第二章第四节降水粒子

3、降水酸度
降水酸度通常用PH值表示，定义为减少酸 性溶液中氢粒子[H+]摩尔浓度的常用对数的负 值，即
1 PH = − lg[ H ] = lg + [H ]
+
降水酸度
PH 值 大 小 范 围 是 由 0 ～ 14 ， 中 性 溶 液 PH=7 ， PH>7为碱性溶液，PH<7为酸性溶液。但是，由于大 气 中 总 是 存 在 CO2 ， CO2 溶 于 雨 滴 形 成 H2CO3 ， 所 以，PH=7不能作为判别降水酸度的标准，它在大气 中CO2 浓度在150ppm到400ppm时，降水的PH值应 在5.5~5.7之间，所以国际上通常取PH=5.6作为判别 降水酸碱度的标准，当PH<5.6时，降雨即为即酸雨。 应当提醒的是，这个标准只考虑CO2对自然降水 的影响，气体大气中SO2，NH3等对自然降水的酸度 也是有影响的，若考虑透明的影响，作为判别标准的 PH值应更小些。
二、雨滴
雨 滴 直 径 在 0.2~6.0mm ， 典 型 的 值 为 1mm，比典型的云滴10μm大两个量级，可见 一个典型的雨滴的体积大106 倍，换句话说要 成一个雨滴就要消耗100万个云滴，在整云的 生命期中（对流云只有1～2小时）怎样由云滴 增长成雨滴的，这正是云和降水粒子增长要讨 论的关键问题。 雨滴数密度平均为1～104个/m3。
小资料
我国是个多暴雨地区，不仅沿海地区，而且 在内陆，甚至半干早地区都发生过特大暴雨。 5分钟 53.1mm 太原梅桐沟 1971.7.1 1小时 198.3mm 河南林庄 1975.8.5 8小时 1000mm 陕西榆林 1977.8.1～2 24小时 1672mm 台湾新寮 1967.10.17 3天 2749mm台湾新寮1967.10.17～19
6 6 0 0 ∞ ∞ −λD
dD = N 0
6!
λ7
= 720 N 0 / λ7
由上述两式可以得到
Q 4/3 ⎧ ⎪ N 0 ≅ 446( z ) Q ⎨ Q ⎪λ ≅ 6.12( )1 / 3 z ⎩ (m −3 mm −1 ) (mm −1 )
人工降水
也称人工增雨，是根据不同云层的物理特性，选择合适时 机，用飞机、火箭弹向云中播散干冰、碘化银、盐粉等催化 促使云层降水或增加降水量。人工增雨常分为暧云催化剂增雨 冷云催化剂增雨。欲要暧云（温度高于0℃的云）降水，就得使 云中半径大于0.04毫米的大云滴有足够的数密度，让它们迅速 与小云滴碰并增长，成为半径超过 1.0毫米的雨滴形成降水，因 此在那些大云滴数密度小而无法形成降雨的云中，用飞机、炮 携带等方法，播撒盐粉、尿素等吸湿性粒子，使形成许多大云 滴，便可导致形成或增加降水。欲要冷云降水，就得使冷云上 的冰晶数密度超过1个/升，对那些冰晶数密度不足的冷云，用 机等播撒干冰、碘化银等催化剂，便可产生大量冰晶，促成或 加降水。为了弄清楚人工催化剂的效果，弄清人工增雨量的多 少，常常要进行检验。由于云和降水过程十分复杂，使人工降 和降水检验的方法措施还都很不完善，有待进一步深入研究。
2、降水中主要化学成分
根据大量资料分析有， (1) SO42－离子：陆地降水中SO42－含量平均为l一10毫 克/升。而海洋降水平均约为l毫克/升。由于人类活动大量排放 S02，对降水中SO42－含量的影响很大。 (2) NH4+、NO3—；和NO2－等氮化合物，其含量平均 分别约为0.1~0.2毫克/升，0.05~0.2毫克/升，和0.01毫克/ 升。主要来源于农业、工业污染与雷电等。 (3)Cl－离子：其含量平均为0.1~0.2毫克/升，主要来源于 海洋。 (4)K＋，Na+，Ca2+，Mg2+等金属离子。它们的平均 含量分别为0.1～0.3毫克/升，0.2~1.0毫克/升,0.5~3.0毫克/ 升。主要来源于陆地表层和海洋。 要指出的是，上述组成的情况只代表一般的平均状态。实 际上随地点和时间的变动很大。此外，降水中还含有重金属、 磷、碘以及不可镕性物质和有机物质。
4、我国的酸雨
我国的酸雨主要出现在长江以南地区。重庆 是我国降水低pH值中心．1985年重庆市区的 降水pH佰平均为4．06，郊区测得的降水pH佰 为4.31。1995年平均降水PH值小于5.6的区域 已占全国国土面积的40％左右。 我国许多城市近地面层大气中SO2浓度比欧 洲和北美高2～3倍，颗粒物浓度高一个量级， 像西南地区的贵阳、重庆等城市地面附近SO2 浓度高达0.4~0.5mg/m3。在这种环境下，雨 滴从云底降落到地面，要通过一层含高浓度的 SO2和颗粒物的大气层，雨水的酸度不可能不 受影响。
§2．4
降水粒子
一、概述 二、雨滴 三、固态降水 四、降水的化学特性
一、概述
当云粒子不断增长，其半径超过100微米 时，降水即开始形成，最后降落到地面。降水 通常可分为连续性与阵性两大类。连续性降水 主要由高层云、雨层云等云系中降落，其降雨 范围广，强度中等，持续时间很长，阵性降水 主要来自对流性云系，其特点是强度大，持续 时间短，而水平范围也不广。 1、降水分类 2、降水描述 3、降水粒子
4）冰雹尺度谱
冰雹尺度谱一般表现为单峰。
5）冰雹图片
5）冰雹图片
1894年5月11日，一块6×8英寸的雹块落在英国密西西比州的玻维 实际上却是一只被冰壳包住的小龟。还有1930年5个德国滑翔飞行员的悲 剧．他们在罗恩山上空飞进一个雷暴区内．由于担心风和湍流会把不结实 滑翔机撕裂，5个飞行员全部跳伞离机。但他们的降落伞被卷入风暴的强大 上升气流，气流将他们带到过冷水滴区。他们立刻被冰包住，其中4人在到 达地面之前就冻死了，只有一个逃脱厄运活了下来。 美国每年大约发生4800次雹暴。其中10％至15％降落的雹块有0.75英 寸大小或更大——大到足以造成严重伤害和损失。 美国历史上损失最为惨重的雹暴(估计损失达6.25亿美元)发生于1990 年7月，它袭击了科罗拉多州洛肌山脉东段．从科罗拉多州的埃斯茨帕克到 科罗拉多泉城。大小如高尔夫球至棒球的冰雹砸下来，击毁了几千家屋顶 几万辆汽车、卡车，打坏了数以万计的窗户、街灯和交通指示灯。在这之 前．1984年，据报道，德国慕尼黑的一次雹暴造成十多亿美元的损失—— 世界上冰雹损失之记录。 1788年7月13日在法国，几场雹暴袭击了一千多个村庄，使当年的收 毁于一旦。随之而来的食物匮乏是引起第二年法国革命的一个重要因素。 此外，还有心理上的代价——那种纯粹出于对在露天被强雹暴袭击的 恐惧。1360年5月8日，英格兰国王爱德华三世率军行进到巴黎和恰持斯之 间，当“巨大的雹块击毙他的士兵和马匹时，连最勇敢的战士都颤栗不 国王吓坏了．以致于弃战求和。不久，便签订了布莱第尼条约。
1、降水分类ຫໍສະໝຸດ Baidu
按降水的性质划分，降水还可分为： 连续性降水：雨或雪连续不断的下，而且比 较均匀，强度变化不大，一般下的时间长，范 围广，降水量往往也比较大。 间断性降水：雨或雪时下时停，或强度有明 显变化，一会儿大一会儿小，但是这个变化还 是比较缓慢的，下的时间有时短有时长。 阵性降水：雨或冰雹常呈阵性下降，有时也 可看到阵雪。其特点是骤降骤停或强度变化很 突然，下降速度快，强度大，但往往时间不 长，范围也不大。如果在阵雨的同时还伴有闪 电和雷鸣，这便是雷阵雨。
2） 冰雹的密度
冰雹的密度值在0.8～0.9g/cm3，有效雹块比较 疏松（霰），密度可小到0.3g/cm3。
3）冰雹的分层结构
根据冰雹切片观测，冰雹的内部结构比较复杂。冰雹结构 的特征是中心有个内核，称为胚胎。它可以是雪丸或冰丸，多 半由雨滴冻结而成。胚胎的大小似冰雹而异，其尺度在1－2毫 米到1厘米左右。围绕胚胎的外壳是由几层透明与不远明的冰 层相间组成。多次观测表明，冰雹通常有两层以上的层次。小 冰雹层次较薄，每层1～2mm，大冰雹层次较厚，每层约几 到1cm。冰雹越大，层次也愈多。世界上观测到的最多层次高 达30层左右。我国甘肃岷山县曾观测到10层的冰雹。此外，冰 雹中还可能混有少量的气泡、尘埃和其它悬浮物。因此，冰雹 的密度可在0.1~0.9克·厘米-3的范围内变动。冰雹结构的复杂 反映了冰雹在云中形成与生长的过程也是很复杂的。不透明层 反应干增长环境，透明层反应湿增长环境，即云内含水量大， 气温高，此时雹块捕获大量过冷水滴，冻结时释放大量潜热， 从而使冰雹四周形成一层水膜，缓慢冻结，水中的空气来得及 逸散，形成透明的冰层，这种过程称为冰雹的湿增长。
6）冰雹趣事
四、降水的化学特性
1、降水粒子形成的微物理过程 2、降水中主要化学成分 3、降水酸度 4、我国的酸雨
1、降水粒子形成的微物理过程
水汽在凝结核上凝结形成初始云滴，通过凝 结过程长成半径十几个微米的云滴，再通过碰 并过程长成半径超过100微米时即可以下降形 成降水。降水粒子在大气中形成、增长以及降 落的过程中吸附或溶解了各种气体和气溶胶粒 子，这有两种作用，其一是清除了对流层空气 中某些污染气体和气溶胶粒子，另一方面也使 降水的化学成分变得很复杂。
降水粒子
降水粒子分为液态水滴和雪、雹、霰等固态 粒子两类，具有各不相同的微结构 。
758大暴雨
8月上、中旬第3，4号台风及其变成的低气 压带来了大暴雨和特大暴雨．使河南、安微、 湖北、湖南、江西等省部分地区出现较大范围 的洪涝灾害。3号台风及其变成的低气压使河 驻马店、许昌、南阳等地区普降特大暴雨，8 4—8日的降水量一般有400一1200毫米．其中 泌阳县林庄有1631毫米、方城县郭庄水库有 1517毫米。雨量之大，雨势之锰．为国内外所 少见，使汝河、沙颖河、唐白河三大水系各干 支流河水猛涨、漫溢决堤．板桥等水库垮坝失 事．造成特大洪水。人民生命财产遭受严重损 失。
雪花形状
2、冰雹
1） 冰雹分类大小和形状 2） 冰雹的密度 3）冰雹的分层结构 4）冰雹尺度谱 5）冰雹图片 6）冰雹趣事
1） 冰雹分类大小和形状
a、霰（软雹）：白色或乳白色的不透明球 形或锥形固态降水，直径大致为6mm，其结构 比较松软，密度小，往往落地就碎。 b、冰丸（小雹、冰粒）：透明或半透明 冰，直径几个mm，球形、椭球形、锥形、扁 圆形以及不规则形。 c、冰雹：直径在5mm以上的冰球、冰块， 形状多样，球形。椭球形、扁球形或部规则 形，大小各不相同。据实测报告，国内有记录 的最大冰雹直径13.8cm，重量达850克。
2、降水描述
描述降水的一个重要参数是降水强度，即单 位时间内的降水量。降水量是指单位面积地面 上所积累的降水总质量。在气象学上降水量是 以 液 态 水 层 的 厚 度(毫米或厘米)表示的，因 此，降水强度一般用毫米/时或毫米/日(日降水 量)表示。按国际统一规定，日降水量 0～10毫米的为小雨； 10～25毫米的为中雨； 25～50毫米的为大雨； 50～100毫米的为暴雨； 100一200毫米的为大暴雨； 超过200毫米的为特大暴雨。
利用降水量Q和雷达反射因子Z来计算 λ和N0
降雨含水量 ：
Q=
π
6
× 10 ρ w ∫ D N 0 e
−3 3 0
∞
− λD
dD =
π
6
× 10 ρ w N 0
−3
3!
λ
4
= π × 10 ρ w
−3
N0
λ4
因为ρw单位是克/cm3，D的单位是mm，所以式中有因子10-3
雷达反射因子
Z = ∫ D n( D)dD = ∫ D N 0 e
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三、固态降水
固体降水指雪花和冰雹。 1、雪花 2、冰雹
1、雪花
单个冰晶的聚合物，它主要由星形枝状冰晶聚合 而成，也有由针状和板状冰晶组成的。这些聚合物的 增长依赖于冰晶间的碰撞与凝聚。这种聚合有时往往 是无规则的，测量雪花线形尺度的方法也比较困难。 通常雪花大小是用粒子质量或当雪花融化后形成的水 滴的直径来表示。Gunn与Marshall (1958)曾测量过 雪花的大小分布，平均状况下也满足公式(2.4.1)，而 其参数N0与λ分别为 λ＝25.5I-0.48(cm-1)，N0=3.8×10-2I-0.87(cm-4) I是降水强度，单位也是毫米·时-1。 雪花形状
雨滴谱
根据大量的资料体积平均结果，Marshall与 Palmer提出下列雨滴谱公式 N(D)=N0exp(-λD) (2.4.1) 式 中 ， λ ＝4.1I-0.21(cm-1)，N0=0.08(cm4)，D式雨滴直径，许多观测表明， N0 是雨强 的 函 数 ， 而 不 是 常 数 ， Joss 等 发 现 0.03<=N0<=1.0cm-4 ， I 是 雨 强 ， 单 位 是 mm/hour。 例子： 利用降水量Q和雷达反射因子Z来计算λ和N0