关于云和降水微物理学介绍

[拼音]：yun he jiangshui weiwulixue

[外文]：microphysics of clouds and precipitation

研究云粒子（云滴、冰晶）和降水粒子（雨滴、雪花、霰粒、雹块等）的形成、转化和聚合增长的物理规律的学科。它是云和降水物理学的重要组成部分，又是人工影响天气的理论基础。

大气中的水汽凝结而成的云滴很小，半径大约10微米，浓度为104～106个/升，下降的速度约1厘米/秒，通常比云中上升的气流速度小得多，因而云滴不能落出云底，即使离开云底而下降，也会在不饱和的空气中迅速蒸发而消失。只有当云滴通过各种微物理过程集聚和转化为降水粒子后，才能降落到地面。

成云致雨要经过一系列复杂的微物理过程：湿空气上升膨胀冷却，其中的水汽达到饱和，并在一些吸湿性强的云凝结核（见大气凝结核）上凝结而成初始云滴的凝结核化过程；云中的过冷水滴或水汽，在冰核(见大气冰核)上冻结或凝华以及在-40°C以下自然冻结成初始冰晶胚胎的冰相生成过程;水汽在略高于饱和的条件下，在云滴（冰晶）上进一步凝结（凝华），使云滴(冰晶)长大的凝结增长过程（凝华增长过程）；云内尺度较大的云滴，在下落过程中与较小的云滴碰并而长大的重力碰并过程；冰晶和过冷水滴同时存在时，因为过冷水滴的饱和水汽压比冰面的大，造成过冷水滴逐渐蒸发，而冰晶则由于水汽的凝华而逐渐长大的冰晶过程。降水粒子的尺度大约是云滴的一百倍，但其浓度却仅为云滴的百万分之一（图1）。

云滴由于受表面张力作用，通常呈球形。球形纯水滴表面的饱和水汽压，高于平水面的饱和水汽压。以半径为0.01微米的水滴为例，其饱和水汽压超过平水面的12.5％。在没有任何杂质的纯净空气中，初始的云滴只能靠水汽分子随机碰撞而生成。靠分子随机碰撞而产生云滴的可能性随着尺度增大而变小。微小的初始云滴，只有在相对湿度达百分之几百的环境中才不致蒸发。但实际大气的水汽含量很少能够超过饱和值的1％，因此，在没有杂质的纯净空气中是难以直接形成云滴的。事实上，大气中存在着各种凝结核，这为凝结成云滴提供了条件。云凝结核可分成两类：

（1）亲水性物质的大粒子。它不溶于水，但能吸附水汽，在其表面形成一层水膜，相当于一个较大的纯水滴。半径为1微米的亲水核，其饱和水汽压只高于平水面的0.1％。

（2）含有可溶性盐的气溶胶微粒。它能吸收水汽而成为盐溶液滴，属吸湿性核。例如海盐的饱和水溶液，只要环境相对湿度高于78％，就可以凝结长大。随着凝结水量的增加，溶液滴的浓度越来越小，所要求的饱和水汽压也越高。但是，随着凝结水量的增加，溶液滴的尺度也随着增大，所要求的饱和水汽压又随尺度增大而降低。因此，不同浓度和不同尺度的溶液滴要求的饱和水汽压值各不相同(图2)，当环境水汽压大于相应的临界值（图中各曲线的峰值）时，溶液滴即可继续增长，随着尺度的增大，溶液滴渐趋纯水滴，这时溶液滴的饱和水汽压也转而下降。一个含10-15克食盐的微粒，只要环境的相对湿度略大于100％，即可成为凝结核而生成云滴。

在没有杂质(冰核)的过冷水中，冰相的生成（水由气态或液态转化为固态）是由水分子自发聚集而向冰状结构转化的过程。聚集在一起的水分子簇，由于分子热运动起伏（脉动）的结果，不断形成和消失。分子簇出现的概率随温度的降低而增大。当分子簇的大小超过某临界值时，就能继续增大而形成初始冰晶胚胎。直径为几微米的纯净水滴，只有在温度低于-40°C时才会自发冻结;但当过冷水中存在杂质(冰核)时，在杂质表面力场的作用下，分子簇更容易形成冰晶胚胎。自然云中冰晶的生成，主要依赖于杂质(冰核)的存在。在-20°C时，每升空气中约有一个冰核，仅为同体积中云凝结核浓度的几十万分之一。因此云中冰晶的浓度，一般远远小于水滴的浓度。

云中空气上升而膨胀冷却时，水汽不断凝结。在凝结过程中，云滴半径的增长速度和云中水汽的过饱和度成正比，与云滴本身的大小成反比。所以在确定的水汽条件下，云滴凝结增长越来越慢。在0.05％的过饱和条件下，一个由质量为10-13克食盐生成的初始云滴，从半径为0.75微米开始，增长到1微米时需要0.15秒的时间，增长到10微米时需30分钟，而增长到30微米时，就需要4小时以上的时间。虽然水汽在少数大吸湿核上凝结之后，可产生大的云滴，但如果要它继续增长到半径为100微米的毛毛雨(下落速度约为70厘米/秒)，就需要更长的时间，而积云本身的生命大约只有1小时，故在上述情况下不可能形成雨滴；在层状云中，气流上升的速度，只有几厘米每秒，当大云滴在不断下落的过程中，还来不及长成雨滴，就会越出云底而蒸发掉。总之，在实际大气中，单靠水汽凝结是不能产生雨滴的。

云滴相互接近时，发生碰撞并合而形成更大云滴的现象，称为云滴碰并增长。在重力场中下降的云滴，半径大的速度较快，可赶上小云滴而发生碰撞并合，这称为重力碰并。但半径不同的云滴相互接近时，由于小滴会随着被大滴排开的空气流绕过大滴，所以在大滴下落的路途中，只有一部分小滴能和大滴相碰（图3

）。相碰的云滴，也只有一部分能够合并，其他则反d开来。碰并的比例称为碰并系数，其数值由大小云滴的半径所决定，通常都小于 1。半径小于20微米的大云滴对小云滴的碰并系数很小。大云滴穿过小云滴组成的云体时，其半径在碰并过程中的增长率与碰并系数、大小云滴之间的相对速度和小滴的含水量都成正比。大云滴的半径越大，碰并增长得越快。在理论上，假设大云滴在云体中和小云滴连续均匀地碰并而长大，计算其平均结果得出：半径为30微米的大云滴，穿行于含水量为1克/米3、由半径为10微米的小云滴组成的云体中时，只要六分半钟就能长大到40微米，在20分钟之内就能长大到100微米。在实际大气中，云滴间的碰撞是一种随机过程。云中一部分大云滴碰并小云滴的机会比平均结果大，所以长得特别快；而其他云滴的碰并速度，则比平均结果慢。由于雨滴的浓度只有大云滴的千分之一左右，所以只需要考虑那些长得最快的少数大云滴长成雨滴的过程。用这样的概念建立起来的随机碰并增长理论，所得到的雨滴生成时间，比连续增长的时间大大缩短，这与实际情况更加接近。

此外，气流的湍流混合作用和云滴在电场作用下的相互吸引，也能使云滴相互接近而发生碰并。一般认为这两种机制，主要是对小云滴的增长起作用。

由液态水构成的云体，若有足够的厚度、足够的上升气流速度和液态含水量，其中的大云滴就可以在碰并过程中长大为雨滴。这种过程称为暖云降水过程。

半径大于 3毫米的雨滴，在下降过程中会严重变形，有时会破裂成若干小雨滴；在大小雨滴相互碰并的过程中，有时也会分离出一些较小的雨滴，这些情况，统称为雨滴的破碎过程。这种由小雨滴在云中反复经历了上升、增长、下落和再破碎的过程之后，在一定条件下迅速形成大量的雨滴，称为朗缪尔连锁反应。

在同一零下温度时，冰面的饱和水汽压比水面的小(图4

)，故相对于水面饱和的环境水汽压而言，冰面的水汽压就是过饱和的，所以在温度低于0°C的过冷云中，一旦出现冰晶， 就可以迅速凝华增长。T.H.P.伯杰龙根据这个道理，于1933年提出了降水粒子的生成机制。他认为：在低于0°C的云中，有大量的过冷水滴存在，冰晶的出现，就破坏了云中相态结构的稳定状态；云中水汽压处于冰面和水面饱和值之间，水汽在冰面上不断凝华的同时，水滴却不断蒸发；冰晶通过水汽的凝华，可迅速长大而成雪晶。这样，水分从大量的过冷水滴中不断转移到少数冰晶上去，终于形成了降水粒子。这即为冰晶过程，又称伯杰龙过程。

过冷水滴一方面蒸发，水汽向冰晶转移，使冰晶长大;一方面又和雪晶碰撞而冻结，使雪晶进一步长大。如果参加碰撞而冻结的过冷水滴很多，雪晶就会转化为球状的霰粒。雪晶还可能在运动中相互粘连成雪团而下降。这些固体降水粒子，在落到地面之前未融化者，就是雪、霰等固体降水；落到温度高于 0°C的暖区时，就会融化，成雨滴。

冰晶浓度在很多场合下高于环境的冰核浓度，这说明参与冰晶过程的冰晶，不仅从冰核作用过程中生成，而且当雪晶等固体降水粒子在-5°C左右和直径大于24微米的过冷水滴碰撞冻结时，或者当松脆的枝状冰晶碎裂时，都可能产生一些碎冰粒。这种产生次生冰晶的过程，称为冰晶繁生。

在中纬度地区，形成大范围持续降水的层状云，往往比较深厚，云顶常在 0°C层以上，因而云体的上部温度较低，有大量冰核活化，这是产生冰晶的源地。冰晶长大之后降到云体中部，那里有大量的过冷水滴，可通过冰晶过程将水分供给冰晶，使冰晶继续生长。故一般称这种云的上部为播种云，中部为供应云。在这种过程中长大的雪晶和雪团，落入下部 0°C以上的暖云中，就融化成为雨滴。在雷达荧光屏上，常可观测到显示这种融化过程的亮带（见气象雷达回波）。

对流云中的上升气流很强，含水量大，云体深厚，有利于碰并增长形成降水粒子。云下部的大云滴被上升气流带到上部，碰并长大之后，开始下降，在下降的过程中，又进一步碰并而迅速长成雨滴。

积雨云的云顶伸展得很高，温度很低，在云的中上部可通过冰晶过程生成雪团或霰。它们在落入暖层之后，融化并进一步碰并成为雨滴而落下。在对流极为旺盛的积雨云中，霰粒和冻结的雨滴（称冻滴）在上升气流很强、含水量很大的过冷区中穿行时，依其碰并过冷水滴的多寡、释放潜热的快慢，而生成透明与不透明层次相间的冰块，称为雹。如果雹块足够大，通过暖区时就不一定完全融化，落到地面即为降雹。

热带和亚热带的对流暖云（如浓积云），可通过云滴间的碰并增长而产生阵雨。温带对流云，尽管云顶发展到出现冰晶的高度，但有时也可以在云的下部暖区中，就通过碰并过程产生降雨。

对于云和降水粒子形成、增长和转化的规律的认识，主要是从理论研究和可控条件下的实验中得到的。实际上，自然云的环境和相应的微物理进程十分复杂，加上观测方面的困难，对它们的认识还很粗浅。因此云和降水微物理学的发展方向，主要是探测和研究以自然云为宏观背景的粒子群体的演变规律。

参考书目

1. B.J.梅森著，中国科学院大气物理研究所译：《云物理学》，科学出版社，北京，1978。（B.J.Mason，The Physics of Clouds， Oxford Univ.Press， London，1971.)
2. H.R.Pruppacher，J.D.Klett，Microphysics of Clouds andPrecipitation，D.Reidel Publ.，Dordrecht，Holland，1978.