到达地面的阳光被地面吸收,加热了地表,地表又会向上发射长波的红外的辐射。但是云中的水对长波辐射是有效的吸收剂。云又接着会向上和向下发射红外辐射,向下的辐射会导致地表的净加热效果。这个过程和温室气体和水汽的温室效应类似。

高层的对流层云(例如卷云)的二重效应(短波反射造成的冷却和长波温室升温效应)会随着云量的增加而相互抵消或是产生微小的净加热效果。这种短波反射效应在中层云和低层云(例如高积云和层积云)中占了主要部分,从而造成几乎没有长波效应和净的冷却效果。很多研究已经开始关注低层云对变化的气候的相应。不同的最先进的全球气候模式对云的模拟可能会产生相当不同的结果,有些显示增加的低层云,有些则得到低层云的减少。

极地平流层云和中层云不太常见,它们的分布不够对气候产生重要的影响。但是,夜光云出现频率自19世纪以来逐渐增加可能是气候变化的结果。

全球亮化

最近的研究显示了全球黯化的趋势。虽然造成这一趋势的原因还没有能被完全理解,但全球黯化(和后来的逆转)被认为是由大气中气溶胶(特别是生物质燃烧和城市污染带来的含硫气溶胶)含量的变化所引起的。气溶胶含量的变化还可能通过改变云滴的尺寸分布或是云的降水特性和寿命而产生对云的间接效应。

地外行星

在太阳系中,任何有大气层的行星或卫星都会有云。金星的厚厚云层是由二氧化硫构成的。火星有很高很薄的水冰云。木星土星都有一个外层的由氨气云构成的云盖,中间层是硫化铵云盖,里层是水云盖。土星的卫星土卫六上的云被认为主要是由甲烷构成。卡西尼-惠更斯号的土星任务发现了土卫六上存在着液体循环的证据,比如极地附近的湖泊和星球表面的河流冲刷成的沟槽。天王星海王星的多云的大气中主要是水汽和甲烷构成。

对文化的影响

咏云诗是中国古代唐朝的重要题材类别之一。在古典文学中,云主要具备三种意象:“无心出岫”之出世义、“从龙为霖”之济世义和“巫山神女”之荒淫义。三种典故来进行。初唐时期,咏云诗多半只就“云”之外观与周遭自然环境的描写。盛唐时期,由于科举多以瑞云为题以及安史之乱的爆发,使唐朝政治日渐败坏,诗人有经世济民之心,故“从龙为霖”典故的使用,亦在此一背景下从盛唐以至中、晚唐逐渐趋于频繁。

参看

延伸阅读

维基文库中的相关文本:钦定古今图书集成·历象汇编·乾象典·云霞部》,出自蒋廷锡古今图书集成

外部链接


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