雲和降水微物理學

　　研究雲粒子（雲滴、冰晶）和降水粒子（雨滴、雪花、霰粒、雹塊等）的形成、轉化和聚合增長的物理規律的學科。它是雲和降水物理學的重要組成部分，又是人工影響天氣的理論基礎。

　　大氣中的水汽凝結而成的雲滴很小，半徑大約10微米，濃度為10⁴～10⁶個/升，下降的速度約1釐米/秒，通常比雲雲中上升的氣流速度小得多，因而雲滴不能落出雲底，即使離開雲底而下降，也會在不飽和的空氣中迅速蒸發而消失。隻有當雲滴通過各種微物理過程集聚和轉化為降水粒子後，才能降落到地面。

　　成雲致雨要經過一系列復雜的微物理過程：濕空氣上升膨脹冷卻，其中的水汽達到飽和，並在一些吸濕性強的雲凝結核（見大氣凝結核）上凝結而成初始雲滴的凝結核化過程；雲中的過冷水滴或水汽，在冰核(見大氣冰核)上凍結或凝華以及在-40°C以下自然凍結成初始冰晶胚胎的冰相生成過程；水汽在略高於飽和的條件下，在雲滴（冰晶）上進一步凝結（凝華），使雲滴(冰晶)長大的凝結增長過程（凝華增長過程）；雲內尺度較大的雲滴，在下落過程中與較小的雲滴碰並而長大的重力碰並過程；冰晶和過冷水滴同時存在時，因為過冷水滴的飽和水汽壓比冰面的大，造成過冷水滴逐漸蒸發，而冰晶則由於水汽的凝華而逐漸長大的冰晶過程。降水粒子的尺度大約是雲滴的一百倍，但其濃度卻僅為雲滴的百萬分之一（圖1）。

　　凝結核化過程　雲滴由於受表面張力作用，通常呈球形。球形純水滴表面的飽和水汽壓，高於平水面的飽和水汽壓。以半徑為0.01微米的水滴為例，其飽和水汽壓超過平水面的12.5％。在沒有任何雜質的純凈空氣中，初始的雲滴隻能靠水汽分子隨機碰撞而生成。靠分子隨機碰撞而產生雲滴的可能性隨著尺度增大而變小。微小的初始雲滴，隻有在相對濕度達百分之幾百的環境中才不致蒸發。但實際大氣的水汽含量很少能夠超過飽和值的1％，因此，在沒有雜質的純凈空氣中是難以直接形成雲滴的。事實上，大氣中存在著各種凝結核，這為凝結成雲滴提供瞭條件。雲凝結核可分成兩類：①親水性物質的大粒子。它不溶於水，但能吸附水汽，在其表面形成一層水膜，相當於一個較大的純水滴。半徑為1微米的親水核，其飽和水汽壓隻高於平水面的0.1％。②含有可溶性鹽的氣溶膠微粒。它能吸收水汽而成為鹽溶液滴，屬吸濕性核。例如海鹽的飽和水溶液，隻要環境相對濕度高於78％，就可以凝結長大。隨著凝結水量的增加，溶液滴的濃度越來越小，所要求的飽和水汽壓也越高。但是，隨著凝結水量的增加，溶液滴的尺度也隨著增大，所要求的飽和水汽壓又隨尺度增大而降低。因此，不同濃度和不同尺度的溶液滴要求的飽和水汽壓值各不相同（圖2），當環境水汽壓大於相應的臨界值（圖中各曲線的峰值）時，溶液滴即可繼續增長，隨著尺度的增大，溶液滴漸趨純水滴，這時溶液滴的飽和水汽壓也轉而下降。一個含10^-15克食鹽的微粒，隻要環境的相對濕度略大於100％，即可成為凝結核而生成雲滴。

　　冰相生成過程　在沒有雜質(冰核)的過冷水中，冰相的生成（水由氣態或液態轉化為固態）是由水分子自發聚集而向冰狀結構轉化的過程。聚集在一起的水分子簇，由於分子熱運動起伏（脈動）的結果，不斷形成和消失。分子簇出現的概率隨溫度的降低而增大。當分子簇的大小超過某臨界值時，就能繼續增大而形成初始冰晶胚胎。直徑為幾微米的純凈水滴，隻有在溫度低於-40°C時才會自發凍結；但當過冷水中存在雜質(冰核)時，在雜質表面力場的作用下，分子簇更容易形成冰晶胚胎。自然雲中冰晶的生成，主要依賴於雜質(冰核)的存在。在-20°C時，每升空氣中約有一個冰核，僅為同體積中雲凝結核濃度的幾十萬分之一。因此雲中冰晶的濃度，一般遠遠小於水滴的濃度。

　　凝結增長過程　雲中空氣上升而膨脹冷卻時，水汽不斷凝結。在凝結過程中，雲滴半徑的增長速度和雲中水汽的過飽和度成正比，與雲滴本身的大小成反比。所以在確定的水汽條件下，雲滴凝結增長越來越慢。在0.05％的過飽和條件下，一個由質量為10^-13克食鹽生成的初始雲滴，從半徑為0.75微米開始，增長到1微米時需要0.15秒的時間，增長到10微米時需30分鐘，而增長到30微米時，就需要4小時以上的時間。雖然水汽在少數大吸濕核上凝結之後，可產生大的雲滴，但如果要它繼續增長到半徑為100微米的毛毛雨(下落速度約為70厘米/秒)，就需要更長的時間，而積雲本身的生命大約隻有1小時，故在上述情況下不可能形成雨滴；在層狀雲中，氣流上升的速度，隻有幾厘米每秒，當大雲滴在不斷下落的過程中，還來不及長成雨滴，就會越出雲底而蒸發掉。總之，在實際大氣中，單靠水汽凝結是不能產生雨滴的。

　　碰並增長和暖雲降水機制　雲滴相互接近時，發生碰撞並合而形成更大雲滴的現象，稱為雲滴碰並增長。在重力場中下降的雲滴，半徑大的速度較快，可趕上小雲滴而發生碰撞並合，這稱為重力碰並。但半徑不同的雲滴相互接近時，由於小滴會隨著被大滴排開的空氣流繞過大滴，所以在大滴下落的路途中，隻有一部分小滴能和大滴相碰（圖3

）。相碰的雲滴，也隻有一部分能夠合並，其他則反彈開來。碰並的比例稱為碰並系數，其數值由大小雲滴的半徑所決定，通常都小於1。半徑小於20微米的大雲滴對小雲滴的碰並系數很小。大雲滴穿過小雲滴組成的雲體時，其半徑在碰並過程中的增長率與碰並系數、大小雲滴之間的相對速度和小滴的含水量都成正比。大雲滴的半徑越大，碰並增長得越快。在理論上，假設大雲滴在雲體中和小雲滴連續均勻地碰並而長大，計算其平均結果得出：半徑為30微米的大雲滴，穿行於含水量為1克/米 ³、由半徑為10微米的小雲滴組成的雲體中時，隻要六分半鐘就能長大到40微米，在20分鐘之內就能長大到100微米。在實際大氣中，雲滴間的碰撞是一種隨機過程。雲中一部分大雲滴碰並小雲滴的機會比平均結果大，所以長得特別快；而其他雲滴的碰並速度，則比平均結果慢。由於雨滴的濃度隻有大雲滴的千分之一左右，所以隻需要考慮那些長得最快的少數大雲滴長成雨滴的過程。用這樣的概念建立起來的隨機碰並增長理論，所得到的雨滴生成時間，比連續增長的時間大大縮短，這與實際情況更加接近。

　　此外，氣流的湍流混合作用和雲滴在電場作用下的相互吸引，也能使雲滴相互接近而發生碰並。一般認為這兩種機制，主要是對小雲滴的增長起作用。

　　由液態水構成的雲體，若有足夠的厚度、足夠的上升氣流速度和液態含水量，其中的大雲滴就可以在碰並過程中長大為雨滴。這種過程稱為暖雲降水過程。

　　半徑大於3毫米的雨滴，在下降過程中會嚴重變形，有時會破裂成若幹小雨滴；在大小雨滴相互碰並的過程中，有時也會分離出一些較小的雨滴，這些情況，統稱為雨滴的破碎過程。這種由小雨滴在雲中反復經歷瞭上升、增長、下落和再破碎的過程之後，在一定條件下迅速形成大量的雨滴，稱為朗繆爾連鎖反應。

　　冰晶過程和冷雲降水機制　在同一零下溫度時，冰面的飽和水汽壓比水面的小(圖4)，故相對於水面飽和的環境水汽壓而言，冰面的水汽壓就是過飽和的，所以在溫度低於0°C的過冷雲中，一旦出現冰晶，就可以迅速凝華增長。T.H.P.伯傑龍根據這個道理，於1933年提出瞭降水粒子的生成機制。他認為：在低於0°C的雲中，有大量的過冷水滴存在，冰晶的出現，就破壞瞭雲中相態結構的穩定狀態；雲中水汽壓處於冰面和水面飽和值之間，水汽在冰面上不斷凝華的同時，水滴卻不斷蒸發；冰晶通過水汽的凝華，可迅速長大而成雪晶。這樣，水分從大量的過冷水滴中不斷轉移到少數冰晶上去，終於形成瞭降水粒子。這即為冰晶過程，又稱伯傑龍過程。

　　過冷水滴一方面蒸發，水汽向冰晶轉移，使冰晶長大；一方面又和雪晶碰撞而凍結，使雪晶進一步長大。如果參加碰撞而凍結的過冷水滴很多，雪晶就會轉化為球狀的霰粒。雪晶還可能在運動中相互粘連成雪團而下降。這些固體降水粒子，在落到地面之前未融化者，就是雪、霰等固體降水；落到溫度高於0°C的暖區時，就會融化，成雨滴。

　　冰晶濃度在很多場合下高於環境的冰核濃度，這說明參與冰晶過程的冰晶，不僅從冰核作用過程中生成，而且當雪晶等固體降水粒子在-5°C左右和直徑大於24微米的過冷水滴碰撞凍結時，或者當松脆的枝狀冰晶碎裂時，都可能產生一些碎冰粒。這種產生次生冰晶的過程，稱為冰晶繁生。

　　自然雲的降水過程　在中緯度地區，形成大范圍持續降水的層狀雲，往往比較深厚，雲頂常在0°C層以上，因而雲體的上部溫度較低，有大量冰核活化，這是產生冰晶的源地。冰晶長大之後降到雲體中部，那裡有大量的過冷水滴，可通過冰晶過程將水分供給冰晶，使冰晶繼續生長。故一般稱這種雲的上部為播種雲，中部為供應雲。在這種過程中長大的雪晶和雪團，落入下部0°C以上的暖雲中，就融化成為雨滴。在雷達熒光屏上，常可觀測到顯示這種融化過程的亮帶（見氣象雷達回波）。

　　對流雲中的上升氣流很強，含水量大，雲體深厚，有利於碰並增長形成降水粒子。雲下部的大雲滴被上升氣流帶到上部，碰並長大之後，開始下降，在下降的過程中，又進一步碰並而迅速長成雨滴。

　　積雨雲的雲頂伸展得很高，溫度很低，在雲的中上部可通過冰晶過程生成雪團或霰。它們在落入暖層之後，融化並進一步碰並成為雨滴而落下。在對流極為旺盛的積雨雲中，霰粒和凍結的雨滴（稱凍滴）在上升氣流很強、含水量很大的過冷區中穿行時，依其碰並過冷水滴的多寡、釋放潛熱的快慢，而生成透明與不透明層次相間的冰塊，稱為雹。如果雹塊足夠大，通過暖區時就不一定完全融化，落到地面即為降雹。

　　熱帶和亞熱帶的對流暖雲（如濃積雲），可通過雲滴間的碰並增長而產生陣雨。溫帶對流雲，盡管雲頂發展到出現冰晶的高度，但有時也可以在雲的下部暖區中，就通過碰並過程產生降雨。

　　對於雲和降水粒子形成、增長和轉化的規律的認識，主要是從理論研究和可控條件下的實驗中得到的。實際上，自然雲的環境和相應的微物理進程十分復雜，加上觀測方面的困難，對它們的認識還很粗淺。因此雲和降水微物理學的發展方向，主要是探測和研究以自然雲為宏觀背景的粒子群體的演變規律。

　　

參考書目

　B.J.梅森著，中國科學院大氣物理研究所譯：《雲物理學》，科學出版社，北京，1978。（B.J.Mason，The Physics of Clouds，Oxford Univ.Press，London，1971.)

　H.R.Pruppacher，J.D.Klett，Microphysics of Clouds andPrecipitation，D.Reidel Publ.，Dordrecht，Holland，1978.