03-云降水物理1-6解析.ppt

1云降水物理学云降水物理学教师：黄毅梅教师：黄毅梅电话：电话：65992256599225EmailEmail：2云、雾和降水物理学（简称云物理学）是以大气热力学和大气动力学为基础，研究大气中水分在各阶段所经历的物理过程，具体而言就是研究云、雾和降水和形成、发展、维持和消散规律的科学。研究目的：天气预报和人工影响天气第一部分第一部分 绪论绪论3绪论绪论学科划分按研究对象尺度的大小，云物理学可分为宏观云物理学和微观云物理学二部分。前者研究水平尺度10m100km以至1000km，垂直厚度10m10km范围内云的形成、发展和消散的动力过程；后者研究云体的组成元素云粒子（包括云滴、冰晶）和降水粒子（雨、雪和冰雹等）所经历的凝结（华）、碰并和蒸发等过程。其尺度仅0.1 m 1cm。4绪论绪论-研究对象研究对象微尺度对象尺度范围气体质粒、离子11m核、云雨质粒1m1cm雹胚、雹块、微涡、乱流 1cm10cm小涡、墙角风10cm1m热泡、尘卷、碎云、亮带宽1m100m5绪论绪论-研究对象研究对象宏观尺度1、小尺度（结构尺度）对象尺度范围初生云100m5km弧状云、龙卷漏斗、悬球云、云塔宽、降水旛等雷达回波结构（弱回波区、回波墙、高悬回波等）6绪论绪论-研究对象研究对象宏观尺度2、中小尺度对象尺度范围阵风锋2km25km雷暴云和积云单体龙卷气旋中尺度高压及低压雨团7绪论绪论-研究对象研究对象宏观尺度3、大中尺度（天气尺度）对象尺度范围云集体（飑线、云团、细胞状云）25km500km雨带台风、气旋、锋面及辐合带云系500km盾状云、螺旋云带、逗点云8第二部分 云雾形成的宏微观条件9云雾形成的宏微观条件云雾形成的宏微观条件尺度 本质 原因途径举例宏观过程降温上升膨胀冷却对流 孤立对流Cu、Cb、Ac等镶嵌对流，即细胞对流Ac、Cc等斜升 锋面斜升暖锋、缓行冷锋、静止锋上的Ci、Cs、As、Ac、Ns等地形斜升上坡雾、Sc等波动 风切变荚状、波状、涡条状Ci、As、Sc等气流过山平流冷却暖湿空气流经冷地面暖区雾、海上及陆上平流雾及Sc等辐射冷却夜间辐射冷却地面、逆温层顶、尘埃或云层顶部形成的辐射雾及层状云10湿空气达到饱和的主要途径湿空气达到饱和的主要途径-降温机制降温机制11湿空气达到饱和的主要途径湿空气达到饱和的主要途径-降温机制降温机制12湿空气达到饱和的主要途径湿空气达到饱和的主要途径-降温机制降温机制13总结总结 云雾形成的宏观条件云雾形成的宏观条件14湿空气达到饱和的主要途径湿空气达到饱和的主要途径-降温机制降温机制15云雾形成的宏微观条件云雾形成的宏微观条件尺度 本质原因途径举例宏观过程增湿平流增湿冷空气流经暖水面 蒸汽雾湿空气流入冷地面 雾、有时地面附有淞附物水汽运载辐合继之以上升膨胀冷却为形成云创造重要条件（温湿均变）乱流混合湿空气垂直混合乱流层顶降温增湿而致St、Sc等湿空气水平混合冷湿空气被混合后增温增湿（增湿为主）锋际云雾暖湿空气被混合后降温降湿（降温为主）16云雾形成的宏微观条件云雾形成的宏微观条件尺度 本质原因途径举例微观过程降低水汽饱和标准冰相出现云顶或高云的冰晶自然播撒雪幡冻结核新冻结核增入降温达冻结核活化温度大滴出现雪花下降融为大滴产生雷达回波吸湿性巨核溶化形成大滴混合核表面吸湿成大滴碰并成大滴溶液出现盐粒或SO2、CO2、NH3等溶入水滴 工业雾降温高温水滴被气流带入低温区产生雷达回波高温区有低温气流进入局地膨胀降温飞行尾迹17云雾形成的宏微观条件云雾形成的宏微观条件尺度 本质原因途径举例微观过程增湿 水汽沿垂直递度扩散饱和空气接受外界扩散来的水汽碎雨云、秋晨水面雾、夏季雨后雾、极烟等降温增湿蒸发（本身只能使空气饱和）增湿造成水汽密度效应，可促进扩散增湿为形成云雾创造条件降温与增湿宏观与微观18第三部分云的宏观形成及观测特征1、云的宏观特征2、云中比含水量和含水量3、积云的特征及其形成理论4、层云的宏观特征5、锋面气旋的云系结构6、雾的形成、分类和特征191.云的宏观特征云的宏观特征1.1 云的宏观特征云雾总的特征，即作为整体来看的许多特征称作宏观特征。它包括了云的外形、水平伸展、垂直伸展、生命史、能见度、云中温度场、气流场、含水量场等特征。在云雾物理里常只把云中粒子的大小分布和相态结构特征称做微观特征。多样复杂的宏观特征反映了云雾内部过程的复杂性建立云雾降水的宏观过程理论，理解微观过程理论，指导人工影响天气，服务于天气预报201.2 云和云系尺度云和云系尺度大尺度、天气尺度（=1000km）：与温带气旋或锋面伴随的云系；中尺度（1km1000km）：主要的云体和云系均在此尺度范围；小尺度（EEEr r。72蒸凝过程蒸凝过程 Evaporation-Condensation Processes 蒸凝现象n在日常生活中，将液水蒸发后再凝结为液水的在日常生活中，将液水蒸发后再凝结为液水的现象，称为现象，称为蒸馏现象；蒸馏现象；在大气中，也存在类似的在大气中，也存在类似的现象，但更为复杂。例如不单有液水蒸发后再凝现象，但更为复杂。例如不单有液水蒸发后再凝为液水现象，还有过冷却水蒸发后再凝华为冰晶为液水现象，还有过冷却水蒸发后再凝华为冰晶的现象。我们把这类现象，均称之为的现象。我们把这类现象，均称之为蒸凝现象蒸凝现象。n蒸凝现象，是指固态或液态物质因升华、蒸发蒸凝现象，是指固态或液态物质因升华、蒸发后转变为气态，或自气态因凝华、凝结而转变为后转变为气态，或自气态因凝华、凝结而转变为固态或液态的现象固态或液态的现象。物体通过蒸凝过程后可以回。物体通过蒸凝过程后可以回复到原来的相，也可以回复到另复到原来的相，也可以回复到另个相。个相。73蒸凝过程蒸凝过程 Evaporation-Condensation Processes 蒸凝现象发生的条件n凡是大气中存在有表面饱和水汽压不相同的液凡是大气中存在有表面饱和水汽压不相同的液水或冰，而当时大气的实际水汽压又介乎这两种水或冰，而当时大气的实际水汽压又介乎这两种表面饱和水汽压之间，其间就一定会发生蒸凝现表面饱和水汽压之间，其间就一定会发生蒸凝现象。象。n表面饱和水汽压大的，必然会因蒸凝而损失水表面饱和水汽压大的，必然会因蒸凝而损失水分子，从而变小；而表面饱和水汽压小的，必然分子，从而变小；而表面饱和水汽压小的，必然会因蒸凝而增加水分子，从而变大。会因蒸凝而增加水分子，从而变大。74蒸凝过程蒸凝过程 Evaporation-Condensation Processes 贝吉隆过程或称冰晶效应n对冰、水共存的系统，当实际水汽压介于二者对冰、水共存的系统，当实际水汽压介于二者的饱和水汽压之间时，大气中的饱和水汽压之间时，大气中(指贴水及贴冰的指贴水及贴冰的气层之外气层之外)必有水汽从过冷却水滴向冰晶方向扩必有水汽从过冷却水滴向冰晶方向扩散。散。n这一过程在云雾降水物理学中十分重要。因为这一过程在云雾降水物理学中十分重要。因为云中单靠水汽凝华，冰晶要增大是十分困难的。云中单靠水汽凝华，冰晶要增大是十分困难的。如果有过冷却水滴共存，则虽无碰并现象，冰晶如果有过冷却水滴共存，则虽无碰并现象，冰晶仍可以通过蒸凝过程靠消耗过冷却水滴而增大。仍可以通过蒸凝过程靠消耗过冷却水滴而增大。75蒸凝过程蒸凝过程 Evaporation-Condensation Processes 76蒸凝过程蒸凝过程 Evaporation-Condensation Processes 例子：求冰面和平水面的饱和水汽压之差E最大时的温度77蒸凝过程蒸凝过程 Evaporation-Condensation Processes E在-11.5时为最大。可以算出，这时E=0.266百帕。由于在-11.5时，Ei=2.283百帕，故如当时正好处于水面饱和状态，其相对冰面的过饱和度当为78蒸凝过程蒸凝过程 Evaporation-Condensation Processes 讨论：n一般在自然云中，过饱度往往不超过一般在自然云中，过饱度往往不超过0.1%0.1%。云滴单靠这。云滴单靠这么小的过饱和度，增长十分慢。但由于过冷水滴与冰晶么小的过饱和度，增长十分慢。但由于过冷水滴与冰晶共存，共存，-11.5-11.5时，如空气处于水面饱和状态，相对于冰时，如空气处于水面饱和状态，相对于冰面过饱和度可达面过饱和度可达12%12%，即约大两个数量级。此时冰晶凝华，即约大两个数量级。此时冰晶凝华相当快。因为这时进行的是蒸凝过程，冰晶是依靠消耗相当快。因为这时进行的是蒸凝过程，冰晶是依靠消耗水滴的水分而凝华增长的。水滴的水分而凝华增长的。强调：只有当大气中水汽分压强介于共存的两种云雾质粒表面气层饱和水汽压之间时，才会出现上述蒸凝结现象。如果大气中水汽压过大或过小，就会使两种质粒共同增大或共同变小。79蒸凝过程蒸凝过程 Evaporation-Condensation Processes 云中除冰水共存的蒸凝过程外，还有以下几种可能发生的蒸凝过程：n同温度不同大小的水滴共存，造成小水滴不断同温度不同大小的水滴共存，造成小水滴不断蒸发变小，大水滴不断凝结变大的蒸凝过程；蒸发变小，大水滴不断凝结变大的蒸凝过程；n同温度、同大小的溶液滴和纯水滴共存时，水同温度、同大小的溶液滴和纯水滴共存时，水分也会由纯水滴上蒸发而凝到溶液滴上去；分也会由纯水滴上蒸发而凝到溶液滴上去；n同大小但不同温度的纯水滴共存，水分就会由同大小但不同温度的纯水滴共存，水分就会由高温水滴蒸凝到低温水滴中去。高温水滴蒸凝到低温水滴中去。80云降水物理学云降水物理学第六部分 云雾的形成核化理论81成核作用成核作用核化过程：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。对水而言，水汽以几个水分子集合体为中心聚集成液体（凝结）或固体（凝华），或者以过冷却水中的水分子集体为中心形成冰晶（冻结）。如把这些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。上述三种过程的自发核化分别称为：同质凝结核化、同质凝华核化和同质冻结核化。异质核化：有异质核存在时的核化现象。82同质凝结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。83成核作用成核作用异质核化：有异质核存在时的核化现象。84同质凝华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，当饱和比达6.748时，冰胚产生率也仅为3.410-52/cm3s。85同质冻结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。这时的冰胚半径仅1.210-3m。而每个冰胚仅含195个水分子。此时冰胚产生率为5/cm3s，过冷却水温度愈低，冰胚产生率愈高。因此在-40以上，自然云多为过冷却的。86CCN87CCN无系统性的纬度和季节变化数浓度：大陆海洋；污染清洁日变化：6 a.m.最小；6p.m.最大88CCN来源来源气粒转换（还有待进一步研究）多数CCN含有硫酸盐植物燃烧：农作物、林火等：1012-1015/kg石油及其产品燃烧土壤、沙尘：次要海盐：次要（既使在海洋上空）89自然冰核自然冰核自然冰核呈现过冷却谱过冷却谱指不同温度能起冰核作用的核的含量。其特点是温度越低，冰核浓度越高。在全球冰核浓度与温度之间呈指数变化的性质。-20oC时约1个/L，温度每下降4oC冰核浓度增加10倍，反映了单位空气体积内冰核数随温度下降而指数上升的趋向。90自然冰核自然冰核随着地点不同冰核浓度呈现较大差异自然冰核浓度北半球比南半球高出一个量级。六大洲中以亚洲冰核浓度最高。我国北方地区的观测值稍高于北半球的平均值。91自然冰核自然冰核变化一天中午的观测值要高于下午值不同气团的冰核浓度有一定差异。在锋面过境时，冰核浓度骤然增加，比气团中的浓度增加一个量级，有人把这种急剧增加称之“核暴”。在大连十次锋面活动有九次出现核暴，西安六次和兰州十一次锋面活动分别出现四次和七次核暴，原因归之于锋面过境，伴随大量的沙尘输送。