第12章—云雾降水形成的微物理过程.ppt

第12章云雾降水形成的微物理过程 云雾的形成—核化理论 云雾粒子扩散增长 降水的形成—碰并增长 自然降水机制 冰雹形成过程 成核作用 核化：由一种相态产生新相胚胎，形成云雾质粒的过程。 自发核化（同质核化）：单一相态分子中没有其它物质存在时发生的核化过程。 把微小的水分子集合体看成核，则这种无异质核存在时的核化现象称为自发核化或同质核化。同质是指结成的核心不是异性物质，都是水分子的意思。 同质凝结核化、同质凝华核化和同质冻结核化。 成核作用 异质核化 有异质核存在时的核化现象。 12.1 均质核化—同质凝结核化 在大气中水汽较丰沛时，其中有些水汽分子就会偶然结合成微滴。如果其大小超过某个临界值，它将能稳定存在。平均来说，大于临界尺度的微滴将会增长，而小于临界尺度的微滴就会消失。 12.1 均质核化—同质凝结核化 1897年，Wilson令一个内含纯净无杂质的且相对湿度为100%的空气云匣发生膨胀，第一次发现在膨胀冷却到相对湿度达800％以上时，才出现自发凝结现象。 5_cloudchamber.swf 在这样大的相对湿度下，水汽分子才能克服由于温度和密度造成的微观起伏，自发地排列成团，形成微水滴。 同质凝结核化发生的相对湿度界限，称为阈湿。 结论：自然条件下不可能出现水汽同质核化凝结形成水滴。 12.1 均质核化—同质凝华核化 同质凝华核化比同质凝结核化困难得多。 Ostwald等级规律（1902）：一个水汽过饱和相并不直接转变为最稳态(冰)，而是先转变为次稳态（或亚稳态），即过冷却水。 现在发现，至少在温度高于-100℃的范围内，自发凝华核化过程不会违反Ostwald的等级规律。 12.1 均质核化—同质冻结核化 计算表明，要产生同质冻结，过冷却水的温度至少要冷到-35℃左右。。 中值冻结温度：由于水滴群同质冻结的起始温度存在随机性，常用“中值冻结温度”来表示水滴群的冻结温度。它指水滴群中有半数水滴已冻结时的温度。 使一半过冷却水滴在1℃/h冷却率下自发冻结，水滴直径10cm时温度必须降到-30℃以下；水滴直径1微米时温度要降到-45℃。即不论冷却率如何，水滴群的中值冻结温度都在-30~-45℃之间。 因此在-35~-40℃以上，自然云多为过冷却的。 12.2 异质核化 物质的化学性质与结构会影响到物质的吸湿性。 接触角： 如图液体附着固体表面，液相表面切线与下垫面夹角为θ度，称为接触角或湿润角。 12.2 异质核化 亲液物质：θ90°，表示液体能够润湿固体表面。凡能够被水所润湿的物质称之为亲水性（水湿性）物质，否则称为憎水性物质。 与θ等于0°和180°对应的为完全亲水性物质和完全憎水性物质。 12.2 异质核化—平水/冰面饱和水汽压 对克劳修斯—克拉珀龙方程，由(273K，6.11hPa)积分到任意温度及相应的饱和水汽压(T，E)，并假定L为常数。可得平水/冰面饱和水汽压的理论公式 12.2 异质核化—平水/冰面饱和水汽压 相应上面两式，一些研究者通过实验给出不同的经验公式。 12.2 异质核化—平水/冰面饱和水汽压 12.2 异质核化—平水/冰面饱和水汽压 结论： 温度愈高，不仅饱和水汽压愈大，而且饱和水汽压的增大也愈快； 平冰面饱和水汽压小于同温度下的过冷却水面的饱和水汽压。 12.2 异质核化—溶液滴表面饱和水汽压 柯拉（K?hler）方程 可以看出，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。 12.2 异质核化—溶液滴表面饱和水汽压 柯拉曲线 12.2 异质核化—溶液滴表面饱和水汽压 柯拉曲线（续） 纯水滴饱和比随半径增大而很快减小，溶液滴与纯水滴饱和比比值则随半径增大而增大。前一曲线位于1线以上，说明曲率因子使饱和比大于1。后一曲线位于1线以下，说明溶液因子使饱和比小于l。 从综合曲线(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。 12.2 异质核化—可溶性核上的凝结 已知Kohler方程为 f为相对湿度。设温度为275K，m为饱和食盐溶液中溶质质量，则 12.2 异质核化—可溶性核上的凝结 12.2 异质核化—可溶性核上的凝结 每一条平衡曲线，其f值都有一个极大值，称为“临界相对湿度fc”，其相应的溶液滴半径，称为“临界半径rc”。将前式对r微分，令其等于0，可得： 12.2 异质核化—可溶性核上的凝结 讨论 盐核质量