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1、Chapter 6 Cloud Microphysics 云微物理学,国内称云雾和降水物理学(简称云物理学) 以大气热力学和动力学为基础，研究云、雾和降水的形成过程，发展规律以及如何影响、控制它的一门学科。 云和降水与天气、气候密切相关， 大 部分灾害性天气，如暴雨、雷暴、冰雹、台风、龙卷风和雾障等都和云雨过程有关；云和降 水也是地-气系统的动量、热量、水分传输和平衡的关键因素。,云的国际分类,6.1 Nucleation of Water Vapor Condensation 水汽的核化凝结,6.1.1 Theory云雾形成的过程，实质上是水汽转变成水滴或冰晶的相变过程，即新相形成和增大的过
2、程。新相形成时，必须先产生新相的初始胚胎，云雾物理学中称这种初始胚胎的产生过程为核化过程。可分为同质核化和异质核化过程。,同质核化凝结在纯净的空气中，靠水汽分子随机碰撞、相互结合而生成云的胚胎，这种过程称为同质核化凝结(或自生凝结)过程。,实际上，在纯净大气中不可能靠水汽的同质核化凝结过程自发地生成一定大小的胚滴。因为球形水滴表面的平衡水汽压(Er)与水滴半径r成反比，即水滴愈小，要达到平衡所需的水汽压愈大，因此，水滴愈小，愈容易蒸发，不利于形成稳定的胚滴。,处于(不稳定)平衡状态中的纯水滴相对于平水面的相对湿度和过饱和度,实际大 气中，湿空气绝热上升过程中所造成的过饱和度很少超过1%，大气中
3、一般不会由同质核化凝结过程形成水的胚滴。 而是通过异质核化凝结-水汽在异质核(作为凝结核)上的凝结。,6.1.2 Cloud Condensation Nuclei 云凝结核（CCN）,水汽在0.11%的过饱和条件下，可以在一些气溶胶粒子上凝结，这些气溶胶粒子称为云凝结核。 云凝结核可分为可溶性核和不可溶性核两类。,可溶性的 凝结核，因为能吸收大气中的水汽后形成溶液滴，有利于水汽的凝结增长，在云滴的形成过 程中起着十分重要的作用。 不可溶性核又可以分为亲水性的(能被水完全润湿)和憎水 性的(不能被水润湿)两种，其中亲水性核能吸附水汽在其表面形成一层水膜，相当于一个较大水滴，有利于胚胎的形成和增
4、长；增水性的不可溶性核则不利于胚滴的形成。,CCN supersatuation spectrum,6.2 Microstructures of Warm Clouds 暖云的微结构,云体温度高于0的云称为暖云，暖云完全由水滴组成。 描述暖云微结构的三个物理量： （1）液态水含量，liquid water content(LWC) （2）云滴数浓度，cloud droplet concentration （3）云滴谱，droplet size spectrum,液态水含量：单位体积空气中液态水质量，常用单位 克/米3 云滴数浓度：单位体积空气中云滴数量，常用单位 个/米3,滴谱是指云粒子浓度随
5、云粒子尺度大小的分布，通常用谱分布密度函数n(r)来表示。若设是半径介于r和r+r之间的球形云粒子浓度，则云滴谱分布密度函数可以写为,n(r),总浓度N则为N,云滴尺度云滴尺度可以用云滴半径r的范围和平均半径来表示。积云上部的云滴尺度比下部大，如淡积云上部 的 云滴半径范围为240m， 下部云滴仅为120m； 浓积云上部云滴半径达3100m，下部只有130m。,数密度 云体上部的数密度比下部的小。对淡积云，云体上部 和下 部的数密度分别为200和500个/厘米 ；浓积云和积雨云的数密度比淡积云小 。从总体上看，浓积云和积雨云比淡积云具有更大的云滴、较小的数密度。,6.3 Cloud Liqui
6、d Water Content and Entrainment 云液态水含量和夹卷,when a parcel of air is lifted above its lifting condensation level (LCL), the LWC is derived based on adiabatic assumptions for air parcels is called the adiabatic liquid water content. The measured LWC are well below the adiabatic LWC, because unsaturated
7、ambient air is entrained into cumulus clouds.,measured LWC,penetrative downdrafts（贯透下沉气流）,Air entrained at the top of a cloud is distributed to lower levels as follows. When cloud water is evaporated to saturate an entrained parcel of air, the parcel is cooled. If sufficient evaporation occurs befor
8、e the parcel loses its identity by mixing, the parcel will sink, mixing with more cloudy air as it does so. The sinking parcel will descend until it runs out of negative buoyancy or loses its identity. Such parcels can descend several kilometers in a cloud, even in the presence of substantial updraf
9、ts, in which case they are referred to as penetrative downdrafts. This process is responsible in part for the “Swiss cheese“ distribution of LWC in cumulus clouds (see Fig. 6.6).,Figure 6.6. (a) Vertical air velocity (b) liquid water content,6.4 Growth of Cloud Droplets in Warm Clouds 暖云中的云滴增长,In wa
10、rm clouds, droplets can grow by condensation in a supersaturated environment and by colliding (碰撞) and coalescing(合并) with other cloud droplets.,凝结增长和碰并增长,水滴凝结增长示意图,水汽,热量,6.4.1 Growth by Condensation(凝结增长）,M：the mass of the droplet。 v is the water vapor density at distance x(r) from the droplet. D：d
11、iffusion coefficient（扩散系数）,讨论,水滴质量与半径的凝结增长率，与 成正比， 当 大于 0 ，发生凝结， 当 小于0 ，发生蒸发；,当 一定时，水滴半径的凝结增长率与半径本身成反比，即在r小时，凝结增长快，随着r增大，凝结增长速度减小；（水滴增长初期作用大）,6.4.2 Growth by Collection,小于20微米的粒子在重力和阻力的作用下最终将达到稳定的下降速度，同密度的粒子，半径越大，降落速度越大。 云滴半径大小不一，降落速度不同，大粒子收集小粒子，发生碰撞合并过程。,不考虑气流的弯曲效应，则大粒子和 面积下的小粒子发生碰撞，而实际只和 面积下的小粒子发生
12、碰撞,collision efficiency 碰撞效率,collision efficiency 碰撞效率,coalescence efficiency E（合并效率）,碰撞后有合并、反弹、破碎三种可能。其中合并在碰撞中所占的比率为合并效率。 收集效率（collection efficiency） Ec =EE,Continuous collection model 连续收集模式,6.4.3 Bridging the Gap between Droplet Growth by Condensation and Collision-Coalescence,随机收集,6.5 Microphysi
13、cs of Cold Clouds,冷云,过冷水滴,混合云,冰晶云,6.5.1 Nucleation of Ice Particles; Ice Nuclei 冰晶的,1、水的冻结机制 （1）自生冻结（同质核化） 温度-40 O （2）异质核化 heterogeneous nucleation 大气冰核 冻结核 freezing nucleus 凝华核接触核化 contact nucleation接触核 contact nucleus,等效直径,heterogeneous freezing,homogeneous freezing,2、大气中的冰晶,（1）分类 单体、雪花、小冰丸、冰雹 （四种
14、形态） （2）冰晶的形状与生长环境的关系 1938 日本学者中谷首先研究 结论：冰晶形状与生长环境的温度、湿度有关； 应用：根据冰晶形状，可推断其生长环境的温、湿情况，结合高空温湿资料，大致可推断其形成于云的部位。,6.5.2 Concentrations of Ice Particles in Clouds; Ice Multiplication,冰晶的繁生 冰晶碰撞、折断、碎裂； 过冷水滴冻结喷射出小水滴再冻结成小冰晶； 过冷水凇附到冰晶上去（碰冻）；,6.5.3 Growth of Ice Particles in Clouds,1、凝华增长 当环境水汽压对冰面饱和时，冰晶由凝华过程进一
15、步增长，称为凝华增长。,冰晶效应（Bergeron效应）,当过冷云中出现冰晶时，冰晶将很快由凝华增长而生长。概念：由于同温度时冰面饱和水汽压小于过冷水面饱和水汽压，当实际水汽压间于两者之间时，会发生水分从过冷水滴蒸发而在冰晶面上凝华，导致水滴消失而冰晶长大的现象，称为冰晶效应。冰晶效应在 时，对应温度为-11.8OC 时最显著。,冰晶效应示意,(b) Growth by riming; hailstones.,6.5.4 Formation of precipitation in cold clouds,The growth if ice crystals by deposition of vapor is not sufficiently fast to produce large raindrops.,The growth of ice crystals, first by deposition from the vapor phase in the mixed clouds and then by riming and/or aggregation, can produce precipitation-sized particles in reasonable time periods (say about 40 min).,
