[科普中國]-云滴

簡介

降水的形成就是云滴增大為雨滴、雪花或其它降水物，并降至地面的過程。一塊云能否降水，則意味著在一定時間內(nèi)(例如1h)能否使約106個云滴轉(zhuǎn)變成一個雨滴。云滴是指半徑小于100μm的水滴。使云滴增大的過程主要有二個：一個為云滴凝結(jié)（或凝華）增長；另一個為云滴相互沖并增長。實際上，云滴的增長是這兩種過程同時作用的結(jié)果。1

特征云降水的過程中，不同大小的液滴是混合且連續(xù)存在的。微觀上通常根據(jù)水滴的下落規(guī)律，將半徑小于100微米的水滴稱為云滴，其中50～100微米的稱為大云滴。1云滴的存在必須具有至少接近飽和的相對濕度，在許多云體中心部位，相對濕度通常大于100%，達到過飽和狀態(tài)。下表給出了一些云中典型云滴的物理特征參數(shù)。其中層狀云云滴較小，積狀云云滴較大，但在晴天時，積狀云中云滴大小與層狀云的相似。

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云滴譜云滴譜是指單位體積中云滴的數(shù)量隨云滴大小的分布。云滴的濃度單位常以個/cm3表示，即單位體積內(nèi)包含的云滴個數(shù)，或稱云滴數(shù)密度。反應滴譜特征的參量有:譜寬(最大半徑和最小半徑的間隔)、濃度峰值及峰值半徑等。云滴譜的峰值通常在小滴處，濃度隨尺度加大而減小。不同地區(qū)、不同云型、云中不同部位及云的不同發(fā)展階段，云滴譜特征都不相同。滴譜的表示方法有二種:①實際觀測的云滴資料常用列表法和圖示法處理;②理論研究中常采用經(jīng)驗公式表示，例如赫爾吉安-馬遜公式。厚而濃密的濃積云、積雨云和雨層云中含有大量大云滴，譜寬型(50-100μm);穩(wěn)定的非降水云中小云滴多，譜型窄(20-30μm)。

云滴的譜分布通過改變云滴的有效半徑影響輻射傳輸過程，改變大氣的熱力、動力狀況，進而影響云的發(fā)展，因此云滴譜將影響云和輻射的相互作用，從而改變地面降水。云滴譜在中尺度地面降水中起著重要的作用，其不確定性對地面降水的范圍影響很小，卻能明顯地改變降水強度，能顯著地改變地面降水中心的降水量和中心位置，還可能改變降水的起止時間；云滴譜的不確定性能夠引起最大超過10%的平均降水強度的改變，而且其差異在白天比夜間更明顯。2

云滴增長空氣中云滴的增大有兩個過程，一方面以凝結(jié)方式而增大，而是以碰并方式而增大，兩種過程是相互作用的。3

云滴凝結(jié)(或凝華)增長云滴的凝結(jié)增長定義：指水汽分子凝結(jié)（凝華）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶）增長的過程。在云的形成和發(fā)展階段，由于云體繼續(xù)上升絕熱冷卻，云內(nèi)維持一定的過飽和，云滴便能借凝結(jié)而增長。同時，云滴之間存在飽和水汽壓的差異，也能使部分云滴處于過飽和狀態(tài)，發(fā)生凝結(jié)。

一、凝結(jié)條件

凝結(jié)(或凝華)增長過程是指云滴依靠水汽分子在其表面上凝聚而增長的過程。在云的形成和發(fā)展階段，由于云體繼續(xù)上升，絕熱冷卻，或云外不斷有水汽輸入云中，使云內(nèi)空氣中的水汽壓大于云滴的飽和水汽壓，因此云滴能夠由水汽凝結(jié)(或凝華)而增長。但是，一旦云滴表面產(chǎn)生凝結(jié)(或凝華)，水汽從空氣中析出，空氣濕度減小，云滴周圍便不能維持過飽和狀態(tài)，而使凝結(jié)(或凝華)停止。因此，一般情況下，云滴的凝結(jié)(或凝華)增長有一定的限度。而要使這種凝結(jié)(或凝華)增長不斷地進行，還必須有水汽的擴散轉(zhuǎn)移過程，即當云層內(nèi)部存在著冰水云滴共存、冷暖云滴共存或大小云滴共存的任一種條件時，產(chǎn)生水汽從一種云滴轉(zhuǎn)化至另一種云滴上的擴散轉(zhuǎn)移過程。例如，在冰晶和過冷卻水滴共存的混合云中，在溫度相同的條件下，由于冰面飽和水汽壓小于水面飽和水汽壓，當空氣中的現(xiàn)有水汽壓介于兩者之間時，過冷卻水滴就會蒸發(fā)，水汽就轉(zhuǎn)移凝華到冰晶上去、使冰晶不斷增大，而過冷卻水滴則不斷減小。當冷暖云滴共存或大小云滴共存時，同樣也可發(fā)生這種現(xiàn)象，使冷(或大)的云滴不斷增大。

上述幾種條件中，對形成大云滴來說，冰水云滴共存的作用更為重要。這是因為在相同的溫度下，冰水之間的飽和水汽壓差異很大，特別是當溫度在-10— -12℃時差別最顯著，最有利于大云滴的增大。因此，對于冷云(指云體上部已超越等O℃線，有冰晶和過冷卻水滴共同構(gòu)成的混合云)降水，這種冰水云滴共存作用(稱為冰晶效應)是主要的。觀測事實也證明了這一點。著名的貝吉龍(Bergeron)理論的價值，就在于他強調(diào)了冰晶對降水的作用。但是，不論是凝結(jié)增長過程，還是凝華增長過程，都很難使云滴迅速增長到雨滴的尺度，而且它們的作用都將隨云滴的增大而減弱?？梢娨乖频卧鲩L成為雨滴，勢必還要有另外的過程，這就是沖并增長過程。

二、凝結(jié)增長方式

云滴的凝結(jié)增長有3種不同的模式，過冷水（冰晶）凝結(jié)、大小水滴凝結(jié)、冷暖水滴凝結(jié)。

1、過冷水（冰晶）凝結(jié)

在云層內(nèi)部有過冷水滴和冰晶并存時，因為冰晶的飽和水汽壓較低，冰晶會不斷因凝結(jié)而增大。在沒有雜質(zhì)(冰核)的過冷水中，冰相的生成(水由氣態(tài)或液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài))是由水分子自發(fā)聚集而向冰狀結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化的過程。聚集在一起的水分子簇，由于分子熱運動起伏(脈動)的結(jié)果，不斷形成和消失。分子簇出現(xiàn)的概率隨溫度的降低而增大。當分子簇的大小超過某臨界值時，就能繼續(xù)增大而形成初始冰晶胚胎。

直徑為幾微米的純凈水滴，只有在溫度低于-40℃時才會自發(fā)凍結(jié)；但當過冷水中存在雜質(zhì)(冰核)時，在雜質(zhì)表面力場的作用下，分子簇更容易形成冰晶胚胎。

自然云中冰晶的生成，主要依賴于雜質(zhì)(冰核)的存在。在-20℃時，每升空氣中約有一個冰核，僅為同體積中云凝結(jié)核濃度的幾十萬分之一。因此云中冰晶的濃度，一般遠遠小于水滴的濃度。

2、大小水滴凝結(jié)

云凝結(jié)核可分成兩類：親水性物質(zhì)的大粒子，它不溶于水，但能吸附水汽，在其表面形成一層水膜，相當于一個較大的純水滴；含有可溶性鹽的氣溶膠微粒。它能吸收水汽而成為鹽溶液滴，屬吸濕性核。例如海鹽的飽和水溶液，只要環(huán)境相對濕度高于78%，就可以凝結(jié)增大。

隨著凝結(jié)水量的增加，溶液滴的濃度越來越小，所要求的飽和水汽壓也越高。但是，隨著凝結(jié)水量的增加，溶液滴的大小也隨著增大，所要求的飽和水汽壓又隨大小的增大而降低。因此，不同濃度和不同大小的溶液滴要求的飽和水汽壓值各不相同，當環(huán)境水汽壓大于相應的臨界值時，溶液滴即可繼續(xù)增長，隨著液滴大小的增大，溶液滴漸趨純水滴，這時溶液滴的飽和水汽壓也轉(zhuǎn)而下降，一個含千億分之一克食鹽的微粒，只要環(huán)境的相對濕度略大于100%，即可成為凝結(jié)核而生成云滴。

3、冷暖水滴凝結(jié)

冷暖云層混合時，冷云滴的溫度較低，飽和水汽壓也較低，周圍的暖云滴不斷的蒸發(fā)，冷云滴會不斷的凝結(jié)增長。

當云滴維持在一定的粒徑時，云滴表面的蒸發(fā)與凝結(jié)達到平衡，此時云滴表面的飽和水汽壓稱為平衡水汽壓。云滴表面為曲面，具有曲面效應，其平衡水汽壓比平的水面的平衡水汽壓高。

凝結(jié)增長的速率與水汽的過飽和度成正比，與云滴的半徑成反比。凝結(jié)剛開始的時候由于凝結(jié)核的大小不同，剛形成的云滴大小也有差別，但增長到一定大小后，云滴的大小就幾乎都一樣了。云中空氣上升而膨脹冷卻時，水汽不斷凝結(jié)。在凝結(jié)過程中，云滴半徑的增長速度和云中水汽的過飽和度成正比，與云滴本身的大小成反比。所以在確定的水汽條件下，云滴凝結(jié)增長越來越慢。在0.05%的過飽和條件下，一個由質(zhì)量為十億分之一克食鹽生成的初始云滴，從半徑為0.75微米開始，增長到1微米時需要0.15秒的時間，增長到10微米時需30分鐘，而增長到30微米時，就需要四小時以上的時間。

雖然水汽在少數(shù)大吸濕核上凝結(jié)之后，可產(chǎn)生大的云滴，但如果要它繼續(xù)增長到半徑為100微米的毛毛雨，就需要更長的時間，而積云本身的生命大約只有一小時，故在上述情況下不可能形成雨滴；在層狀云中，氣流上升的速度，只有幾厘米每秒，當大云滴在不斷下落的過程中，還來不及長成雨滴，就會越出云底而蒸發(fā)掉?？傊?，在實際大氣中，單靠水汽凝結(jié)是不能產(chǎn)生雨滴的。

云滴的碰并增長云滴經(jīng)常處于運動之中，這就可能使它們發(fā)生沖并。大小云滴之間發(fā)生沖并而合并增大的過程，稱為碰并增長過程。

一、運動速度

云內(nèi)的云滴大小不一，相應地具有不同的運動速度。大云滴下降速度比小云滴快(表3·5)，因而大云滴在下降過程中很快追上小云滴，大小云滴相互碰撞而粘附起來，成為較大的云滴。在有上升氣流時，當大小云滴被上升氣流向上帶時，小云滴也會追上大云滴并與之合并，成為更大的云滴。云滴增大以后，它的橫截面積變大，在下降過程中又可合并更多的水云滴。有時在有上升氣流的云中，當大小水滴被上升氣流挾帶而上升時，小水滴也可以趕上大水滴與之合并。這種在重力場中由于大小云滴速度不同而產(chǎn)生的沖并現(xiàn)象，稱為重力沖并。

二、運算

實際上大水滴下降時，與空氣相對運動，空氣經(jīng)過大水滴，會在其周圍發(fā)生繞流，。半徑為R的大水滴以末速度v下降的過程中，單位時間內(nèi)掃過的體積是以πR2為截面的圓柱體，位于圓柱體中的小水滴只有一部分與大水滴碰撞，另一部分小水滴將隨氣流繞過大滴而離開，不發(fā)生碰撞。

水滴重力沖并增長的快慢程度與云中含水量及大小水滴的相對速度成正比。即云中含水量越大，大小水滴的相對速度越大，則單位時間內(nèi)沖并的小水滴越多，重力沖并增長越快。

計算和觀測表明，對半徑小于20μm的云滴，其重力沖并增長作用可忽略不計，但對半徑大于30μm的大水滴卻在很短的時間內(nèi)，就可通過重力沖并增長達到半徑為幾個毫米的雨滴。大水滴越大，沖并增長越迅速。也就是說，水滴的沖并增長是一種加速過程。

實際的云中云滴大小不一，在空間的分布也不均勻，云中云滴與云滴之間的沖并過程是一種隨機過程。這種觀點在認識暖云水滴增長問題上，是個重要的進展。在該觀點的基礎上，提出了隨機(或統(tǒng)計性)沖并模式。該模式認為在每一時間間隔內(nèi)云滴的增長為概率性的。有的云滴沖并增大，有的則保持不變。這樣在下一時間間隔內(nèi)，有的云滴而能獲兩次增長機會，有的只獲一次，有的還保持不變。這個概念十分重要，因為它不僅說明了凝結(jié)增長過程的窄滴譜拓寬的機制，而且也解釋了云中為何有少數(shù)云滴能因隨機沖并而增長得比一般云滴快得多。

此外由于云中分子的不規(guī)則運動、云中空氣的湍流混合、云滴帶有正負不同的電荷以及流體吸力等原因，也可引起云滴的相互沖并。

三、不規(guī)則運動

由于沖并作用，水滴不斷增大，在空氣中下降時就不再保持球形。開始下降時，底部平整，上部因表面張力而保持原來的球形。當水滴繼續(xù)增大，在空氣中下降時，除受表面張力外，還要受到周圍作用在水滴上的壓力以及因重力引起的水滴內(nèi)部的靜壓力差，二者均隨水滴的增長及下降而不斷增大。在三種力的作用下，水滴變形越來越劇烈，底部向內(nèi)凹陷，形成一個空腔?？涨辉阶冊酱?，越變越深，上部越變越薄，最后破碎成許多大小不同的水滴。水滴在下降過程中保持不破碎的最大尺度稱為臨界尺度，常用等體積球體的半徑來表示，稱為臨界半徑或破碎半徑。在不同的氣流條件下，臨界半徑是不同的。如在均勻氣流條件下，臨界半徑為450—500μm。而在有擾動的瞬時氣流條件下，臨界半徑約為300μm。在自然界中觀測到的臨界半徑為300—350μm，這是因為大氣具有湍流的緣故。當大氣中的雨滴增大到300—350μm時，就要破碎成幾個較大的滴和一些小滴，它們可以被上升氣流攜帶上升，并在上升過程中作為新一代的胚胎而增長，長大到上升氣流支托不住時再次下降，在下降過程中繼續(xù)增大，當大到臨界半徑后，再次破碎分裂而重復上述過程。云中水滴增大—破碎—再增大—再破碎的循環(huán)往復過程，常用夾解釋暖云降水的形成，稱之為“鏈鎖反應”，有時也稱為暖云的繁生機制。

產(chǎn)生“鏈鎖反應”的條件是：上升氣流要大于6m/s(對于不同的滴有不同的要求)，云中含水量要大于2g/m3，同時還要求一定的云厚。當然，“鏈鎖反應”不會無限地繼續(xù)下去，因為強烈的上升氣流無法持久，云的宏觀條件和微觀結(jié)構(gòu)也在迅速改變。同時，當大量雨滴下降時會抑制上升氣流，或帶來下沉氣流。例如雷雨時的情況，下一陣大雨之后、云體即崩潰消散。

上述兩種云滴增大過程在由云滴轉(zhuǎn)化為降水的過程中始終存在。但觀測表明，在云滴增長的初期，凝結(jié)(或凝華)增長為主，沖并為次。當云滴增大到一定階段(一般直徑達50—70μm)后，凝結(jié)(或凝華)過程退居次要地位，而以重力沖并為主。在低緯度地區(qū)，云中出現(xiàn)冰水共存的機會較少，形成所謂暖云(指整個云體的溫度在0℃以上，云體由水滴構(gòu)成，又稱為水成云)降水，這時沖并作用更為重要?？傊Y(jié)(或凝華)增長和沖并增長兩種過程是不可分割的。我們必須辯證地看待這兩種過程的作用，以深入了解降水形成的理論，為人工控制降水奠定基礎。

云滴有效半徑在黃河以南地區(qū)和青藏高原東部，水云的云滴有效半徑有減少的趨勢。夏季中國大部分地區(qū)水云有效半徑存在減少的趨勢;其次是春季，長江以南地區(qū)和青藏高原東部水云有效半徑存在減少趨勢;而在秋季和冬季，中國大部分地區(qū)沒有顯著的變化趨勢。在長江以南地區(qū)冰云的有效直徑有減少的趨勢，在西北地區(qū)冰云有效直徑存在增加趨勢。在春季，內(nèi)蒙古中西部和西北地區(qū)冰云直徑存在明顯的增加趨勢;而在冬季，長江以南地區(qū)存在減少的趨勢。綜合云的光學厚度和云滴有效半徑的變化，可以發(fā)現(xiàn)在夏季云的光學厚度和有效半徑變化趨勢最顯著，這可能暗示云的有效半徑的變化對光學厚度的影響可能在夏季最大，也就是說，氣溶膠通過影響云的有效半徑改變云光學厚度的作用(氣溶膠的間接氣候效應)在夏季最強。云量、云的光學厚和有效半徑的變化表明長江以南地區(qū)和青藏高原地區(qū)可能是氣溶膠間接氣候效應比較顯著的地區(qū)。水云的光學厚度與有效半徑的相關系數(shù)在這個區(qū)域較高，也顯示了兩者之間更緊密地的聯(lián)系。4

云滴形成的作用天空中飄著的云彩千姿百態(tài)，變化多樣，但所有的云彩都是由許多小水滴和小冰晶組成的。雨滴和雪花就是由云中的云滴和冰晶增長變大而來的。云滴非常小，要使云滴繼續(xù)增長達到雨滴的大小，需要云層很厚，含水量多，就是說云滴濃度很大，云滴之間相互碰撞合并逐漸增大成雨滴。這種碰撞運動需要在云中有較強的垂直運動，才有可能增加云滴的多次碰撞并合成的機會。而在比較薄的和比較穩(wěn)定的水云中，云滴沒有足夠的凝結(jié)和合并增長的機會，天空中只能出現(xiàn)多云、陰天，不大會下雨。如果云滴周圍的水汽充足，繼續(xù)凝結(jié)增長到一定程度變成雨滴以后，雨滴在地心引力的作用下從空中降落下來。當雨滴遇到上升氣流時，就會有一個向上的力加在雨滴上，使其下降的速度變慢，并且有一些小雨滴還可能被帶回空中。只有當雨滴增大到一定的重量，上升氣流托不住雨滴時才有可能下降到地面，形成降雨。