云降水总复习.

云降水物理学总复习第二章云雾降水形成的物理基础•云的定义•云雾形成的宏观条件及实现的主要途径。云是由空气和水凝物构成的悬浮在大气中的可见聚合体，是自由大气中热力过程和动力过程的外观表现。各种云、雾都是大气中空气湿度相对冰面或水面变得过饱和时才形成的，我们首先讨论使空气达到饱和的基本条件。实际大气中降温作用比增湿作用大10~20倍，所以大气中的降温冷却过程有利于云、雾的形成。当然局地增加水汽含量的作用也不能忽略，尤其是维持某地区上空的连续降水，必须有水汽汇流不断输入补充。第二章云雾降水形成的物理基础•其中降温机制中主要降温过程是哪个？哪几种方式可以实现降温。•增湿机制中主要包括哪几种增湿机制？蒸发雾是通过哪种宏观方式形成的？•大气中引起水汽密度变化的的原因是：（1）空气运动在水平和垂直方向上的输送（包括湍流输送）；（2）空气的水平和垂直方向上的辐合和辐散造成水汽在大气中的增多或减少；（3）水物质的相变。第二章云雾降水形成的物理基础•气块上升时的露点递减率远小于它的干绝热减温率，气块的温度和露点将逐渐接近，在某一高度达到饱和并发生凝结。这个湿空气块因绝热抬升而达到饱和的高度称为抬升凝结高度第三章云的宏观形成及观测特征•云内湿度总体上在98-102%之间，很少超过102%的，而且过饱和机率多于不饱和的。•比含水量、含水量、绝热比含水量的定义比含水量，或叫质量含水量：指每单位质量湿空气中所含固态或液态水的质量，常用单位为g/kg。类似于水汽含量中的“比湿”。含水量，或叫体积含水量：指每单位体积湿空气中所含固态或液态水的质量，常用单位为g/m3。类似于水汽含量中的“绝对湿度”。可逆湿绝热过程中，空气因绝热膨胀冷却所凝结出的比含水量，称为（湿）绝热比含水量，或饱和比含水量。第三章云的宏观形成及观测特征•积云的特征及其形成理论热泡理论和热气柱理论。•气团雷暴云的主要特征气团雷暴生命期短、尺度小（几公里至十几公里），降水效率低于20%，雷暴内部存在下沉气流对冲上升暖湿气流的自毁机制，不出现持续强风和冰雹。其中降水物下落拖曳和蒸发冷却作用使云内产生下沉气流。第三章云的宏观形成及观测特征–局地强对流风暴–中纬度地区暖季，当出现对流不稳定层结且从对流层低层到高层存在较大的铅直风切变时，可以发展强烈的局地对流，形成由积雨云组成发展起来的中尺度风暴系统，称为局地强风暴，以区别于气团风暴，它同时伴生强降水、大风、冰雹等强烈天气。–由于其内部上升与下沉气流互不产生破坏性对冲，故局地强风暴可以维持很长时间。第三章云的宏观形成及观测特征•层状云的宏观特征积状云层状云尺度L:100kmL/H:100H:1-2km；L/H≈101~2均匀性不均匀较均匀逆温层云顶以下无常伴随1-2含水量100-101g/m310-1g/m3降水阵性降水、强度大连续性降水、强度小雷达回波强回波区域均匀、亮带持续时间约100小时约101小时第三章云的宏观形成及观测特征•零度层亮带定义及形成原因–凡上部温度低于0度，下部高于0度的降水云，在对流不强时，往往在雷达回波中显示出明显的亮带。–亮带结构：位于0度层以下80~400m，厚度15~150m，呈水平带状–亮带的形成：降水质粒的反射率与复折射指数m有关，水的折射率因子约为冰的5倍。雪在下落到0度层，外层融化成水表，易碰并粘连—折射率增加5倍—完全变为水滴时，尺度减小、下落末速增大—反射率减小。由于它是雪花融化所致，故也称融化带。第三章云的宏观形成及观测特征•雾的定义•雾的形成和分类（按照发生学的方法进行分类）发生学：辐射雾、平流雾、蒸发雾•辐射雾、平流雾和蒸发雾的定义第四章云降水微观特征粒子半径(μm)数浓度(l-1)下落末速度(cm/s)CCN0.11060.0001典型云滴101061大云滴5010327云雨滴分界线10070典型雨滴10001650Adv.inGeophys.5,244(1958)第四章云降水微观特征•大陆性积云和海洋性积云的差异：大陆性积云稳定，不易降水，因为大陆上空凝结核多，形成的云滴谱窄，大粒子少。•云滴谱分布函数-Khrgian-Mazin分布•雨滴尺度谱分布-马歇尔和帕尔默•冰晶尺度谱分布2()BrdNnrAredr0()dNndNedmaxmax()BnDAD第四章云降水微观特征•雹胚（雹核）是冻滴还是霰？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第五章云雾形成的微物理基础•影响水的表面张力的因子有哪些？•溶液滴表面饱和水汽压-Köhler方程–溶液滴的饱和水汽压是由三个因子决定的：•温度效应：由E∞决定，T越高，Ern越大；•曲率效应：由Cr/r决定，r越大，Ern越小；•浓度效应：由Cn/r3决定，浓度越大，Ern越小。综合曲线(即柯拉曲线)看，半径较小时，综合曲线在1线以下，说明溶液因子比曲率因子更起控制作用；当半径较大时，综合曲线在l线以上，说明曲率因子反而比溶液因子更为重要了。第五章云雾形成的微物理基础贝吉隆过程或称冰晶效应绘出柯拉曲线草图；该曲线所代表的物理意义是什么？在图中标明临界半径Rc和临界相对湿度fc（或临界饱和比Sc）；试说明当环境相对湿度ffc（或饱和比SSc）时，液滴半径如何响应环境f或S的微小变化？第六章云雾的形成——核化理论•大气中形成云雾粒子的相变过程，称为云的核化过程•单位时间单位体积中形成活化核（能够稳定存在并增长的水滴胚胎）的数目称为核化率、活化率或成核率。•每一条Köhler曲线表示的是具有一定干尺度的粒子在吸收水汽凝结长大过程中，不同半径的溶液滴与环境过饱和度的关系。当过饱和度ΔS=0时对应的液滴半径，在rr0时，ΔS为负值，因此公式•右边第二项－浓度项是主要的，这时可溶性核将以溶液滴的形式存在，且可与环境空气达到相平衡；而当rr0时，曲率影响是主要的，随着r的不断增大，溶液越来越稀，以至于趋近于纯水滴情况。同时可以看出，公式(6.31)的第一项为正，第二项为负，过饱和度必然存在一极值，称为临界过饱和度（临界相对湿度）ΔS*，第六章云雾的形成——核化理论环境相对湿度f低于fc时，盐核吸湿增大是有局限性的，盐核可增长到与f相对应的平衡尺度，处于稳定态。环境相对湿度f=fc时，盐滴就会增大到rc。但rc与前不同的是处于亚稳态。如水滴半径因偶然的原因增到大于rc，此时它所需的平衡相对湿度就小于环境相对湿度，于是就有水汽在它上面凝结，使它继续增大甚至成为云滴，而不会因蒸发恢复到原有半径。当外界相对湿度ffc时，盐核将由小而大地不断增大到过fc，最后能继续增大成云滴。第六章云雾的形成——核化理论•异质凝华（冻结）核化核化率主要由接触角θ、核半径和温度决定•云凝结核、冰核定义及冰核的分类•冰核起核化作用的条件溶解度条件、质粒尺度条件、化学键条件、晶体结构条件、活化位置条件第七章云雾滴的扩散增长•单个云滴的凝结增长的特征•云滴群的凝结增长的特征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。•过饱和度是先增大后减小的。•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。•冰晶的凝华增长凝华增长最大的温度为-11.5°C。生长极大值出现的温度在500hPa低于1000hPa。因气压较低时，同样的潜热供应密度较小的空气，造成凝华区局地的温度更高。习题设云滴和冰粒的凝结、凝华增长方程可统一表示为()()()cdidrrkeEdt，其中r为粒子半径（cm），凝结系数72111.710(cmhPas)ck，凝华系数72111.910(cmhPas)dk，e为水汽压，E为水面饱和水汽压，Ei为冰面饱和水汽压。如果云的温度为-12℃，相对于水面的过饱和度为0.1%。试比较过冷却水滴和冰粒从半径20m分别以凝结增长和凝华增长到100m、300m所需要的时间？设E（-12℃）=2.44hPa，Ei（-12℃）=2.17hPa。参考答案：凝结：1.3day;12.5day;凝华：15.5min;2.4hour第八章暖云降水理论•碰并效率（系数）等于碰撞系数和并合系数的乘积•连续碰并增长方程的特征dR/dt是随R的增大而增大的，即水滴碰并增大是一个加速过程•随机碰并各种尺度的云滴和雨滴都参与碰并，它们既是收集滴，也是被收集滴。随机碰并模式与连续碰并相比，可以在较短时间内产生一小批大滴，使得由凝结产生的窄云滴谱很快拓宽。这种随机增长机制在收集滴尺度比较小的时候效果将特别明显。雨滴繁生主要途径，自然界降水中，水滴直径一般很少大于2—3mm。说明：在自然界，雨滴的繁生并不主要由孤立水滴受气流影响变形所致，更主要的乃是空中水滴碰撞破碎造成。第九章冷云降水理论碰连增长:冰晶相互碰撞后结合形成雪花或雪团的过程凇附增长:冰质粒碰并收集过冷水滴，是形成凇晶、霰和雹的微物理机制柱状、片状和平面辐枝状冰晶的凇附最小尺度分别约为35、110和200μm•雪花：–温度较高时淞附密度大、湿雪–温度较低时凝华、碰连密度小、碎雪第九章冷云降水理论•0～-5℃及-12～-17℃是雪花的两个多发区的原因•冰质粒的繁生过程脆弱冰晶的破裂、过冷大水滴的冻结破裂、结凇时的繁生、冰晶蒸发时的繁生•结凇时的繁生-Hallett-Mossop机制第九章冷云降水理论•结凇时的繁生-Hallett-Mossop机制一个过冷却水滴与一个冰质粒凇附，相碰时冰晶表面存在的尖细结构插入水滴表面，使一定量的水冻结，并使水滴温度升高到正好0°C。冻结进行时将热量从已冻的一部分水滴中传到较冷的环境空气中。在此阶段，在水滴表面，首先形成一个冰壳，然后冰壳不断向水滴内部加厚，未冻结的水被禁锢在冰壳内部。当冰壳内部的液态水最后冻结时，体积膨胀，并对其外圈的冰壳造成很大的应力，应力足够大时可以导致冰壳破裂，甚至炸裂，抛出无数碎冰屑•播撒一供应机制高层播种云，一般是卷层云，在气旋云系中，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。•冷云的降水理论•暖云降水理论暖云降水理论在云下部的液相过程中，扩散凝结增长倾向于形成尺度相近的云滴，而且增长速度随云滴增大而减小，大滴仅能通过碰并增长过程形成。在云的发展初期，通过凝结增长形成的大量小云滴为后期碰并增长提供了物质基础。当个别云滴超过一定的临界尺度（直径大约25μm）后，碰并增长过程开始有效进行，云体的胶性稳定状态被打破。其中的初始收集滴可以是云滴群中个别处于优势增长状态的粒子（在清洁海洋大气中或因湍流作用易形成这种初始大滴），也可以由巨凝结核核化形成。一旦碰并增长过程启动，收集滴碰并小云滴很快地形成雨滴。在雨滴下降的过程中，由于碰撞破碎和流体不稳定造成的变形破碎将产生更多的水滴。冷云降水理论当云顶发展到0°C层以上，云滴处于过冷却状态。一旦过冷却水云区有冰相粒子形成，则由于同温度下水和冰的表面热力性质差异，云的胶体稳定状态被打破，产生从大量云滴到少数冰晶的水汽质量扩散，促使冰晶快速增长，即冰晶效应或Bergeron过程。该过程在-12~-15°C时进行的最为有效，能较快地产生尺度足够大的冰晶，从而启动凇附和聚并两种碰并过程，这在冰相降水机制中同样重要。大的冰相降水粒子下落到0°C层以下便开始融化，随后经历的过程与雨滴相同。无论是积状云还是层状云，以上冰相机制都能有效启动降水过程。