张学文2002.06公布于
制造一个器物需要材料，
研究一个特定的科学学科需要特定的概念。在科技领域，特定的概念经常还是定量的概念。
大气水文学研究大气中的水。这里的“水”固然就是化学中的H20，但是它关注水在大气中的特点。描述这些特点就得引入新的概念。人类在很早就有了“云、雨、雪”这些概念，它们也是大气水文学用到的概念。大气水文学要吸收来自日常生活、气象学理论和实践的有关概念，但是它不能仅研究“树木”不研究“森林”。大气水文学要形成关于自己的基本概念。
这里把大气水文学用到的基本概念做简要介绍。它们分别是：事物的彩粒模型、分布函数、水粒子、降水过程、蒸发过程、水分循环与平衡、能量平衡。其中彩粒模型、分布函数是笔者在组成论[1]中推荐使用于描述很多事物的一般概念，后面的4个概念是针对大气水文学的基本概念。
客观事物都很复杂。用语言（声音、文字、符号）描述它就得把客观事物简化。简化就是把客观事物模型化。认为某研究对象（事物、系统、总体）符合“彩粒模型”就是简化某些客观事物的一种有效思路。
彩粒模型首先从某种角度把研究的事物分为若干个地位相同的个体，每个个体通称为“粒子”。即事物由个体（粒子）组成。3年级有43位同学，承认每个同学的地位相同，43位同学就是43个个体，43个粒子。
“个体”这个词强调各个个体地位的全同性。但是每个个体不可能在一切方面都相同。为了研究各个个体在某些方面的差异性，我们把这种差异性比拟为各个个体（颗粒）的颜色可以是不同的。即彩粒模型视角下的事物是由不同颜色（彩色）的粒子组成的。“彩色”仅是抽象比拟，它可以指例如43个同学穿的衣服的颜色的不同，也可以指语文考试成绩的不同。但是在本模型中每个个体仅具有唯一的颜色。
图2.1彩粒模型
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在上面的图描述了一个客观事物（总体）是由10个个体组成。而个体有黄、杏红、紫三种（浅灰、灰、深灰）颜色。我们用客观事物内的每个小球的大小相同体现个体（粒子）的全同性，用颜色的不同体现不同个体的差异性。
幼儿园的10个小朋友穿了不同颜色的衣服符合这个模型，10次降水过程有2次小雨5次中雨3次大雨也符合这个模型。13亿中国人是13亿个个体，其年龄有差异也符合这个模型。
“彩粒模型”是个比拟，一般提法是：事物由很多地位相同的个体（粒子）组成，就某个特征（标志）而言，每个个体具有唯一的（单值）特征值、标志值。
彩粒模型中的粒子是个相对概念。在本层次内，每个粒子是不可再分的，没有结构的单点。如果你在另外一个层次考察问题，粒子要另外定义。在天文学中可以把一个恒星看作是一个粒子，而在化学中可以把一个分子看作是粒子。这都取决于我们在那个层次考察它。
我们不去争辩每个具体的事物是否都符合这个简单模型，但是在组成论研究中指出很多领域的很多研究对象都符合这个简单模型。配合分布函数概念，彩粒模型可以定量应用于大气水文学中。
当一个研究对象（事物）符合彩粒模型时，问不同颜色（不同特征）的个体（粒子）各有多少，这个问题的答案就是该彩粒模型的分布函数。
对于前面的例子，该彩粒模型的分布函数就是给出黄色、杏红、紫色的小球分别各有多少个。为此可以用下面的表描述它，也可以用下面的图描述它。
表2.1
不同颜色的粒子个数各有多少
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特征值（标志值、颜色） |
黄色 |
杏红 |
紫色 |
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粒子的个数 |
2 |
5 |
3
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图2.2
不同颜色的粒子个数各有多少
气象站在一次降雹的过程中收集了100个冰雹粒子。如果以冰雹的直径作为特征值、标志值（颜色），这些冰雹符合彩粒模型。如果测量了不同直径的冰雹各有多少，也就得到了这个模型的分布函数。例如它们可以是下表
表2.2
不同直径的冰雹粒各有多少的关系体现为一种函数关系
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冰雹直径x(特征值、标志值) |
<5mm |
5-10 |
10-20 |
20-30 |
>30 |
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冰雹个数y（粒子数量） |
56 |
25 |
12 |
5 |
2 |
以x，y分别表示冰雹直径和个数，上面的表格体现了每个x 值都对应唯一的y
值。这与数学中用 y=f(x)
表示函数是一致的。由于这个函数描述了100冰雹粒子是如何分布在各个直径上的，或者各个直径的冰雹是如何分布在100个粒子中的，所以我们把这个函数称为分布函数。
如果粒子个数非常多而特征值是连续变量（取值），分布函数就可能用一个连续函数表示。更多的例子后面介绍。
根据彩粒模型的定义，每个明确的彩粒模型必然已经知道了不同的特征值的个体各有多少。即：
把一个含糊的，头绪很多的事物整理为一个明确的、简单的彩粒模型，也就自然地得到一个关于它的分布函数。在科学上得到一个函数经常等价于得到一个公式或者客观规律。
气象学研究包围着地球的空气，其理论模型是把空气看作连续性的流体。大气水文学研究大气中的水分。大气中的水分既可以以气体状态（相态）存在，也可以以液体或者固体状态存在。气体的水分使用连续流体模型，而且符合气体的一般规律。大气中也有液体形态和固体形态的水分，它们都以颗粒形态存在于大气中。
现代科学有时把以颗粒形态存在的物质称为物质的第4态。我们把由若干个水分子组成的孤立存在于大气中的颗粒（个体）称为大气水粒子（简称为水粒子）。每个雾滴、云滴、小冰晶体、雨滴、雪花、霰、冰雹都是水粒子的特例。
大气水粒子就是以水分为主要成分的存在于空中的颗粒。
大气是由连续介质（氮、氧、水汽等）流体、水粒子和其他的颗粒三部分组成。
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空气成分 |
连续的气体介质 |
颗粒 |
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水粒子（雾滴、云滴、小冰晶体、雨滴、雪花、霰、冰雹等） |
其他颗粒 |
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特点 |
服从气体定律和流体力学原理（由N2,
02, Ar, CO2, H2O等分子、原子组成，由于其个数数量太多，做连续介质处理） |
做孤立存在于空气中的颗粒处理 |
做孤立存在于空气中的颗粒处理 |
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占大气总质量的99.9% 与外界的接触面积很小 |
占大气总质量的比例很小，但是与外界接触的面积很大，大的水粒子以降落形式从大气中析出。 |
占大气总质量的比例很小，与外界接触的面积很大。可以是气体水分子的凝结核，使之成为水粒子。 |
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表2.4 给出了大气中的水分子、水粒子和其他颗粒的尺度大小。
1000纳米（nm）=1微米（μm）；
1纳米（nm）=10-9m
1000微米（μm）=1毫米（mm）；
1000毫米（mm）=100厘米（cm）=1米（m）
表2.4
大气中某些粒子的线形尺度（特征长度）[2]
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粒子名称 |
特征长度 |
说明 |
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水分子 |
0.1nm |
大气中气体状态的水的基本存在形态，作连续介质处理 |
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其他颗粒 |
nm -μm |
水汽分子的凝结核等 |
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海盐粒 |
1μm |
0.1-10μm |
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冰晶 |
10μm |
云的小颗粒（结晶水状态） |
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云滴、雾滴 |
10μm |
1-50μm |
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雨滴 |
1mm |
毛毛雨0.05-0.25mm，阵雨 1.5-3.5mm |
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霰 |
1-2.5mm |
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雪花 |
2.5-10mm |
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米雪 |
<0.5mm |
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冰雹 |
2.5-5mm |
特别大的10厘米 |
存在于气体中的各种颗粒（颗粒本身是某种液体或者固体）的总体一般称为气溶胶。在气象学中有“大气水成物”一词（hydrometeor），它的含义与水粒子概念比较类似。“大气水成物”泛指在大气中由水分子凝结成的云、雨、雪、雹，但是它的含义侧重云、雨、雪、雹的总体而不是单个的粒子。水粒子概念侧重描述单独的个体。所以也可以说各种大气水成物都是由对应的水粒子（云滴、雨滴、雪花、雹粒）组成的。