04-云降水物理7-12

固态降水粒子的增长
冰晶同冰晶碰并——碰连

0～-5℃及-12～-17℃是雪花的两个多发区
固态降水粒子的增长
冰晶同冰晶碰并—
—碰连

-12～-17℃，一是 冰面过饱和度最大 的温度，二是产生 枝状冰晶的温度， 枝叉结构的冰晶相 碰容易“钩连”和 “攀附”在一起
碰连
固态降水粒子的增长
水滴的悬浮冻结冰
高空对流泡是一种典型的播种云。由于高空对 流泡尺度小，可能同时存在好几个，因此，使 地面降水存在着小尺度的不均匀结构。
供应云，一般指浓密的层状云，如高层云、雨
层云、层积云或层云。当供应云受到冰雪晶粒 子的播种后，云内会通过云水碰冻→云冰碰连 →雪晶的有效转化以及碰并等过程，使其降水 强度明显增加。

这两者的形成物称为“淞晶”

霰(graupel)：大量冻附的冰质粒包围积集于雪 晶四周，掩蔽了雪晶的本来形状
雹(hail)
凇附
雹
冻雨
固态降水粒子的增长 冰晶同云滴碰并—— 凇附或碰冻霰

冰晶的尺度必须大于 某一临界值才能碰撞 小水滴
片状晶的凇粒多集中 于边缘呈环状，雪晶 中部常无水滴相碰
云降水物理学
教师：黄毅梅 电话：6599225 Email：huangyimei@sina.com
第七部分 云雾滴的扩散增长
质量扩散方程 - Fick's Law

d v 设某点周围的水汽密度梯度为 dr ，有一个垂直于
对云滴的增长或变小，都假定是由于空气中的水汽 分子扩散所致。 此水汽密度梯度的球面积为A。由于此水汽密度梯 度的作用，使单位时间通过此球面积的水汽质量 为 dM 。
研究云的降水效率的意义——降水潜力问题
人工影响天气、空中水资源的开发
第九部分
冷云降水理论
冰晶
冷云降水物
雪花

温度

地面气温低于或接近0℃

微物理机制

凝华 淞附 碰连

温度较高时淞附密度大、湿雪 温度较低时凝华、碰连密度小、碎雪
雪花
雪花
冷云降水物

稀凇附：冻附的冰质粒稀疏地附于雪晶上 密凇附：冻附的冰质粒已掩蔽雪晶表面，但未改 变原来形状
质量扩散方程 - Fick's Law

对于所研究的云滴表面薄层，假设所有物理量均与 方向无关，即各向同性。

由D的定义式有
d v d v dM 2 AD 4 l D dt dl dl
dM dt
dl 2 4 Dd v l
质量扩散方程 - Fick's Law
播撒一供应机制
播撒一供应机制
降水小结
当云中有足够大的水滴或冰质粒，就有可能发
生云水转化，产生降水。
但降水能否长时间维持，这就要看有无充分水
汽供应，这就牵涉到云中气流、云体厚度和生 命期等宏观条件。
这就是说，能否降水与云中微物理条件及过程
有关，能否产生大量降水，则与云的宏观条件 有关。
4 3 r w g 3

地球 重力
空气密度愈向下愈大，所以浮力也就 相应愈向下愈大，由于水滴和空气密 度差异，可忽略空气浮力
4 3 r g 3
微滴下落末速度
斯托克斯定律（0.5
2
~ 50 μm ）
2 r g w 6 2 u 1.19 10 r 9
10μm: 0.3 cm/s
雨滴繁生
雨滴繁生
变形破裂理论最大直径可达5mm，甚至有理论和 实验证实可大到10mm 自然界降水中，水滴直径一般很少大于2—3mm。
雨滴谱
最常用的测定降水的宏观特征量就是地面上的降雨 率（降水强度）。而最常用的表示降水的微观特征 量便是雨滴大小的分布函数（即滴谱） 马歇尔和帕尔默(Marshall and Palmer，1948)
粒

一种是水滴在上升中因 空气绝热冷却时冻结而 成 一种是雨滴通过冷空气 层时冻结

冰质粒的繁生过程
脆弱冰晶的破裂
冰质粒的繁生过程
过冷大水滴的冻结破裂 结凇时的繁生（Hallett-Mossop机制，主要）
播撒云一供应云降水机制
播撒一供应机制
高层播种云，一般是卷层云，在气旋云系中，

含盐粒较大的云滴都易于活化 增大。而半径小的难以达到活 化半径；而且在以后湿度下降 时，甚至会蒸发变小。
过到活化半径而增大的各种大 小的云滴，它们会渐渐增大到 尺度相近的半径。

冰雪晶的形状 雪晶是指冰晶通过凝华及撞 冻、碰并等机制增长到尺度 大于500微米后的水成物。
Dendrite
国际上将固体降水物分为十
微滴之间的碰撞可以通过重
力、静电力、湍流场或空气 动力的作用而引起。对各种 云来说重力效应是主要的
碰撞的小水滴数和大水滴所
扫过的几何截面内全部小水 滴数（可能碰撞小水滴数） 之比称为碰撞效率（系数）
E R, r
x
R r
2 0
2
碰撞效率(Collision efficiency)
N d n(d ) N 0e d
I

6
w d n d u d d
3 0

雨滴谱
降水效率
到达地面的降水质量与进入云中的水汽质量之比 (Braham，1952)。
一般小雷暴的降水效率仅为11%，大雷暴可达50%
地面雨区的总降水率与雨带的总凝结率之比。
蒙古气旋中心附近降水效率最高（94%），其次是冷锋面 （87%）和暖锋面（75%）附近，暖区（60%）和冷锋 后（49%）降水效率最低。
冰雹的形状
冰雹的尺度
小冰雹较为多见。据新疆 观测，直径在5至 20mm间的冰雹占总数 的92%，大于20mm的 仅占8%。
大的有像鸡蛋那么大(直径 约10厘米)
冰雹的相态结构 海绵冰-冰水混合雹块
当雹块的热量难以很快被环境空气传走时，未冻的 一部分水就在其由辐枝状冰晶组成的网格或骨架内 被保留起来，从而形成海绵状冰结构。海绵冰的密 度在0.9至1.0克/厘米3之间，它常是很透明的。
冰雹的分层结构
冰雹的分层结构
雹胚（雹核）
霰还是冻滴？
决定于云底温度
冻滴胚的频数随 云底平均温度 上升而增大 霰胚反之
由于霰落速比冻 滴小，平均增长 时间不同，所以 大冰雹多以霰为 胚
类。
三种主要冰晶类型：柱(针)
Needle
状、片(平面)状和辐枝(六角 柱)状。
Sectored Plate
Prism (Column)
Dendritic Sectored Plate
冰雪晶的形状
形状与生长条件
– 环境温度、湿度、固有生
长率
冰雪晶的形状
第八部分
暖云降水理论
How beautiful is the rain! After the dust and heat, In the broad and fiery street, In the narrow lane, How beautiful is the rain!
水滴通过水汽扩散产生凝结增长的半径变化方程 （Maxwell方程，1890）
质量扩散方程
半径增长率与r成反比，即随r的增大，r的 增长率将减小

通风因子对水滴凝结增长的影响
相对于空气运动的水滴，其凝结速率总是大于静止 时的，而且运动速度越大凝结速率也越大。

云滴群的凝结增长

自然云中许多云滴常一起增长，并争食云内可被利用的 水汽。当微滴相当大或者数量充分多时，消耗水汽的速 率可以超出产生过饱和度的速率，这将阻碍或终止微滴 的增长过程。

在定常过程中，D不因距离而变
dM dt


r
v dl 4 D d v 2 rv l
dM 4 rD v rv dt
水滴质量增长方程的基本形式
质量扩散方程 – 半径增长率

质量增长率半径增长率
dM d 4 3 2 dr r w 4 r w dt dt 3 dt
雨滴繁生及雨滴谱
雨滴繁生
问题：随着高度的降低，降水 质粒的数密度增大
雨滴繁生主要途径有二：
一是碰撞破碎
两个水滴互相碰撞时，可发生三 种情况：“并合”、“破碎”、 “弹开’，主要由相对速度和 碰撞角决定
暖云降水，雨滴直径一般截止于2---3毫米以下， 原因主要是碰撞破裂所致。冷云降水中包含有冰雪 晶，则可出现直径大于3毫米的雨滴
dr 4 r w 4 rD v rv dt
2
dr D r dt w v rv
质量扩散方程

水汽密度水汽压
1 e Ern v rv Rv T Tr
dr D e Ern r dt w Rv T Tr
碰并效率（系数）等于碰撞系数和并合系数的
乘积
Ec E E '
碰并增长The Collision and Coalescence Process
碰并增长
云中少数滴R>=20微米，碰并小云滴的效率提高， 能有效地启动重力碰并机制，形成降水粒子， 其碰并增长速率是随大水滴增大而快速增加的。 云滴碰并增长在暖云降水中十分重要，在这种云 中如没有碰并增大，云滴难以发展为雨滴。
Rain in Summer --Herry Wadsworth Longfellow
碰并增长

一个半径为1毫米的雨滴， 其质量或体积相当于100万 个半径为10微米的云滴
碰并增长

单凭凝结作用，则当半径增大到超过临界值后，由 于争食水汽，造成的云滴谱也仅是半径为1到10微 米间的较均匀的狭谱
暖云降水
“暖”云中产生降水的机制是云滴间的碰并。 碰并作用在热带的降水形成过程中占有非常重
Βιβλιοθήκη Baidu
要的地位
在云顶低于冻结温度的中纬度积云中碰并作用
也有一定的意义
微滴下落末速度
微滴下降速度受三种力决定

空气 浮力 空气 阻力
假定水滴在下降过程中，无蒸发、凝 结、碰并现象，可认为水滴受到的地 球重力无变化

水滴尺度增大，E很快增大 小于20μm的粒子E很小
碰撞效率(Collision efficiency)

r2/r1 0时E很小，小 粒子惯性小，易绕过大 滴 当r2/r1 > 0.6后E下降


粒子的尺度接近，导 致粒子间相对速度减 小，不利于互相碰撞
r2/r1
碰并增长
碰并
= 碰撞 + 并合
随机碰并增长
问题：初始大滴从何而来？
巨CCN
云不均匀性—云粒子增长不同步
湍流作用
凝结与随机碰并结合的作用
碰并过程开始后进行很快，云 滴数急剧减少，过饱和度明 显增加。
水滴数减少使总凝结表面减少， 上升空气因绝热膨胀冷却造成 的多余的水汽没有充分的凝结 表面凝结，致使过饱和度急增。
增加过饱和度能激活新的凝结 核，从而引起水滴数的增加， 造成一个小的峰值。但这仅 仅是短暂的效应，因为碰并 增长又迅速地吞并新形成的 微滴
所以降水问题是一个宏微观物理过程相结合的
问题。
第十章部分 冰雹物理基础
冰雹的危害
冰雹的危害
冰雹的危害
冰雹的危害的决定因素
尺度 数量 下垫面性质
问题
微观：
结构，为什么？
宏观：
是在什么样的天气系 统中产生的？
冰雹的形状
有圆球、扁圆球、椭球、扁椭球、圆锥、苹果形、 盘形和不规则形。最常见的冰雹是圆球、圆锥和椭 球三种。
固实冰
过冷却水滴碰在雹块上，如果因冻结而释放的热量 很容易传到环境空气中去，整个雹块就可降温而很 快固结，形成固实冰结构。 密实冰：0.9克/厘米3
多孔冰： 可低到0.2克/厘米3
冰雹的分层结构
最中心的部分称为雹胚 透明层 不透明层 每一层的厚度从几毫米到1cm不等，它包括层次的 多少均由冰雹在云中的形成过程决定。 从尺度上看，直径1～3cm的冰雹一般是2~5层， 直径为3～5cm的大冰雹一般是4~6层，特大冰雹 中有的多达10~20层。
20μm: 1.2 cm/s
50μm: 7.2 cm/s
100μm: 25.6 cm/s
微滴下落末速度
500μm~5000μm
0 12 u 2.2 10 r
2
1
3
50μm~500μm
u 8 10 r
3
碰撞效率(Collision efficiency)
dt
质量扩散方程 - Fick's Law

定义水汽分子扩散系数为
意义：单位水汽密度梯度作用下，在 单位时间通过垂直于水汽密度梯度的 单位面积的水汽扩散质量；
D恒为正值。
dM 1 dt D A d v dl
T D 0.211 T0
1.94
p0 o o , 40 C T 40 C p