云的宏观特征

云雾总的特征，即作为整体看的许多特征称作宏观特征。它包括了云的外形、水平伸展、垂直伸展、生命史、
云中温度场、气流场、含水量场等特征。在云雾物理里常只把云中粒子的大小分布和相态结构特征称做微观特征。

云和云系的尺度

从宇宙中看到的地球主要由云和云系所覆盖，这也正是初卫星云图名称的由来。云由水汽凝结形成，而水汽的凝结往往又是对大气动力过程的响应，这些过程包括大范围的垂直运动、对流和混合等。因此，诸如稳定度、辐合、锋面和气旋等动力因素均影响到云的形态和结构。但这并不意味着云仅仅是大气运动的伴随产物，实际上云本身也通过潜热释放、大气中水和水汽的再分配、改变大气中长短波辐射传输等物理过程而影响大气运动。简而言之，云受大气动力过程控制，但对任何大气动力过程的深入研究都必须包括云的过程。

从卫星所拍摄的地球照片上可以看到，有组织的云系覆盖范围能够达到几百甚至几千公里，覆盖了地球表面十分之六的面积。这些云系主要与锋面系统相伴随的地面低压中心和大的地形特征相配合。它们或随着气压场移动，或在某一地区维持，其存在时间可长达数日。
组成云体的单个云滴或冰通过凝结等过程产生，通过蒸发或降水等过程而消失，存在时间很短。云体或云系的持续存在是由新的云粒子的不断生成维持的。这一过程可以想像成云粒子的波动或扰动，它向着新粒子生成的区域传播，也就是说新粒子生成的方向不一定沿着风向。当然，单个云滴、冰或降水粒子运动速度是由环境空气流速和其自身的下落速度相加而得到的速度和决定的。
根据云的形状和尺度差异，一个云系常由一些清晰可辨的不同性质的云体组成，它们的线性尺度可在 1 到 100km的范围，时间尺度可在数分钟至数小时。
为了方便起见，大气科学常把各种大气现象按尺度大小分类。对云同样可按该方法进行分类：

• 大尺度、天气尺度（$\geq 1000km$）：与温带气旋和锋面伴随的云系；
• 中尺度（$1km \sim 1000km$）：主要的云体和云系均在此尺度范围；
• 小尺度（$\leq 1km$）：小而短时存在的云缕、积云中可分辨的小塔状云、小的不规则状云、伴随云滴生消的微物理过程等

云态分类

根据从地面所看到的云的形态对云进行分类，最早是由英国的药剂师 Luke Howard 在 1803 年提出。

他把云按形态分为四类：

• 积云（cumulus: Cu）:垂直方向发展的云;
• 层云（stratus: St）:水平方向伸展的云;
• 卷云（cirrus: Ci）:纤维、丝缕状的云;
• 雨云（nimbus: Nb）;

完整的国际分类包括了多的云类，一些由这四种分类组合的云类，如卷积云、雨层云等，一些由对云存在的高度进行的划分，如高层云等，还有一些给出了去的发展特征，如淡积云、浓积云等。

使空气饱和的主要过程是降温，其中又以上升膨胀冷却为主。上升膨胀冷却形成云的过程又可以分为热力性和动力性两类：热力性主要表现为对流，包括地面局部受热增温、气层上部冷却或下部增温等过程，形成对流性云，包括积云、积雨云、镶嵌状云、堡状云、密卷云等；动力性主要是稳定空气强迫抬升，如沿锋面、高压楔、山坡以及辐合上升，形成锋面云系、上坡雾、背风坡云等。两者可以互相转化，如热力上升的云可因上空稳定层阻挡而平衍为稳定性云，动力抬升的云可因潜热释放而产生对流。但一般而言，热力上升形成的多为积状云，包括动力激发热力不稳定成云，动力上升形成的多为层状云。

云内湿度环境

总体上在 98-102%之间，很少超过 102%的，而且过饱和率多于不饱和的。中值相对湿度约为 100.1%。
也有人在云的边缘测得相对湿度低到 70%，而在云的中心部可高达 107%。

• 比含水量，或叫“质量含水量”，指每单位质量湿空气中所含固态或液态水的质量，常用单位为 $g/kg$ 。类似于水汽含量中的“比湿”。
• 含水量，或叫“体积含水量”，指每单位体积湿空气中所含固态或液态水的质量，常用单位为 $g/m^3$ 。类似于水汽含量中的“绝对湿度”。

上升空气的“绝热比含水量”

空气团绝热上升达到饱和后，若继续上升，则超过饱和部分的水汽凝结出来，成为云中含水的部分。对于比含水量来说，在云底因水汽正好饱和，无多余水汽可凝结，故比含水量为零。
随着空气上升，出现过饱和状态，多余水汽凝结增加比含水量。考虑可逆湿绝热过程，凝结出的液水始终保持在气块内，那气块（云）的比含水量就会随着高度的增大而增大，直到其中水汽全部凝结出时，比含水量达到最大值，气块再上升，比含水量就保持不变了。对于气块不能达到使水汽全部凝结出时的高度，那么气块所能达到的最大高度便是比液水含量的最大值高度。

在此可逆过程中，气块下沉到一定高度处，其含水量与上升时该高度的含水量一致。
因此，可逆湿绝热过程中，空气因绝热膨胀冷却所凝结出的比含水量，称为“（湿）绝热比含水量”，或“饱和比含水量”。其值（$q_{lz}$）应正好等于云底饱和比湿（$q_{sb}$）与各高度饱和比湿（$q_{sz}$）之差。

仍然考虑湿绝热过程，由于比湿和绝对湿度的关系为：$a= \rho q$，同样，绝热含水量 $W_{az}$ 与绝热比含水量之间的关系为：

$$W_{az} = \rho_z q_{lz}$$

使用虚温：

$$W_{az} = \frac{p_z(q_{sb} - q_{sz})}{R_d T_z(1 + 0.608q_{sz})}$$

上升空气块的绝热含水量随高度的变化规律为:

$$\frac{d W_{az}}{dz} = \rho_z \frac{dq_{lz}}{dz} + q_{lz}\frac{d\rho_z}{dz}$$

由于 $\frac{dq_{lz}}{dz} > 0 $，而 $\frac{d\rho_z}{dz} < 0$，因此 $W_{az}$ 随高度的变化决定于上式右端两项绝对值的大小差异。据对实际大气中的计算表明：在较低高度：式右端第一项绝对值大于第二项绝对值，所以 $W_{az}$ 随高度增加。在较高高度：式右端第一项绝对值小于第二项绝对值，所以 $W_{az}$ 随高度减小。因此，在气块上升过程中，存在一个绝热含水量的最大值高度，在此高度，式右端两项绝对值相等。随着云底温度的降低，$W_{az}$ 最大值出现的高度降低。设云底在 900hPa，当云底温度为 20°C，$W_{az}$ 最大值出现在 8km 高度；当云底温度为-5°C，$W_{az}$ 最大值出现在 4.5km 高度就地冷却气层的含水量 < $W_{az}$。

云内实际含水量

云内实际含水量≤可逆湿绝热过程中的理论含水量 $W_{az}$，并受多种因素影响。云水实际含水量主要受以下几个因素制约：

• 在云的上升气流区中心，含水量可能接近 $W_{az}$，愈远离上升气流区，含水量愈小，而在云的边缘，由于云内外乱流扩散或挟卷作用，含水量可远比 $W_{az}$ 小。云中的下沉气流区，以及与干空气混合的区域，由于固液质粒的蒸发，使含水量减小。在降水的地方，当雨雪粒子下降速度随高度降低而减小时，出现降水质量的垂直辐合，含水量会大于 $W_{az}$；反之降水质量辐散的区域，含水量会较小。
• 云厚与云底温度也与云内含水量有关，大体上云层愈厚、云底温度愈高，则其平均含水量及最大含水量都愈大。