4

0 級

看見過云

測一測你的

愛云技術(shù)等級

4

1 級

2 級

3 級

4 級

5 級

曾經(jīng)有過

騰云駕霧

的想法

拍過云的

照片，并

在社交網(wǎng)

絡(luò)上分享

擁有這套

《超有趣

的云科學(xué)》 知道三種

以上云的

名稱

能夠利用

雷達(dá)圖知

道何時下

雨，從而

不被雨淋

5

5

6 級

7 級

8 級

9 級

10 級

能夠預(yù)測

大氣光學(xué)

現(xiàn)象，并

親眼驗證

預(yù)測云的

出現(xiàn)，并

開始追尋

它們

生命中不

能沒有云

用肉眼對

云質(zhì)粒的

種類進(jìn)行

大致判斷

分享對云

的熱愛，

改變其他

人的生活

6

曾經(jīng)聽到有人說“小時候經(jīng)常仰望天空，現(xiàn)在都不留意

看了”，可能很多人都有這樣的感慨吧。大家還記得盛夏的

感覺嗎？蔚藍(lán)的天空飄浮著大團(tuán)大團(tuán)的云朵，這一壯觀景象

讓人真切地感受到夏天的熱情。大家想必也見過，猛烈雷雨

過后出現(xiàn)的讓人心醉的美麗彩虹吧。

如果我們抬頭仰望，幾乎每天都能看到云朵，云作為大

自然的一部分，一直都在我們身邊?；蛟S，很多朋友在競爭

激烈的社會中拼搏，學(xué)生們忙于學(xué)業(yè)，成年人忙于工作，大

家很少有機會再去仰望天空。我創(chuàng)作《超有趣的云科學(xué)》這

套書的目的就是給這些朋友提供一個機會，讓大家盡情享受

仰望天空的樂趣。此外，對于那些平時留意觀看天空、喜歡

在社交網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布云和天空照片的朋友，我還會分享一些技

巧，讓大家能夠遇到自己喜歡的云朵，享受更多觀云樂趣。

前言

6

7

剛開始我以“愛云的技術(shù)”為題目做講座的時候，參加

講座的氣象“發(fā)燒友”提問道：“愛云還有技術(shù)嗎？”是的，

愛云也是有技術(shù)的。當(dāng)然，即便沒有這種“愛云的技術(shù)”，

也可以很好地享受觀云的樂趣。你可以盡情地想象乘坐“筋

斗云”在天空遨游，可以驚嘆于停留在山頂附近的長得像不

明飛行物的奇怪云彩，你還可以和三兩好友談笑風(fēng)生，望著

云朵露出開心的笑容。然而，你要是學(xué)會了愛云的技術(shù)，你

對云的愛會變得更加深沉。

現(xiàn)在我是一名專門研究云的“云彩研究者”，但是我之

前并沒有非常喜歡云。在寫前一本書《云中發(fā)生了什么事》

的時候，我第一次思考應(yīng)如何描述云朵的“內(nèi)心”，才算真

正開始認(rèn)識云。從那時起，云不再是單純的研究對象，它們

變得栩栩如生，開始跟我聊天，而我的世界也從此大不相同。

我領(lǐng)悟到，只要主動去了解云，傾聽云的聲音并解讀它的內(nèi)心，

我們就可以和云進(jìn)行溝通，并愛上云。可以說，“越是相知，

越是相愛”。我寫這套書就是想和愛云愛得無法自拔的廣大

云友們分享，加深大家對云的喜愛，并把這種喜愛傳播開來。

這套《超有趣的云科學(xué)》共分為 5 冊，向所有愛云的小

朋友和大朋友講述關(guān)于云朵你需要知道的那些事。

7

8

在《超有趣的云科學(xué)? ①云從哪里來》里，你能學(xué)到和云

相關(guān)的基本知識，初步認(rèn)識怎樣的大氣條件下能產(chǎn)生云。

在《超有趣的云科學(xué)? ②這是什么云》里，你能學(xué)到世界

各國氣象機構(gòu)統(tǒng)一使用的云朵名字和分類方法。這樣，你就

能認(rèn)識遇到的云朵小朋友的名字了。

在《超有趣的云科學(xué)? ③天空大揭秘》里，你能看到更多

美麗的云和天空現(xiàn)象，例如彩虹、寶光、月暈、曙暮光條等，

還能學(xué)習(xí)它們背后的科學(xué)原理。

在《超有趣的云科學(xué)? ④云的超能力》里，你能認(rèn)識云朵

的更多用途。有的云能帶來災(zāi)難，有的云能幫你躲避危險。

在《超有趣的云科學(xué)? ⑤云朵好好玩》里，你能學(xué)到各種

各樣的科學(xué)實驗和游戲，供你和云朵小朋友一起玩耍，加深

你們之間的友誼。

這套書大部分的內(nèi)容講解都配有照片和圖解，所以你拿

到書之后可以大致翻翻，從感興趣的部分開始閱讀。當(dāng)你讀

著讀著，覺得有些晦澀難懂的時候，不妨先去看看第 5 冊放

松一下。

如果通過本書，大家能夠更好地和云相處，例如能更加

了解云，能看到美麗的云和天空，能和帶來惡劣天氣的云保

持適當(dāng)?shù)木嚯x，那么我就心滿意足了。

8

9

愛云吧！

我把愛云技術(shù)水平分為從 0 到 10 的不同等級（讀到這里

的朋友，恭喜你，你已經(jīng)達(dá)到 4 級水平了），盡管這個分級

標(biāo)準(zhǔn)有一定的主觀性，但還是建議大家在閱讀正文之前先測

試一下自己的等級，等到看完這套書、和云打過一段時間的

交道之后，再來檢查一下，看看水平提高了多少。

我還收集了映襯在藍(lán)天下的白云（第 1 冊卷尾）、色彩

繽紛的虹彩云以及紅彤彤的火燒云（第 5 冊卷尾），也請大

家欣賞一下這些能帶來好心情的云朵。

我夢想著世間能夠充滿對云的熱愛——有趣的云和天空

可以讓街上的行人停下腳步，讓小朋友奔向不一樣的大自然，

云友們可以盡情抒發(fā)自己對云的喜愛。為此，我誠摯地希望

借助此書，給云友們送上一個充實的愛云生活。

9

10

某云彩研究者愛云愛得太癡迷，逐漸結(jié)識了一群“云友”。為了讓

大家更加喜歡云，這些云友們將現(xiàn)身說法，幫助他講解云朵的知識。

空氣的團(tuán)塊，本書的中心人物。天真

淳樸，身體大小會隨著溫度的變化而

改變。喜歡水蒸氣，喝了太多的水后，

身體內(nèi)的水會溢出來形成云

由大量的水滴和冰晶構(gòu)成的組織，有

很多種類。云朵是天真淳樸的老實孩

子，它會通過伸展身體，告訴我們天

空的情況和將要發(fā)生的天氣劇變

氣態(tài)的水，它的存在對

云來說必不可少，顏色

會隨溫度而變化

固態(tài)的水，和水滴不太

一樣，外形多種多樣

根據(jù)云的狀態(tài)而改變自身的樣子，是傳達(dá)天空心情的信使

液態(tài)的水，形成云

的成員之一

空氣塊君 云朵

水蒸氣

雪晶們

帶有云滴的晶體 霰

xiàn

云滴 冰晶

登場角色

上升氣流

下降氣流

雪片

雹

b1o

10

11

在天空中不斷相遇、

離別，最后落下來的

雨點

伴隨著水的變身而吸收

或者放出的能量

大氣中漂浮的微粒，

種類多，謎團(tuán)也多，

可以左右云的一生

明亮的光 熱而輕，迅速順勢而上 冷而沉，擅長托舉抬升

雨滴 潛熱

太陽 暖空氣

可見光戰(zhàn)隊·彩虹游騎兵

相撲手

槽 臺風(fēng)

冷空氣

氣溶膠顆粒

龍卷風(fēng)制造機 溫帶氣旋 觀測者

11

12

目 錄

1 天空沒有兩朵完全一樣的云

你喜歡云嗎 2

“云”究竟是什么 5

2 云的真相

水的相變 8

水蒸氣和空氣塊 12

水在零度不結(jié)冰 14

3 云粒子的世界和云成核實驗

云中發(fā)生的事 20

云和氣溶膠顆粒 22

有趣的水粒子 29

有趣的冰粒子 31

12

13

4 地球大氣如何孕育云

產(chǎn)生云的大氣層 40

產(chǎn)生云的大氣條件 44

孕育積雨云的大氣條件 48

5 云和風(fēng)的關(guān)系

風(fēng)吹起來的原因 56

氣團(tuán)交界的“鋒” 58

神秘的渦旋 61

好美好美白云 67

13

14

1

1

1

天空沒有兩朵

完全一樣的云

2

云就好像小孩子，有著不一樣的名字、不一樣的性格（圖 1）。

云和人一樣具有個性。如果大家遇到了喜歡的人，就會想要知道那

個人的名字和性格。比方說，如果遇到相貌美麗、性格開朗的人，

就會產(chǎn)生好奇心，然后會繼續(xù)觀察，從而了解這個人的愛好、周圍

的朋友、成長環(huán)境和行為模式。逐漸了解之后，你還可以預(yù)測對方

你喜歡云嗎

2016 年 8 月 3 日攝于日本茨城縣筑波市

圖 1 夏天的暑氣和秋天的涼氣相遇產(chǎn)生的云朵

3

的行動，然后想辦法相遇。這一點不僅適用于人類，也適用于云朵。

生活在地球上的我們，與云有著深厚的緣分。云就像我們的家

人一樣，幾乎每天都能見到。正因為云對我們來說是如此的熟悉，

所以，如果我們不只關(guān)注它們的外表，連性格和行為模式也去了解

一下的話，就會對它們產(chǎn)生興趣，交流也會逐漸順暢起來。

一旦能和云交流，我們就能自行發(fā)現(xiàn)美麗的云和天空（圖 2）。

只要具備基本的氣象知識，知道大氣現(xiàn)象的構(gòu)成、產(chǎn)生條件等，那

2017 年 8 月 8 日攝于日本東京都西東京市，寺本康彥供圖

圖 2 染上了霞色的雙彩虹

4

么遇見美麗景象的概率就會飛躍性地提升。而且，在注意到云的情

緒變差時，我們能夠與之保持適當(dāng)?shù)木嚯x，保護(hù)自身遠(yuǎn)離自然災(zāi)害。

當(dāng)我們學(xué)會看云識天氣，懂得根據(jù)云、天空來預(yù)測天氣的變化時，

云就會舒展開身體，向我們傳達(dá)天空的心情（狀態(tài)）。有些會招來

災(zāi)害的云常常被當(dāng)成“壞家伙”，但其實它們的存在是一種預(yù)兆，

讓我們看到未來，告訴我們危險即將到來。

云朵根據(jù)大氣運動和狀態(tài)而改變自身的形態(tài)，表明了它們的純

樸；云朵嚴(yán)格遵守物理法則來行動，體現(xiàn)了它們講規(guī)矩，這些都讓

人愈發(fā)熱愛云朵。

愛云的技術(shù)是一門“每天熟悉和喜愛云朵，并

聆聽云朵告訴我們天空的心情”的技術(shù)。

愛云的方式因人而異，很多人都喜歡外貌美麗、氣質(zhì)優(yōu)雅的云

朵，只要能夠有幸遇到夏日天空升起的濃積云、染上了虹彩色的云

和天空，就會十分開心。

5

那么，究竟什么是云呢？云是

一種肉眼可見的、由飄浮在地球大

氣中的大量微小水滴和冰的晶體所

組成的集合體。云之所以能展現(xiàn)出

各種各樣的姿態(tài)，是因為構(gòu)成云

的微小的水滴——即云滴和冰的晶

體——冰晶會隨著大氣流動而流動。

構(gòu)成云的云滴和冰晶統(tǒng)稱為云質(zhì)粒。

云質(zhì)粒以 1 厘米每秒左右的速度在大氣中降落，然而，因為大

氣中存在超過該速度的上升氣流，所以云質(zhì)粒能夠浮在大氣中。另外，

雖然單個的粒子過于微小，我們無法看到，但是非常多的云滴和冰

晶集合在一起，使太陽光中我們?nèi)庋劭梢姷目梢姽獍l(fā)生散射，這樣

我們就能夠看到云（第 3 冊第 1 章）。

想象一下，浮在空中的一朵朵云都是由數(shù)量龐大的粒子組成的，

不禁有些心潮澎湃了吧。

“云”究竟是什么

云朵小知識

云滴的直徑一般在 100

微米以下，是懸浮在空

氣中的小水滴。

6

7

1

2

云的真相

8

水的相變

這里，讓我們先把重點放在云的身體上。浮在空中的那些形成

云質(zhì)粒的云滴和冰晶是由水形成的。水具有氣態(tài)的水蒸氣、液態(tài)的

水滴、固態(tài)的冰晶這三副面孔（相），我們將水在這三種相之間的

轉(zhuǎn)變稱為相變（圖 3）。

水所具有的能量（熱量）因相的不同而不同，能量從高往低依

次是氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)。因此，大氣中的水如果要從一種相轉(zhuǎn)變成

另一種相，就需要吸收或釋放能量。它吸收或釋放能量的對象則是

周圍的空氣，隨著大氣中的水發(fā)生相變，周圍的空氣被加熱或被冷

卻。因轉(zhuǎn)變成的相不同，熱量對應(yīng)的稱呼也不同，可以統(tǒng)稱為相變

潛熱或者潛熱。人出汗時，吹一吹電風(fēng)扇就會感到?jīng)鏊?，這是因為

皮膚上的汗（液態(tài)的水）蒸發(fā)變成水蒸氣時吸收并帶走了皮膚及其

周圍的潛熱。

云產(chǎn)生、成長時，首先是水蒸氣經(jīng)過凝結(jié)、凝華的過程形成云

質(zhì)粒（圖 4）。這些過程不只發(fā)生在云的表面，也發(fā)生在云的內(nèi)部。

正因為這樣，在成長中的云內(nèi)，隨著水的相變而釋放出潛熱，云內(nèi)

的空氣會比外面的空氣稍微溫暖一些。

另外，在云內(nèi)成長起來的水滴、冰晶最終會變大，變成雨或雪，

9

氣態(tài)

固態(tài) 液態(tài)

能量：高

能量：低 能量：中

（水）

（水蒸氣）

（冰）

被吸進(jìn)去啦！

被吐出來啦！

圖 3? 水的相變及其伴隨的潛熱釋放和吸收

9

10

潛熱吸收

潛熱釋放

圖 4? 云中的潛熱釋放及吸收

10

11

并向云的下方降落。這種從云中降落的水構(gòu)成的粒子稱為降水粒子。

降水粒子降到地面上的現(xiàn)象稱為降水，這種情況下，降水粒子如果

是雨就稱為降雨，如果是雪就稱為降雪。

降水粒子在下落的時候，有時會在氣溫 0 攝氏度的層（融化層）

發(fā)生雪的融化，有時是與云周圍的干燥空氣接觸發(fā)生升華、蒸發(fā)。

這樣一來，周圍的空氣因為潛熱被帶走了而變冷、變重，因此產(chǎn)生

了下降氣流，這種下降氣流會因為下落的降水粒子拖拽周圍的空氣

而加速，這種效應(yīng)稱為載入效應(yīng)。

也許可以說，云成長壯大的時候會變熱，但是云

衰老的時候會感覺身體和內(nèi)心都有些冷。

12

水蒸氣和空氣塊

云質(zhì)粒包含的云滴和冰晶都是水，所以對于云的產(chǎn)生來說，水

蒸氣是必不可少的，水蒸氣是大氣中的氣體之一。這里，我們可以

試著想象一下某一溫度下的空氣塊（parcel），在本書中，我們將

把這種空氣塊擬人化，稱其為空氣塊君，并讓空氣塊君為我們做一

次生動形象的講解吧（圖 5）?？諝鈮K君如果完全不含水蒸氣，就

稱為干燥空氣，如果含有水蒸氣，則稱為濕潤空氣。

空氣塊君是比較喜歡含有一定水蒸氣的?？諝鈮K君吸收水蒸氣

一直吸到飽之后所呈現(xiàn)出的狀態(tài)，我們稱之為飽和，這是圖 5 中水

蒸氣測量表剛好滿載的狀態(tài)；空氣塊君還未吸足水蒸氣時的狀態(tài)稱

為不飽和；即使超過臨界點仍然能繼續(xù)吸收水蒸氣的狀態(tài)則稱為過

飽和。表示水蒸氣含量的指標(biāo)是濕度（百分比單位），飽和時濕度

為 100%?？諝鈮K君很能忍耐，在實際的大氣中，濕度可能會略微

超過 100%，但是，因為某些原因，一旦超過臨界就會凝結(jié)，形成

云滴、冰晶，它們就是形成云的云質(zhì)粒。

此外，空氣塊君溫度高的時候，就會含有很多水蒸氣，相反，

溫度低的時候基本不含水蒸氣。具體地說，0 攝氏度的空氣塊君每

13

立方米含有大約 5 克水蒸氣，而同樣體積下，40 攝氏度的熱空氣

塊君能攝取大約 50 克的水蒸氣。電視上的天氣預(yù)報節(jié)目中會出現(xiàn)

“溫暖潮濕的空氣……某些區(qū)域?qū)杏辍钡臄⑹?，就是因為高?/p>

的空氣包含更多的水蒸氣，容易和大雨等現(xiàn)象產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。

飽和

不飽和 過飽和

足夠了。正好了。不要更多的了。水蒸氣

剛好滿員哦。

水蒸氣

水蒸氣

有空位哦。

水蒸氣快來！ 一受刺激水就凝結(jié)。 超過額定數(shù)量了哦！

這種情況下，水蒸氣進(jìn)出空氣

塊君的速度是一樣的。

已經(jīng)喝飽了（平衡狀態(tài)），所以不

會繼續(xù)吸收水蒸氣。

要一直喝到飽的

空氣塊君

即使超過臨界，一定程度下也

能忍著繼續(xù)喝。但是超過容許

量的水蒸氣都不得不以液態(tài)水

的形式流到外部。這種情況下，

空氣塊君受到稍許的刺激，就

會成為凝結(jié)的狀態(tài)。

嗝

嗯……

圖 5? 飽和、不飽和與過飽和

14

水在零度不結(jié)冰

水在 0 攝氏度結(jié)冰，這是大家都知道的常識。然而，在云中，

即使在低于 0 攝氏度的溫度下，也存在液體狀態(tài)的水滴。這種不結(jié)冰、

保持著液體狀態(tài)的過度冷卻的狀態(tài)被稱為過冷卻，此時的云滴被稱

為過冷卻云滴。

我們用冰柜制冰時，制冰盒的水會與容器接觸（圖 6）。事實上，

“水在 0 攝氏度結(jié)冰”是一個很嚴(yán)格的條件。如果水與容易成為冰

核的物體接觸，或者水中含有容易變成冰核的雜質(zhì)，那么溫度一旦

低于 0 攝氏度水就會開始結(jié)冰。然而，在云中，云滴是孤獨

的，和誰也不接觸。因此很難結(jié)冰，實際上在云朵內(nèi)即使是

零下 20 攝氏度的低溫環(huán)境下也存在過冷卻云滴。

氣溫低于 0 攝氏度時，空氣塊君的行為舉止也和常溫下略有不

同，可以分為相對于過冷卻水的飽和（水飽和）和相對于冰的飽和（冰

飽和）（圖 7）?？諝鈮K君在低溫環(huán)境下能夠咕嘟咕嘟地攝取液體水，

但是冰不會這樣，冰會很快達(dá)到飽和。所以，過冷卻云滴的成長需

要大量的水蒸氣，而冰晶的成長所需的水蒸氣量較少。因此，同樣

的環(huán)境下，如果過冷卻云滴與冰晶同時存在，周圍大氣中的水蒸氣

就會向更容易生長的冰晶靠近，缺失的水蒸氣會由過冷卻云滴蒸發(fā)

15

冰格里的冰

云內(nèi)的過冷卻云滴

※ 即使在零下 20 攝氏度，也

存在很多過冷卻云滴。

與容器接觸，或

以雜質(zhì)為核，就

能變成冰。

在云中因為不和其他物

體接觸所以很難結(jié)冰。

來補充，結(jié)果相當(dāng)于冰晶奪取周圍云滴蒸發(fā)的水分。這就像在云中

打了一個洞，生長的冰晶便會形成拖尾狀的云朵（第 4 冊第 2 章）。

這樣想象一下云滴和冰晶交換水蒸氣的樣子，會覺得挺有意思的。

圖 6? 云內(nèi)的過冷卻云滴

16

足夠了。冰已經(jīng)吃不下了。

即使水蒸氣數(shù)量不再增加，

也會凝華變成冰。

冰飽和

空氣塊君更擅長喝

水而不擅長吃冰，

很快就會飽和（冰

飽和）。

咕嘟咕嘟

水蒸氣 冰晶

冰飽和與水飽和

16

17

冰已經(jīng)夠了，但

是想要更多的水

蒸氣讓水也飽和。

對于水來說，水蒸氣測量表的

最大值比在冰的情況下大哦。

為了通過冷卻來進(jìn)行凝

結(jié)，需要很多水蒸氣！

水飽和

在相同溫度下，如果不

是冰而是水的話，就能

夠喝得相當(dāng)多。

水蒸氣 過冷卻云滴

咕嘟咕嘟

圖 7? 冰飽和與水飽和

17

18

19

1

3

云粒子的世界和

云成核實驗

20

云中發(fā)生的事

讓我們來看看云中的世界吧。在云中，各種云質(zhì)粒們相遇、牽手、

離別，像精彩的電視劇一樣展開。云質(zhì)粒在云中相互作用并產(chǎn)生相

變的過程稱為云物理過程（圖 8）。

如果把構(gòu)成云的粒子分成水和冰，那么可以把云分為由液態(tài)的

云滴形成的暖云和含有固態(tài)冰晶的冷云。全是由液態(tài)水構(gòu)成的云稱

為水云，全是由固態(tài)冰晶構(gòu)成的云稱為冰云（冰晶云），既含有液

態(tài)水又含有固態(tài)冰晶的云則稱為混相云（混合云）。

在云中，粒子們經(jīng)歷各種各樣的過程變大或者變小，熙熙攘攘，

非常熱鬧。在圖 8 中，紅色文字表示的過程是伴隨有水的相變的過程，

藍(lán)色文字表示的過程是沒有發(fā)生相變、沒有與大氣發(fā)生潛熱交換的

過程。這些過程，大家不妨仔細(xì)地看一看。