云和天气的那些事儿
近日，真空机一张画面为南京科技大学上空的图片火了，一朵酷似WIFI信号的巨型云朵挂在了天空。湖南科技大学微博协会调侃，“科大惊现‘WIFI云’，小伙伴们掏出手机拍摄了没？”在全球各地也时常会出现形状奇特的云：滚轴云、帽子云、波浪云、UFO着陆云……它们有的宛如长蛇，横卧天际；有的薄如羽毛，轻盈柔软；有的美如油画，色彩绚丽……千姿百态，让人惊叹不已。那么，这些形状奇特的云是怎样形成的呢？
卷积云：卷积云出现时，高空状态不稳定，这种云如若加厚，天气可能会变差。中国气象局气象探测中心提供
看云卷云舒，垂直上升运动不可少
云就像个淘气的孩子，刚才还在你头顶上空，一会儿功夫就不见了；抑或像个魔术师，摇身一变，成了其他模样。是什么气象因素让云变得如此“调皮”呢？中央气象台预报员杨舒楠说：“温度、湿度、气压都会对云的形态造成影响，而垂直上升运功和水平风是云形态多变的主要原因。”
万变不离其宗，在普通人看来形状各异的云，在专家眼里，分为三种：积状云、层状云和波状云，它们皆因垂直上升运动而形成。积状云是大气对流的产物，这种云底部平坦，顶部凸起。积状云发展旺盛就会形成高大云山，雷暴天气就可能发生了。“如果遇到锋面、气旋或者地形，气流缓慢抬升，那就形成层状云了。”杨舒楠说道。层状云通常是灰蒙蒙布满全天的样子，常伴有连绵阴雨天气。波状云的样子如水纹一般，它是大气的波动、湍流和辐射冷却形成的。
水平风也会“打造”出各式各样的云。它就像一把大风扇，左边扇右边吹，不一会儿，一朵样貌姣好的云就形成了。“比如积状云，顶部叫云砧，就是被风吹地往前伸的结果。”杨舒楠说。
4碎积云：云体一般较小，比较零散地分布在天空之中。天上出现碎积云，表明中低空气层比较稳定，天气晴好。中国气象局气象探测中心提供
看云识天气，需因地制宜
以耕地为生的农民懂得云，他们根据云的形状、移速、厚薄、颜色等特点判断天气趋势，总结出看云识天气的经验，并通过谚语代代流传。“西北天开锁，明朝大太阳。”“满天乱飞云，雨雪下不停。”“棉花云，雨快淋。”
看云识天气在一定意义上能够表征将来天气的变化。杨舒楠介绍，当云按照一个系统发展变化时，看云识天气是比较准确的。“比如你先看到了卷云，接着又看到了卷层云、高层云，云量越来越多，云底高度越来越低，这时候就意味着要下雨。”杨舒楠说。
当然，看云识天气也不是百发百中。云自身演变时的偶发因素，地域差异，地形条件都会使这种经验预报法失灵。杨舒楠建议，看云识天气需结合当地的气候特征，再进行判断。
地形云：由于地形抬升形成的云，如若在冷锋入境时可能预示着雨雪天气即将出现，其他多数时间预示着晴好天气。中国气象局气象探测中心提供
预报员“看”云，卫星云图上阵
天气预报员当然也“看”云，不过他们的视角与老农截然不同。他们不用眼睛直观，而是通过分析卫星云图预测天气变化。“可见光云图、红外云图和水汽云图是我们现在经常使用的三种方法。”杨舒楠说。
可见光云图反映的是云顶模样和云的厚度，红外云图反映的是云顶高度。有了厚度和高度，云的表象就清楚了。“如果分析出云很低又很厚，那降水的可能性就很大。”杨舒楠说，“所以云图反映的是我们用眼观察不到的内部结构。”
杨舒楠介绍，从2014年开始，地面观测只包括云量和云底高度，取消了人工对于云状的观测。她建议，出行时最好还是多参考天气预报。“观云只能预测短时天气状况，而且有时候云与云之间的形状比较相似，判断起来比较困难，并且云的发展演变较快，对晴雨的预测很难达到令人满意的程度。”（本文作者：中国气象报实习记者高婷）
云中玄机何人识
天空中铺陈开来的各种形态的云朵总会吸引人们的眼球，有的像棉花糖，有的像直立的熊，有的像羊群……面对漫天层云，普通人似乎难以看出此中玄机。但对于 “观云识天”的气象工作者来说，各种云层、云状，结合云底高度都能帮助他们判断即将出现何种天气现象。
中国气象局气象探测中心地面与高空观测室科长施丽娟告诉记者：“云就像是天气的‘招牌’，天上挂什么云，就将出现什么样的天气。”
按照云的外形特征、结构特点和云底高度，气象工作者将云分为三族、十属、二十九类。所谓的三族，即低云、中云和高云。一般而言，低云距地面600米至2000米，中云距地面2000米至4500米，高云距地面4500米至1万米。大多数的云都出现在对流层中。千百年来，观云识天已有规律可循。一般天空的薄云，往往是天气晴朗的象征；那些低而厚密的云层，常常是阴雨风雪的预兆。
密卷云：这种云出现时，高空风速较大，湿度较小，地面一般是晴好天气，少有雨雪出现的可能性。中国气象局气象探测中心提供
淡积云：这是在空气对流运动不很强盛的时候形成的积云，它的出现表示在云层上方出现稳定的气层，表明在未来的几个小时内，天气都是不错的。中国气象局气象探测中心提供
“不同形状、云底高度的云，指示的天气不同，比如说层云（面积较大）指示的是较为稳定的大系统所带来的天气现象。出现这种云时，降雨一般会呈现出连绵不绝的特点；而积云（面积较小，较为深厚）出现代表着中小尺度天气系统造成的降水，包括短时强降雨，甚至闪电或者冰雹等强对流天气可能出现；如若积云的高度大于其宽度时则属于浓积云，浓积云的发展更加旺盛，如若进一步壮大就可能成为积雨云，其下一般会有冰的结晶出现，它预示着降水将立刻出现。”施丽娟说。
云主要是由水汽凝结液化而成的。水汽进入大气后，由于各种原因会被慢慢地抬升，随着高度增加，上升的水汽逐渐变冷。由于饱和水汽随着气温下降而降低，原来不饱和的状态逐步趋向饱和。如果水汽继续被抬升到凝结高度后，这些水汽就会凝结成非常细小的小水滴，到了0℃等温线高度以上时，还会变成小冰晶。这些小水滴和小冰晶成团地悬在空中，变成了云。云团发展，水滴或冰晶增大到一定的程度，就会以雨雪的形态落到地面上、湖海里，周而复始，循环不已。
由于云与天气现象有着密切的关系，气象部门一直对云进行观测，而云的观测主要是依靠人工目测。观测员会尽量选择在能看到全部天空及地平线的开阔地点或平台观测云量、云高，并且需关注云的连续演变。观测时，如果阳光较强，观测员要戴黑色（暗色）眼镜进行观测，避免太阳辐射带来的视程障碍。观测员目测云高根据云块大小、亮度、颜色、移动速度等情况，结合本地常见的云高范围进行估测。预报员可根据天气系统上下游区域的云状、云量和云高来判定天气系统类型和移动趋势。
鬃积雨云：出现在对流发展旺盛阶段，它的出现，一般预示着强对流天气、包括雷暴、冰雹可能出现。中国气象局气象探测中心提供
图为观云识天环节的比赛现场。贾敏摄影
据悉，在2014年之前，我国对云高、云量、云状的观测都属于人工目测项目，但是，由于人工观测存在着主观性强、不能定量、观测不连续等缺点，自2014年1月1日起，中国气象局取消了云状观测和13种天气现象观测。部分台站实现云高、能见度、降水类和视程障碍类天气现象自动观测。 “取消部分天气现象观测的主要原因是在地面气象观测自动化向前推进的过程中，部分观测项目可以通过雷达、卫星等其他新型观测手段代替。”施丽娟说，从气象观测的发展趋势来看，人工观测项目会逐渐减少，而在未来，云高、云量等自动观测设备可提供实时（逐分钟）、连续、定量化、客观化的观测数据，可进行云观测数据进入预报模式的研究和应用。（本文作者：中国气象报记者张明禄）
从毛发湿度仪到“送上云端”
——我国地面观测仪升级换代记
毛发湿度表——人工观测时代的宠儿
“我国的地面气象观测正在从人工器测观测时代过渡到准自动化观测时代，并且正在向全自动化观测时代迈进。”中国气象局气象探测中心地面与高空观测室副主任王柏林告诉记者。
在人工观测时代，观云测天的仪器相对简单，主要包括毛发湿度表、虹吸式雨量计以及电接风向风速计等。
在木结构的仪器之中，一根固定长度的头发被拉得笔直。“毛发湿度表是根据脱脂人发随空气湿度大小而改变长度的特性，用人发制成的测定空气相对湿度的仪器。”王柏林说，人们发现头发和空气湿度有较好的对应关系，在不同的湿度条件之下，头发的长度会发生细微的变化，如在即将下雨时，湿度接近饱和，头发就会悄然伸长。不过毛发湿度表还是存在着10%左右的误差。
人工测量风向风速的仪器叫做电接风向风速计，“驻扎”在十米风杆上。风杯和风向标会在自然风的作用之下发生偏转，通过传感器将信号传送到指示器上，而自记纸会将两类数据记录下来。这种简单的观测仪器也会出现误差。第一种误差的来源是控制风速和风向标的轴承，如果安装时间较长，轴承的禁锢程度就会较强，对于风的响应比较迟钝，此外，记录风向风速的表笔也可能出现跳笔，导致漏记。
由于测量仪器相对落后，无形中增加了观测员的人工操作工作量。
当然，在人工观测时代，专业人员的“一双慧眼”对于观云测天的意义不可小觑。此时，观测员通过他们的“火眼金睛”关注着云、能（能见度）、天（天气现象）的变幻，这也是那时观云识天的主要依据。
透光高积云：类似鱼鳞的白云，一排排一列列，当强冷空气到来时出现的一种云层，预示近期天气状况不稳定。中国气象局气象探测中心提供
图为目前使用的能见度观测仪。中国气象局气象探测中心提供
湿敏电容——准自动化时代的杰作
目前，我国正处于从准自动化到全自动化观测的过渡期，仪器自动观测已成地面观测主流。测量湿度的湿敏电容、测量温度的铂电阻等均是这一时期的代表作。
湿敏电容是用有机高分子膜作介质的一种小型电容器，当大气中的水汽透过上电极进入介电层，介电层吸收水汽后，会导致电容器的电容量发生变化。电容量的变化正比于相对湿度。由于仪器更加精密，算法更科学，其误差也从毛发湿度表时代的10%左右降低到了4%左右。
在准自动化时代，原本应当由观测员负责的观云测天工作也被仪器“抢占”。举例而言，原本由观测员完成的观云识天已经由一种特殊的摄像镜头所取代。这一镜头一般被安装在近地面位置上，直视天空，按照指令定时拍摄照片。软件自动通过图像识别的方式，计算出云和天之间的比例，从而测算出云量；而计算云高是通过激光测距方式进行的。激光云高仪将一束激光打入天空，当激光遇到云层，就会被反射下来，通过激光的传播速度和传播时间，软件便可以输出云层距离地面的高度。
能见度观测的进步也是代表准自动化时代观测科学性的“佳作”。在人工观测时代，观测员通过目视固定设置于离台站不同距离的物体来判断能见度的大小，而在准自动化时代，能见度仪则承担起这一职责，它利用气溶胶粒子对于光线的散射作用，通过判定颗粒物的多少以及直径大小，计算出能见度的值。
此时,观测阵地也在悄然前移。以往，人工观测只能在2423个国家级站点进行，在准自动化时代，观测站点可扩展到约55000个区域性站点，甚至可到达无人区。“以往只能依靠安装在沿海的设备获取台风的资料，而今，观测仪器可以被安装在沿海省份的无人岛甚至于海面的浮标之上。”王柏林告诉记者，虽然卫星可以识别台风的个头大小及移动方向，但地面观测仪却可以直接“触摸”台风“身体”，获悉台风过境之时，风速风向、相对湿度以及气压有多大，这些资料对于预测台风的强度乃至发展趋势弥足珍贵。
“在当下，观测人员的职责也从以往主要负责天气现象观测和记录转变为主要承担仪器的维护和维修工作，并保证观测数据的完整性。“王柏林说。
堡状高积云：属于垂直发展的积云，云块较小，高度较高。中国气象局气象探测中心提供
荚状高积云：又称为豆荚云，形成在局部升降器气流汇合的地方。荚状高积云常常生成于山地或者冷锋前后，多出现在晴朗有风的天气条件下。中国气象局气象探测中心提供
开放兼容——全自动化观测时代的风潮
到2020年，我国将努力实现地面气象观测的全面自动化，此时的仪器质量又将有质的飞跃。王柏林向记者透露，“以天气现象仪为例，它原本是通过放置于地面上的一个仪器，承接雨雪冰霜，并且通过其反光率的不同，判断在其上覆盖物的差别。这种方式的弊端在于其会受到天气现象左右（包括太阳辐射量的多寡、白昼与黑夜的区别等等）。未来，气象部门将会尝试地表传感器测量方法，即在地下安装传感器，向上放射光束，通过不同光束的敏感性识别地面覆盖物的类型。”王柏林还提出，目前观云测天技术路线也存在欠缺之处，譬如，目前测量云量和云状的设视角范围有限，未来，中国气象局气象探测中心将尝试使用云雷达技术，对云天进行360度“无死角”扫描，获取更精确的信息。
“利用社会力量，扩充观测点也是未来我们努力的方向之一。”王柏林说，目前，加上区域观测站，我们仅有5万多个站点，难以捕捉到小尺度天气系统，未来，随着气象行业开放度进一步扩大，我们将有望吸引更多的志愿者，甚至行业力量加入，于无形之中增加观测的站点和资料，并借助信息云将这些气象部门之外的观测数据送上“云端”，为预报人员提供更加丰富和精准的实况信息。（本文作者：中国气象报记者贾敏）
（来源：《中国气象报》2015年5月8日四版 责任编辑：苏玉君）
