不知道你有沒有留意過“天的高度”。

這兩張圖給你的第一印象是如何的？

一張是晴空萬里，湛藍(lán)的天幕澄澈透亮，抬頭望去仿佛能望到無窮遠(yuǎn)，讓人覺得‘天好高’；

另一張則是陰云密布，厚重的烏云低低壓著，像一塊沉甸甸的灰布，連遠(yuǎn)處的建筑都顯得朦朧，此刻又覺得‘天好低’。

天，真的有高度嗎？

俯察下之所及為地，仰觀上之所及為天。當(dāng)我們抬眼望去，遮擋我們視線的空中之物就是云了。天的高度其實(shí)是“云的高度”。云不僅裝點(diǎn)了天空，它本身就是大氣物理運(yùn)動(dòng)的“可視化顯示器”，讓我們跟著這些豐富多彩的云來看看它們和天氣之間到底有啥聯(lián)系吧。

1

云的誕生：一滴水的“升空之旅”

云，作為宏大的地球水循環(huán)的一部分，是上升的地表水汽在空中凝結(jié)形成的小水滴或小冰晶的集合體。陽光加熱大地使得地表空氣升溫膨脹，密度降低（變“輕”）并攜帶水汽上升。越往高空，氣壓越低，溫度一般也越低，氣團(tuán)絕熱膨脹也會(huì)降溫（松開自行車氣嘴變冷就是絕熱膨脹降溫的例子）。當(dāng)溫度降到“露點(diǎn)”以下，空氣兜不住這么多水汽了，水汽就會(huì)依附在空氣中的灰塵、氣溶膠（凝結(jié)核）上，變成小水滴或小冰晶。億萬個(gè)這樣的小水滴聚集，就成了云。

地球水循環(huán)示意圖[1]

云，是一個(gè)有內(nèi)部運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的集合體。在大多數(shù)人想象中，云是天空中一片靜止的、毛茸茸的“棉花”，但真相可能并非如此。我們知道水的密度比空氣要大，即使是微米尺度的小水滴也不能憑“空”懸浮。一朵橫向尺度500m、垂直尺度200m的“小”云，體積約五千萬立方米，以水滴密度 0.5克每立方米 估計(jì)，該云的質(zhì)量約為25噸。按照一頭肉牛體重1噸記，天上相當(dāng)于飄著25頭牛。

如此大的質(zhì)量能漂浮在空中和氣流關(guān)系緊密，一來云的形成過程本就有上升氣流參與，相當(dāng)于給云一個(gè)托舉的力另一種形式的“吹牛”；二來對于微米量級的小水滴，下落受到空氣阻力后的穩(wěn)定速度甚至低于cm/s量級，高度降低，溫度增加后蒸發(fā)消失，而云里上升的水蒸氣遇冷凝結(jié)又變成小水滴，形成了一朵靜止的云的“假象”。云中除了有系統(tǒng)的上升運(yùn)動(dòng)外，還有系統(tǒng)的下沉運(yùn)動(dòng)。在一些云朵的氣流垂直速度分布研究中，觀察到上升氣流在云的中軸附近最強(qiáng)，在云的邊界附近逐漸減小，而在云的頂部和云的四周有下沉氣流。除了系統(tǒng)的上升氣流外，還有湍流，這就更為復(fù)雜了?？傊?，即使是表面溫順的“暖羊羊”，可能也在內(nèi)部進(jìn)行著復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

2

云的家族圖譜：高低胖瘦，各有來頭

想探究云的形態(tài)和天氣的物理聯(lián)系，學(xué)會(huì)描述云這個(gè)物理對象必不可少， 讓我們來看看，云是如何分類的？

云不斷發(fā)展，并以各種形式出現(xiàn)。然而，在世界范圍內(nèi)經(jīng)常觀測到的特征形式是有限的，根據(jù)云的形貌和高度兩個(gè)維度，國際上將云分為“三族十屬”。高度上分為高、中、低三層，形貌特征上分為層云、積云、卷云和雨云，搭建起了十種云屬。還應(yīng)注意到大氣有垂直分層，我們生活的對流層集中了大氣質(zhì)量的75%和幾乎全部的水汽，所以我們看到的云主要在對流層（層高8~20km）。

云的分類[2]

首先來看看云底高度大于6000m的高云，分為卷云、卷層云和卷積云。由于高空溫度極低（最低可低于零下40℃），云主要由冰晶組成，冰晶比水滴更不易合并，傾向于形成毛發(fā)、絲絮狀的松散結(jié)構(gòu)，視覺上就顯得薄而透，完全不會(huì)遮擋太陽、月亮的輪廓。

• 卷云：像扯散的羽毛、一縷縷、一絲絲分散在藍(lán)天里，不遮陽光。絲呈鉤狀的就是俗話說的“鉤鉤云”。

• 卷層云：像一層鋪滿天幕的透明薄紗，能清晰看到太陽、月亮的輪廓，經(jīng)常伴隨日暈、月暈出現(xiàn)。

• 卷積云：像被風(fēng)揉皺了的絲絨，或是排列整齊的魚鱗、細(xì)小的漣漪，在高空鋪展出細(xì)密而規(guī)則的紋理。

接下來是云底高度2000-6000m的中云，分為高層云和高積云。這個(gè)高度的大氣溫度在0℃上下，云體大多由液態(tài)小水滴混合少量冰晶組成，看起來呈灰白色，比高云更厚重，會(huì)不同程度遮擋陽光。

• 高層云：像一層灰色的厚幕布，均勻鋪滿天際，大致看出太陽輪廓，但看不到影子。

• 高積云：像細(xì)密的魚鱗，一團(tuán)團(tuán)、一塊塊分布在天上，底部有灰有白。和卷積云都屬于“魚鱗天”。

云底高度小于2000m的為低云，包含層云、積云和層積云。這個(gè)高度的大氣溫度在0℃以上，云體完全由液態(tài)水滴組成，且水滴個(gè)頭更大、更密集，對應(yīng)的空氣上升運(yùn)動(dòng)差異極大：既有晴天里微弱的局地對流，也有暴雨前劇烈的強(qiáng)對流，因此低云直接決定了當(dāng)下的天氣狀態(tài)，也是我們?nèi)粘？丛谱R(shí)天氣最核心的觀察對象。

• 層云：形貌和高層云類似，但看不清太陽輪廓。所有云中最低的一種，“云山霧?！?。

• 積云：塊狀云，分散分布，云間全是透亮的藍(lán)天，通常說的一朵云。

• 層積云：如題為層狀云和積狀云的混合體，眾多積云連成片，界限變模糊但也沒層云那么均勻，云底灰黑。

還有兩類云分布可以橫跨多層，是短期內(nèi)降水的主要來源，有層雨云和積雨云。

• 層雨云：通常由高層云發(fā)展而來，水分變多，云層增厚，云底跨層“下探”到低位，偏黑色，大概率伴隨降雨。

• 積雨云：生于低位的積云不斷生長延伸到大氣層高位，從云下方看類似層雨云，不同的是經(jīng)常伴隨雷電?！昂谠茐撼浅怯荨辈煌馊缡?。

層云、高層云和卷層云主要區(qū)別在于高度越低，顏色越深，看著越厚，越來越看不清太陽。積云、高積云和卷積云則是隨高度增加，云塊越小越密。看到這里快去瞅瞅窗外的云屬于哪一類吧。

3

看云識(shí)天氣的物理邏輯

云的形成和大氣的溫度、濕度、風(fēng)力、顆粒物等參數(shù)息息相關(guān)，云本身就是降水的絕對主角，理論上，通過對云的研究就可以獲取豐富的大氣的信息，從而預(yù)測天氣。例如，大范圍均勻、緩慢的水汽上升更易形成層狀云，而小范圍、較快的水汽上升更易形成積狀云?，F(xiàn)在讓我們一起試著看懂幾個(gè)大自然寫在天空中的“天氣預(yù)報(bào)”吧。

天空飄著“棉花糖”，就意味著是個(gè)大晴天？

天空中飄浮著一團(tuán)團(tuán)白云，它們底部非常平坦，頂部微微隆起，像是一朵朵撕開的棉花糖，而且彼此之間有大片藍(lán)天（積云屬下的淡積云）。

在晴朗的白天，太陽把大地烤熱，貼近地面的空氣吸熱膨脹變輕，帶著水汽往上升，這叫“熱對流”。隨著海拔升高，氣壓降低，空氣塊膨脹并冷卻，水汽凝結(jié)，就形成了云的平坦底部。

那為什么這些云長不大，也下不了雨呢？這是因?yàn)樵诤锰鞖鈺r(shí)，高空通常存在一層相對溫暖的大氣，我們稱之為逆溫層。你可以把它想象成一個(gè)無形的“鍋蓋”。熱空氣只有在周圍環(huán)境比自己冷的時(shí)候才能繼續(xù)上升。當(dāng)上升的云團(tuán)撞到這個(gè)溫暖的“鍋蓋”時(shí)，它失去了上升的動(dòng)力，對流被硬生生掐斷了。水汽無法繼續(xù)向上輸送、堆積，自然就無法形成足夠重的雨滴。所以，當(dāng)你看到底部平坦、頂部矮小的淡積云時(shí)，說明大氣的狀態(tài)非常穩(wěn)定，今天多半是個(gè)安心晾曬的大晴天！

如何提前一兩天預(yù)判連綿秋雨？

第一天，天空中出現(xiàn)了極高、極薄、像羽毛或絲縷一樣的白云（卷云）。
隨后半天到一天，云層開始變厚，像給天空蒙上了一層毛玻璃，太陽周圍可能會(huì)出現(xiàn)光暈。再往后，云層越來越低、越來越暗，最后變成了灰蒙蒙的一整片，連綿不絕的雨水就開始落下了。

這種云的演變，在物理上代表著一個(gè)龐大的天氣系統(tǒng)——暖鋒正在逼近。想象一下，一大團(tuán)溫暖、濕潤的空氣，正在大面積地向一團(tuán)冷空氣推進(jìn)。冷空氣密度大、比較重，趴在地面上；暖空氣比較輕，所以它在推進(jìn)時(shí)，只能沿著冷空氣的背部“緩慢爬坡”。

在這個(gè)爬坡的過程中：

1. 沖在最前面、爬得最高的暖空氣，因?yàn)楦呖諟囟葮O低，水汽直接凝華成了冰晶，這就是最先出現(xiàn)的、透光的卷云。

2. 隨著大部隊(duì)逐漸逼近，爬坡的高度慢慢變低，云層開始變厚，冰晶和水滴混合，變成了高層云。

3. 等到暖空氣的主力徹底籠罩頭頂時(shí)，云層已經(jīng)極厚且充滿了水滴（雨層云）。因?yàn)檎麄€(gè)抬升過程是緩慢、持續(xù)的，所以它帶來的往往不是暴雨，而是纏纏綿綿、一下就是一整天的連陰雨。

為什么“黑云壓城”往往伴隨著狂風(fēng)暴雨？

夏日午后，原本晴朗的天空，突然有一團(tuán)云像蘑菇或者高塔一樣迅速膨脹。云底發(fā)黑，云頂直插云霄，緊接著就是電閃雷鳴、狂風(fēng)暴雨，甚至下起冰雹。這就是大名鼎鼎的積雨云。

與暖鋒的“溫柔爬坡”不同，積雨云往往是由局部的極度高溫，或者是冷鋒（冷空氣主動(dòng)出擊）引起的。冷重空氣像一把鋒利的鏟子，極其暴力地將前方的暖濕空氣狠狠向上“鏟”起。

這里有一個(gè)極為關(guān)鍵的物理機(jī)制：潛熱釋放。水在蒸發(fā)成水汽時(shí)，吸收了大量的熱能（這些能量潛伏在水汽里）。而當(dāng)暖濕空氣被暴力抬升、遇冷凝結(jié)成液態(tài)水滴時(shí)，它會(huì)把當(dāng)初吸收的熱量重新釋放出來！ 氣團(tuán)受熱膨脹，這就像是給本來就在上升的大氣“蒸汽機(jī)”猛踩了一腳油門。釋放的熱量讓云內(nèi)部的空氣變得更熱、更輕，上升氣流變得極其狂暴（速度可達(dá)幾十米/秒）。在如此劇烈的上下翻滾中，小水滴瘋狂碰撞合并，長成大水滴；被拋到極高空的冷凍成冰雹；水滴摩擦產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電，最終化為閃電。當(dāng)上升氣流再也托不住這些龐然大物時(shí)，狂風(fēng)暴雨便裹挾著雷電砸向地面。

空中還有更多的云值得推敲，試著舉一反三，結(jié)合天氣預(yù)報(bào)去驗(yàn)證你的推論吧。

4

氣象俗語的“物理翻譯”

古人沒有氣象衛(wèi)星，更沒有天氣雷達(dá)，但他們通過世世代代仰望星空，總結(jié)出了許多看云識(shí)天氣的諺語，它們背后藏著極其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇髿饪茖W(xué)依據(jù)。

“天上鉤鉤云，地上雨淋淋”

抬頭看天，天空中飄著一絲絲白云，但它們的尾部并非筆直，而是像小逗號、大雁的翅膀或者釣魚的鉤子一樣向上或向下彎曲（卷云屬下的鉤卷云）。 前面提到，極高空、全由冰晶組成的卷云，往往是一場大范圍連陰雨（暖鋒）的先頭部隊(duì)。那為什么它會(huì)變成“鉤子”形狀呢？

這就涉及到一個(gè)物理現(xiàn)象：風(fēng)切變。在距離地面幾千米到上萬米的高空，高空急流的風(fēng)速極快。當(dāng)這些高空云團(tuán)中的冰晶慢慢變大、變重，由于重力作用開始往下掉落時(shí)，它們會(huì)進(jìn)入一個(gè)風(fēng)速相對較慢（或者風(fēng)向不同）的空氣層。頂部的冰晶還在被強(qiáng)風(fēng)推著快速往前跑，而掉到底部的冰晶被慢速氣流拖了后腿。這種速度的差異，硬生生地把原本垂直掉落的冰晶軌跡拉扯成了一個(gè)“鉤子”（是不是和南北向河流的彎折有異曲同工之妙）。

出現(xiàn)“鉤鉤云”，不僅說明高空有豐富的水汽（形成了冰晶），還說明高空風(fēng)速極快。這通常是一個(gè)強(qiáng)大的天氣系統(tǒng)（如暖鋒或氣旋）正在快速逼近的強(qiáng)烈信號?？吹姐^鉤云，出門帶傘準(zhǔn)沒錯(cuò)。

“朝霞不出門，晚霞行千里”

早晨日出時(shí)，東方天空一片赤紅（朝霞），說明今天可能會(huì)下雨，最好別出門；傍晚日落時(shí)，西方天空一片火紅（晚霞），說明明天是個(gè)大晴天，適合遠(yuǎn)行。

要把這句俗語解釋清楚，我們需要結(jié)合光學(xué)原理和天氣動(dòng)力學(xué)。

首先，為什么霞光是紅色的？這源于物理學(xué)中的瑞利散射。早晨和傍晚，太陽光斜射向地球，光線穿透大氣層的路徑非常長。在這個(gè)過程中，波長較短的藍(lán)光、紫光早就被空氣分子散射得無影無蹤了，只有波長較長、穿透力極強(qiáng)的紅光、橙光跑完全程，照在了云層上。

其次，為什么早晨的霞和傍晚的霞，預(yù)示著完全相反的天氣？這是因?yàn)橹袊靥幹芯暥鹊貐^(qū)，受高空西風(fēng)帶的控制。我們的天氣系統(tǒng)（無論是云還是雨），絕大多數(shù)都是自西向東移動(dòng)的。

• 朝霞不出門：早晨太陽在東邊。如果此時(shí)東方出現(xiàn)朝霞，說明東邊（下游）的天空還沒有被厚云遮擋（陽光才能射過來），但陽光照亮了西邊天空上的云層。這意味著，西邊（上游）的積雨云正在順著西風(fēng)帶，氣勢洶洶地向我們所在的地區(qū)撲來！

• 晚霞行千里：傍晚太陽在西邊。如果此時(shí)西方出現(xiàn)晚霞，說明西邊（上游）的天空已經(jīng)放晴了，陽光才能毫無阻擋地射過來，照亮了東邊（下游）正在逐漸遠(yuǎn)去的云層。這意味著，壞天氣已經(jīng)過境離去，好天氣正在從西邊趕來接管天空。

篇幅有限，家庭作業(yè)。“天上魚鱗斑，曬谷不用翻”，“炮臺(tái)云，雨淋淋”，“魚鱗天，不雨也風(fēng)顛”，“日暈三更雨，月暈午時(shí)風(fēng)”，“天上掃帚云，三天雨降臨”，“早看東南，晚看西北，有云必雨”... 快在評論區(qū)給大家分享你的解讀吧。

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現(xiàn)代氣象學(xué)：人類如何“看”云？

雖然古人總結(jié)的俗語充滿智慧，但在現(xiàn)代氣象學(xué)面前，人類對云的理解已經(jīng)從“仰望”變成了“全方位掃描”。依靠物理學(xué)的基本定律，我們現(xiàn)在擁有了能夠看穿云層厚度、測量云朵體溫的“上帝視角”。

氣象衛(wèi)星：測量云的“體溫”與“膚色”

在距離地面幾萬公里的高空，靜止軌道氣象衛(wèi)星時(shí)刻盯著地球。它主要通過兩種物理傳感器來“看”云：

• 可見光掃描（“膚色”）：這本質(zhì)上是在測量云層的反射率。云層越厚、含水量越高，反射的陽光就越多，在衛(wèi)星云圖上就顯得越白、越亮。

• 紅外掃描（“體溫”）：這是基于物理學(xué)中的黑體輻射定律。任何物體都會(huì)發(fā)射紅外線，而溫度越高，輻射越強(qiáng)。衛(wèi)星通過接收云頂發(fā)出的紅外輻射，就能反推出云頂?shù)臏囟?。我們在前面提到，對流越?qiáng)，云長得越高。由于對流層氣溫隨高度增加而降低，云頂越高，溫度就越低。所以在紅外云圖上，哪里最“冷”，哪里往往就是對流最劇烈、降水最猛烈的地方。

天氣雷達(dá)：看穿云朵的“內(nèi)臟”

如果說衛(wèi)星是照相機(jī)，那雷達(dá)就是 X 光機(jī)。雷達(dá)通過發(fā)射電磁波并接收回波來工作。

• 多普勒效應(yīng)：當(dāng)電磁波撞到云里的雨滴或冰粒時(shí)會(huì)發(fā)生反射。如果雨滴正在向雷達(dá)靠近，反射回來的波頻率就會(huì)變高；反之則變低。氣象學(xué)家利用這種頻率的變化（多普勒位移），不僅能算出哪里在下雨，還能精確算出云內(nèi)部氣流的旋轉(zhuǎn)速度。這正是我們提前預(yù)警龍卷風(fēng)和強(qiáng)對流天氣的“殺手锏”。

6

寫到這里，你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，云不再只是天空中隨意的涂鴉，也不是虛無飄渺的幻影。它們是水汽在絕熱冷卻下的相變，是大氣為了維持熱量平衡而進(jìn)行的能量交換，更是不同氣團(tuán)在天空交鋒留下的物理戰(zhàn)壕。

下次當(dāng)你抬頭看到那一抹鉤鉤云，或者那一團(tuán)棉花糖般的淡積云時(shí)，希望你不僅能看到風(fēng)景，還能在那一瞬間，感受到大氣物理方程在頭頂靜靜流淌的節(jié)奏。

天空從不沉默，它一直在用云的語言，向你訴說著明天的陰晴冷暖。

最后，省流版：

參考資料

[1]https://www.bilibili.com/video/BV1b5tyzfEj5/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=a64bf56757e21b2f335cd3d8d3fd49dc

[2]https://www.youtube.com/watch?v=3WaAaMaQftg

[3]https://www.bilibili.com/video/BV1EH4y1G79X/?spm_id_from=333.337.search-card.all.click&vd_source=a64bf56757e21b2f335cd3d8d3fd49dc

[4]https://www.bilibili.com/video/BV1RZ421j7MS?spm_id_from=333.788.videopod.sections&vd_source=a64bf56757e21b2f335cd3d8d3fd49dc

[5]巢紀(jì)平,周曉平.積云動(dòng)力學(xué)[M].科學(xué)出版社,1964.

[6]小羅伯特·A.霍茲,許健民.云動(dòng)力學(xué)[M].氣象出版社:202208:617.

[7]https://youtu.be/I00vcHLJXCc

編輯：二分