云滴

云滴（water dust）是指半径小于100μm的水滴。使云滴增大的过程主要有两个：云滴凝结（或凝华）增长和云滴相互冲并增长。实际上，云滴的增长是这两种过程同时作用的结果。

云滴介绍

云滴（water dust）是指半径小于100μm的水滴。使云滴增大的过程主要有两个：云滴凝结（或凝华）增长和云滴相互冲并增长。实际上，云滴的增长是这两种过程同时作用的结果。

云滴简介

降水的形成就是云滴增大为雨滴、雪花或其它降水物，并降至地面的过程。一块云能否降水，则意味着在一定时间内(例如1h)能否使约10个云滴转变成一个雨滴。云滴是指半径小于100μm的水滴。使云滴增大的过程主要有二个：一个为云滴凝结（或凝华）增长；另一个为云滴相互冲并增长。实际上，云滴的增长是这两种过程同时作用的结果。

云滴特征

云降水的过程中，不同大小的液滴是混合且连续存在的。微观上通常根据水滴的下落规律，将半径小于100微米的水滴称为云滴，其中50～100微米的称为大云滴。云滴的存在必须具有至少接近饱和的相对湿度，在许多云体中心部位，相对湿度通常大于100%，达到过饱和状态。下表给出了一些云中典型云滴的物理特征参数。其中层状云云滴较小，积状云云滴较大，但在晴天时，积状云中云滴大小与层状云的相似。

云滴云滴谱

云滴谱是指单位体积中云滴的数量随云滴大小的分布。云滴的浓度单位常以个/cm³表示，即单位体积内包含的云滴个数，或称云滴数密度。反应滴谱特征的参量有:谱宽(最大半径和最小半径的间隔)、浓度峰值及峰值半径等。云滴谱的峰值通常在小滴处，浓度随尺度加大而减小。不同地区、不同云型、云中不同部位及云的不同发展阶段，云滴谱特征都不相同。滴谱的表示方法有二种:

①实际观测的云滴资料常用列表法和图示法处理;

②理论研究中常采用经验公式表示，例如赫尔吉安-马逊公式。厚而浓密的浓积云、积雨云和雨层云中含有大量大云滴，谱宽型(50-100μm);稳定的非降水云中小云滴多，谱型窄(20-30μm)。

云滴的谱分布通过改变云滴的有效半径影响辐射传输过程，改变大气的热力、动力状况，进而影响云的发展，因此云滴谱将影响云和辐射的相互作用，从而改变地面降水。云滴谱在中尺度地面降水中起着重要的作用，其不确定性对地面降水的范围影响很小，却能明显地改变降水强度，能显著地改变地面降水中心的降水量和中心位置，还可能改变降水的起止时间；云滴谱的不确定性能够引起最大超过10%的平均降水强度的改变，而且其差异在白天比夜间更明显。

云滴云滴增长

空气中云滴的增大有两个过程，一方面以凝结方式而增大，而是以碰并方式而增大，两种过程是相互作用的。

云滴云滴凝结(或凝华)增长

云滴的凝结增长定义：指水汽分子凝结（凝华）在云滴（冰晶）表面上，使云滴（冰晶）增长的过程。在云的形成和发展阶段，由于云体继续上升绝热冷却，云内维持一定的过饱和，云滴便能借凝结而增长。同时，云滴之间存在饱和水汽压的差异，也能使部分云滴处于过饱和状态，发生凝结。

一、凝结条件

凝结(或凝华)增长过程是指云滴依靠水汽分子在其表面上凝聚而增长的过程。在云的形成和发展阶段，由于云体继续上升，绝热冷却，或云外不断有水汽输入云中，使云内空气中的水汽压大于云滴的饱和水汽压，因此云滴能够由水汽凝结(或凝华)而增长。但是，一旦云滴表面产生凝结(或凝华)，水汽从空气中析出，空气湿度减小，云滴周围便不能维持过饱和状态，而使凝结(或凝华)停止。因此，一般情况下，云滴的凝结(或凝华)增长有一定的限度。而要使这种凝结(或凝华)增长不断地进行，还必须有水汽的扩散转移过程，即当云层内部存在着冰水云滴共存、冷暖云滴共存或大小云滴共存的任一种条件时，产生水汽从一种云滴转化至另一种云滴上的扩散转移过程。例如，在冰晶和过冷却水滴共存的混合云中，在温度相同的条件下，由于冰面饱和水汽压小于水面饱和水汽压，当空气中的现有水汽压介于两者之间时，过冷却水滴就会蒸发，水汽就转移凝华到冰晶上去、使冰晶不断增大，而过冷却水滴则不断减小。当冷暖云滴共存或大小云滴共存时，同样也可发生这种现象，使冷(或大)的云滴不断增大。

上述几种条件中，对形成大云滴来说，冰水云滴共存的作用更为重要。这是因为在相同的温度下，冰水之间的饱和水汽压差异很大，特别是当温度在-10— -12℃时差别最显著，最有利于大云滴的增大。因此，对于冷云(指云体上部已超越等O℃线，有冰晶和过冷却水滴共同构成的混合云)降水，这种冰水云滴共存作用(称为冰晶效应)是主要的。观测事实也证明了这一点。著名的贝吉龙(Bergeron)理论的价值，就在于他强调了冰晶对降水的作用。但是，不论是凝结增长过程，还是凝华增长过程，都很难使云滴迅速增长到雨滴的尺度，而且它们的作用都将随云滴的增大而减弱。可见要使云滴增长成为雨滴，势必还要有另外的过程，这就是冲并增长过程。

二、凝结增长方式

云滴的凝结增长有3种不同的模式，过冷水（冰晶）凝结、大小水滴凝结、冷暖水滴凝结。

1、过冷水（冰晶）凝结

在云层内部有过冷水滴和冰晶并存时，因为冰晶的饱和水汽压较低，冰晶会不断因凝结而增大。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℃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℃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。

2、大小水滴凝结

云凝结核可分成两类：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；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%，就可以凝结增大。

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，溶液滴的大小也随着增大，所要求的饱和水汽压又随大小的增大而降低。因此，不同浓度和不同大小的溶液滴要求的饱和水汽压值各不相同，当环境水汽压大于相应的临界值时，溶液滴即可继续增长，随着液滴大小的增大，溶液滴渐趋纯水滴，这时溶液滴的饱和水汽压也转而下降，一个含千亿分之一克食盐的微粒，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。

3、冷暖水滴凝结

冷暖云层混合时，冷云滴的温度较低，饱和水汽压也较低，周围的暖云滴不断的蒸发，冷云滴会不断的凝结增长。

当云滴维持在一定的粒径时，云滴表面的蒸发与凝结达到平衡，此时云滴表面的饱和水汽压称为平衡水汽压。云滴表面为曲面，具有曲面效应，其平衡水汽压比平的水面的平衡水汽压高。

凝结增长的速率与水汽的过饱和度成正比，与云滴的半径成反比。凝结刚开始的时候由于凝结核的大小不同，刚形成的云滴大小也有差别，但增长到一定大小后，云滴的大小就几乎都一样了。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，一个由质量为十亿分之一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，就需要四小时以上的时间。

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，就需要更长的时间，而积云本身的生命大约只有一小时，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。

云滴云滴的碰并增长

云滴经常处于运动之中，这就可能使它们发生冲并。大小云滴之间发生冲并而合并增大的过程，称为碰并增长过程。

一、运动速度

云内的云滴大小不一，相应地具有不同的运动速度。大云滴下降速度比小云滴快(表3·5)，因而大云滴在下降过程中很快追上小云滴，大小云滴相互碰撞而粘附起来，成为较大的云滴。在有上升气流时，当大小云滴被上升气流向上带时，小云滴也会追上大云滴并与之合并，成为更大的云滴。云滴增大以后，它的横截面积变大，在下降过程中又可合并更多的水云滴。有时在有上升气流的云中，当大小水滴被上升气流挟带而上升时，小水滴也可以赶上大水滴与之合并。这种在重力场中由于大小云滴速度不同而产生的冲并现象，称为重力冲并。

二、运算

实际上大水滴下降时，与空气相对运动，空气经过大水滴，会在其周围发生绕流，。半径为R的大水滴以末速度v下降的过程中，单位时间内扫过的体积是以πR2为截面的圆柱体，位于圆柱体中的小水滴只有一部分与大水滴碰撞，另一部分小水滴将随气流绕过大滴而离开，不发生碰撞。

水滴重力冲并增长的快慢程度与云中含水量及大小水滴的相对速度成正比。即云中含水量越大，大小水滴的相对速度越大，则单位时间内冲并的小水滴越多，重力冲并增长越快。

计算和观测表明，对半径小于20μm的云滴，其重力冲并增长作用可忽略不计，但对半径大于30μm的大水滴却在很短的时间内，就可通过重力冲并增长达到半径为几个毫米的雨滴。大水滴越大，冲并增长越迅速。也就是说，水滴的冲并增长是一种加速过程。

实际的云中云滴大小不一，在空间的分布也不均匀，云中云滴与云滴之间的冲并过程是一种随机过程。这种观点在认识暖云水滴增长问题上，是个重要的进展。在该观点的基础上，提出了随机(或统计性)冲并模式。该模式认为在每一时间间隔内云滴的增长为概率性的。有的云滴冲并增大，有的则保持不变。这样在下一时间间隔内，有的云滴而能获两次增长机会，有的只获一次，有的还保持不变。这个概念十分重要，因为它不仅说明了凝结增长过程的窄滴谱拓宽的机制，而且也解释了云中为何有少数云滴能因随机冲并而增长得比一般云滴快得多。

此外由于云中分子的不规则运动、云中空气的湍流混合、云滴带有正负不同的电荷以及流体吸力等原因，也可引起云滴的相互冲并。

三、不规则运动

由于冲并作用，水滴不断增大，在空气中下降时就不再保持球形。开始下降时，底部平整，上部因表面张力而保持原来的球形。当水滴继续增大，在空气中下降时，除受表面张力外，还要受到周围作用在水滴上的压力以及因重力引起的水滴内部的静压力差，二者均随水滴的增长及下降而不断增大。在三种力的作用下，水滴变形越来越剧烈，底部向内凹陷，形成一个空腔。空腔越变越大，越变越深，上部越变越薄，最后破碎成许多大小不同的水滴。水滴在下降过程中保持不破碎的最大尺度称为临界尺度，常用等体积球体的半径来表示，称为临界半径或破碎半径。在不同的气流条件下，临界半径是不同的。如在均匀气流条件下，临界半径为450—500μm。而在有扰动的瞬时气流条件下，临界半径约为300μm。在自然界中观测到的临界半径为300—350μm，这是因为大气具有湍流的缘故。当大气中的雨滴增大到300—350μm时，就要破碎成几个较大的滴和一些小滴，它们可以被上升气流携带上升，并在上升过程中作为新一代的胚胎而增长，长大到上升气流支托不住时再次下降，在下降过程中继续增大，当大到临界半径后，再次破碎分裂而重复上述过程。云中水滴增大—破碎—再增大—再破碎的循环往复过程，常用夹解释暖云降水的形成，称之为“链锁反应”，有时也称为暖云的繁生机制。

产生“链锁反应”的条件是：上升气流要大于6m/s(对于不同的滴有不同的要求)，云中含水量要大于2g/m3，同时还要求一定的云厚。当然，“链锁反应”不会无限地继续下去，因为强烈的上升气流无法持久，云的宏观条件和微观结构也在迅速改变。同时，当大量雨滴下降时会抑制上升气流，或带来下沉气流。例如雷雨时的情况，下一阵大雨之后、云体即崩溃消散。

上述两种云滴增大过程在由云滴转化为降水的过程中始终存在。但观测表明，在云滴增长的初期，凝结(或凝华)增长为主，冲并为次。当云滴增大到一定阶段(一般直径达50—70μm)后，凝结(或凝华)过程退居次要地位，而以重力冲并为主。在低纬度地区，云中出现冰水共存的机会较少，形成所谓暖云(指整个云体的温度在0℃以上，云体由水滴构成，又称为水成云)降水，这时冲并作用更为重要。总之，凝结(或凝华)增长和冲并增长两种过程是不可分割的。我们必须辩证地看待这两种过程的作用，以深入了解降水形成的理论，为人工控制降水奠定基础。

云滴云滴有效半径

在黄河以南地区和青藏高原东部，水云的云滴有效半径有减少的趋势。夏季中国大部分地区水云有效半径存在减少的趋势;其次是春季，长江以南地区和青藏高原东部水云有效半径存在减少趋势;而在秋季和冬季，中国大部分地区没有显著的变化趋势。在长江以南地区冰云的有效直径有减少的趋势，在西北地区冰云有效直径存在增加趋势。在春季，内蒙古中西部和西北地区冰云直径存在明显的增加趋势;而在冬季，长江以南地区存在减少的趋势。综合云的光学厚度和云滴有效半径的变化，可以发现在夏季云的光学厚度和有效半径变化趋势最显著，这可能暗示云的有效半径的变化对光学厚度的影响可能在夏季最大，也就是说，气溶胶通过影响云的有效半径改变云光学厚度的作用(气溶胶的间接气候效应)在夏季最强。云量、云的光学厚和有效半径的变化表明长江以南地区和青藏高原地区可能是气溶胶间接气候效应比较显著的地区。水云的光学厚度与有效半径的相关系数在这个区域较高，也显示了两者之间更紧密地的联系。

云滴云滴形成的作用

天空中飘着的云彩千姿百态，变化多样，但所有的云彩都是由许多小水滴和小冰晶组成的。雨滴和雪花就是由云中的云滴和冰晶增长变大而来的。云滴非常小，要使云滴继续增长达到雨滴的大小，需要云层很厚，含水量多，就是说云滴浓度很大，云滴之间相互碰撞合并逐渐增大成雨滴。这种碰撞运动需要在云中有较强的垂直运动，才有可能增加云滴的多次碰撞并合成的机会。而在比较薄的和比较稳定的水云中，云滴没有足够的凝结和合并增长的机会，天空中只能出现多云、阴天，不大会下雨。如果云滴周围的水汽充足，继续凝结增长到一定程度变成雨滴以后，雨滴在地心引力的作用下从空中降落下来。当雨滴遇到上升气流时，就会有一个向上的力加在雨滴上，使其下降的速度变慢，并且有一些小雨滴还可能被带回空中。只有当雨滴增大到一定的重量，上升气流托不住雨滴时才有可能下降到地面，形成降雨。