積云能否發展與產生降雨,常常在很大程度上決定于天氣尺度和中尺度的氣象環境條件。氣象環境條件是有層次的,有大中尺度天氣條件作為直接環境條件的背景。
1、大中尺度條件(天氣系統、地形)
鋒面、低壓系統、低壓槽、切變線等天氣系統,以及地形的抬升作用產生垂直運動。云動力學并非把天氣系統和地形對云動力的影響作為其核心論題。
2、直接環境條件(溫濕層結,風切變,氣溶膠)
溫濕層結影響氣塊凈浮力,從而影響云中垂直速度,影響云內降溫速度,影響溫度。直接環境條件對云動力及云物理的研究,利用數值模擬方法做得較多。例如,徐華英等利用他們所建立的二維直角坐標非定常積云降水模式研究的大氣溫度遞減率、地面溫度和大氣濕度對積云降水的影響。他們的結果表明,大氣溫度遞減率較大時,云發展旺盛,云厚較大,所以降雨強度和總降水量都顯著增大,但降雨持續時間較短,降水效率略小;地面溫度較高時具有較大的降雨強度和總降雨量,而降雨持續時間較短,降水效率較小;從最大降雨強度和降雨持續時間來看,大氣中上層的濕度值影響不大,而大氣下層的濕度值對降水的影響卻十分明顯。濕度越大,降雨量和最大雨強也愈大。看來積云降水的水汽供應主要是否能從溫來自云下。從降水效率來看,中上層濕度影響明顯,濕度越小,降水效率愈大。濕層結中提取一個或幾個決定對流強度的參量,是人們希望解決的問題。過去很多人認為CAPE決定對流強度,但觀測分析和數值模擬結果表明,并不能肯定對流強度就是由CAPE決定的。
近幾年有人提出抬升凝結高度和凍結高度之間的厚度對對流強度的影響很大。
觀測表明,風速的垂直切變對云的發展是有影響的。Browning,Marwitz等人指出,一種強烈冰雹云常常形成于風在垂直方向有較強切變的環境中。在溫帶地區,一般水汽的含量在中低空大,而風速垂直切變在高空急流附近最大,因此有人認為,對流云在中低空主要靠凝結潛熱維持,在高空則有盛行風供給能量。但是當風切變很大時對冰雹云的發展也是不利的。黃美元等對昔陽地區42塊冰雹云的分析表明:比較強烈的冰雹云多出現在中等強度的環境風切變條件下,風切變值多在3.0~4.0m.s-1.km-1,大多數較弱的冰雹云是發生在較弱的風切變環境中,平均值為2.2m.s-1.km-1,觀測到很強的風切變并不有利于冰雹的形成。1973年Schlesinger用二維非定常模式研究了低層濕度和中層風切變對積云發展的影響。模擬結果表明,在濕度很大的情況下,風切變愈大,云發展愈持久,云濕度較小的情況下,強切變并不能支持一個持久的風暴,這時中等強度的風切變條件下云發展得最持久。在低濕度強切變時,所形成的云最弱,生命時間最短。徐華英等在1985年研究了風切變對積云降水的影響。模擬結果表明,在各種大氣層結下,線性風切變的存在都是使云發生傾斜,對積云降水發展起到減弱的作用。
總的來說,層結不穩定時,風切變對積云降水發展的不利影響相對較小,云傾斜較小,降水量的減少也最小。低層適當強度的切變風使得積云發展峰值強度減弱,但有利于維持低層穩定持久的水汽供應源,使積云生命史大大加長,地面降水總量大幅度提高,雨區擴大,峰值雨強減小。
3、物理過程:輻射過程,云微觀過程,云合并和分裂過程
在云層形成后,由于云體的長波輻射很強,云頂強烈冷卻,可使云層加厚,并在地面長波輻射使云底增暖的聯合作用下使云層內形成不穩定層結而使云變形,層狀云系中夜間有時會激發對流云活動,一些強對流風暴系統夜間常常加強或猛烈發展與云頂輻射冷卻效應有關。
微物理過程對熱力、動力過程有重要的反饋作用。云和降水粒子的凝結和凝華、蒸發和升華改變了水汽含量,所伴隨的相變潛熱的釋放和吸收,提供了重要的熱源和熱匯,它極大地影響了云(特別是對流云)內外空氣的運動。降水粒子的拖曳作用,又常常是促使云體消散、崩潰的重要因素。