风暴将至：云升雨降
- Published on
全景的拼凑总是需要远多于预期的细节，追上热带气旋之前，对云雨风雷电的认识似乎都必不可少，这些自然现象的成因彼此交织在一起，爬梳某一种时总会又牵动出缠绕其上的其他线索，为了避免重点模糊，还是人为地将他们分隔开依次梳理，先从云和雨开始。
未注明出处的图片都是自己的。
云属有十
根据形态，云大致可以分为三类，分别是：
层云（Stratus Cloud）
一般为灰色云层，具有相当均匀的底部，通常由小水滴组成，低温情况下也可能由小冰粒组成，可能会产生毛毛雨、雪或米雪。
图注：源自 wiki，具体见这里
卷云（Cirrus Cloud）
呈白色细腻丝状/纤维状（毛发状），或是白色窄带形式的碎云，具有丝质光泽。几乎全由冰晶组成，属于高云，是对流层中最高的云。
图注：源自 wiki，具体见这里
积云（Cumulus Cloud）
碎云，通常是密集的，具有清楚的轮廓，以上升的土墩、圆顶或塔的形式垂直发展，底部几乎水平，突出的上部类似花椰菜。
这三种再自由组合，另外考虑到云在空中所处的高度，当前多将云分为十个云属（见下图），更细地还有云种、云类的划分，具体参看 WMO 的国际云图集。
图注：云的十个云属，原图来自 wiki，具体见这里
十云属中的其他七种如下：
层积云（Stratocumulus Cloud）
灰色或白色或两色兼有，还总有黑色部分，呈块状、薄片状或层状。
图注：源自 wiki，具体见这里
高积云（Altocumulus Cloud）
虽称为高积云，实际高度处于中云高度。白色或灰色或两色兼有，呈块状、片状或球状，通常带有阴影。
图注：源自 wiki，具体见这里
高层云（Altostratus Cloud）
和高积云一样，实际也是处于中云高度。灰色或蓝色云片或云层，全部或部分覆盖天空，并且有非常薄的部分，可以模糊地看到太阳。
图注：源自 wiki，具体见这里
卷积云（Cirrocumulus Cloud）
高云高度，较薄，白色的云块、云薄片或云层，没有阴影
图注：源自 wiki，具体见这里
卷层云（Cirrostratus Cloud）
高云高度，透明、白色、纤维状或光滑外观的云巾，全部或部分覆盖天空，经常产生光晕现象
图注：源自 wiki，具体见这里
雨层云（Nimbostratus Cloud）
灰色或黑色的云层，或多或少地连续下雨或下雪，大多数情况下可达地面，云层始终非常厚，会遮挡太阳。
图注：源自 wiki，具体见这里
积雨云（Cumulonimbus Cloud）
较重的密集云，具有相当大的垂直范围，呈山或塔状。上部至少有一部分通常是光滑的，或呈纤维状或是条纹状，并且几乎总是扁平的，以鉆状或羽毛状展开。
图注：源自 wiki，具体见这里
云和雨的形成
当海洋、湖泊、江河中的水分子从某热源（如太阳）处获得额外的能量后，会变成水蒸气，带着自己吸收到的能量进入空气中，留下的液态水则因为能量的散失而冷却，整个过程即蒸发，这就是云的故事的开端。
空气对水蒸气的容纳并非无限量的，在一定区域范围内，当它对水蒸气的容纳达到极值后即称饱和。这个极值是动态变化的，取决于空气的温度和气压（即空气的重量），温度越高、气压越大，空气能够容纳的水蒸气就越多。当空气中的水蒸气达到饱和后空气就绷不住了，多出来的水蒸气就要液化为水滴或凝华为冰晶，于是云开始形成。在此过程中，空气中的其他微小颗粒如灰尘、细菌甚至火山灰也会参与，为水蒸气的液化或凝华提供接触面。最终，大量的水滴或冰晶聚合在一起即成云。
那为什么云会漂浮在天上呢，其实聚合成云的水滴或冰晶同样受重力作用，而它们悬浮在空中并不坠落是因为有风，风托举并移动它们。当这些云滴足够多足够重的时候，就会下落形成降水。
所以，云是雨的前提，而云的形成关键是空气中水蒸气的饱和与液化（或凝华），这也是理解雨的成因的关键。前面已提及，空气中水蒸气饱和的阈值同时受气压与温度影响，若气压保持不变，当温度降低时，饱和的阈值也随之降低，这是云雨的主要成因，即遇冷降温，虽然温度不变空气吸纳足够多的水蒸气后也能达到饱和，但前者占多数。
如下图所示，根据降温方式的不同，雨主要有三种成因或者说三种类型，分别是对流雨（Convective Rain）、山地雨（Orographic Rain）以及锋面雨（Fontal Rain）。
对流雨（Convective Rain）
在阳光的照射下，大量温热水蒸气从海洋、陆地逃逸进入到空气中，它们在上升过程中遇冷凝结成水滴/冰晶进而成云落雨。对流雨通常都比较迅猛，覆盖的区域也相对有限，夏天常见的雷阵雨就是这种类型，热带地区的雨水也多属于对流雨。
锋面雨（Frontal Rain）
如果一大团空气的温度、湿度在水平方向上是相对均匀分布的，就被称作气团（Air Mass），当冷气团与暖气团相遇时，就会形成锋（Front）。所谓冷锋就是冷气团抢占暖气团的位置，逼迫、托举更轻、更膨松的暖气团沿（假想的）锋面爬升；暖锋则是暖气团主动靠近冷气团，进而沿暖锋锋面向上攀升。无论暖锋还是冷锋，都是暖气团在上升过程中遇冷液化成云成雨。因为冷气团的移动速度更快，所以冷锋（冷追暖）相比暖锋（暖追冷）移动的速度也会更快，通常冷锋产生的降雨会更迅猛，而暖锋形成的降雨会更持久。
地形雨（Orographic Rain）
当湿热气流遇到山地的阻挡后就会沿山坡方向向上爬升，进而冷却凝结产生云雨。参考上图，云雨基本都在靠近山顶的迎风侧形成，这一侧的植被也会更丰茂；爬过山顶沿背风侧下降的气流因水蒸气的丧失而更为干燥，温度也更高，这部分区域因此被称作雨影（Rain Shadow）。
积雨云和风暴
前面列出的十属云，最后面两种雨层云（Nimbostratus Cloud）和积雨云（Cumulonimbus Cloud）最常产生降水，前者广泛持久，后者局限迅猛。对流雨，以及冷锋前的降水多是因为积雨云的形成，而暖锋前则形成雨层云，这和前面所说的冷锋移动快暖锋移动慢也相一致。下面重点关注的是垂直向上发展、甚至可达对流层顶的积雨云，它和风暴（或称雷暴，thunderstorm）的关系密切，电闪雷鸣也是在积雨云中发生的。此外，从相貌上看，它应该也是最震撼人心的。
积雨云是从积云（Cumulus Cloud）、浓积云（Cumulus Congestus Cloud）发展来的，主要就是云的体积、特别是在垂直高度上不断增长。这需要满足特定的前提：充足的水蒸气；大气不稳定，底层气体温湿上层气体干冷，垂直高度上气温递减速率够快；形成上升气流（参考雨的三种成因）。
图注：风暴的生命周期，原图来自这里
上图呈现的是风暴的典型生命周期，第一个阶段就是浓积云在上升气流作用下不断发展壮大，直到变成积雨云，也就是到了成熟阶段，风暴在此成形。接下来可以参看风暴超级单体这张图，深入风暴内部。此时除上升气流外还有下降气流形成降水，因为上方空气温度低（前面刚提及，温度随高度上升快速下降是积雨云形成的前提条件之一），所以下降气流气温低、相比附近大气更质密，这可能会对影响区域造成破坏性的后果，例如它们接触地面后会向各个方向扩散开去，如此产生的不稳定气流就可能影响飞机在低空的起飞与降落。因为风暴会产生大量降水甚至冰雹，所以需要充足的能量供应，因此上升气流也非常猛烈，底层周围的温热空气会被强烈吸收进上升气流中。
通常积雨云就像是超大棵的花椰菜，但在超强风暴或是超级单体出现时，还可能出现下图中标注的砧状云、滩云、滚轴云、乳状云。
图注：风暴超级单体（Super Cell），原图来自这里
砧状云是上升气流抵达对流层顶后难以再向上进入平流层后形成的。最近，因为超级单体的出没，河北、山东多地都出现了乳状云，它们是砧状云下的冰晶升华吸热使得空气温度急剧下降，形成一个个小的袋状下沉气流形成的，见下图。
图注：图片来自微博 中国气象爱好者 转发的河北网友岳浩文拍摄的照片
风暴的消散是因为下降气流逐渐占据主导地位，上升气流被断了来路风暴因而无法再持续维系自己。
参考资料
整天都在看云雨大气，感觉快变成一棵南国植物，呼，换口气再说。