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云和降水微物理学

云和降水微物理学

云和降水微物理学是研究云粒子(云滴、冰晶)和降水粒子(雨滴、雪花、霰粒、雹块等)的形成、转化和聚合增长的物理规律的学科。它是云和降水物理学的重要组成部分,又是人工影响天气的理论基础。

目录

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1 简介
2 凝结核化过程
3 冰相生成过程
4 发展
5 参考资料

云和降水微物理学 - 简介

气象图
大气中的水汽凝结而成的云滴很小,半径大约10微米,浓度为每升一万至一百万个,下降的速度约 1厘米/秒,通常比云中上升的气流速度小得多,因而云滴不能落出云底。即使离开云底而下降,也会在不饱和的空气中迅速蒸发而消失。只有当云滴通过各种微物理过程,集聚和转化成为降水粒子后,才能降落到地面。

成云致雨要经过一系列复杂的微物理过程:湿空气上升膨胀冷却,其中的水汽达到饱和,并在一些吸湿性强的云凝结核上,凝结而成初始云滴的凝结核化过程;云中的过冷水滴或水汽,在冰核上冻结或凝华以及在-40℃以下,自然冻结成初始冰晶胚胎的冰相生成过程;水汽在略高于饱和的条件下时,在云滴(冰晶)上进一步凝结(凝华),使云滴(冰晶)长大的
云和降水微物理学
凝结增长过程(凝华增长过程);云内尺度较大的云滴,在下落过程中与较小的云滴碰并而长大的重力碰并过程;冰晶和过冷水滴同时存在时,因为过冷水滴的饱和水汽压比冰面的大,造成过冷水滴逐渐蒸发,而冰晶则由于水汽的凝华而逐渐长大的冰晶过程。降水粒子的尺度大约是云滴的一百倍,但其浓度却仅为云滴的百万分之一。

云和降水微物理学 - 凝结核化过程

人工降雨
云滴由于受表面张力作用,通常呈球形。球形纯水滴表面的饱和水汽压,高于平水面的饱和水汽压。以半径为0.01微米的水滴为例,其饱和水汽压超过平水面的12.5%。在没有任何杂质的纯净空气中,初始的云滴只能靠水汽分子随机碰撞而生成。靠分子随机碰撞而产生云滴的可能性随着尺度增大而变小。

微小的初始云滴,只有在相对湿度达百分之几百的环境中才不致蒸发。但实际大气的水汽含量很少能够超过饱和值的1%。因此,在没有杂质的纯净空气中是难以直接形成云滴的。事实上,大气中存在着各种凝结核,这为凝结成云滴提供了条件。

云凝结核可分成两类:亲水性物质的大粒子,它不溶于水,但能吸附水汽,在其表面形成一层水膜,相当于一个较大的纯水滴;含有可溶性盐的气溶胶微粒。它能吸收水汽而成为盐溶液滴,属吸湿性核。例如海盐的饱和水溶液,只要环境相对湿度高于78%,就可以凝结长大。

随着凝结水量的增加,溶液滴的浓度越来越小,所要求的饱和水汽压也越高。但是,随着凝结水量的增加,溶液滴的尺度也随着增大,所要求的饱和水汽压又随尺度增大而降低。因此,不同浓度和不同尺度的溶液滴要求的饱和水汽压值各不相同,当环境水汽压大于相应的临界值时,溶液滴即可继续增长,随着尺度的增大,溶液滴渐趋纯水滴,这时溶液滴的饱和水汽压也转而下降,一个含千亿分之一克食盐的微粒,只要环境的相对湿度略大于100%,即可成为凝结核而生成云滴。

云和降水微物理学 - 冰相生成过程

云降水物理
在没有杂质(冰核)的过冷水中,冰相的生成(水由气态或液态转化为固态)是由水分子自发聚集而向冰状结构转化的过程。聚集在一起的水分子簇,由于分子热运动起伏(脉动)的结果,不断形成和消失。分子簇出现的概率随温度的降低而增大。当分子簇的大小超过某临界值时,就能继续增大而形成初始冰晶胚胎。直径为几微米的纯净水滴,只有在温度低于-40℃时才会自发冻结;但当过冷水中存在杂质(冰核)时,在杂质表面力场的作用下,分子簇更容易形成冰晶胚胎。自然云中冰晶的生成,主要依赖于杂质(冰核)的存在。在-20℃时,每升空气中约有一个冰核,仅为同体积中云凝结核浓度的几十万分之一。因此云中冰晶的浓度,一般远远小于水滴的浓度。

云中空气上升而膨胀冷却时,水汽不断凝结。在凝结过程中,云滴半径的增长速度和云中水汽的过饱和度成正比,与云滴本身的大小成反比。所以在确定的水汽条件下,云滴凝结增长越来越慢。在0.05%的过饱和条件下,一个由质量为十亿分之一克食盐生成的初始云滴,从半径为0.75微米开始,增长到1微米时需要0.15秒的时间,增长到10微米时需30分钟,而增长到30微米时,就需要四小时以上的时间。虽然水汽在少数大吸湿核上凝结之后,可产生大的云滴,但如果要它继续增长到半径为100微米的毛毛雨,就需要更长的时间,而积云本身的生命大约只有一小时,故在上述情况下不可能形成雨滴;在层状云中,气流上升的速度,只有几厘米每秒,当大云滴在不断下落的过程中,还来不及长成雨滴,就会越出云底而蒸发掉。总之,在实际大气中,单靠水汽凝结是不能产生雨滴的。

云滴相互接近时,发生碰撞并合而形成更大云滴的现象,称为云滴碰并增长。在重力场中下降的云滴,半径大的速度较快,可赶上小云滴而发生碰撞并合,这称为重力碰并。但半径不同的云滴相互接近时,由于小滴会随着被大滴排开的空气流绕过大滴,所以在大滴下落的路途中,只有一部分小滴能和大滴相碰。相碰的云滴,也只有一部分能够合并,其他则反弹开来。碰并的比例称为碰并系数,其数值由大小云滴的半径所决定,通常都小于1。半径小于20微米的大云滴对小云滴的碰并系数很小。大云滴穿过小云滴组成的云体时,其半径在碰并过程中的增长率与碰并系数、大小云滴之间的相对速度和小滴的含水量都成正比。大云滴的半径越大,碰并增长得就越快。

在实际大气中,云滴间的碰撞是一种随机过程。云中一部分大云滴碰并小云滴的机会比平均结果大,所以长得特别快;而其他云滴的碰并速度,则比平均结果慢。由于雨滴的浓度只有大云滴的千分之一左右,所以只需要考虑那些长得最快的少数大云滴长成雨滴的过程。用这样的概念建立起来的随机碰并增长理论,所得到的雨滴生成时间,比连续增长的时间大大缩短,这与实际情况更加接近。此外,气流的湍流混合作用和云滴在电场作用下的相互吸引,也能使云滴相互接近而发生碰并。一般认为这两种机制,主要是对小云滴的增长起作用。由液态水构成的云体,若有足够的厚度、足够的上升气流速度和液态含水量,其中的大云滴就可以在碰并过程中长大为雨滴。这种过程称为暖云降水过程。

云降水回波
半径大于3毫米的雨滴,在下降过程中会严重变形,有时会破裂成若干小雨滴;在大小雨滴相互碰并的过程中,有时也会分离出一些较小的雨滴,这些情况,统称为雨滴的破碎过程。这种由小雨滴在云中反复经历了上升、增长、下落和再破碎的过程之后,在一定条件下迅速形成大量的雨滴,称为朗绥尔连锁反应。在同一零下温度时,冰面的饱和水汽压比水面的小,故相对于水面饱和的环境水汽压而言,冰面的水汽压就是过饱和的,所以在温度低于0℃的过冷云中,一旦出现冰晶, 就可以迅速凝华增长。

伯杰龙根据这个道理,于1933年提出了降水粒子的生成机制。他认为:在低于0℃的云中,有大量的过冷水滴存在,冰晶的出现,就破坏了云中相态结构的稳定状态;云中水汽压处于冰面和水面饱和值之间,水汽在冰面上不断凝华的同时,水滴却不断蒸发;冰晶通过水汽的凝华,可迅速长大而成雪晶。这样,水分从大量的过冷水滴中不断转移到少数冰晶上去,终于形成了降水粒子。这即为冰晶过程,又称伯杰龙过程。

过冷水滴一方面蒸发,水汽向冰晶转移,使冰晶长大;一方面又和雪晶碰撞而冻结,使雪晶进一步长大。如果参加碰撞而冻结的过冷水滴很多,雪晶就会转化为球状的霰粒。雪晶还可能在运动中相互粘连成雪??化者,就是雪霰等固体降水;落到温度高于0℃的暖区时,就会融化成雨滴。冰晶浓度在很多场合下高于环境的冰核浓度,这说明参与冰晶过程的冰晶,不仅从冰核作用过程中生成,而且当雪晶等固体降水粒子在-5℃左右和直径大于24微米的过冷水滴碰撞冻结时,或者当松脆的枝状冰晶碎裂时都可能产生一些碎冰粒。这种产生次生冰晶的过程,称为冰晶繁生。

在中纬度地区,形成大范围持续降水的层状云,往往比较深厚,云顶常在0℃层以上:因而云体的上部温度较低,有大量冰核活化,这是产生冰晶的源地。冰晶长大之后降到云体中部,那里有大量的过冷水滴,可通过冰晶过程将水分供给冰晶,使冰晶继续生长。故一般称这种云的上部为播种云,中部为供应云。在这种过程中长大的雪晶和雪团,落入下部0℃以上的暖云中,就融化成为雨滴。在雷达荧光屏上,常可观测到显示这种融化过程的亮带。

云和降水微物理学 - 发展

对于云和降水粒子形成、增长和转化的规律的认识,主要是从理论研究和可控条件下的实验中得到的。实际上,自然云的环境和相应的微物理进程十分复杂,加上观测方面的困难,对它们的认识还很粗浅。因此云和降水微物理学的发展方向,主要是探测和研究以自然云为宏观背景的粒子群体的演变规律。

云和降水微物理学 - 参考资料

大科普网 http://www.ikepu.com/geography/atmospheric/branch/clouds_precipitation_microphysics_total.htm
大唐资料库网 http://info.datang.net/D/D0221.htm
泽泽网 http://www.zzgwu.com/wiki/index.php?doc-view-522156

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