云物理研究

云在调节地球气候方面极为重要;它们在水循环中起着关键作用，并能有效通过降水去除大气中的污染。为了准确评估未来的气候条件，或提供有用的天气预报，必须在区域和全球模型中准确表示云。这需要很好地理解云中发生的关键过程，包括云和气溶胶颗粒之间的相互作用以及动力学。虽然在发展暖（液态）云和卷云（完全由冰组成）的此类过程的知识方面取得了一些进展，但对混合相（液态和冰）云的了解却知之甚少，但它们很重要，因为它们通常是主要的降水云，它们覆盖了地球表面的很大一部分。进一步的混合相云过程是降水发展的关键。有关云和云进程的更详细的背景信息，请参见此处。

大气科学中心关于云过程的工作涉及详细的地面和空中实地调查，以研究暖、混合相锋面、对流和高卷云的微物理特性（单个云颗粒的特性，即相、形状、大小、数量浓度）。我们广泛使用FAAM BAE 146飞机进行这些研究;以及其他更高飞行的飞机。我们最近还对瑞士少女峰和英国福尔摩斯的山帽云进行了测量。一套云尺度数值模型，包括显式微物理模型，支持现场研究。我们广泛使用由英国气象局开发的具有参数化微物理场的云解析模型。

除了现场和建模研究外，一些详细的微物理过程，包括雷暴带电和非均质冰核，都需要详细的实验室调查。我们拥有世界一流的云室设施，能够模拟从地面到平流层的条件，用于这些研究。我们还广泛利用德国的AIDA环境商会。

为了促进我们的现场和实验室研究，我们拥有广泛的最先进的仪器，用于进行云微物理测量。其中包括用于液滴尺寸分布测量的前向散射光谱仪探头、用于冰晶测量的一系列二维成像探头以及用于详细测量冰晶习性和冰水含量的云粒子成像仪。我们拥有直接测量云液态水含量、云中的光学消光以及云凝结和冰核光谱仪的仪器。对于我们的许多实验，我们的气溶胶测量设备在研究气溶胶云相互作用时补充了这些测量结果。

云物理研究 - 背景

云在大气中很重要，原因有很多：它们是地球气候的重要组成部分，在考虑气候变化时至关重要;它们对我们经历的大部分天气负责;它们在空气中颗粒物和污染的运输和沉积中具有影响力。我们对地球大气系统这些方面的理解在一定程度上取决于我们对云中发生的详细过程的理解。然而，这些过程很复杂，在不同类型的云中是不同的，并且对许多外部因素很敏感。在许多情况下，特别是在混合相云（同时含有液态水滴和冰晶的云）中，这些过程尚不清楚，因此需要对详细的云过程进行研究。

在本页中，将更详细地讨论云在地球大气系统中的作用。本节的其他页面简要介绍了视觉云分类、暖云过程、冰云过程以及动力学对云形成和发展的影响。

云与气候

云对地球的辐射平衡和气候有非常重大的影响，因为它们覆盖了地球表面的很大一部分区域，并与太阳和地球辐射相互作用。云粒子散射太阳辐射，并负责反射掉约26%的入射太阳辐射。这占反射总量的 70% 以上，代表估计在 -42 和 -74 W m-2 之间的冷却效果。中层状和低层状云是造成这种冷却的大部分原因，因为这些云在太阳波长处的光学深度比高层卷云大得多。由于与大陆相比，海洋表面的反照率（反射率）较低，因此海洋区域上的云尤为重要。

云还与地球表面发出的长波辐射相互作用，在某些波长下吸收了很大一部分。云中的吸收和发射机制与气体中的吸收和发射机制不同，因此发射的辐射量取决于云的温度。因此，云顶的温度决定了散失到太空的辐射量。云与红外辐射的相互作用产生了22至55 W m-2的显着变暖效应，其中高空卷云被认为尤为重要。云对气候的净影响是降温，估计为15 W m-2，尽管这个数字仍然存在一些不确定性。在局部地区，云的净效应范围从净变暖到比上面引用的要大得多的冷却。

在考虑气候变化时，云对气候的影响至关重要，但与温室气体相比，对云的影响要少得多。全球温度的变化可能会影响云的位置、范围和类型，这种变化反过来会产生变暖或降温的影响。这被称为气候变化反馈，这种反馈可以抵消或放大由于温室气体排放而引起的任何变化。为了评估此类反馈的规模和方向，有必要对云流程有透彻的了解。

除了任何反馈效应外，云的辐射特性还受到其微物理特性（单个云粒子的特性，即大小、形状和数量浓度）的强烈影响。例如，小颗粒数量较多的云比大颗粒较少的云反射更多的太阳辐射，两者都含有相同数量的水。水云和冰云都是如此。此外，在某些情况下，较小的液滴会抑制降水的形成，从而延长云寿命和云量。人为排放物除了含有温室气体外，还含有气溶胶颗粒，或后来导致气溶胶颗粒形成的物质。众所周知，云滴数量浓度与存在的可溶性气溶胶数量密切相关。气溶胶颗粒的数量越多，云滴的数量就越大，它们的大小就越小，云的反射性就越强（有时寿命越长）。这被称为气溶胶对气候的间接影响。目前，气溶胶颗粒对冰和混合相云的影响往往还不是很清楚。

云与天气

很大一部分降水是由冰和混合相云产生的。通常，云是否被冰川化将决定它的发展程度以及是否产生降水。众所周知，预测对流风暴系统的位置是很困难的，这通常会导致大量降雨和潜在的严重局部洪水。造成这种困难的部分原因是，管理这种系统的启动和发展的过程没有得到很好的理解，在业务预测模型中没有得到很好的体现。

还需要了解云过程，以评估全球变暖可能导致的天气模式变化。人工影响天气的尝试（例如在美国某些地区尝试的云播种）和拟议的地球工程项目以抵消温室气体排放的影响也依赖于对云物理过程的理解。

云与污染

对云的了解对于了解大气中污染的处理和沉积非常重要。湿沉降是从大气中去除颗粒物和可溶性气相物质的主要途径之一。雨滴将从大气中去除云滴或冰晶形成的所有气溶胶颗粒，以及在其生命周期内在大气中捕获并落到地表的任何气溶胶颗粒。可溶性气相物质通常与云中的水相平衡存在，因此也会被去除，特别是如果水化学过程导致这些物质产生非挥发性物质。

云处理和随后的污染沉积的一个主要例子是酸雨——对英国的斯堪的纳维亚森林、湖泊和高地地区以及全球工业化地区周围的类似地区造成破坏。这主要是由于燃煤发电站、车辆和其他工业来源排放的二氧化硫和氮氧化物，然后在大气中加工，通过气相和水相反应途径产生硫酸和硝酸。然后这种酸沉积在降雨中，造成观察到的损坏。

即使云不会导致降水，水化学仍可能发生，导致额外的可溶性物质沉积到现有的气溶胶上，这些气溶胶通常在云蒸发后仍然存在，因此在气相和颗粒相之间重新分配物质。冰云对大气化学也可能很重要，因为它们提供了一个可能发生非均相反应的表面，但这些过程没有得到很好的量化。

除了有助于物质的加工和沉积外，云系统还可能有助于物质从边界层垂直输送到对流层上部和平流层下部，这些物质可以在那里停留很长时间。在深对流风暴系统中发现的强上升气流迅速将空气从边界层输送到对流层顶。然而，目前尚不清楚随着风暴的消散，有多少物质仍然存在。

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