4

0 级

看见过云

测一测你的

爱云技术等级

4

1 级

2 级

3 级

4 级

5 级

曾经有过

腾云驾雾

的想法

拍过云的

照片，并

在社交网

络上分享

拥有这套

《超有趣

的云科学》 知道三种

以上云的

名称

能够利用

雷达图知

道何时下

雨，从而

不被雨淋

5

5

6 级

7 级

8 级

9 级

10 级

能够预测

大气光学

现象，并

亲眼验证

预测云的

出现，并

开始追寻

它们

生命中不

能没有云

用肉眼对

云质粒的

种类进行

大致判断

分享对云

的热爱，

改变其他

人的生活

6

曾经听到有人说“小时候经常仰望天空，现在都不留意

看了”，可能很多人都有这样的感慨吧。大家还记得盛夏的

感觉吗？蔚蓝的天空飘浮着大团大团的云朵，这一壮观景象

让人真切地感受到夏天的热情。大家想必也见过，猛烈雷雨

过后出现的让人心醉的美丽彩虹吧。

如果我们抬头仰望，几乎每天都能看到云朵，云作为大

自然的一部分，一直都在我们身边。或许，很多朋友在竞争

激烈的社会中拼搏，学生们忙于学业，成年人忙于工作，大

家很少有机会再去仰望天空。我创作《超有趣的云科学》这

套书的目的就是给这些朋友提供一个机会，让大家尽情享受

仰望天空的乐趣。此外，对于那些平时留意观看天空、喜欢

在社交网络上发布云和天空照片的朋友，我还会分享一些技

巧，让大家能够遇到自己喜欢的云朵，享受更多观云乐趣。

前言

6

7

刚开始我以“爱云的技术”为题目做讲座的时候，参加

讲座的气象“发烧友”提问道：“爱云还有技术吗？”是的，

爱云也是有技术的。当然，即便没有这种“爱云的技术”，

也可以很好地享受观云的乐趣。你可以尽情地想象乘坐“筋

斗云”在天空遨游，可以惊叹于停留在山顶附近的长得像不

明飞行物的奇怪云彩，你还可以和三两好友谈笑风生，望着

云朵露出开心的笑容。然而，你要是学会了爱云的技术，你

对云的爱会变得更加深沉。

现在我是一名专门研究云的“云彩研究者”，但是我之

前并没有非常喜欢云。在写前一本书《云中发生了什么事》

的时候，我第一次思考应如何描述云朵的“内心”，才算真

正开始认识云。从那时起，云不再是单纯的研究对象，它们

变得栩栩如生，开始跟我聊天，而我的世界也从此大不相同。

我领悟到，只要主动去了解云，倾听云的声音并解读它的内心，

我们就可以和云进行沟通，并爱上云。可以说，“越是相知，

越是相爱”。我写这套书就是想和爱云爱得无法自拔的广大

云友们分享，加深大家对云的喜爱，并把这种喜爱传播开来。

这套《超有趣的云科学》共分为 5 册，向所有爱云的小

朋友和大朋友讲述关于云朵你需要知道的那些事。

7

8

在《超有趣的云科学  ①云从哪里来》里，你能学到和云

相关的基本知识，初步认识怎样的大气条件下能产生云。

在《超有趣的云科学  ②这是什么云》里，你能学到世界

各国气象机构统一使用的云朵名字和分类方法。这样，你就

能认识遇到的云朵小朋友的名字了。

在《超有趣的云科学  ③天空大揭秘》里，你能看到更多

美丽的云和天空现象，例如彩虹、宝光、月晕、曙暮光条等，

还能学习它们背后的科学原理。

在《超有趣的云科学  ④云的超能力》里，你能认识云朵

的更多用途。有的云能带来灾难，有的云能帮你躲避危险。

在《超有趣的云科学  ⑤云朵好好玩》里，你能学到各种

各样的科学实验和游戏，供你和云朵小朋友一起玩耍，加深

你们之间的友谊。

这套书大部分的内容讲解都配有照片和图解，所以你拿

到书之后可以大致翻翻，从感兴趣的部分开始阅读。当你读

着读着，觉得有些晦涩难懂的时候，不妨先去看看第 5 册放

松一下。

如果通过本书，大家能够更好地和云相处，例如能更加

了解云，能看到美丽的云和天空，能和带来恶劣天气的云保

持适当的距离，那么我就心满意足了。

8

9

爱云吧！

我把爱云技术水平分为从 0 到 10 的不同等级（读到这里

的朋友，恭喜你，你已经达到 4 级水平了），尽管这个分级

标准有一定的主观性，但还是建议大家在阅读正文之前先测

试一下自己的等级，等到看完这套书、和云打过一段时间的

交道之后，再来检查一下，看看水平提高了多少。

我还收集了映衬在蓝天下的白云（第 1 册卷尾）、色彩

缤纷的虹彩云以及红彤彤的火烧云（第 5 册卷尾），也请大

家欣赏一下这些能带来好心情的云朵。

我梦想着世间能够充满对云的热爱——有趣的云和天空

可以让街上的行人停下脚步，让小朋友奔向不一样的大自然，

云友们可以尽情抒发自己对云的喜爱。为此，我诚挚地希望

借助此书，给云友们送上一个充实的爱云生活。

9

10

某云彩研究者爱云爱得太痴迷，逐渐结识了一群“云友”。为了让

大家更加喜欢云，这些云友们将现身说法，帮助他讲解云朵的知识。

空气的团块，本书的中心人物。天真

淳朴，身体大小会随着温度的变化而

改变。喜欢水蒸气，喝了太多的水后，

身体内的水会溢出来形成云

由大量的水滴和冰晶构成的组织，有

很多种类。云朵是天真淳朴的老实孩

子，它会通过伸展身体，告诉我们天

空的情况和将要发生的天气剧变

气态的水，它的存在对

云来说必不可少，颜色

会随温度而变化

固态的水，和水滴不太

一样，外形多种多样

根据云的状态而改变自身的样子，是传达天空心情的信使

液态的水，形成云

的成员之一

空气块君 云朵

水蒸气

雪晶们

带有云滴的晶体 霰

xiàn

云滴 冰晶

登场角色

上升气流

下降气流

雪片

雹

b1o

10

11

在天空中不断相遇、

离别，最后落下来的

雨点

伴随着水的变身而吸收

或者放出的能量

大气中漂浮的微粒，

种类多，谜团也多，

可以左右云的一生

明亮的光 热而轻，迅速顺势而上 冷而沉，擅长托举抬升

雨滴 潜热

太阳 暖空气

可见光战队·彩虹游骑兵

相扑手

槽 台风

冷空气

气溶胶颗粒

龙卷风制造机 温带气旋 观测者

11

12

目 录

1 天空没有两朵完全一样的云

你喜欢云吗 2

“云”究竟是什么 5

2 云的真相

水的相变 8

水蒸气和空气块 12

水在零度不结冰 14

3 云粒子的世界和云成核实验

云中发生的事 20

云和气溶胶颗粒 22

有趣的水粒子 29

有趣的冰粒子 31

12

13

4 地球大气如何孕育云

产生云的大气层 40

产生云的大气条件 44

孕育积雨云的大气条件 48

5 云和风的关系

风吹起来的原因 56

气团交界的“锋” 58

神秘的涡旋 61

好美好美白云 67

13

14

1

1

1

天空没有两朵

完全一样的云

2

云就好像小孩子，有着不一样的名字、不一样的性格（图 1）。

云和人一样具有个性。如果大家遇到了喜欢的人，就会想要知道那

个人的名字和性格。比方说，如果遇到相貌美丽、性格开朗的人，

就会产生好奇心，然后会继续观察，从而了解这个人的爱好、周围

的朋友、成长环境和行为模式。逐渐了解之后，你还可以预测对方

你喜欢云吗

2016 年 8 月 3 日摄于日本茨城县筑波市

图 1 夏天的暑气和秋天的凉气相遇产生的云朵

3

的行动，然后想办法相遇。这一点不仅适用于人类，也适用于云朵。

生活在地球上的我们，与云有着深厚的缘分。云就像我们的家

人一样，几乎每天都能见到。正因为云对我们来说是如此的熟悉，

所以，如果我们不只关注它们的外表，连性格和行为模式也去了解

一下的话，就会对它们产生兴趣，交流也会逐渐顺畅起来。

一旦能和云交流，我们就能自行发现美丽的云和天空（图 2）。

只要具备基本的气象知识，知道大气现象的构成、产生条件等，那

2017 年 8 月 8 日摄于日本东京都西东京市，寺本康彦供图

图 2 染上了霞色的双彩虹

4

么遇见美丽景象的概率就会飞跃性地提升。而且，在注意到云的情

绪变差时，我们能够与之保持适当的距离，保护自身远离自然灾害。

当我们学会看云识天气，懂得根据云、天空来预测天气的变化时，

云就会舒展开身体，向我们传达天空的心情（状态）。有些会招来

灾害的云常常被当成“坏家伙”，但其实它们的存在是一种预兆，

让我们看到未来，告诉我们危险即将到来。

云朵根据大气运动和状态而改变自身的形态，表明了它们的纯

朴；云朵严格遵守物理法则来行动，体现了它们讲规矩，这些都让

人愈发热爱云朵。

爱云的技术是一门“每天熟悉和喜爱云朵，并

聆听云朵告诉我们天空的心情”的技术。

爱云的方式因人而异，很多人都喜欢外貌美丽、气质优雅的云

朵，只要能够有幸遇到夏日天空升起的浓积云、染上了虹彩色的云

和天空，就会十分开心。

5

那么，究竟什么是云呢？云是

一种肉眼可见的、由飘浮在地球大

气中的大量微小水滴和冰的晶体所

组成的集合体。云之所以能展现出

各种各样的姿态，是因为构成云

的微小的水滴——即云滴和冰的晶

体——冰晶会随着大气流动而流动。

构成云的云滴和冰晶统称为云质粒。

云质粒以 1 厘米每秒左右的速度在大气中降落，然而，因为大

气中存在超过该速度的上升气流，所以云质粒能够浮在大气中。另外，

虽然单个的粒子过于微小，我们无法看到，但是非常多的云滴和冰

晶集合在一起，使太阳光中我们肉眼可见的可见光发生散射，这样

我们就能够看到云（第 3 册第 1 章）。

想象一下，浮在空中的一朵朵云都是由数量庞大的粒子组成的，

不禁有些心潮澎湃了吧。

“云”究竟是什么

云朵小知识

云滴的直径一般在 100

微米以下，是悬浮在空

气中的小水滴。

6

7

1

2

云的真相

8

水的相变

这里，让我们先把重点放在云的身体上。浮在空中的那些形成

云质粒的云滴和冰晶是由水形成的。水具有气态的水蒸气、液态的

水滴、固态的冰晶这三副面孔（相），我们将水在这三种相之间的

转变称为相变（图 3）。

水所具有的能量（热量）因相的不同而不同，能量从高往低依

次是气态、液态、固态。因此，大气中的水如果要从一种相转变成

另一种相，就需要吸收或释放能量。它吸收或释放能量的对象则是

周围的空气，随着大气中的水发生相变，周围的空气被加热或被冷

却。因转变成的相不同，热量对应的称呼也不同，可以统称为相变

潜热或者潜热。人出汗时，吹一吹电风扇就会感到凉爽，这是因为

皮肤上的汗（液态的水）蒸发变成水蒸气时吸收并带走了皮肤及其

周围的潜热。

云产生、成长时，首先是水蒸气经过凝结、凝华的过程形成云

质粒（图 4）。这些过程不只发生在云的表面，也发生在云的内部。

正因为这样，在成长中的云内，随着水的相变而释放出潜热，云内

的空气会比外面的空气稍微温暖一些。

另外，在云内成长起来的水滴、冰晶最终会变大，变成雨或雪，

9

气态

固态 液态

能量：高

能量：低 能量：中

（水）

（水蒸气）

（冰）

被吸进去啦！

被吐出来啦！

图 3  水的相变及其伴随的潜热释放和吸收

9

10

潜热吸收

潜热释放

图 4  云中的潜热释放及吸收

10

11

并向云的下方降落。这种从云中降落的水构成的粒子称为降水粒子。

降水粒子降到地面上的现象称为降水，这种情况下，降水粒子如果

是雨就称为降雨，如果是雪就称为降雪。

降水粒子在下落的时候，有时会在气温 0 摄氏度的层（融化层）

发生雪的融化，有时是与云周围的干燥空气接触发生升华、蒸发。

这样一来，周围的空气因为潜热被带走了而变冷、变重，因此产生

了下降气流，这种下降气流会因为下落的降水粒子拖拽周围的空气

而加速，这种效应称为载入效应。

也许可以说，云成长壮大的时候会变热，但是云

衰老的时候会感觉身体和内心都有些冷。

12

水蒸气和空气块

云质粒包含的云滴和冰晶都是水，所以对于云的产生来说，水

蒸气是必不可少的，水蒸气是大气中的气体之一。这里，我们可以

试着想象一下某一温度下的空气块（parcel），在本书中，我们将

把这种空气块拟人化，称其为空气块君，并让空气块君为我们做一

次生动形象的讲解吧（图 5）。空气块君如果完全不含水蒸气，就

称为干燥空气，如果含有水蒸气，则称为湿润空气。

空气块君是比较喜欢含有一定水蒸气的。空气块君吸收水蒸气

一直吸到饱之后所呈现出的状态，我们称之为饱和，这是图 5 中水

蒸气测量表刚好满载的状态；空气块君还未吸足水蒸气时的状态称

为不饱和；即使超过临界点仍然能继续吸收水蒸气的状态则称为过

饱和。表示水蒸气含量的指标是湿度（百分比单位），饱和时湿度

为 100%。空气块君很能忍耐，在实际的大气中，湿度可能会略微

超过 100%，但是，因为某些原因，一旦超过临界就会凝结，形成

云滴、冰晶，它们就是形成云的云质粒。

此外，空气块君温度高的时候，就会含有很多水蒸气，相反，

温度低的时候基本不含水蒸气。具体地说，0 摄氏度的空气块君每

13

立方米含有大约 5 克水蒸气，而同样体积下，40 摄氏度的热空气

块君能摄取大约 50 克的水蒸气。电视上的天气预报节目中会出现

“温暖潮湿的空气……某些区域将会有雨”的叙述，就是因为高温

的空气包含更多的水蒸气，容易和大雨等现象产生关联。

饱和

不饱和 过饱和

足够了。正好了。不要更多的了。水蒸气

刚好满员哦。

水蒸气

水蒸气

有空位哦。

水蒸气快来！ 一受刺激水就凝结。 超过额定数量了哦！

这种情况下，水蒸气进出空气

块君的速度是一样的。

已经喝饱了（平衡状态），所以不

会继续吸收水蒸气。

要一直喝到饱的

空气块君

即使超过临界，一定程度下也

能忍着继续喝。但是超过容许

量的水蒸气都不得不以液态水

的形式流到外部。这种情况下，

空气块君受到稍许的刺激，就

会成为凝结的状态。

嗝

嗯……

图 5  饱和、不饱和与过饱和

14

水在零度不结冰

水在 0 摄氏度结冰，这是大家都知道的常识。然而，在云中，

即使在低于 0 摄氏度的温度下，也存在液体状态的水滴。这种不结冰、

保持着液体状态的过度冷却的状态被称为过冷却，此时的云滴被称

为过冷却云滴。

我们用冰柜制冰时，制冰盒的水会与容器接触（图 6）。事实上，

“水在 0 摄氏度结冰”是一个很严格的条件。如果水与容易成为冰

核的物体接触，或者水中含有容易变成冰核的杂质，那么温度一旦

低于 0 摄氏度水就会开始结冰。然而，在云中，云滴是孤独

的，和谁也不接触。因此很难结冰，实际上在云朵内即使是

零下 20 摄氏度的低温环境下也存在过冷却云滴。

气温低于 0 摄氏度时，空气块君的行为举止也和常温下略有不

同，可以分为相对于过冷却水的饱和（水饱和）和相对于冰的饱和（冰

饱和）（图 7）。空气块君在低温环境下能够咕嘟咕嘟地摄取液体水，

但是冰不会这样，冰会很快达到饱和。所以，过冷却云滴的成长需

要大量的水蒸气，而冰晶的成长所需的水蒸气量较少。因此，同样

的环境下，如果过冷却云滴与冰晶同时存在，周围大气中的水蒸气

就会向更容易生长的冰晶靠近，缺失的水蒸气会由过冷却云滴蒸发

15

冰格里的冰

云内的过冷却云滴

※ 即使在零下 20 摄氏度，也

存在很多过冷却云滴。

与容器接触，或

以杂质为核，就

能变成冰。

在云中因为不和其他物

体接触所以很难结冰。

来补充，结果相当于冰晶夺取周围云滴蒸发的水分。这就像在云中

打了一个洞，生长的冰晶便会形成拖尾状的云朵（第 4 册第 2 章）。

这样想象一下云滴和冰晶交换水蒸气的样子，会觉得挺有意思的。

图 6  云内的过冷却云滴

16

足够了。冰已经吃不下了。

即使水蒸气数量不再增加，

也会凝华变成冰。

冰饱和

空气块君更擅长喝

水而不擅长吃冰，

很快就会饱和（冰

饱和）。

咕嘟咕嘟

水蒸气 冰晶

冰饱和与水饱和

16

17

冰已经够了，但

是想要更多的水

蒸气让水也饱和。

对于水来说，水蒸气测量表的

最大值比在冰的情况下大哦。

为了通过冷却来进行凝

结，需要很多水蒸气！

水饱和

在相同温度下，如果不

是冰而是水的话，就能

够喝得相当多。

水蒸气 过冷却云滴

咕嘟咕嘟

图 7  冰饱和与水饱和

17

18

19

1

3

云粒子的世界和

云成核实验

20

云中发生的事

让我们来看看云中的世界吧。在云中，各种云质粒们相遇、牵手、

离别，像精彩的电视剧一样展开。云质粒在云中相互作用并产生相

变的过程称为云物理过程（图 8）。

如果把构成云的粒子分成水和冰，那么可以把云分为由液态的

云滴形成的暖云和含有固态冰晶的冷云。全是由液态水构成的云称

为水云，全是由固态冰晶构成的云称为冰云（冰晶云），既含有液

态水又含有固态冰晶的云则称为混相云（混合云）。

在云中，粒子们经历各种各样的过程变大或者变小，熙熙攘攘，

非常热闹。在图 8 中，红色文字表示的过程是伴随有水的相变的过程，

蓝色文字表示的过程是没有发生相变、没有与大气发生潜热交换的

过程。这些过程，大家不妨仔细地看一看。