云
云在天上，它的形态千奇百怪，变幻无穷。有时像一堆弹过的棉花，有时像一块飘浮的轻纱，有时像一片片鱼鳞，有时像一团团浓烟……它们飘浮在空中，离开地面的高度，有的达1万多米，有的只不过几十米。我们登山时往往可以见到这样一种情景：在山下时，看到半山腰有白云缭绕，到了山巅，再往下一看，云在我们的脚下了。
云，五彩缤纷，使人遐想联翩。但云究竟是什么？是气？为什么看得见？是烟？为什么是白色的？是水？为什么不掉下来？这个问题很早就引起了人们的想象和猜测。
直到1880年有个叫丹斯的人用显微镜观测了云粒子，才确定云为小水滴。
天空中的云
云的物理构成
按云的构成，可以分为三类：一是水云，由小水滴所组成；二是冰云，由冰晶所构成；三是水滴和冰晶并见的混合云。
云滴的大小是参差不齐的，云滴的半径在1～100微米范围内变化，其中以2～15微米的占多数。一般云底、云顶及云的边缘的云滴较小，云的上部云滴较大。
不同类型的云，云滴大小也不同。单位体积云内所包含的云滴个数称云滴浓度。通常用个/立方厘米来表示。在水云和混合云中，云滴浓度通常为几十个/立方厘米至几百个/立方厘米。冰云的浓度则比它们小得多，平均只有0.01～0.1个/立方厘米。云滴浓度的这种差异，是冰云中水平能见距离较水云和混合云中为长的重要原因。
不同类型的云，浓度也不相同。对同一块云来说，浓度一般在云底最大，云的中上部最小。单位容积云中水滴和冰晶的总质量，称为云的含水量。单位通常用克/立方米来表示。云的含水量随各类云而异，一般积状云的含水量大于层状云。云的平均含水量还与温度有关。一般来说，温度愈高，含水量愈大。
1.水云
在纯水构成的云层中，主要是由暖云滴或过冷云滴组成的，温度高于0℃的云是水云，温度低于0℃而高于12℃时，一般为过冷云滴组成的云。云滴可由水分凝结和碰并作用同时进行而茁长变大，水云的含水量多少及其在空间的分布，至关重要。因为它们标志着云内上升空气和环境干空气的混合程度，而且液态水含量的改变，往往伴随着很大的能量变化，如凝结1克水，就要放出2510焦耳左右的潜热。
根据实验观测中、低层的水云，一般含水量不大。如高层云、层积云、层云和积云，含水量范围为0.05～0.50克/立方米，但更高的数值偶尔也可出现，所以单纯水云的降水机率较小，可以形成毛毛雨或湿雾。当然，在同高度有不同大小的水滴出现，由于水滴间吸引力的累积，也可形成较大的水滴。就是说，如水云的云层厚，含水量大，上升气流强，水滴的碰并作用明显，也可形成较大降水。由这种作用形成的水滴，主要是看云层中水分是否充足，云层厚薄与否，气流上升速度大小与否等。因子，一般地讲，水云中的水分子没有水汽压力差数，因此水云的云滴合并作用很不显著。
2.冰云
由冰晶组成的云称为冰云，属于这类云的主要是高云族以及中云族的上部。冰晶是固态粒子，有各种不同的形状，比水滴要复杂得多，习惯上把线性范围大于300微米的称为雪晶，而把小于300微米的称为冰晶。
初始的冰晶形态基本上有针状、柱状和片状三种。此外还有一些不规则的形状，据自然冰云的观测和室内实验得知，冰晶形状和生长温度有密切的关系。在较高温度下生成的冰晶为针状居多。温度再低时，生成片状和扇形星状，更低到时生成棱柱状等。
雪花是单个冰晶的聚合物，它们主要是由星形枝状冰晶聚合而成，但也有由针状和棱柱冰晶组成的。
3.水和冰的混合云
由过冷却水滴和冰晶组成的云称为混合云，通常以高层云、雨层云居多。积雨云也属混合云，在混合云中出现冰晶和水滴共存的现象比较典型的混合云结构。冰面上的饱和水汽压小于同温度下过冷水面上的饱和水汽压，也就是说，空气对水面饱和时，对冰面来说已经是饱和了，于是出现了水分不断由水滴向冰晶转移。冰晶则因凝华而增大的现象，这就是混合云中产生较大降水的主要原因。
实际上，自然界中的大片深厚云层，往往是冰云、水云和混合云并存。深厚云层顶部一般是单纯冰云，如卷云等，云的下部是水云、云质点通过碰并增长。云层中部是冰晶和过冷水滴共存产生冰晶效应，所以三种云很难截然分开。它们的生消是错综复杂的过程。
云的外貌特征
云的外形千变万化，种类繁多，但观察结果表明，地球上各处所产生的云，都大致有相同的外貌。凡纤细淡白，具有柔丝光泽，带有一丝一缕形状的称作“卷”。弥漫大片，均匀笼罩着广大地区，经常看不到边际的称作“层”。一团团，拼缀而成，向上发展的称作“积”。云按其高度可概括为经典式的四类。如单纯按高度分类可把直展云归属于低云族，我们这里按国际上的规定将云分成4族10属。
1.高云族
云体都由细小冰晶体组成，纤缕结构明显，白色透光而具丝泽，云底光滑。高云族的组合相当复杂，姿态很多，在日出前或日落后常带鲜明黄色或红色。
高云族
①卷云
纤细毛羽状或带状，分离散处，通常白色无影，带有柔丝般的光泽。
②卷层云
融合成片的卷状云，薄如绢绡般的云幕，日月轮廓分明，经常有晕出现，有时组织不清晰，只呈乳白色，有时纤缕显然，好像乱丝满布。
③卷积云
白色细鳞片或小薄球、小白片，常排成行列或作微波形。
中云族
本族三属云底高在极地为3000～4000米，温带为5000～13000米，热带为6000～18000米。
2.中云族
云层主要由水和冰晶混合组成，或由水，或由冰晶组成。云块较大的常有彩环，如是幕状则多是蔽光云，灰暗不匀。
①高层云
由水滴、冰晶和雪花共同组成，是一种有条纹或纤缕的云幕，颜色灰白或浅蓝。这种云比较薄的，代表着卷层云向高层云演变的过渡阶段，很像厚的卷层云，只是没有晕，日月轮廓都不清，光泽昏暗，看去好像隔了一层毛玻璃。有时云层厚而阴暗，日月完全看不到，不过由于厚度不同，某些部分亮一些，某些部分特别暗一些，但是云底没有显著的起伏，而且条纹纤缕状，经常还可以看得出。
②高积云
通常由水滴组成，在冬季高纬度地区，可由冰晶组成，系由薄片或扁平球状云块组成的云层或散片，整列的云层中，个体往往小而薄，影可有可无，高积云块常沿一方向或两方向排列成群，成行或成波，各个体有时相距很近，边缘甚至互相密接。高积云个体边缘薄而半透明，常焕发虹彩，较密厚高积云的云块下，常有下垂的雨迹或雪痕，分别称为雨幡或雪幡。
本族两类云底高在极地为2000～4000米，温带为2000～7000米，热带为2000～8000米。
3.低云族
云体由细小水滴或水滴、冰晶和雪花混合组成，云块大而云幕很低，颜色有的灰色或灰白色，有的灰暗或乌黑，云体结构疏松。
①雨层云
低而漫无定形的降水云层，带暗灰色，很均匀，微弱的光仿佛发自云内。雨层云是产生连续性降水的主要云层，云底模糊不清，云下常有碎雨云。如果没有降水或者降水而不及地时，由于雨幡或雪幡下垂，云底混乱没有明确的界限，而且看起来似乎很潮湿。
②层积云
薄片、团块或滚轴状云条组成的云层或散片，整列的小个体都相当大，柔和而带灰色或灰白色，有若干部分可能比较阴暗，云块常成群、成行或成波，沿一个或两个方向排列，有时云轴彼此密接，边缘互相连续，布满全天，犹如大海的波涛。
③层云(https://www.daowen.com)
低而均匀的云层，像雾而不着地。
本族三类云底高在极地、温带和热带均为近地面到2000米。
4.直展云族
由水滴或由水滴、冰晶和雪花混合组成，生成时向上垂直发展消散时向左右横扩，成为分散孤立的大云块。
①积云
垂直向上发展的浓厚云块，顶部成圆弧形或重叠的圆形突起，底部几乎是水平，云体边界分明，云块与云块之间有空隙，常见青天，如云块变得浓密，常下小阵雨。积云云底高平均为800～1500米，有时更低些。
②积雨云
浓厚的庞大云体，垂直发展旺盛，花椰菜形的云顶像山或高塔般地耸立着，上部的纤维组织常常扩展而成砧形，云底像雨层云一样有雨幡，下垂。积雨云一般都有阵性降水，有时还下冰雹或伴生龙卷风，雷暴雨也常见。积雨云云底高平均为400～1000米，有时更低些。
随着飞行器和物理仪器的发展，人们发现云是由飘浮在空中的大量细微的水滴或冰晶组成的，或者由水滴或冰晶混合组成的。它又是怎么形成的呢？
当水分子刚刚脱离地表，逃逸到空中时，它们个体的体积极其微小，人们用眼睛是无法看到的。这水汽使空气变很潮湿。
由于大气靠来自于地球表面辐射的热量加热，地面附近的空气吸收的辐射热多，温度高，远离地面的大气得到的热量少，因而上部的空气温度低于靠近地表面的空气温度，即大气温度随着高度的升高而有规律地降低。
节节上升的湿空气，随着高度的增加，周围的温度越来越低，使大气中所含的水气渐渐变成饱和状态，并且有可能出现过剩。
假如大气是纯洁无比，没有一点灰尘的话，过剩的水汽还能保持一种特殊的过饱和状态，而不会有水滴产生。可是，这样的情况是极少见的。因为空气中总是含有很多烟粒、尘埃等固体杂质，在大多数情况下，过剩的水汽在它们身上集结凝聚成小水滴。如果凝结温度在0℃以下，小水滴会摇身一变成为晶莹的小冰晶。许许多多肉眼很难看见的小水滴或小冰晶汇集在一起，就形成了云滴。云滴轻如鸿毛，在空中的降落速度甚小，所以容易被上升的气流托住。大量的云滴成群结伙地聚集在一起，组成了各种各样的云层，在空中悠闲地飘来飘去。
云的形成方式
1.空气上升成云
大气的压力是随高度的增加而减小的，高原上气压较低，所以初到高原的人们，常常不适应而感到不舒适。在海拔大约5千米的高度上，大气压力就只有地面气压的一半。在大约10千米的高度上大气压力只有地面气压的1/5。当空气块在大气中上升时，它的气压下降，体积膨胀，温度就会降低，大气中空气上升，下沉的范围很大，大的上百千米，小的也有几十米。周围大气中的热量很难传输进去，在物理学上这种同周围环境没有热量交换的变化过程叫绝热过程。
大气中的空气上升运动就接近于绝热过程，根据计算，当空气块垂直上升100米时，由于气压降低，体积膨胀，空气温度下降约1℃。这种温度向上减小的速率叫做干绝热温度递减率。一块空气如果上升1千米，那么它的温度就要下降10℃，这样的冷却速率比大气中其他过程都要大得多，所以空气的上升膨胀冷却是大气中最重要的冷却过程，也是最重要的成云过程。
我们知道把1克100℃的水加热成水汽要吸收约2.512焦耳热量，这些热量是很大的，它可以把10倍的水提高温度60℃，水汽凝结成水时，又会反过来放出同样多的热量，所以当空气块达到饱和产生凝结后。凝结放出的热量会加热空气块，使空气块上升100米降低的温度不到1℃。气象学把有水汽凝结的空气块在上升时的温度递减率称为湿绝热递减率。一般约为每100米0.6℃，比干绝热递减率要小得多。
空气如果持续上升几千米，它的温度将按干绝热或湿绝热递减率下降几十度。在这个过程中空气饱和水汽密度大大减小过剩的水汽逐渐凝结出来，形成大量云滴或冰晶，上升的空气可以把云滴和冰晶托带上升，使它们长期在空中飘浮而不致下降，这样就形成了云体和云系。如果大气中的空气下沉，气压就会增大，体积压缩，温度升高，饱和水汽密度增大，水汽达不到饱和状态，云滴、冰晶就蒸发成为水汽，云就趋于消散。所以大气中云的生成和消散过程一般都同空气的上升下沉运动密切联系着。云动力学就是研究云中和它周围空气的运动的，它们决定着云的总体生消规律，所以又称为云的宏观物理学，以区别于研究云中细微粒子组成变化的微观物理学。
2.大气的对流运动
大气中的上升运动可以分成四种，这就是对流上升，大范围的辐合上升，地形抬升和大气波动，它们也是形成云体的四种主要动力学过程。先来说说对流上升运动。夏季的阳光把地面晒得很热，近地面空气的温度就不断升高，有的地方像向阳坡地，空气温度升得快些；有的地方像湖面，空气温度升高得慢些，温度高的空气块比周围空气轻，这种气块就会向上浮升，周围比较冷的空气就会下沉。这同煮开水相似，锅底发热，使底部的水温升高，锅中心加热最强，水温最高，那里的水就向上浮起，上层较冷较重的水就从四周下沉，冷水在锅底加热后又在中心上升，这样水就在锅里循环，使整锅水都加热了，这种现象叫做对流。
夏季阳光照射加热的近地面空气像锅底加热的水一样，也会产生对流运动，但是空气对流运动的物理过程比煮开水复杂得多。空气上升时气压降低，体积膨胀，温度就会下降，如果空气块里的热量同周围大气没有交换的话，那么空气块每上升100米，温度就会下降1℃。
现在我们来设想一下，如果大气里的空气温度向上是不变的话，在地面加热较多的空气块能不能一直浮升上去？假设空气块在地面比周围大气温度高2℃，它就向上浮升，上升200米以后，它的温度下降了2℃，周围大气温度上下是一样的，所以在200米高度上空气块的温度就同周围大气一样，它就失去了进一步上升的浮力。如果再向上浮升空，气块的温度比周围大气低，它就要下沉了。所以当大气温度向上不变时，空气的对流运动是不能持续地向上发展的。
现在看看大气的另一种状态。大气中温度向上是减少的，每上升100米，温度下降1℃。如果地面有一块空气，比周围大气的温度高2℃，它就向上浮升，上升100米以后，它的温度就下降了1℃，周围大气在100米高度上的温度也比地面下降了1℃，所以这块空气的温度在100米处比周围大气还是高2℃，它就会继续浮升。在这种大气状态下对流会得到发展，气象学上称为热力不稳定状态。
如果空气里的水汽达到饱和，产生凝结，由于凝结潜热的释放，气块（云块）的温度就按湿绝热递减率下降，每100米仅下降约0.6℃。大气的实际温度递减率只要比湿绝热递减率大，饱和湿空气就可以发展对流，这时在气象学上称为大气的湿不稳定状态。
夏季白天的大气，在近地面的边界层约1000米内，由于地面的加热率很大，往往超过干绝热递减率，热空气的对流上升运动就发展，到了一定高度水汽凝结形成云块，在边界层以上的自由大气里，温度递减率较小，往往在干绝热和湿绝热递减率之间，干空气在这里不能发展对流，但云块由于有凝结热量的释放就能继续对流上升。上升云块的直径一般为几百米到几千米，上升的高度从几百米到几千米，强盛的对流上升运动可以直达十几千米，穿透整个大气对流层。
气块的对流上升速度很大，通常为110米/秒，有的可以超过120米/秒，比一般飞机的爬高速率还大。对流运动形成的云，高耸雄伟，像一座大山，云体直径和厚度相近发展快，变化大，叫做对流云或积状云。
3.大气辐合抬升运动
地球表面上各地的大气压力是不相等的，有的地区的气压比较低，而周围比较高，这种地区在气象学上叫做低压区。低压区的范围很大，直径在100万米以上，相当于几个省的面积。它们不断移动变化，一般可存在几天时间，空气由于压力不同会从气压高的地方向气压低的地方流去，这就像水从高处向低处流去一样。空气的流动就是风。
在低压周围，空气都向低压中心流去，并作逆时针旋转，气象学上叫做气旋。空气在低压区汇集，物理学上叫辐合，由于地面的限制，辐合的空气会向上流动，形成上升气流，这种辐合造成的上升气流速度较小，一般只有几厘米到几十厘米每秒，比对流上升速度小10～100倍，但它的范围很大，可达上百万米，比对流运动大100倍，面积可大1万倍，它的持续时间可长达几天，比对流运动大几十倍，虽然它的升速很小，但由于持续时间长，空气抬升的总高度有时可达几千米，这就能形成大范围比较均匀的云层，往往伴有连续性降雨，所以一般说来低压区伴有云雨等天气过程，而高压区则晴朗少云，在某一地方如果观测到气压下降，未来往往有云雨天气。
在气旋里，冷空气和暖空气都向中心流动，两者相交形成十分明显的界面，所以强的锋面一般都同气旋相伴，锋面附近有辐合抬升运动。由于暖空气比较轻，冷空气比较重，所以锋面向上是倾斜的，斜向冷空气一侧。暖空气沿着锋面向上抬升，在冷锋区，冷空气不断推进，它们楔入暖空气下面，把暖空气抬举起来，往往在地面锋线附近造成很强的上升气流，有时可达1米/秒。在高空的锋面上暖空气也被抬升，但升速较小，在暖锋区，暖空气不断推进，它们沿着锋面向上抬升，暖锋的坡度很缓，一般小于1，即水平运动100千米，垂直才上升1千米。因此暖空气的上升是十分缓慢的，它的升速只有几厘米/秒到10厘米/秒，它的范围很大，可形成大片云。
成层地布满全天气象上称为层状云。春夏之交，锋面多在江淮流域，暖湿气从海洋上源源而来，含有大量水汽，它们在锋区抬升冷却不断地凝结成层状云系和连续降雨，被称为梅雨。有时锋在该地区长期维持就会连续几天甚至十几天下雨，在广大范围内一次降雨总量最大可达到几百亿吨之巨。
4.地形抬升和大气波动
空气流动遇到山脉的阻挡，在迎风坡上就会被迫抬升。风速越大，山坡越陡，风向同山脊走向垂直时上升速度就越大。如果湿空气持续地向山脉吹来，在迎风坡上不断抬升冷却，就会凝结形成云体，这种云的地理位置不变，总是在山脉迎风坡上，被称为地形云。假如空气比较潮湿，山也不高时，山顶上往往出现像帽子一样戴在山头上的云叫做帽状云。这种云就是湿空气被山脉抬升冷却凝结生成的，当气流过山以后，下沉、加热，云滴又蒸发了，所以它只在山顶上出现。由于地形的抬升作用，在山脉迎风坡上的降雨量往往比其他地方多，例如在潮湿的偏东气流影响下，太行山东坡雨量较大。浙江、福建沿海山区雨量较大，海南岛五指山东南坡雨量较大而西北坡雨量较小。
气流在迎风坡抬升过山后又下沉，结果形成一起一伏的波动，这种波动还会像海浪一样向下游方向传去，但越远越弱。它还会向上传递，高层空气受低层空气的影响，也产生上升、下降的波状运动，这种波动有时可能影响到1万米的高度。
除了地形作用外，大气有时也会由其他原因而发生波动。例如，偌大气中有两层空气，上层较暖，下层较冷。它们的流动方向又不一样，在这两层空气的交界面上就可能像水面一样出现波动，有的地方空气上升，有的地方空气下沉，如果空气比较潮湿，那么上升冷却会使它达到水汽饱和状态而生成云，但在下沉处云滴又因加热而蒸发掉，这样就像山顶的帽状云一样，在波动的最高处，叫做波峰，形成云。而在波动的最低处，叫做波谷，消散后看上去就成排列整齐的云条。云条之间的距离就是波长，即波峰之间的距离。大气中这种波动的波长约为几百米到几千米，当大气中有两个不同方向的波动重叠时，形成的云就像布满棋子的棋盘一样，相当好看。
实际大气的运动是很复杂的，往往是好几种运动的综合结果，例如：在有大范围辐合抬升的地方，特别在强冷锋的前面，有利于对流运动的发展，这样在层状云系中就有对流云错杂其间，我国的暴雨往往是从这种复合云系中降下的，又如地形作用会加强对流运动和抬升运动，使大范围的云和降雨在山脉迎风坡特别发展，雨量也比周围大，在大气的锋面上，暖空气在冷空气之上，所以有时会出现波状运动，结果在锋面云系中又有波状云存在。
5.超级热机
火车、飞机、轮船等是靠蒸汽机、柴油机等来驱动的，这些机器都靠燃烧燃料产生热量，再使热量转化为动能，这种机器统称为热机。
云是自然界的热机，它的燃料主要就是水汽。水汽凝结释放热量，水汽蒸发吸收热量，在这个过程中空气得到能量，就会形成大风，在对流云中这种过程十分明显，大气低层的湿热空气向上浮升，水汽饱和后凝结，放出大量潜热，使空气加热，密度减小。
云块在浮力的作用下加速上升同时云下气压降低，使周围空气向云底辐合上升，这样空气的上升就更多更快，释放的凝结潜热也更多了，所以对流云开始时云体较小，直径不到1千米，气流的上升速度也不大，只有1～2米/秒，可是经过几十分钟时间，就能发展成为直径10千米，升速超过10米/秒，顶高10千米以上的积雨云。
云外的干空气往往能混入云中一些地方，这些地方由于云滴和降水在干空气中蒸发冷却，浮力减小，加上云滴和降水的荷重，就会产生下沉气流。冰粒子下落到暖区时融化吸收潜热，也会帮助空气冷却和下沉，空气在下沉中绝热压缩增温，其过程刚好同上升时相反。
在积云发展的湿不稳定大气中，湿空气由于云水的蒸发冷却，其温度在下沉过程中始终比周围空气低，这样它就加速下沉，在下沉区降水倾盆而下，下沉气流速度可以达到同上升气流相近的大小。从云中下沉到达地面的气流，温度比周围原有空气低得多，而气压比较高，这块下沉冷空气从云下向四周扩散，形成很强的水平外流风。它们同周围原来的暖空气有明显的不同，两者之间形成一个界面，就同冷锋相似，叫做伪冷锋或者飑线。
在飑线上，暖空气受云下冷空气的楔入抬升，形成更强的上升气流，使积雨云的上升部分得以维持或发展，凝结出来大量云滴和降水物又能维持和发展云中的下沉气流，结果造成上升—下沉对流，特别强大的风暴就是这样维持和发展的。
从这种风暴云里往往能降下大冰雹、暴雨、风暴来时风向突变，风力迅速增大，温度猛烈下降，气压急剧上升，相对湿度升高而水汽含量下降，往往造成严重灾害在这种强对流云中有时能形成龙卷风。龙卷风是一种水平强烈旋转的气流柱，有强烈的垂直运动，龙卷风的水平最大风速可达100米/秒，中心气压很低，比周围低几千帕。龙卷风的破坏力极大，可以使房屋倒塌，大树拔起。上海1956年9月24日的龙卷风，轻易地把一个110吨重的大储油桶，举到15米高的高空，再甩到120米以外的地方。强烈的上升气流把地面上的东西大量卷起升向上空，使龙卷风气柱看上去成为黑色的漏斗状柱体，它们从云中伸下，有时又迅速离开地面。
龙卷风在水面上可以把大量的水吸至空中，这叫水龙卷。有的人看到乌云中伸下一条细长的柱子把水吸上去，就认为这是龙，并把水龙卷叫做“龙取水”。实际上云中只有空气和水粒子。龙卷很小，生命时间又短，它吸起的水分比起云中水分来真是微乎其微。从云中下落的雨水主要是大量水汽凝结产生的强风暴。
拔树倒屋的强风，托住上千克重的大雹块的上升气流，倾盆暴雨和雷击电闪，它们的巨大能量是从哪里来的呢？主要就是水汽的相变产生的潜热，并同成云降雨过程相联系。强风暴是一台大自然的热机，它的规模和功率都大大超过人类制造的任何热机，称得上是超级热机。
威力惊人的台风是更为强大的热机，其燃料主要也是水汽。有人估计台风释放的能量相当于每分钟爆炸2000万吨炸弹。全球大气和运动也可看作一台热机，太阳辐射是它的燃料，其中一部分加热地面和空气驱动大气运动，一部分使水蒸发，以潜热的形式保存在水汽里，一旦凝结成云时就释放出来，驱动大气运动。
