大气中的水
一提到大气，大家是很熟悉的，人们每天生活在大气的海洋里，无时无刻不在和大气打交道，但真正了解它的人并不多，对大气中水汽的认识就更少了。
大气是千变万化的，有时天高云淡，风和日丽；有时狂风怒吼，大雨倾盆；有时寒流滚滚，漫天雪舞；有时隐隐约约，浓雾弥漫。因此，有“天有不测风云”之说。实际上，扮演云雾雨雪的主要角色是水汽。
大气是由水蒸发而形成的，是气态形式的水，既无色，又无臭无味，一般看不见闻不到。有人常常把水壶里冒出来的热气腾腾的蒸汽误认为是水汽，这是一种错觉。实际上，我们能见到的不是水汽本身，而是水汽遇冷后形成的极为微小的水滴。但是，人们可以根据自身感受和日常生活中的经验去了解空气中水汽的多少。譬如，洗过的衣服好长时间干不了，就表明空气潮湿水汽多，相反则表示空气干燥水汽少。
空气湿度的大小与人们的身心健康有着直接的关系。空气中水分多了，湿度大，人身体上的水分和热量不容易散发，因此，你就会感到气闷、呼吸不畅。如果空气中的水分含量少了，空气过分干燥，我们的皮肤和口腔都会感到难受，容易出现皮肤干裂和咽喉干涩。
大气看上去空空如也，但它所能容纳的水分还是有一定限度。如果蒸发的水汽量达到大气的负荷，这时水就不能再蒸发成为水汽，叫做水汽饱和。这同糖在水中的溶化过程很相像。在盛水的杯子里放少量糖，并用勺搅动几下，发现放入的糖全部溶解了，但是如果我们继续往里放，慢慢地，不论怎么搅动，总有一些糖不再溶解了，长时间不化。这时，我们就说糖水已经过饱和了。如果空气中的水汽含量超过大气的负荷，过剩的水汽就会被排挤出来，凝结成水滴或冰晶，这类现象在自然界中屡见不鲜。秋天早晨，草地上的露珠就是大气中的水汽凝结的产物。
大气中所能容纳的水汽量是经常变化的，与气温有密切的联系。气温高，大气中能容纳的水汽多，气温低，大气中能容纳的水汽少。而且空气中的水汽含量不是均匀分布的。从海洋上移来的空气比较湿润，水汽充沛，从干燥内陆上空移来的空气比较干燥，水汽较少。
在水的世界中，大气水的数量很少，大约只占地球上总水量的十万分之一，而它所进行的活动却非常惹人注目。下面就让我们逐一了解大气水的各种形式。天空中的云云云在天上，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，有的达一万多米，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。
云的物理构成
按云的构成，可以分为3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。一般地，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，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℃而高于零下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而变大。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，含水量范围约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几率较小，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。因此，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。属于这类云的主要位于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，习惯上把线性尺度大于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3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是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，水汽压对水面饱和时，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；云层的下部是水云、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的冰晶效应。所以，3种云很难截然分开，它们的生消是错综复杂的过程。
雾
人们常说：“云为天上之雾，雾为地面之云。”意思是，云和雾是相似的，只是出现的高度不同，云出现在高空中，雾则像面纱一样紧紧环绕地面。从本质上讲，雾和云毫无区别，都是悬浮在大气中的小水滴或小冰晶组成的，人们平时经常能有机会领略到它的风光。雾来时，风起云涌，雾散时，变幻莫测。置身其中，雾所见景物，朦朦胧胧，隐隐约约，使人恍如置身仙境，心旷神怡。追溯一下它的身世，雾与云有什么不同呢？
从日常生活中知道，雾大多数时候出现在清晨，太阳出来后，浓雾慢慢变淡，最后消失殆尽。但是很少有人注意到头一天的天气如何。一般情况下，晴朗的天气易于出现雾。
白天，地球表面在太阳照射下，吸收大量的热量，并不断地向大气中输送热量，气温由地面越往高处越低。当晚上到来时，地球表面不能再从太阳那里得到热量，并且由于天气晴朗，白天得到的热量不能有效地保存，很快散失到大气中去。这样一来，依附在地球表面附近的空气迅速冷却。相反，高空的大气受到地面影响较小，冷却得相对慢些，于是出现了与白天正好相反的一种现象：地面气温低，越往高处气温越高。这时，大气处于稳定状态，保证了地面空气的继续冷却。当地面气温降到一定程度，要是空气中水汽充沛，就很容易达到饱和，出现水汽过剩。但是仅有水汽还是很难形成雾的，因为这些水汽没有落脚生根的地方。雾的形成还需要另外一个条件——凝结核。
大气低层的空气中含有很多的微小尘粒，火山爆发，地面上的大风，森林失火，工业烟囱以及人类的许多活动都能产生大量微小的尘粒。这些小颗粒就成了水汽集中的核心，我们称它“凝结核”。过剩的水汽在凝结核周围发生凝聚变成小水滴或小冰晶，悬浮于贴近地面的大气层，随着微弱的气流来回游荡，笼罩着大地，使人们视野不清，这便是雾。正是由于这个原因，尘埃多的地方成雾的机会多些，而且也易形成浓雾。
雾滴是很小的。据观测1立方米的有雾空气中，约有1亿个这样的小水珠，小水珠的平均直径约为1／1000厘米。只要空气中存在着微小的乱流或扰动，这些雾珠就能被托住，即使下落，速度也很慢，所以雾能维持很长的时间。
雾为大自然增添了无限的诗情画意，对农作物有滋润作用，但浓雾缩短了人的视野，对飞行、航海和交通运输带来很大不便。另外，由于雾中温度低，雾上温度高，大气很稳定，使得这些地区排出的废气上不去，散不开，都聚集在地面附近，容易造成严重的污染，世界上一些著名的大气污染事件常常发生在大雾的天气时。
雾是水汽在低层大气中凝结形成的，有时过剩的水汽在地面固体表面，如小草、农作物、石头等固体表面凝结，形成晶莹的小水珠，即为大家所熟悉的“露”。
雨
俗话说得好，“天上没云不下雨”。可见，云和雨的关系是非常密切的。云有千姿百态的云，雨有各种各样的雨——随风飘荡的毛毛雨，惊天动地的雷阵雨，时停时续的间歇雨，延绵不断的连阴雨。
雨
很多人也许会认为雨滴是云滴增大形成的。其实，事情可没有这么简单。如果云里的小水滴能自己长大，直到空气实在托不住了，就降落下来成为雨，可实际上很多云下不了雨。下面让我们来了解一下“雨”。
1.雨
从云中降落下来的液态水滴，直径为0.5~6毫米的称为雨；直径小于0.5毫米的称毛毛雨；过冷的雨滴与空中或地面物体碰撞而冻结的雨，称冻雨。当气温低于0℃时，雨滴在空中保持过冷状态，当它同温度低于0℃的物体或地面相碰时，立即冻结成外表光滑而透明的冰层，称为雨凇。从云中降落，但在空中蒸发而不能降落到地面的细微雨滴，外观常丝丝下垂呈幡状，称为雨幡。
适当雨水可滋养万物，可谓雨贵如油；如阴雨连绵，会暴雨成灾；久晴不雨，造成干旱，都会给人们带来灾难。降雨大小和时间长短与人们的生产，生活密切相关，所以了解雨的物理特性非常重要。一般从降雨强度和降雨形态两方面来判定。
单位时间内降雨量的大小称为降雨强度或简称雨强，常以每小时若干毫米来表达。雨的强度可分大、中、小3级，见下表：降雨强度划分表强度类别小中大按雨量划分≤2.5毫米/时2.5~8.0毫米/时＞8.0毫米/时按降雨情况划分雨落如线，雨滴清晰可辨，下落到硬地和屋瓦上无四溅现象，屋上雨声稀疏轻微降雨如倾盆，雨落如线，雨滴不易分辨，下落到硬地和屋瓦上向四面飞溅，地面水洼有沙沙雨声降雨如倾盆，模糊成片，下落到屋瓦或硬地上，溅起可达10厘米，有哗哗雨声降雨形态主要由上升气流、水汽供应和云的类型来确定。
（1）连续性雨
持续时间较长，强度变化一般较小；常降自雨层云和高层云中，但是有时雨层云中伴生积雨云，则雨强较大。这主要是由于冷暖空气相遇，形成锋面大范围雨区。
（2）对流性
降雨是阵性的，强度变化很快，骤降骤止；天空时而昏暗，时而部分明亮；气温、气压、风等气象要素有时也发生显著变化；常降自积雨云中，浓积云中偶见。这是空气在不稳定情况下，由强对流作用所引起的阵雨，对流性雨常伴有雷暴甚至冰雹、龙卷风等。
（3）地形雨
湿空气受山脉等地形抬升而产生的降水为地形雨。地形作用一般使山的迎风面雨量增大，雨水常降自积状云。如气流上升缓慢，也可形成层状云，从而导致降水。
实际上多数降雨是复合型的。如连续性降水中，也出现时降时停或时大时小的情况，但这些变化都很缓慢，在雨层云边缘部分伴有层积云或高层云就是如此。这种时降时停或时大时小的雨称间歇性雨。
