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云滴

云滴是降水的形成就是云滴增大为雨滴、雪花或其它降水物,并降至地面的过程。一块云能否降水,则意味着在一定时间内(例如lh)能否使约106个云滴转变成一个雨滴。使云滴增大的过程主要有二:一为云滴凝结(或凝华)增长。一为云滴相互冲并增长。实际上,云滴的增长是这两种过程同时作用的结果。

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1 云滴增长的理过程

云滴 - 云滴增长的理过程

降水的形成就是云滴增大为雨滴、雪花或其它降水物,并降至地面的过程。一块云能否降水,则意味着在一定时间内(例如lh)能否使约106个云滴转变成一个雨滴。使云滴增大的过程主要有二:一为云滴凝结(或凝华)增长。一为云滴相互冲并增长。实际上,云滴的增长是这两种过程同时作用的结果。

(一)云滴凝结(或凝华)增长

凝结(或凝华)增长过程是指云滴依靠水汽分子在其表面上凝聚而增长的过程。在云的形成和发展阶段,由于云体继续上升,绝热冷却,或云外不断有水汽输入云中,使云内空气中的水汽压大于云滴的饱和水汽压,因此云滴能够由水汽凝结(或凝华)而增长。但是,一旦云滴表面产生凝结(或凝华),水汽从空气中析出,空气湿度减小,云滴周围便不能维持过饱和状态,而使凝结(或凝华)停止。因此,一般情况下,云滴的凝结(或凝华)增长有一定的限度。而要使这种凝结(或凝华)增长不断地进行,还必须有水汽的扩散转移过程,即当云层内部存在着冰水云滴共存、冷暖云滴共存或大小云滴共存的任一种条件时,产生水汽从一种云滴转化至另一种云滴上的扩散转移过程。例如,在冰晶和过冷却水滴共存的混合云中,在温度相同的条件下,由于冰面饱和水汽压小于水面饱和水汽压,当空气中的现有水汽压介于两者之间时,过冷却水滴就会蒸发,水汽就转移凝华到冰晶上去、使冰晶不断增大,而过冷却水滴则不断减小。当冷暖云滴共存或大小云滴共存时,同样也可发生这种现象,使冷(或大)的云滴不断增大。

上述几种条件中,对形成大云滴来说,冰水云滴共存的作用更为重要。这是因为在相同的温度下,冰水之间的饱和水汽压差异很大,特别是当温度在-10— -12℃时差别最显著,最有利于大云滴的增大。因此,对于冷云(指云体上部已超越等O℃线,有冰晶和过冷却水滴共同构成的混合云)降水,这种冰水云滴共存作用(称为冰晶效应)是主要的。观测事实也证明了这一点。著名的贝吉龙(Bergeron)理论的价值,就在于他强调了冰晶对降水的作用。但是,不论是凝结增长过程,还是凝华增长过程,都很难使云滴迅速增长到雨滴的尺度,而且它们的作用都将随云滴的增大而减弱。可见要使云滴增长成为雨滴,势必还要有另外的过程,这就是冲并增长过程。

(二)云滴的冲并增长

云滴经常处于运动之中,这就可能使它们发生冲并。大小云滴之间发生冲并而合并增大的过程,称为冲并增长过程。

云内的云滴大小不一,相应地具有不同的运动速度。大云滴下降速度比小云滴快(表3·5),因而大云滴在下降过程中很快追上小云滴,大小云滴相互碰撞而粘附起来,成为较大的云滴。在有上升气流时,当大小云滴被上升气流向上带时,小云滴也会追上大云滴并与之合并,成为更大的云滴。云滴增大以后,它的横截面积变大,在下降过程中又可合并更多的水云滴。有时在有上升气流的云中,当大小水滴被上升气流挟带而上升时,小水滴也可以赶上大水滴与之合并。这种在重力场中由于大小云滴速度不同而产生的冲并现象,称为重力冲并。

实际上大水滴下降时,与空气相对运动,空气经过大水滴,会在其周围发生绕流,如图。半径为R的大水滴以末速度v下降的过程中,单位时间内扫过的体积是以πR2为截面的圆柱体,位于圆柱体中的小水滴只有一部分与大水滴碰撞,另一部分小水滴将随气流绕过大滴而离开,不发生碰撞。

水滴重力冲并增长的快慢程度与云中含水量及大小水滴的相对速度成正比。即云中含水量越大,大小水滴的相对速度越大,则单位时间内冲并的小水滴越多,重力冲并增长越快。

计算和观测表明,对半径小于20μm的云滴,其重力冲并增长作用可忽略不计,但对半径大于30μm的大水滴却在很短的时间内,就可通过重力冲并增长达到半径为几个毫米的雨滴。大水滴越大,冲并增长越迅速。也就是说,水滴的冲并增长是一种加速过程。

实际的云中云滴大小不一,在空间的分布也不均匀,云中云滴与云滴之间的冲并过程是一种随机过程。这种观点在认识暖云水滴增长问题上,是个重要的进展。在该观点的基础上,提出了随机(或统计性)冲并模式。该模式认为在每一时间间隔内云滴的增长为概率性的。有的云滴冲并增大,有的则保持不变。这样在下一时间间隔内,有的云滴而能获两次增长机会,有的只获一次,有的还保持不变。这个概念十分重要,因为它不仅说明了凝结增长过程的窄滴谱拓宽的机制,而且也解释了云中为何有少数云滴能因随机冲并而增长得比一般云滴快得多。

此外由于云中分子的不规则运动、云中空气的湍流混合、云滴带有正负不同的电荷以及流体吸力等原因,也可引起云滴的相互冲并。

由于冲并作用,水滴不断增大,在空气中下降时就不再保持球形。开始下降时,底部平整,上部因表面张力而保持原来的球形。当水滴继续增大,在空气中下降时,除受表面张力外,还要受到周围作用在水滴上的压力以及因重力引起的水滴内部的静压力差,二者均随水滴的增长及下降而不断增大。在三种力的作用下,水滴变形越来越剧烈,底部向内凹陷,形成一个空腔。空腔越变越大,越变越深,上部越变越薄,最后破碎成许多大小不同的水滴。水滴在下降过程中保持不破碎的最大尺度称为临界尺度,常用等体积球体的半径来表示,称为临界半径或破碎半径。在不同的气流条件下,临界半径是不同的。如在均匀气流条件下,临界半径为450—500μm。而在有扰动的瞬时气流条件下,临界半径约为300μm。在自然界中观测到的临界半径为300—350μm,这是因为大气具有湍流的缘故。当大气中的雨滴增大到300—350μm时,就要破碎成几个较大的滴和一些小滴,它们可以被上升气流携带上升,并在上升过程中作为新一代的胚胎而增长,长大到上升气流支托不住时再次下降,在下降过程中继续增大,当大到临界半径后,再次破碎分裂而重复上述过程。云中水滴增大—破碎—再增大—再破碎的循环往复过程,常用夹解释暖云降水的形成,称之为“链锁反应”,有时也称为暖云的繁生机制。

产生“链锁反应”的条件是:上升气流要大于6m/s(对于不同的滴有不同的要求),云中含水量要大于2g/m3,同时还要求一定的云厚。当然,“链锁反应”不会无限地继续下去,因为强烈的上升气流无法持久,云的宏观条件和微观结构也在迅速改变。同时,当大量雨滴下降时会抑制上升气流,或带来下沉气流。例如雷雨时的情况,下一阵大雨之后、云体即崩溃消散。

上述两种云滴增大过程在由云滴转化为降水的过程中始终存在。但观测表明,在云滴增长的初期,凝结(或凝华)增长为主,冲并为次。当云滴增大到一定阶段(一般直径达50—70μm)后,凝结(或凝华)过程退居次要地位,而以重力冲并为主。在低纬度地区,云中出现冰水共存的机会较少,形成所谓暖云(指整个云体的温度在0℃以上,云体由水滴构成,又称为水成云)降水,这时冲并作用更为重要。总之,凝结(或凝华)增长和冲并增长两种过程是不可分割的。我们必须辩证地看待这两种过程的作用,以深入了解降水形成的理论,为人工控制降水奠定基础。