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1、第第12章章云雾降水形成的微物理过程云雾降水形成的微物理过程云雾的形成核化理论云雾粒子扩散增长降水的形成碰并增长自然降水机制冰雹形成过程成核作用成核作用核化：由一种相态产生新相胚胎，形成云雾质粒的过程。自发核化（同质核化）：单一相态分子中没有其它物质存在时发生的核化过程。把微小的水分子集合体看成核，则这种无异质核存在时的核化现象称为自发核化或同质核化。同质是指结成的核心不是异性物质，都是水分子的意思。同质凝结核化、同质凝华核化和同质冻结核化。成核作用成核作用异质核化 有异质核存在时的核化现象。12.1 均质核化均质核化同质凝结核化同质凝结核化在大气中水汽较丰沛时，其中有些水汽分子就会偶然结合成
2、微滴。如果其大小超过某个临界值，它将能稳定存在。平均来说，大于临界尺度的微滴将会增长，而小于临界尺度的微滴就会消失。12.1 均质核化均质核化同质凝结核化同质凝结核化1897年，Wilson令一个内含纯净无杂质的且相对湿度为100%的空气云匣发生膨胀，第一次发现在膨胀冷却到相对湿度达800以上时，才出现自发凝结现象。在这样大的相对湿度下，水汽分子才能克服由于温度和密度造成的微观起伏，自发地排列成团，形成微水滴。同质凝结核化发生的相对湿度界限，称为阈湿。结论：自然条件下不可能出现水汽同质核化凝结形成水滴。12.1 均质核化均质核化同质凝华核化同质凝华核化同质凝华核化比同质凝结核化困难得多。Ost
3、wald等级规律（1902）：一个水汽过饱和相并不直接转变为最稳态(冰)，而是先转变为次稳态（或亚稳态），即过冷却水。现在发现，至少在温度高于-100的范围内，自发凝华核化过程不会违反Ostwald的等级规律。12.1 均质核化均质核化同质冻结核化同质冻结核化计算表明，要产生同质冻结，过冷却水的温度至少要冷到-35左右。中值冻结温度：由于水滴群同质冻结的起始温度存在随机性，常用“中值冻结温度”来表示水滴群的冻结温度。它指水滴群中有半数水滴已冻结时的温度。n使一半过冷却水滴在使一半过冷却水滴在1/h冷却率下自发冻结，水滴直径冷却率下自发冻结，水滴直径10cm时温度必须降到时温度必须降到-30以下
4、；水滴直径以下；水滴直径1微米时温度微米时温度要降到要降到-45。即不论冷却率如何，水滴群的中值冻结温。即不论冷却率如何，水滴群的中值冻结温度都在度都在-30-45之间。之间。因此在-35-40以上，自然云多为过冷却的。12.2 异质核化异质核化物质的化学性质与结构会影响到物质的吸湿性。接触角：如图液体附着固体表面，液相表面切线与下垫面夹角为度，称为接触角或湿润角。12.2 异质核化异质核化亲液物质：fc时，盐核将由小而大地不断增大到超过时，盐核将由小而大地不断增大到超过fc，最最后能继续增大成云滴。后能继续增大成云滴。因此，任一条Kohler线上相对湿度最大点左边的平衡曲线上点称为“霾点”。
5、溶液滴处于霾点状态时，就称为“霾粒”或“霾滴”。如果相对湿度不变，处于霾点的水滴是不会增大或减小的。溶液滴半径由于相对湿度增大而一旦增大到临界点，即半径达到临界半径rc，就能被激活而不断增大。因此rc也称为“活化半径”，fc也称为“活化相对湿度”。在云雾形成过程中，可溶性凝结核作为水滴的核后，只有在被激活以后，才能形成云滴，否则只能保持为霾滴。12.3 大气凝结核和大气冰核大气凝结核和大气冰核 云凝结核（云凝结核（CCN）通常意义下的凝结核（CN）指所有可能形成云滴的气溶胶粒子，要求的过饱和度可能高达400%以上。一般自然云中过饱和度常在千分之几，一般不超过2%，在云中过饱和度条件下能够活化的
6、那些粒子称为云凝结核（CCN），显然，云凝结核仅是凝结核中的一部分。鉴于CCN浓度总是与一特定的过饱和度相联系，例如CCN（1%），CCN（0.5%）等，所以在比较CCN浓度时要特别注意其过饱和度条件。异质核化异质核化-CCN北极清洁海洋气团大陆气团N以每立方厘米中粒子数为单位，过饱和度S以百分数表示，常数c相应于S=1%时的粒子浓度。气溶胶粒子群尺度/化学成分的信息隐含在参数c和b之中。异质核化异质核化-异质凝华核化异质凝华核化异质凝华核化的理论处理与异质凝结核华相似。其核华率主要由接触角、核半径和温度决定。H H2 2O O成冰核通过各种机制起作用，包括：水汽在IN表面上凝华成冰即凝华模式
7、（或沉积模式）；由于吸附，水汽在IN表面上凝结而后冻结成冰即吸附模式或凝冻模式；IN嵌入过冷水滴内使其转换成一个冰粒子即冻结模式或浸润模式；过冷水滴同IN碰撞并形成冰粒子即接触模式。对应以上四种成冰机制的IN粒子分别称为凝华核、吸附核、浸润核和接触核。同种物质的颗粒可以不同方式成冰，而以接触核化方式成冰温度最高，以凝华核化方式成冰温度最低。异质核化异质核化-异质冻结核化异质冻结核化contactimmersioncondensation/freezing自然冰核自然冰核自然冰核呈现过冷却谱过冷却谱指不同温度能起冰核作用的核的含量。其特点是温度越低，冰核浓度越高。在全球冰核浓度与温度之间呈指数变
8、化的性质。-20oC时约1个/L，温度每下降4oC冰核浓度增加10倍，反映了单位空气体积内冰核数随温度下降而指数上升的趋向。自然冰核自然冰核a=0.3-0.8N0常取10-2/m3，过冷却度T=273 T.按北京地区观测资料，N0=1.06/m3，a=0.42。自然冰核自然冰核冰核浓度随相对湿度而增加，是冰面上过饱和度S的指数函数其中b可取常数，随地点 不 同 而 不 同，如Huffman根据对美国科罗拉多、怀俄明和密苏里三地的测量结果，求得b依次为3、4.5和8。自然冰核自然冰核随着地点不同冰核浓度呈现较大差异自然冰核浓度北半球比南半球高出一个量级。六大洲中以亚洲冰核浓度最高。我国北方地区的
9、观测值稍高于北半球的平均值。12.4 云滴的凝结增长核化粒子的进一步长大，受多种因子的综合作用，其中公认有两种重要机制，即凝结和碰并过程。在凝结过程中，首先是最贴近水滴的气层中的水汽分子有一部分凝聚到水滴表面，使此层中的水汽分子浓度降低，周围高浓度区的水汽分子便向该层补充而继续凝结。显然，凝结过程是水汽分子的扩散和输送过程。同时，凝结潜热使水滴温度升高，会使逃逸分子增多而阻碍凝结；而热量通过分子热传导向周围介质输送，又会影响凝结。因此，研究水滴凝结增长需考虑分子扩散及热传导的作用。云雾滴的凝结增长云雾滴的凝结增长云中水滴达到临界半径rc后，进入增长阶段。只要过饱和度继续维持，水滴就能靠水汽的扩
10、散而增长。研究云雾滴凝结增长，必须有下面六个方程:饱和比表达式饱和比表达式克拉珀龙克拉珀龙克劳修斯方程克劳修斯方程质量扩散方程质量扩散方程与环境的关系与环境的关系热扩散方程热扩散方程与环境的关系与环境的关系能量守恒方程能量守恒方程质量、热扩散的关系质量、热扩散的关系柯拉方程柯拉方程云滴特点云滴特点对云滴的增长或变小，都假定是由于空气中的水汽分子扩散所致。设某点周围的水汽密度梯度为 ，有一个垂直于此水汽密度梯度的球面积为A。由于此水汽密度梯度的作用，使单位时间通过此球面积的水汽质量为 。质量扩散方程质量扩散方程-Ficks Law 定义水汽分子扩散系数为质量扩散方程质量扩散方程-Ficks La
11、w 意义：单位水汽密度梯度作用下，在单位时间通过垂直于水汽密度梯度的单位面积的水汽扩散质量；D恒为正值。其中T0=273.15K，p0=1013.25hPa 对于所研究的云滴表面薄层，假设所有物理量均与方向无关，即各向同性。由D的定义式有质量扩散方程质量扩散方程-Ficks Law 在定常过程中，D不因距离而变质量扩散方程质量扩散方程-Ficks Law水滴质量增长方程的基本形式质量增长率半径增长率质量扩散方程质量扩散方程 半径增长率半径增长率水汽密度水汽压质量扩散方程质量扩散方程水滴通过水汽扩散产生凝结增长的半径变化方程（Maxwell方程，1890）讨论n凝结增长正比于凝结增长正比于e-E
12、rnn半径增长率与半径增长率与r成反比，即随成反比，即随r的增大，的增大，r的增长率将减小的增长率将减小n质量为质量为10-12克克(r=0.48m)的的NaCl核，在过饱和度核，在过饱和度S=0.0005的环境中长成半径的环境中长成半径r=50m的水滴，需的水滴，需11.5小时小时引入柯拉方程质量扩散方程质量扩散方程定义导热系数热扩散方程热量平衡方程热扩散与能量平衡方程热扩散与能量平衡方程Clausius-Clapeyron方程饱和比表达式其它方程其它方程云雾滴的凝结增长云雾滴的凝结增长饱和比表达式饱和比表达式克拉珀龙克拉珀龙克劳修斯方程克劳修斯方程质量扩散方程质量扩散方程与环境的关系与环境
13、的关系热扩散方程热扩散方程与环境的关系与环境的关系能量守恒方程能量守恒方程质量、热扩散的关系质量、热扩散的关系柯拉方程柯拉方程云滴特点云滴特点云雾滴的凝结增长云雾滴的凝结增长通风因子对水滴凝结增长的影响通风因子对水滴凝结增长的影响 f 总是大于1，所以相对于空气运动的水滴，其凝结速率总是大于静止时的，而且运动速度越大凝结速率也越大。需要指出的是，云中是存在上升气流的，因此云滴相对于环境大气有运动。从理论上说，这种通风作用增加了水汽输送率，使凝结加快，在用（12.4.13）（12.4.15）计算云滴凝结生长时，需考虑对通风作用作出订正。由于雨滴下落时和环境大气间有一定的相对速度，成为通风环境下的
14、对流输送，水汽场不再是静止而是呈球形对称的。在通风条件下，蒸发会加快，也需有通风因子加以订正。应用：云滴尺度随高度的变化应用：云滴尺度随高度的变化云滴群的凝结增长云滴群的凝结增长n自然云中许多云滴常一起增长，并争食云内可被利用的自然云中许多云滴常一起增长，并争食云内可被利用的水汽。当微滴相当大或者数量充分多时，消耗水汽的速水汽。当微滴相当大或者数量充分多时，消耗水汽的速率可以超出产生过饱和度的速率，这将阻碍或终止微滴率可以超出产生过饱和度的速率，这将阻碍或终止微滴的增长过程。的增长过程。n过饱和度是先增大后减小的过饱和度是先增大后减小的。n含盐粒较大的云滴都易于活化含盐粒较大的云滴都易于活化增
15、大。而半径小的难以达到活增大。而半径小的难以达到活化半径；而且在以后湿度下降化半径；而且在以后湿度下降时，甚至会蒸发变小。时，甚至会蒸发变小。n过到活化半径而增大的各种大过到活化半径而增大的各种大小的云滴，它们会渐渐增大到小的云滴，它们会渐渐增大到尺度相近的半径。尺度相近的半径。12.5 冰晶的凝华增长冰晶的凝华增大冰晶的凝华增大冰晶升华与电容体漏电的类比n等电位面等电位面-等水汽密度面等水汽密度面 n水汽容，或冰晶凝华增长的形状因子水汽容，或冰晶凝华增长的形状因子Cn球形冰晶的水汽容应为球形冰晶的水汽容应为rn平面辐枝状和六角片状冰晶的水汽容均假定为圆盘状平面辐枝状和六角片状冰晶的水汽容均假
16、定为圆盘状 n针状冰晶假定为长轴显著大于短轴的椭球状针状冰晶假定为长轴显著大于短轴的椭球状 表中a、b分别为长、短轴，为偏心率。冰晶的凝华增大冰晶的凝华增大冰晶的凝华增长平水平水/冰面饱和水汽压冰面饱和水汽压冰晶的凝华增大冰晶的凝华增大 过冷却云中的冰晶凝华增长n热扩散和能量守恒：热扩散和能量守恒：环境温度必然是远环境温度必然是远小于小于-11.5C。n生长极大值出现的生长极大值出现的温度在温度在500hPa低于低于1000hPa。因气压较。因气压较低时，同样的潜热低时，同样的潜热供应密度较小的空供应密度较小的空气，造成凝华区局气，造成凝华区局地的温度更高。地的温度更高。混合云中冰晶的凝华增长（混合云中冰晶的凝华增长（p330）(结论结论)自然云中的情况远比上述的计算模型复杂，但以上的结自然云中的情况远比上述的计算模型复杂，但以上的结论还是很有意义的。这种冰晶和水滴同时存在，而水汽从水滴论还是很有意义的。这种冰晶和水滴同时存在，而水汽从水滴转移到冰晶，使冰晶增大，水滴减小的冰水转化过程，称为冰转移到冰晶，使冰晶增大，水滴减小的冰水转化过程，称为冰晶效应。晶效应。1933年年Bergeron用冰晶效应解释冷云降水机制，并得用冰晶效应解释冷云降水机制，并得到大家的承认，这种理论就称为到大家的承认，这种理论就称为Bergeron假说假说