云微物理学.docx

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 响天气的理论基础云和降水微物理学-简介11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°C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\T j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jilnliMnu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°C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-20C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 °C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0C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0C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-5C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o°c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oc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。