云微物理学2

Chapter6CloudMicrophysics云微物理学国内称云雾和降水物理学(简称云物理学)以大气热力学和动力学为基础，研究云、雾和降水的形成过程，发展规律以及如何影响、控制它的一门学科。云和降水与天气、气候密切相关，大部分灾害性天气，如暴雨、雷暴、冰雹、台风、龙卷风和雾障等都和云雨过程有关；云和降水也是地-气系统的动云族出现高度云属高云＞6000m卷云（Ci）、卷积云(Cc)、卷层云(Cs)中云2000～6000m高积云(Ac)、高层云(As)层积云(Sc)低云＜2000m层积云(Sc)、雨层云(Ns)、层云(St)直展云积云(Cu)、积雨云(Cb)云的国际分类6.1NucleationofWaterVaporCondensation水汽的核化凝结6.1.1Theory云雾形成的过程，实质上是水汽转变成水滴或冰晶的相变过程，即新相形成和增大的过程。新相形成时，必须先产生新相的初始胚胎，云雾物理学中称这种初始胚胎的产生过程为核化过程。可分为同质核化和异质核化随机碰撞、相互结合而生成云的胚胎，这种过程称为同质核化凝结(或自生凝结)过程。实际上，在纯净大气中不可能靠水汽的同质核化凝结过程自发地生成一定大小的胚滴。因为球形水滴表面的平衡水汽压(Er)与水滴半径r成反比，即水滴愈小，要达到平衡所需的水汽压愈大，因此，水滴愈小，愈容易蒸发，)exp(rCEErr)1(rCEr水滴半径(μm)0.0010.010.1110相对湿度Er/E(%)323112.5101.2100.12100.01过饱和度(Er-E)/E(%)22312.51.20.120.01处于(不稳定)平衡状态中的纯水滴相对于平水面的相对湿度和过饱和度实际大气中，湿空气绝热上升过程中所造成的过饱和度很少超过1%，大气中一般不会由同质核化凝结过程形成水的胚滴。而是通过异质核化凝结---水汽在异质核(作为凝结核)上的凝结。6.1.2CloudCondensationNuclei云凝结核（CCN）水汽在0.1~1%的过饱和条件下，可以在一些气溶胶粒子上凝结，这些气溶胶粒子称为云凝结核。云凝结核可分为可溶性核和不可溶性核两类。可溶性的凝结核，因为能吸收大气中的水汽后形成溶液滴，有利于水汽的凝结增长，在云滴的形成过程中起着十分重要的作用。不可溶性核又可以分为亲水性的(能被水完全润湿)和憎水性的(不能被水润湿)两种，其中亲水性核能吸附水汽在其表面形成一层水膜，相当于一个较大水滴，有利于胚胎的形成和增长；增水性的不可溶性核则不利于胚滴的形成。CCNsupersatuationspectrum6.2MicrostructuresofWarmClouds暖云的微结构云体温度高于0℃的云称为暖云，暖云完全由水滴组成。描述暖云微结构的三个物理量：（1）液态水含量，liquidwatercontent(LWC)（2）云滴数浓度，clouddropletconcentration（3）云滴谱，dropletsizespectrum液态水含量：单位体积空气中液态水质量，常用单位克/米3云滴数浓度：单位体积空气中云滴数量，常用单位个/米3滴谱是指云粒子浓度随云粒子尺度大小的分布，通常用谱分布密度函数n(r)来表示。若设ΔΝ是半径介于r和r+Δr之间的球形云粒子浓度，则云滴谱分布密度函数可以写为n(r)＝rNrlim0总浓度NN＝Mmrrdrrn)(云滴尺度r的范围和平均半径来表示。积云上部的云滴尺度比下部大，如淡积云上部的云滴半径范围为2～40μm，下部云滴仅为1～20μm；浓积云上部云滴半径达3～100μm，下部只有1～30μm。数密度云体上部的数密度比下部的小。对淡积云，云体上部和下部的数密度分别为200和500个/厘米；浓积云和积雨云的数密度比淡积云小。从总体上看，浓积云和积雨云比淡积云具有更大6.3CloudLiquidWaterContentandEntrainment云液态水含量和夹卷whenaparcelofairisliftedaboveitsliftingcondensationlevel(LCL),theLWCisderivedbasedonadiabaticassumptionsforairparcelsiscalledtheadiabaticliquidwatercontent.ThemeasuredLWCarewellbelowtheadiabaticLWC,becauseunsaturatedambientairisentrainedintocumulusclouds.measuredLWCpenetrativedowndrafts（贯透下沉气流）Airentrainedatthetopofacloudisdistributedtolowerlevelsasfollows.Whencloudwaterisevaporatedtosaturateanentrainedparcelofair,theparceliscooled.Ifsufficientevaporationoccursbeforetheparcellosesitsidentitybymixing,theparcelwillsink,mixingwithmorecloudyairasitdoesso.Thesinkingparcelwilldescenduntilitrunsoutofnegativebuoyancyorlosesitsidentity.Suchparcelscandescendseveralkilometersinacloud,eveninthepresenceofsubstantialupdrafts,inwhichcasetheyarereferredtoaspenetrativedowndrafts.ThisprocessisresponsibleinpartfortheSwisscheesedistributionofLWCincumulusclouds(seeFig.6.6).Figure6.6.(a)Verticalairvelocity(b)liquidwatercontent6.4GrowthofCloudDropletsinWarmClouds暖云中的云滴增长Inwarmclouds,dropletscangrowbycondensationinasupersaturatedenvironmentandbycolliding(碰撞)andcoalescing(合并)withotherclouddroplets.凝结增长和碰并增长水滴凝结增长示意图水汽热量6.4.1GrowthbyCondensation(凝结增长）M：themassofthedroplet。ρvisthewatervapordensityatdistancex(r)fromthedroplet.D：diffusioncoefficient（扩散系数）讨论水滴质量与半径的凝结增长率，与成正比，当大于0，发生凝结，当小于0，发生蒸发；当一定时，水滴半径的凝结增长率与半径本身成反比，即在r小时，凝结增长快，随着r增大，凝结增长速度减小；（水滴增长初期作用大）6.4.2GrowthbyCollection小于20微米的粒子在重力和阻力的作用下最终将达到稳定的下降速度，同密度的粒子，半径越大，降落速度越大。云滴半径大小不一，降落速度不同，大粒子收集小粒子，发生碰撞合并过程。221)(rr不考虑气流的弯曲效应，则大粒子和面积下的小粒子发生碰撞，而实际只和面积下的小粒子发生碰撞2ycollisionefficiency碰撞效率collisionefficiency碰撞效率coalescenceefficiencyE’（合并效率）碰撞后有合并、反弹、破碎三种可能。其中合并在碰撞中所占的比率为合并效率。收集效率（collectionefficiency）Ec=EE’Continuouscollectionmodel连续收集模式6.4.3BridgingtheGapbetweenDropletGrowthbyCondensationandCollision-Coalescence随机收集6.5MicrophysicsofColdClouds冷云过冷水滴混合云冰晶云6.5.1NucleationofIceParticles;IceNuclei冰晶的1、水的冻结机制（1）自生冻结（同质核化）温度-40O（2）异质核化heterogeneousnucleation大气冰核冻结核freezingnucleus凝华核接触核化contactnucleation接触核contactnucleus等效直径heterogeneousfreezinghomogeneousfreezing2、大气中的冰晶（1）分类单体、雪花、小冰丸、冰雹（四种形态）（2）冰晶的形状与生长环境的关系1938日本学者中谷首先研究结论：冰晶形状与生长环境的温度、湿度有关；应用：根据冰晶形状，可推断其生长环境的温、湿情况，结合高空温湿资料，大致可推断其形成于云的部位。6.5.2ConcentrationsofIceParticlesinClouds;IceMultiplication冰晶的繁生冰晶碰撞、折断、碎裂；过冷水滴冻结喷射出小水滴再冻结成小冰晶；过冷水凇附到冰晶上去（碰冻）；6.5.3GrowthofIceParticlesinClouds1、凝华增长当环境水汽压对冰面饱和时，冰晶由凝华过程进一步增长，称为凝华增长。冰晶效应（Bergeron效应）当过冷云中出现冰晶时，冰晶将很快由凝华增长而生长。概念：由于同温度时冰面饱和水汽压小于过冷水面饱和水汽压，当实际水汽压间于两者之间时，会发生水分从过冷水滴蒸发而在冰晶面上凝华，导致水滴消失而冰晶长大的现象，称为冰晶效应。冰晶效应在时，对应温度为-11.8OC时最显著。hPaE27.0)(max冰晶效应示意(b)Growthbyriming;hailstones.6.5.4FormationofprecipitationincoldcloudsThegrowthificecrystalsbydepositionofvaporisnotsufficientlyfasttoproducelargeraindrops.Thegrowthoficecrystals,firstbydepositionfromthevaporphaseinthemixedcloudsandthenbyrimingand/oraggregation,canproduceprecipitation-sizedparticlesinreasonabletimeperiods(sayabout40min).6.5.5ClassificationofSolidPrecipitation6.6ArtificialModificationofCloudsandPrecipitation1946年，美国科学家朗缪尔(I.Langmuir)等人提出通过人工产生冰晶来影响冷云降水的设想，同年11月，他的助手施弗尔(V.J.Schaefer)第一次成功地用干冰(固体CO２)对冷层状云进行人工催化试验(产生了降雪)，才引起人们的广泛重视，推动了人工影响天气试验的迅速发展。cloudseeding:暖云降水的形成机制不同于冷云降水，促使暖云降水形成的是水滴大小的不均匀性，即碰并过程起着决定性作用。因此影响暖云降水的基本原理就是撒入大水滴或吸湿性核，改变云滴谱分布的均匀性，破坏其稳定状态，6.6.1ModificationofWarmCloudsEveninprinciple,theintroductionofwaterdropsintothetopsofcloudsisnotaveryefficientmethodforproducingrain,sincel