云降水物理期末復(fù)習(xí)_圖文_百度文庫

1、云降水物理復(fù)習(xí)整理第一章 緒論云降水物理具體而言就是研究云、霧和降水和形成、發(fā)展、維持和消散規(guī)律的科學(xué)。宏觀云物理學(xué):研究水平尺度 10m 100km 以至 1000km , 垂直厚度 10m 10km 范圍內(nèi)云的形成、發(fā)展和消散的動 力過程;微觀云物理學(xué):研究云體的組成元素 云粒子(包括云滴、冰晶和降水粒子(雨、雪和冰雹等所經(jīng)歷的凝結(jié) (華 、碰并和蒸發(fā)等過程;第二章 云霧降水形成的物理基礎(chǔ)(云霧形成的宏觀條件云是由大氣中水汽凝結(jié)或凝華形成的足夠數(shù)量的微小水滴、過冷水滴、冰晶、雪晶等水凝物粒子單一或混合組成, 形狀各異漂浮在天空中的可見聚合體。組成云體的單個云滴或冰晶通過凝結(jié)等過程產(chǎn)生,通過

2、蒸發(fā)或降水等過程而消失,存在時間很短。云體或云系的持續(xù)存在是由新的云粒子的不斷生成維持的。濕空氣達(dá)到飽和的主要途徑:對相對濕度方程 f=e/es取對數(shù)微分得:df f =dee deses;帶入平純水面的雙克方程 deses=LvdT RvT2 ,得df f dee LvRvTdTT,帶入 Lv、 Rv、 T得:dff dee 19.8dTT,這就是相對濕度變化方程。所以增大相對濕度有兩個途徑:增加水汽即增濕(de>0和降溫(-dT>01. 降溫:(1 上升膨脹冷卻:對流 (孤立對流、 鑲嵌對流即細(xì)胞對流 ; 斜升 (鋒面斜升、 地形斜升 ; 波動 (風(fēng)切變、 氣流過山 。(2 平

3、流冷卻:暖濕空氣流經(jīng)冷下墊面。(3 輻射冷卻:夜間輻射冷卻。2.增濕:(1 增濕:平流增濕(冷空氣流經(jīng)暖水面、濕空氣流入冷地面 ;水汽運(yùn)載輻合,繼之以上升膨脹冷卻。(2 湍流混合(溫濕均變 :濕空氣垂直混合;濕空氣水平混合。3.降低水汽飽和標(biāo)準(zhǔn):(1 冰相出現(xiàn):云頂或高云的冰晶自然播散;凍結(jié)核。(2 大滴出現(xiàn); (3溶液出現(xiàn); (4降溫; (5水滴帶電4. 微觀增濕和降溫 :(1 水汽垂直擴(kuò)散; (2蒸發(fā)海洋、大氣和陸地的水,隨時隨地通過蒸發(fā)、水汽輸送、降水、下滲和地表與地下徑流等水文過程,進(jìn)行著連續(xù)的 大規(guī)模交換,稱為水分循環(huán)。大氣降溫機(jī)制:絕熱降溫:設(shè)一濕空氣塊,在它達(dá)到飽和以前絕熱上升

4、100米,溫度大約降低 0.98 (干絕熱遞減率 ,露點(diǎn)溫度大 約降低 0.150.20,比氣溫降低慢得多。所以只要空氣上升得足夠高,空氣溫度最終會降低到等于其露點(diǎn)溫度, 這時濕空氣達(dá)到飽和,這個高度稱為抬升凝結(jié)高度,再上升冷卻就會發(fā)生水汽凝結(jié),從而形成云。由于凝結(jié)釋放潛熱,含云濕空氣的溫度上升冷卻率 (濕絕熱遞減率 就要變小,變小的程度視空氣溫度和濕度、氣壓 等狀態(tài)而異。熱力性:對流抬升,積狀云;動力性:地形抬升:層狀云、上坡霧;鋒面抬升:多形成層狀云;重力波(開爾文 -赫姆霍茲波 :波狀云動力加熱力性:低空輻合。非絕熱降溫:輻射降溫:在云層形成后,由于云體的長波輻射很強(qiáng),云頂強(qiáng)烈冷卻,可使

5、云層加厚,并在地面長波輻射使云底增 暖的聯(lián)合作用下使云層內(nèi)形成不穩(wěn)定層結(jié)而使云變形,層狀云系中夜間有時會激發(fā)對流云活動,一些強(qiáng)對流風(fēng)暴系 統(tǒng)夜間常常加強(qiáng)或猛烈發(fā)展與云頂輻射冷卻效應(yīng)有關(guān)。此外,輻射冷卻可形成輻射霧、露、霜。水平混合降溫:兩空氣團(tuán)作水平混合,不會都是降溫的,其中較暖的一部分空氣因混合而降溫。兩氣塊混合之后, 變?yōu)檫^飽和。就可能發(fā)生凝結(jié),形成云。此種云的水滴不大,不太可能產(chǎn)生降水。垂直混合降溫:這種過程在合適的條件下將導(dǎo)致亂流層上部降溫增濕, 這種過程有利于云霧在逆溫層底 (亂流層頂 形成。相變降溫:末飽和空氣等壓地移經(jīng)云霧滴或雪花的空間, 或流經(jīng)水面或積有冰雪的地面時, 一方面吸

6、收蒸發(fā)的水汽, 增大濕度,另一方面一部分熱量被轉(zhuǎn)化為潛熱而消耗,使溫度下降。平流降溫:暖空氣平流過程中經(jīng)過冷下墊面,暖空氣本身發(fā)生的降溫現(xiàn)象。第三章 云霧的宏觀特征(云的宏觀形成及觀測特征云的宏觀特征包括了云的外形、水平伸展、垂直伸展、生命史、能見度、云中溫度場、氣流場、含水量場等特征。 云內(nèi)濕度總體上在 98-102%之間, 很少超過 102%的, 而且過飽和機(jī)率多于不飽和的。 也有人在云的邊緣測得相對濕 度低到 70%,而在云的中心部可高達(dá) 107%。云含水量的 “ 水 ” ,泛指固態(tài)水及液態(tài)水。比含水量,或叫質(zhì)量含水量,指每單位質(zhì)量濕空氣中所含固態(tài)或液態(tài)水的質(zhì)量,常用單位為 g/kg。類

7、似于水汽含量 中的 “ 比濕 ” 。云底的比含水量為零。含水量,或叫體積含水量,指每單位體積濕空氣中所含固態(tài)或液態(tài)水的質(zhì)量,常用單位為 g/m3。類似于水汽含量中 的 “ 絕對濕度 ” ?？赡鏉窠^熱過程中,比含水量隨著高度的增大而增大,直到其中水汽全部凝結(jié)出來時,比含水量達(dá)最大值。其中空 氣因絕熱膨脹冷卻所凝結(jié)出的比含水量,稱為(濕絕熱比含水量,或飽和比含水量。其值(qlz應(yīng)正好等于云底 飽和比濕(qsb與各高度飽和比濕(qsz之差。云內(nèi)含水量:云底溫度越低,絕熱含水量(Waz 最大值出現(xiàn)的高度降低。一般情況下,云內(nèi)實(shí)際含水量 Waz ,并 受多種因素影響:在云的上升氣流區(qū)中心,含水量可能接近

8、 Waz ,愈遠(yuǎn)離上升氣流區(qū),含水量愈小;在云的邊緣,由于云內(nèi)外亂流擴(kuò) 散或挾卷作用,含水量可遠(yuǎn)比 Waz 小。云中的下沉氣流區(qū),以及與干空氣混合的區(qū)域,由于固液質(zhì)粒的蒸發(fā),使含有水量減小。在有降水的地方,當(dāng)雨雪粒子下降速度隨高度降低而減小時,出現(xiàn)降水質(zhì)量的垂直輻合,含水量會大于 Waz ;反之 降水質(zhì)量輻散的區(qū)域,含水量會較小。云厚與云底溫度也與云內(nèi)含水量有關(guān),大體上云層愈厚、云底溫度愈高,則其平均含水量及最大含水量都愈大。 積云的特征及其形成:因不穩(wěn)定空氣的對流形成,其垂直尺度決定于不穩(wěn)定層的厚度和不穩(wěn)定度的大小,可與其水平尺度相當(dāng)。 多由較 小的熱泡中水汽凝結(jié)后不斷發(fā)展而成,典型水平尺度

9、為 3km ,發(fā)展旺盛的積云在垂直方向可伸展到對流層頂,甚至 達(dá)到平流層底數(shù)公里范圍。對流云中的流場 , 氣流分布隨發(fā)展階段而不同。 在形成階段, 云中全部為有組織的上升氣流, 平均垂直速度一般為每秒幾米。 最大的上升氣流一般發(fā)生在云的中部, 發(fā)展早期最大上升氣流所出現(xiàn)的位置可稍偏下。 隨著積云的發(fā)展,這個位置將向積云的中上部移動。在成熟階段, 垂直氣流速度比其發(fā)展初期要大, 更重要的是這時云中還出現(xiàn)了與上升氣流有著相同數(shù)量級的下沉氣流。 對流云發(fā)展末期, 云中幾乎都是下沉氣流,同時在云的下半部及云底以下有大量的輻散氣流。成熟階段, 云頂一般直抵對流層頂, 并產(chǎn)生凍結(jié), 形成冰晶化絲縷結(jié)構(gòu),

10、在對流層頂?shù)淖钃跸潞透呖诊L(fēng)切變作用下, 云頂呈砧狀,通過冷云降水機(jī)制形成降水,降水物下落拖曳和蒸發(fā)冷卻作用使云內(nèi)產(chǎn)生下沉氣流,但凍結(jié)層以上仍 為上升氣流,故云內(nèi)同時存在上升和下沉氣流,此時積云發(fā)展最旺盛。消散階段,降水持續(xù),下沉氣流范圍不斷擴(kuò)大,直至切斷維持上升氣流的暖濕空氣源,造成云體整個下沉。云滴不 再增大,降水逐漸停止,殘留云體蛻變,蒸發(fā)消散。對流云的含水量 , 積云中含水量的空間分布是不均勻的。 在云頂和云底都比較小, 中部有個極大值。 在同一高度上, 中心部位比邊緣部位要大一些。含水量高值中心與上升氣流速度的極大值所處的位置是相配合的,因?yàn)橹挥袕?qiáng)的上 升氣流才能支托大水滴和相應(yīng)的大含

11、水量。積云形成理論熱泡理論 ,熱泡形成的 4個階段是:1局地增溫; 2浮升熱柱尺度與受熱局地尺度相當(dāng),熱柱推開上方空氣,同時形成下沉補(bǔ)償氣流; 3下沉氣流 將伸長的熱柱切斷(下部溫度差異小 ,使上升熱柱構(gòu)成熱力亂流泡; 4地面持續(xù)加熱,使熱柱再次發(fā)生。熱泡各部位的氣流分布,中心上升氣流最強(qiáng),上部邊緣向四周擴(kuò)張的氣流最強(qiáng),下部邊緣向中心會聚的氣流最強(qiáng), 中部邊緣的下沉氣流最強(qiáng),從帽頂向四周帽沿下彎,在帽底中心轉(zhuǎn)向上方形成渦旋卷。積云、積雨云的形成 ,熱泡升達(dá)凝結(jié)高度,即可產(chǎn)生云體,由于挾卷、亂流和蒸發(fā)作用,先形成邊緣破碎的碎積云 (Fc ,當(dāng)碎積云飄移蒸發(fā)致使凝結(jié)區(qū)的空氣濕潤,云體就穩(wěn)定出現(xiàn),形

12、成淡積云(Cu hum 。熱氣股持續(xù)發(fā)展及旁側(cè)其它對流泡的共同作用,使氣股維持一定的高溫,致使對流維持,云體垂直厚度不斷增大, 達(dá)到可與水平尺度比擬時,發(fā)展為濃積云(Cu cong ,表現(xiàn)為多個云泡突起。當(dāng)濃積云內(nèi)含水量大,垂直氣流較弱 時,可產(chǎn)生小陣雨。氣團(tuán)雷暴模型 ,氣團(tuán)雷暴對稱單體生命期短、尺度小(幾公里至十幾公里 ,降水效率低于 20%,雷暴內(nèi)部存在下 沉氣流對沖上升暖濕氣流的自毀機(jī)制,不出現(xiàn)持續(xù)強(qiáng)風(fēng)和冰雹。 書 P211 局地強(qiáng)對流風(fēng)暴 ,中緯度地區(qū)暖季,當(dāng)出現(xiàn)對流不穩(wěn)定層結(jié)且從對流層低層到高層存在較大的鉛直風(fēng)切變時,可以 發(fā)展強(qiáng)烈的局地對流,形成由積雨云組成發(fā)展起來的中尺度風(fēng)暴系統(tǒng)

13、,稱為局地強(qiáng)風(fēng)暴,以區(qū)別于氣旋風(fēng)暴,它同 時伴生強(qiáng)降水、大風(fēng)、冰雹等強(qiáng)烈天氣。由于其內(nèi)部上升與下沉氣流互不產(chǎn)生破壞性對沖,故局地強(qiáng)風(fēng)暴可以維持 很長時間。層狀云 :水平方向發(fā)展的云。形成:鋒面抬升,地形抬升,亂流降溫,積云平衍。 亮帶(雷達(dá)顯示屏上反射率特別大的長條區(qū) :凡上部溫度低于 0度,下部高于 0度的降水云,在對流不強(qiáng)時,往 往在雷達(dá)回波中顯示出明顯的亮帶。位于 0度層以下 80400m ,厚度 15150m ,呈水平帶狀。降水質(zhì)粒的反射率 與復(fù)折射指數(shù) m 有關(guān),水的折射率因子約為冰的 5倍。雪在下落到 0度層,外層融化成水表,易碰并粘連,折射率 增加 5倍。完全變?yōu)樗螘r,尺度減小

14、、下落末速增大 反射率減小。由于它是雪花融化所致,故也稱融化帶。 “ 播種云一供應(yīng)云 ” 機(jī)制:高空對流泡中通過凝華和結(jié)淞增長大量冰晶,成為自然“播種云” ,冰晶降落到低層濃 密的層狀云中碰并水滴,從而將云水轉(zhuǎn)化為雨水。在低層,由中尺度抬升而產(chǎn)生的濃密的層狀云為降落下來的降水 粒子提供了豐富的云水,成為“供應(yīng)云” 。高層播種云,一般是卷層云,在氣旋云系中,高空對流泡是一種典型的播種云。由于高空對流泡尺度小,可能同時 存在好幾個,因此,使地面降水存在著小尺度的不均勻結(jié)構(gòu)。供應(yīng)云,一般指濃密的層狀云,如高層云、雨層云、層積云或?qū)釉?。?dāng)供應(yīng)云受到冰雪晶粒子的播種后,云內(nèi)會通 過云水碰凍云冰碰連雪晶的

15、有效轉(zhuǎn)化以及碰并等過程,使其降水強(qiáng)度明顯增加。溫帶氣旋鋒面云系雨帶的共同特征:1、存在對流現(xiàn)象; 2、內(nèi)含雨核結(jié)構(gòu); 3、具有 “ 播種 供應(yīng) ” 降水機(jī)制。霧的形成和分類:霧是水汽凝結(jié) (華 物懸浮于大氣邊界層內(nèi),使地面水平能見度降至 1km 以下的天氣現(xiàn)象。發(fā)生學(xué) 分類有輻射霧、平流霧、蒸發(fā)霧。輻射霧:大都出現(xiàn)于晴朗的后半夜,日出后消散,強(qiáng)度大的可持續(xù)到午后。輻射霧由地面和大氣輻射冷卻而形成。地面和貼地層空氣的輻射降溫率可達(dá) 10 /h左右,如果空氣濕度大,就會有霧形成。平流霧:當(dāng)暖濕空氣移行于冷下墊面時,空氣因湍流將熱量輸送給下墊面而降溫,溫度低于露點(diǎn)時就有霧形成。這 種由平流冷卻而形成

16、的霧稱為平流霧。第四章 云降水微觀特征(云的微物理特征尺度大一些的大氣水凝物粒子,包括雨滴、雪花、冰雹等,稱為降水粒子。云頂溫度(通常即云內(nèi)最低溫度高于 0的云稱為暖云,低于 0的稱為冷云。當(dāng)溫度低于 0時,水(特別是小水滴在沒有固態(tài)界面時不易凍結(jié)而處于過冷卻狀態(tài),大氣中的云霧粒子仍以液 態(tài)存在,通常稱為過冷卻。云滴數(shù)濃度尺度譜分布即為云滴譜。云滴譜小滴較少,中等尺度滴較多,大滴較少且有長尾巴。云滴譜 Khrgian-Mazin 分布譜函數(shù) n(r=數(shù)密度 N=平均半徑 rm=含水量 W=一般的,積狀云比層狀云的譜型寬。對流強(qiáng)的濃積云云滴譜較寬,云滴濃度較低而尺度較大。 (P94,圖 5.5積

17、云中自云底向上,云滴譜分布變寬,數(shù)密度減小。云滴譜分布有多峰型出現(xiàn)是因?yàn)榇蟮蜗侣溥^程中碰并小滴,使大滴有增多趨勢,造成尺度譜的多峰型。 (多出現(xiàn)在 對流云中,對流運(yùn)動強(qiáng)烈導(dǎo)致碰并過程更為劇烈將半徑小于 100m的水滴稱為云滴, 半徑大于 100m的稱為雨滴。 但云滴典型半徑為 10m, 典型大云滴半徑為 50m, 典型雨滴半徑為 1000m。相對濕度總體上在 98%102%之間,而且過飽和頻率多于不飽和。大陸性積云穩(wěn)定,不易降水。兩種積云中的液水含量相差不大,因?yàn)榇箨懮峡漳Y(jié)核多, 核化形成的云滴數(shù)量多且凝結(jié)核的顆粒較小, 形成的云滴譜窄,大粒子少。大陸性積云為膠狀穩(wěn)定,海洋性積云是膠狀不穩(wěn)定

18、。 濃積云和積雨云中云粒子濃度比淡積云中的要小,但是半徑分布尺度更大。隨著積云對流加強(qiáng),滴譜變寬峰值直徑加大。自云底往上,云滴譜分布變寬,數(shù)密度減小,峰值濃度減小。滴譜隨高度的變化是和含水量隨高度的變化互相配合的。第五章 云霧形成的微物理基礎(chǔ)(水的熱力學(xué)性質(zhì)在水表面層內(nèi)的水分子,具有比水體內(nèi)部水分子更大的位能,這種位能叫作水的表面能(表面能大,反映內(nèi)部引力 大 。宏觀上看,水面就似有收縮的趨勢,好象有一個彈性膜包在水體外面,有沿膜拉緊使膜收縮的張力。從微觀 上看,液水的表面張力反應(yīng)了液水內(nèi)部水分子對表面水分子的束縛,即液水表面張力越大,表面水分子受內(nèi)部水分 子的束縛越強(qiáng)。表面張力能的影響因子:

19、溫度(隨溫度的升高而降低 ;表面曲率(凸表面上任一點(diǎn)引力作用球中所含水分子少, 拉向液體內(nèi)部的力比平表面小,從而減小 ;溶液濃度(濃度越大張力能越大 。純水滴表面水汽壓 開爾文(Kelvin 具體見同質(zhì)凝結(jié)核化 (書 P131 T 及 r 愈小,則 E r /E 值就愈大; E r /E 相對于平水面來說,也可以認(rèn)為即為相對濕度。 當(dāng)實(shí)際水汽壓處于 E r 和 E 之間時, 水滴表面的水汽會向平水面擴(kuò)散并凝結(jié); 要使水滴產(chǎn)生凝結(jié), 必須 E>Er 。溶液面飽和水汽壓 拉烏爾( Rault NaCl 溶劑分壓強(qiáng)與溶劑在溶液中的摩爾比成正比。溶液滴表面水汽壓 柯拉方程 具體見異質(zhì)凝結(jié)核化 (

20、書 P132 將 40作為同質(zhì)凍結(jié)核化的閾溫值, 自然云中可能在對流層頂出現(xiàn) ,例如比較高的卷云、深厚的對流云。 中值凍結(jié)溫度:由于相同大小水滴群同質(zhì)凍結(jié)的起始溫度存在隨機(jī)性,常用“中值凍結(jié)溫度”來表示水滴群的凍結(jié) 溫度。它指水滴群中有半數(shù)水滴已凍結(jié)時的溫度。異質(zhì)核化離子的凝結(jié)核化:水汽在帶電離子上凝結(jié)的平衡飽和比 S 較不帶電時小。但是,由于離子誘導(dǎo)核化需 要很高的飽和比,所以在實(shí)際對流層大氣中離子誘導(dǎo)核化似乎不是云滴形成的主要過程。異質(zhì)核化不溶性平表面上的凝結(jié)核化:主要與核的水濕性相關(guān)。要產(chǎn)生相同的核化率,親水性表面比憎水性表 面容易。異質(zhì)核化不溶性曲面上的凝結(jié)核化:主要與核的曲率相關(guān)。

21、凹表面比凸表面容易發(fā)生凝結(jié)核化, 曲率半徑越小, 平衡飽和比越大,凝結(jié)越困難。平表面可以看成曲率無窮大的曲面。較同質(zhì)凝結(jié)核化過程容易發(fā)生,但在自然大氣濕度條件下仍不能發(fā)生。異質(zhì)核化可溶性核上的凝結(jié):云霧滴往往是以這些可溶性核為核心形成的。 已知科拉方程 1100rn n r E C C f E r r =+-=, f 為相對濕度。 每一條平衡曲線,其 f 值都有一個極大值,稱為“臨界相對濕度 f c ” ,其相應(yīng)的溶液滴半徑,稱為“臨界半徑 r c ” 。對任一條 Köhler曲線, 由純鹽粒吸收水份而增大的過程,是由當(dāng)時的相對濕度大小決定的:環(huán)境相對濕度 f 低于 f c 時,鹽核

22、吸濕增大是有局限性的, 鹽核可增長到與 f 相對應(yīng)的平衡尺度,處于穩(wěn)定態(tài);環(huán)境相對濕度 f=fc 時,鹽滴就會增大到 r c 。 但 r c 與前不同的是處于亞穩(wěn)態(tài)。 如水滴半徑因偶然的原因增到大于 r c ,此時它所需的平衡相對濕度就小于環(huán)境相對濕度, 于是就有水汽在它上面凝結(jié), 使它繼續(xù)增大甚至成為云滴,而不會因蒸發(fā)恢復(fù)到原有半徑;當(dāng)外界相對濕度 f>fc 時,鹽核將由小而大地不斷增大到超過 f c ,最后能 繼續(xù)增大成云滴。任一條 Kohler 線上相對濕度最大點(diǎn)左邊的平衡曲線上點(diǎn)稱為“霾點(diǎn) ” 。溶液滴處于霾點(diǎn)狀態(tài)時,就稱為 “ 霾粒 ” 或 “ 霾滴 ” 。如果相對濕度不變,處

23、于霾點(diǎn)的水滴是不會增大或減小的。溶液滴半徑由于相對濕度增大而一旦增大到 臨界點(diǎn),即半徑達(dá)到臨界半徑 r c ,就能被激活而不斷增大。因此 r c 也稱為“活化半徑 ” , f c 也稱為“活化相對濕度 ” 。 在云霧形成過程中,可溶性凝結(jié)核作為水滴的核后,只有在被激活以后,才能形成云滴,否則只能保持為霾滴。 異質(zhì)核化異質(zhì)凝華核化:異質(zhì)凝華核化的理論處理與異質(zhì)凝結(jié)核華相似。其核華率主要由接觸角 、核半徑和 溫度決定?？諝馓幱谒孢^飽和,當(dāng)存在一個合適的凝結(jié)凍結(jié)核,水汽首先在核上發(fā)生異質(zhì)凝結(jié)核化過程,其后再發(fā)生凍 結(jié)成冰過程。云凝結(jié)核 CCN :大氣氣溶膠中的一小部分可以作為水汽凝結(jié)形成水滴的質(zhì)粒

24、,而這些小水滴在云中實(shí)際過飽和度條 件下能夠活化和凝結(jié)增長形成云滴。這些氣溶膠質(zhì)粒稱為云凝結(jié)核(簡稱 CCN 。大陸地區(qū)的數(shù)濃度大于海洋,污染氣團(tuán)的 CCN 大于清潔氣團(tuán)的。自然冰核 呈現(xiàn)過冷卻譜:過冷卻譜指不同溫度能起冰核作用的核的含量。其特點(diǎn)是溫度越低,冰核濃度越高。在全 球冰核濃度與溫度之間呈指數(shù)變化的性質(zhì)。 -20o C 時約 1個 /L,溫度每下降 4o C 冰核濃度增加 10倍,反映了單位空 氣體積內(nèi)冰核數(shù)隨溫度下降而指數(shù)上升的趨向。冰核數(shù)往往僅占大氣氣溶膠質(zhì)粒數(shù)中很少一部分。與溫度有關(guān),冰核數(shù)密度隨溫度下降而增多;冰核濃度與濕度也有關(guān)系,大體上冰核數(shù)密度是隨冰面過飽和度 的增大而

25、呈指數(shù)律增加。不同氣團(tuán)的冰核濃度有一定差異。在鋒面過境時,冰核濃度驟然增加,比氣團(tuán)中的濃度增加一個量級,有人把 這種急劇增加稱之“核暴” 。冰核濃度隨大氣能見度減少而增加,這與大氣中影響能見度的懸浮顆粒有關(guān)。異質(zhì)核化冰核起核化作用的條件:1. 溶解度條件:冰核應(yīng)當(dāng)在水中是不溶性的。有些可溶性冰核在冰面過飽和時,能起凝華核的作用。一旦當(dāng)空 中濕度達(dá)水面飽和時,就失去作為冰核的作用。2. 質(zhì)粒尺度條件:異質(zhì)凝華核化和異質(zhì)凍結(jié)核化,都是冰核質(zhì)粒愈大,核化溫度愈高。冰核質(zhì)粒如太小,它的 溶解度增大,就會破壞其作為冰核的作用。而且冰核如小于冰胚的尺度,冰胚就難以在其上形成。3. 化學(xué)鍵條件:冰核表面的化

26、學(xué)鍵對成冰有很重要作用。冰的晶格由一定強(qiáng)度及取向的氫鍵所維系,如果冰核 表面也有氫鍵,必有利于水汽或液水在冰核表面核化成冰。4. 晶體結(jié)構(gòu)條件:要使冰晶在異質(zhì)核上生長如同直接在冰晶上生長一樣,必然是冰核生長面的原子、離子或分 子所組成的晶體結(jié)構(gòu)和幾何排列,盡可能與冰晶某一表面的水分子的晶格和幾何排列相近。這樣,冰和冰核界面兩 側(cè)的原子就能很好配合,以完成接長附生過程。5. 活化位置條件:冰核面上異質(zhì)核化往往從局部位置發(fā)動。這些位置往往在善于接收水汽并形成液水的地方。 此外,核化表面的電荷特性和純凈冰核中所含的雜質(zhì)也會影響核化過程。第七章 云霧滴的擴(kuò)散增長(水滴與冰晶的擴(kuò)散增長云中水滴達(dá)到臨界半

27、徑 r c 后,進(jìn)入增長階段。只要過飽和度繼續(xù)維持,水滴就能靠水汽的擴(kuò)散而增長。水滴的擴(kuò)散增長 水滴質(zhì)量增長方程 :設(shè)某點(diǎn)周圍的水汽密度梯度為 dvdr有一個垂直于此水汽密度梯度的球面積為 A 。由于此水汽密度梯度的作用,使單位時間通過此球面積的水汽質(zhì)量為 dMdt量。定義水汽分子擴(kuò)散系數(shù) D 為 .意義:單位水汽密度梯度作用下, 在單位時間通過垂直于水汽密度梯度的單位面積的水汽擴(kuò)散質(zhì)量, 恒為正值。由 D 定義式并進(jìn)行積分得, dMdt=。這就是水滴質(zhì)量增長方程的基本形式。以球形估計(jì)水滴,將質(zhì)量換為半徑 r 得到 drdt=。利用水汽理想氣體狀態(tài)方程,將密度 換為水汽壓 e ,得到 。引入科

28、拉方程、熱擴(kuò)散方程、飽和比及雙克方程后得到:。其中, 云滴尺度隨高度變化方程:云底高度為 h ,到達(dá)地面時的半徑:云滴群的凝結(jié)增長:當(dāng)氣塊上升時,它將膨脹和絕熱冷卻,并最終達(dá)到水面飽和狀態(tài)。再上升時,就會產(chǎn)生過飽和度。過飽和度最初以正比于上升氣流速度的速率增大。 在過飽和度繼續(xù)增大時, 就有 CCN 被活化。 最先被活化的是最有效的那些核。隨著過飽和度的繼續(xù)增大,有更多的 CCN 被核化,凝結(jié)所需的水分增多。當(dāng)這些生長中的云滴每單位時間因增大所需要的水分達(dá)到空氣膨脹冷卻每單位時間內(nèi)可以供應(yīng)的水分時,云中的過飽和度達(dá)到最大值,此時云滴的數(shù)濃度就固定了, 而且正好等于所能得到的最大過飽和度活化的

29、CCN 濃度。 再向上, 增長中的云滴所消耗的水汽比絕熱冷卻所提供的水汽更多,所以云中過飽和度開始減小。于是霾粒就逐漸蒸發(fā),被活化的 CCN 形成的云滴繼續(xù)增長。由于云滴凝結(jié)增長速率反比于其半徑,較小的云滴比較大的云滴增長的快,結(jié)果云中的 云滴尺度就越來越趨向于均勻化,譜寬隨高度而減小。冰晶的凝華增長:主要由貝吉隆過程產(chǎn)生。因?yàn)闊釘U(kuò)散和能量守恒,環(huán)境溫度必然是遠(yuǎn)小于 -11.5;生長極大值出 現(xiàn)的溫度在 500hPa 低于 1000hPa 。因氣壓較低時,同樣的潛熱供應(yīng)密度較小的空氣,造成凝華區(qū)局地的溫度更高, 亦因?yàn)樗芏忍荻却嬖?水汽擴(kuò)散系數(shù)不一。雪晶是指冰晶通過凝華及撞凍、凝結(jié)、碰并等

30、機(jī)制增長到尺度大于 500微米后的水成物。 第八章 暖云降水理論(液相降水形成理論僅靠水汽凝結(jié)增長太緩慢了,不足以使云滴長大成幾毫米半徑的雨滴。通過液相過程由云滴發(fā)展成雨滴產(chǎn)生降水的 機(jī)制,即不同大小云滴因下落末速不同導(dǎo)致的云滴碰并增長。微滴下落末速 :降水粒子在下降時,受力很快達(dá)到平衡,使粒子按勻速下降,此時的下降速度稱為“下降末速” 。 其主要由 3種力決定:空氣浮力、空氣阻力、地球重力。空氣密度愈向下愈大,所以浮力也就相應(yīng)愈向下愈大,由于水滴和空氣密度差異,可忽略空氣浮力。假定水滴在下降過程中,無蒸發(fā)、凝結(jié)、碰并現(xiàn)象,可認(rèn)為水滴受到的地球重力無變化 空氣阻力兩力平衡即得下落末速 u= 書

31、 P101 不同大小的云滴因下落末速不同而導(dǎo)致碰撞,但一個粒子不能和其掃掠體積內(nèi)的所有其他粒子相碰撞,即存在一個 碰撞效率的問題;而且粒子間即使能碰撞,也不一定都并和在一起,故又存在一個并和效率的問題。綜合考慮這兩 方面的因素,兩者乘積即為捕獲效率或碰并效率。碰撞效率:重力作用占主要因素。碰撞的小水滴數(shù)和大水滴所掃過的幾何截面內(nèi)全部小水滴數(shù)(可能碰撞小水滴數(shù)之比稱為碰撞效率(系數(shù) E(R,r = 其反映了大滴在其掃掠路徑上與小滴的碰撞概率,因此通常小于 1。 設(shè)實(shí)際碰撞的小滴數(shù) N 與大滴掃掠體積內(nèi)總小滴數(shù) N 0, 小滴的數(shù)密度為 n(r,則在單位時間內(nèi):水滴尺度增大, E 很快增大;小于

32、20m的粒子 E 很小。當(dāng)收集滴遠(yuǎn)大于云滴時,碰撞效率很小,因?yàn)檫@時云滴更易于隨流線繞過收集滴。當(dāng)云滴大小增大時, E 值增大。這是由于較大的云滴慣性較大,更傾向于按直線運(yùn)動,而不是完全沿流線繞收集滴運(yùn)動。粒子的尺度接近,導(dǎo)致粒子間相對速度減小,不利于互相碰撞。大小接近的兩個水滴 E 增大,且當(dāng)半徑均大于 40 m 時,因尾流捕獲效應(yīng)能使 E1值大于 1。碰撞效率 E 一般是 R 和 r 的增函數(shù),但當(dāng) R>80m時, E 主要決定于 r 。并和效率:并合的個數(shù)與碰撞的個數(shù)之比稱為并合效率。兩水滴發(fā)生碰撞后究竟并合、彈開還是破碎,決定于兩滴間的碰撞角 (兩滴接觸時球心連線與下落方向的夾

33、角和由它們尺度決定的相對速度。碰并效率近似等于碰撞效率。碰并增長:假設(shè)半徑為 R 的收集滴,以末速度 u 下落通過被捕獲微滴群 n(r,碰并效率為 E(R, r 。求 R 的半徑增長 率 dR/dt。在單位時間 R 經(jīng)過的空間體積,該體積內(nèi)半徑在 r 和 r + dr之間被碰并的小滴個數(shù),被碰并的小滴總體積 即為所求。假設(shè)半徑為 R 的收集滴,以末速度下落通過被捕獲微滴群。在單位時間內(nèi)收集滴掃過半徑為 r 的微滴群的空間 體積是因此如果 n(r為被捕獲云滴的譜分布函數(shù),則單位時間內(nèi)半徑在 r 和 r + dr之間被碰并的平均微滴數(shù)目是對所有微滴進(jìn)行積分,可得到大滴總體積增加的速率 dVdt=由

34、球體積公式,可將 V 轉(zhuǎn)換為 r 得到大滴的半徑增長率 dRdt=將云含水量 W 的公式代入上式,如果微滴比大滴小得多,則可取 u(r 0, R + r = R,從而得到如下的近似式, 得到 dRdt= 當(dāng) R 增大時, u(R隨之增大,同時 E 也隨 R 的增大而增大,所以由上式知, dR/dt是隨 R的增大而增大的,即水滴的碰并增長是一個加速過程。與碰并增長過程相比較, 擴(kuò)散凝結(jié)增長的半徑增長是一個減速的過程。對小云滴而言,最初以凝結(jié)增長為主,當(dāng)云滴半徑趨近于約 10 微米時,其凝結(jié)增長速度很小,在半徑處于1520 微米附近時,水滴的增長處于“增長低谷” 。隨時間推移,云滴譜拓寬,數(shù)密度減

35、少。上升氣流速度越大,收集滴在云內(nèi)所能到達(dá)的高度也越大,返回云底時 收集滴的尺度也越大,所經(jīng)歷的時間依次減小。云滴連續(xù)的尺度譜分布必然是先由擴(kuò)散凝結(jié)增長過程造成,云滴間存在隨機(jī)碰并,使云滴譜寬增加,譜型向尺 度增大的方向拓展,各種尺度的云滴和雨滴都參與碰并。初始大滴的來源:巨 CCN 、云不均勻性云粒子增長不同步、湍流作用、隨機(jī)增長。 凝結(jié)與隨機(jī)碰并結(jié)合的作用 :滴譜的凝結(jié)變窄是小水滴增大快于大水滴所致。當(dāng)小水滴增長時,它與大水滴的碰并效率因繞流減 弱及慣性增強(qiáng)而變大,使碰并加速。最初 15分鐘內(nèi)無碰并增長,微滴濃度保持不變,此時凝結(jié)作用為其后碰并增長奠定基礎(chǔ)。碰并過程開始后進(jìn)行很快,云滴數(shù)急

36、劇減少,過飽和度明顯增加。 水滴數(shù)減少使總凝結(jié)表面減少, 上升空氣因絕熱膨脹冷卻造成的多 余的水汽沒有充分的凝結(jié)表面凝結(jié),致使過飽和度急增。增加過飽和度能激活新的凝結(jié)核,從而引起水滴數(shù)的增加,造成一個小的峰值。但這僅僅是短暫的效應(yīng),因?yàn)?碰并增長又迅速地吞并新形成的微滴雨滴繁生:隨著高度的降低,降水質(zhì)粒的數(shù)密度增大。主要途徑:一是碰撞破碎(主要 ,二是變形破裂。自然界降水中,水滴直徑一般很少大于 2 3mm 。說明:在自然界,雨滴的繁生并不主要由孤立水滴受氣流影 響變形所致,更主要的乃是空中水滴碰撞破碎造成。暖云降水連續(xù)效應(yīng):一個水滴繁生出許多小水滴后,如果云能夠較長時間穩(wěn)定維持,這些小水滴又

37、可被上升氣流托 升增大,稱為雨滴下降,在下降中又可再度破裂繁生,形成更多的雨滴,使降水質(zhì)粒很快增多。雨滴譜:最常用的測定降水的宏觀特征量就是地面上的降雨率(降水強(qiáng)度 。而最常用的表示降水的微觀特征量便 是雨滴大小的分布函數(shù)(即滴譜 。降水效率:到達(dá)地面的降水質(zhì)量與進(jìn)入云中的水汽質(zhì)量之比,研究降水潛力問題。 書 P238第九章 冷云降水理論(冰相降水形成理論雪花是雪晶或雪晶與冰晶的聚合體。要求地面氣溫低于或接近 0。溫度較高時經(jīng)歷淞附 密度大、濕雪;溫度較 低時經(jīng)歷凝華、碰連 密度小、碎雪。碰連(聚并 :雪晶相碰后黏連在一起形成聚合物。是形成雪花或雪團(tuán)的過程。冰晶與冰晶之間的作用。0-5及 -1

38、2-17是雪花的兩個多發(fā)區(qū),即雪花直徑有極大值。 0附近是由于準(zhǔn)液膜理論,而 12附近, 一是冰面過飽和度最大的溫度,貝吉隆過程促使冰晶快速凝華增大,二是產(chǎn)生枝狀冰晶的溫度,枝叉結(jié)構(gòu)的冰晶相 碰容易“鉤連”和“攀附”在一起。準(zhǔn)液膜理論:在 0附近, 冰表面存在準(zhǔn)液膜, 它與冰晶的表面能有關(guān)。 這種準(zhǔn)液膜存在于冰與空氣的界面上, 但當(dāng)它被夾于兩層冰之間 (例如兩冰晶相撞 時,就會固體化,使冰晶粘合在一起。凇附(碰凍 :當(dāng)過冷云滴接觸到冰晶表面時,云滴迅速凍結(jié)。過冷卻云滴在冰晶表面不斷凍結(jié)沉積稱為凇附增長 過程。是形成凇晶、霰和雹的微物理機(jī)制。冰晶與水滴之間的作用。冰晶碰撞的小水滴存在尺度范圍,在

39、大水滴端和小水滴端均有碰撞效率為零的現(xiàn)象。冰晶的尺度必須大于某一臨界值才能碰撞小水滴。稀凇附:凍附的冰質(zhì)粒稀疏地附于雪晶上。密凇附:凍附的冰質(zhì)粒已掩蔽雪晶表面,但未改變原來形狀。這兩者的形成物稱為凇晶。霰:大量凍附的冰質(zhì)粒包圍積集于雪晶四周,掩蔽了雪晶的本來形狀雹:霰進(jìn)一步的進(jìn)行凇附過程,可以形成雹塊。凍滴:云中過冷卻大水滴凝結(jié)而形成的冰粒子。 凍雨是一種天氣現(xiàn)象。水滴的懸浮凍結(jié)產(chǎn)生冰粒。一種是水滴在上升中因空氣絕熱冷卻時凍結(jié)而成,一種是雨滴通過冷空氣層時凍結(jié)。冰質(zhì)粒的繁生:由脆弱冰晶的破裂,過冷大滴懸浮凍結(jié)破裂,結(jié)凇時的繁生。以結(jié)凇時的繁生為主。結(jié)凇時的繁生:當(dāng)一個過冷卻水滴與一個冰質(zhì)粒相碰

40、后凍結(jié),其凍結(jié)過程可分為兩部分。第一個階段相碰時冰 晶使一部分的水凍結(jié),并使水滴溫度升高到正好 0。凍結(jié)的第二個階段把熱量從已凍的一部分水滴中傳到較冷的 環(huán)境空氣中,水滴先形成一個冰殼,然后冰殼不斷向內(nèi)部加厚,未凍結(jié)的水被禁錮在冰殼內(nèi)部。當(dāng)冰殼內(nèi)部的液態(tài) 水最后凍結(jié)時,體積膨脹,使冰殼破裂,產(chǎn)生無數(shù)碎冰屑。 書 P197 播撒云供應(yīng)云降水機(jī)制 :高層播種云,一般是卷層云,在氣旋云系中,高空對流泡是一種典型的播種云。由于高空對流泡尺度小,可能同時 存在好幾個,因此,使地面降水存在著小尺度的不均勻結(jié)構(gòu)。供應(yīng)云,一般指濃密的層狀云,如高層云、雨層云、層積云或?qū)釉啤．?dāng)供應(yīng)云受到冰雪晶粒子的播種后,云內(nèi)

41、會通 過云水碰凍云冰碰連雪晶的有效轉(zhuǎn)化以及碰并等過程,使其降水強(qiáng)度明顯增加。降水微物理過程小結(jié):能否降水與云中微物理?xiàng)l件及過程有關(guān),能否產(chǎn)生大量降水,則與云的宏觀條件有關(guān)。 在云下部的液相過程中,擴(kuò)散凝結(jié)增長傾向于形成尺度相近的云滴,而且增長速度隨云滴尺度增加而減小,大滴僅能通過碰并增長形成。在云的發(fā)展初期,通過凝結(jié)增長形成的大量小滴為后期碰并增長提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。當(dāng)個別云滴超過一定的臨界尺度后,碰并增長開始有效進(jìn)行,云體的膠狀穩(wěn)定狀態(tài)被打破。其中的初始收集滴可以是云滴群中個別處于優(yōu)勢增長狀態(tài)的粒子, 也可以由 GCCN 核化形成。 一旦碰并增長過程啟動, 收集滴碰并小云滴很快形成雨滴。在雨滴下降過程中,由于碰撞破碎和變形破碎將產(chǎn)生更多的水滴重復(fù)上升過程