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1、第3 2卷第4期1 962年22月气象学报ACTAME TEO R O LOCICASINICAVol.32,N6.4Dee。,19 2偏近年来雾霉滴藉形成理愉的研究*顾震潮(中国科学院地球物理研究所)_.提_薯本文对近年来国内外云滴罐的理希研究作了郭价,分析了当前的研究情况,指出了已有的成就和存在的简题,井且着重指出今后应鼓注意起伏对云滴形成过程的作用,和包括安观条件与微观姑构相速系的粽合研究。一、引言云雾物理中的基本简题之一,就是云雾滴谱形成的 阴题.在理箫上,云雾滴既然是祖 成云雾的基本粒子,去雾滴谱的形成就必然牵涉到形成云雾的基本过程,因此对云雾滴糟形成的了解,实盾上就是对云雾形成和发
2、展的基本过程的了解. 云雾滴潜形成的朋题不但是云雾微物理的必然主短,而更重要的是,只有通过对不同宏观条件下不同云滴谱形成 机理的了解,才能更好地了解云雾形成和发展中宏观条件的作用,包括宏观过程和微观过程的相互制豹.对云雾的人工影响和局部控制,目前主要在于影响云滴生长的速率、影响云雾微桔构的特征,包括云滴向雨滴的斡化.因此了解云滴谱的形成,对人工影响也有着 屯的重要意义.一.云滴谱形成,实际上是整个云雾发生、发展过程的拮果,因此云雾滴谱的一般理箫,就 不能不与云雾发生、发展过程拮合起来研究二尤其是一般滴谱的形成,它 与单个云滴乃至单分散、取分散情况下的云滴生长过程有着很大的不同.形成云滴谱时,云
3、滴从头起多多少少总是多分散的.而在拿体多分散的增长过程中,云滴之简的相互制豹、相互棘化非常复杂.实际上这些过程的分析处理方法 与单体云滴或单 (双) 分散情形可以面目全非,以至发生很大的 困难,然而正由于这种变化的制豹,云雾滴谱的 简题比单体云滴生炙的简题要深刻得多.-象天气变化可以用天气方程粗来描写一样,云雾发生、发展也可以建立一个云雾方程粗来描写.但云雾过程牵涉到很多微观过程和雷电等物理过程,而天气方程所描述的气流等气象要素 (包括小尺度运动) 也都必填包括在内,因此它比天气方程祖所包舍的方程更多、更复杂,在目前的云雾方程粗中还没有考虑到大尺度运动,根据人造卫星所摄的云的照片,大气中存在着
4、长到一、二千公皇以上的云,对于这些云来靓,就不能不考虑大尺度运动.因此在某种意义上来视,云雾方程是“种广义的天气方程.事实上,对于精确考虑到凝拮、幅射过程的天气研究来靓,天气方程必复作这样推广.目前的数值预报已开始这样作了.本文1%2年3月1 6 日玫到.气象学报32卷如果从研究云雾滴谱的角度出发,云雾方程粗中首先是云滴的速擅性方程.合空简位置p,时 简,不同体积,的云滴在单位体积中的个数,郎浓度是城,p,t ),那末 祭十d i(V幻+d i v(D饰一_。厂己x,、.代厂口,、一,万、一 !一川州!一I州卜 IL夕). O夕浮君/Ot/盛井(1.1)其中脚标K指水滴的个别变化,左边第二、三
5、项代表各种重新分布(输送,交换等等)所造成的n的局地变化,而右边三项代表使云滴体积本身有所改变(形成,发展,消灭等等)而造成的局地变化.竺中包括凝拮和蒸发作用在内.式,)代表每单位时简所产生的云滴一-一-一dt 分布的变化,它包括了其它各种使云滴新生的因素.D表示湍流翰送(以及分子扩散).V代表云滴的速度向量.-在国外的 气溶胶文献中(如文献【ID把这个方程称作动力 (K in e康)方程,这是不恰当的.其实它相当于盾量速擅方程,可以称之为云滴谱的速按方橡右边第一项中所包含武t , /击项与凝拮(及蒸发)有关,它由凝拮方程抬出.应竺d(户,)dtdtf(,丁,。,p,s),(1.2),p。 ,
6、T。分别表示云滴的盾量、密度、半径、温度,君,户,分别表示环境的水汽压、气 压和水汽过鲍和度.面数f 中还可以包括别的因子,例如含盐量.因此,双刃中所包括的在凝拮核上形成新的云滴之类的过程,也可以包含在式(1.2)里.右边第二项的碰讲过程由碰并基本方程了伽(t , )、_If口_,_、_,_、二,_、,_.、俨_,_.、二,_.、夕_. 卜巴警二乙)止 l。(“)n(t ,一u)尺(。,。)J“一,(,)l,(“)尺(u,t ,)廖“(1.3) dt/碰井ZJ。 ”一”J。来描写.其中K(“,t , )是体积,与体积“的 云滴之简的碰讲机率.这里全部的 复杂性几乎都来自非拔性.对不同的碰讲机理
7、K(。,t , )各有不同.它与云滴的运动、因而与云滴的惯性、空气 的流动性盾等等爵多因素有关.对较大云滴来靓,云滴的重力碰并增长更为重要,这可由下式决定己。(,)dt一;,:二(+)2。,(,一V(,(”(, (1.2)v宋是末速,E是捕获系数,它和式(1.2)合并成一个方程来决定众那dt方程(1.1 )与K(“,的都与云滴运动V有密切关系.这种云滴运动由云滴运动方程d二Vm,一丁一. -一O尤夕r 4tCR。2 4(V一u)+F(1.4)来决定.u是空气速度,粉是空气粘性系数,C是阻力系数,R,是云滴运动的雷豁数.F是作用在云滴上的各种外力(以及云滴反过来使空气发生运动消耗能量而造成的微小
8、阻力)包括荷电云粒和在电锡中偶极化了的云滴简的相互作用力等等.在式(1.2)中牵涉到云滴温度T:,根据云滴的热平衡方程L兰竺竺十应旦 dtdt4,; 份二,介r一Ppj浮Tdt其中dQdt一4二权T一T)是由扩散翰送抬云滴的热量,c是比热,L是凝桔潜热.通常4期顾震潮:渝近年来云雾滴稽形成理渝的研究么T二/d t项极小drdtKLP丁一Tr(1.,)乙是凝桔潜热,K是热量(分子)扩散系数,c是比热.一从上面的五个方程可以看出,欲具考查n的变化不能不牵涉到四周空气运动和气压、气温、水汽压等各种气象要素.因此就速系 到整个夭气方程祖先考虑水汽压,合e,是环境的鲍和水汽压,可得过鲍和度s仁二三匕.
9、( l .)心了令固态或液态水在汽化后所增加的外加过鲍和度是了(气温,气压不变),那末总过鲍和度Ss一,+,.一、 (L7)而 。,62:二,一生l一,d。.户PJO(1.8)因为;,与含水量如:t , d有联系碗求得击,份,法TdtOTdt.丁是空气温度,在dT/d t中考虑了上升运动中的 气压改变.此外对气温dT_,_,_L滚/乙s 、 了一“r v气,一“. o c乙百 丽戈二) .(1.9)“:是热量扩散系数,而 汉e,_Ld T己,汉尺eTZ(1.10)己一P cRcT。(1.1 1)带c的量是指水汽的.又PPRT.(1.12)而对水汽此湿可有,夸一奋一,一备,一q妻叮,叮17 产时
10、,拮果还与实际情况配合得比较好.但应款注意到征式(2 .7)中可以稠整的参数是比较多的,因此配合得比较好这也是很自然的.l )上 升气流有起 伏的云滴藉是很 值得研究的,据貌Howe l l曾研究过这个周题 1 】.气象-一学32卷2撇一基过尸Z U,一枷一言“ 翼丫/正态对数指仅e召。H) 味象一二丽飞雨平诬r(徽术)过鲍和水汽密度 作任机 起伏时 的凝桔滴藉(虚袋)与层状云实测藉 (实胶) 的比较(Be 几只eB).同时还应敲看到,这里面还存在着豁多简题显然取:1小时来配合,未必符合实际情况,但t又不能取得太大:实际上把A取成固定时,云滴将随时简无限地增多,这 当然是不合适 的.固题在于实
11、际上所观侧到的云滴,可能还是集中在某个时简附近形成的.在各个不同时简,云滴虽然不断在云底形成,但它们并不会集中在一起.因此A(t l )并不是常数.而在式(2.4冲的t一tl,应鼓象p。那样有一个概率分布,例如正态分布之类.这样,的夯布就会不同.此外,0时 的,。,就核分布而渝,也应蔽不是均一的一看来在考虑了这些情况之后,所形成的滴蹭将比Be朋e B 的要竟不少.因此,还不能象B eJ I He B那样肯定在疑拮增长的情况下,不会出现比较竟的滴谱.考虑到在湍流起伏条件下云滴在云中停留 的时简有所不同,云滴可能长成的大小不一样,云滴谱也会有所不同.假如在湍流条件下,水滴从云的中部(或其他部位)开
12、始形成后,受湍流作用而向云底及云镇扩散,在到达云顶及云底后,就出云而去,不再回来;又假如在只考虑凝拮增长的初期,云滴半径很少超过 2 0产,它的下降末速还不到5厘米/秒,云中湍流起伏速度大于末速度很多,末速就不用考虑,这样Mason熟为,在时简,时,云滴在云中某高度二上的概率。由O留_02留.岑竺D共奖. (2 .5 ) eto公Z抬出.D是扩散系数,这里暂不考虑水平方向上的各种变化(边界不均匀性等等).显然,如果出发点取在云的 中层(名 的处,云厚是2。二那末边界条件是八:。一士翔时,留一0. (2 .9)按镜象法立自p可写出。的解是,八_If了尸、 留火z,2一一气二二=二=lexP气一J
13、 丫4二D;.“斗口/+鑫(二1)l(一镖云少)+(2.10、勺又r,J!.J I、飞,/+_(20 2。+二)2因此云滴在云中停留 时简超过ZDt的概率是p(,一二。(一) 一erfx+艺(一i),e:f(Zn+1)x一erf(2。一1 )多J、(221)4期顾震潮:谕近年来云雾滴谱形成理渝的研究其中二一彩丫石.如果过鲍和 度S不变,那末云滴随时简的增关就很容易算出(注意:为 了推持过饱和状态,空气必镇不断地冷却,这可熊由幅射或上升运动等原因所造成,如果有上升运动,这个上升运动必填很小).假定云厚1 50米,D氏2 5米2/秒以及一个固定的核攀(10一抖克的2 7 0个/厘米3,1 0一1
14、3克的2 7个,10一1 2克的3个),S于.0 .0 5多可算得云滴停留6 0 0 0秒以.上的概率和这些云滴长成的云滴谱.这拌Ma s。企图由此征明在这种机理下,生成的滴错要比Ne ib urg e;等所算得的谱来得竟,厂2如东右的大滴浓度来得更大一些.但是,在这种过程下生长速率仍是由凝拮增长规律所支配,即此在同一过鲍和度、同一起始半径、同一时简 简隔后,不可能长出更大的云滴来.Ma so n 以为他所就明了的正是实际上不可能产生的事情二Ma s。所以对同一时简后得到比Neib ur ge t等情形下大滴更浓或同一浓度下云滴更大的拮果,这主要是由于Ma so n所取的过鲍和度比凝拮实际过程
15、中 的过饱和度大得多.按Ne ibu r朗:在层云情形下上升气流(或其他原因的冷却率)保持不变,而只有在很短的时简 内才有0 .1S18 产娜上的云滴仍然比实际层云中的少很多.图5表示l n。一Z ln,对/的关系.握骇分布成,)a rZe讨”在图 。34一卜一亩 一一一j - 5一20林图5、 湍流护散下云 中停留时固不同时,所形成的凝结豁 (由Ma so n 数据 豁算得来).圆点是Ma son算得值,实挑代表XP rHa H的极敬分布.上成为一条值钱,因此由图5就可以看出其拮果是否符合实际分布.显然,18汀云滴的浓度还得由别的方面来解释.但是,在湍流运动下,在同一部位开始形成的同一大小的
16、云滴,可以在云中停留不同时简而长到不同大小,这是一个值得注意的因素._因为,这 不仅对层状云存在这个简题,这气象学报3 2卷对积状云在别的机理下1 )甚至可以起更大的作用.总之,近年来虽然对疑桔过程本身有了很多了解,但对不同条件下的凝拮滴谱还没有 完全研究清楚,对上升艳热冷却下的滴谱研究较多,而对其他原因所造成的凝拮滴谱还没有很好注意.看来,在这方面还是需要作相当的工作才行.三、碰井作用下滴谱形成的理言俞凝桔是形成滴谱不可缺少的过程.但是当凝拮开始形成云滴后,它 的进一步长大,就 不一定单靠凝桔,而有碰并的作用.近来有人款为(例如文献18)。郎使对凝桔初期形成的小滴,也有一定的碰并作用二.,、 应当特别指出,碰并过程的基本特点 与凝拮过程不同,碰并过程只能使云滴总数或浓度减少
