第九章固态降水的形成.docVIP

第九章? 固态降水的形成 1.1 固态降水粒子特征a.雪晶的形状b.雪花的谱分布????以雪的形式到达地面的降水，大多是雪花雨不是一个个的冰晶。气温如近乎0℃，则出现雪花机会增多，最大尺寸的雪花也多在温度近乎0℃时出现。当气温下降，则雪花出现机会就减少。但当气温降到 -15℃左右时，雪花出现的机会就达“次极大”，请大家考虑一下其原因。最大雪花的等效水滴直径可达 15毫米，但大多数雪花直径在2—3毫米之间。????由于雪花是冰晶或较小雪花的不规则形状的碰连体，要测定其线性尺度很不容易，所以雪花大小的资料通常用质粒的质量或雪花融化后的水滴直径来表示。????格恩（Gunn）和马歇尔（Marshall，1958）测定了雪花碰连体的大小分布，并把资料用类似M-P分布的负指数函数进行拟合： ????之所以用负指数函数拟合，一点形式简单，更重要的是在降水发展的理论研究中，常常需要计算雨滴大小分布的各阶矩。例如，通过一水平面积的降水通量、单位体积的降水质量以及降水的雷达反射率等都直接与n(d)的某些矩有关。这样一来，在理论工作中采用指数逼近就特别方便，因为上述负指数函数k阶矩的分析形式可以表示成 ????这里要求具有一无限积分上限的分析结果通常与具有有限直径上限的实际分布十分接近。n(d)的指数函数形式随着d的增大而迅速减小，虽然积分上限是无限的，但少数很大的水滴对积分的贡献是非常小的。????对降雪来说，函数中的截距和斜率均与降水强度有关，而雨滴的分布中仅斜率与降水强度有关。塞克洪(Sekhon)和斯里瓦斯塔瓦(Srivastava，1970)对格恩和马歇尔等人的资料重新进行了分析，指出负指数函数形式对各种观测资料均能很好拟合，如参量符合下面的值，则理论工作所涉及的n(d)的各阶矩的结果与实际比较一致：  ????在上述两个方程中，降水率I（mm/h）中的毫米数是用与积雪厚度相当的水深来表示的。????由于雪花群观测的困难和实际结构的多变性，因而n(d)依赖于降水率的关系也是多变的。但是在没有其它获得讯息的办法的情况下，在理论研究中应用塞克洪和斯里瓦斯塔瓦的公式仍然是有意义的，更何况这些公式与大量的观测结果尚相当吻合，同时还能获得在n(d)的各阶矩间互相配合得很好的关系。c.下落末速度 ????冰晶的下落末速度????冰晶的下落末速度Ui主要由实验测定，并对不同形状拟合成几个经验公式：表 冰晶的下落末速度(l和d分别为冰晶的长度和直径，单位为cm，p = 1000 hPa，T = 273 K) 类形 下落末速 （cm/s） ?板状 ? ? 六角平板和扇形 ? 宽阔分枝 ? 辐枝 ?柱状 ? ? ????冰晶下落末速不仅与形状有关，而且与冰晶的密度、表面状态(是否有凇附)等有关。????霰和雹的下落末速度????与直径也有类似的实验关系 ????如果用前面导出Stokes公式同样的方法，也可有霰的类似下落末速公式： ????其中，ρg为霰的整体质量密度，m为霰的质量，A为垂直于气流方向的霰的截面积。研究认为，当雷诺数在103与105之间(相当于半径为数毫米到数厘米的球形霰)时，阻力系数CD为一几乎不随雷诺数而变的常数，因此上式右边第一个括号可近似为常数。则霰的下降末速，主要受(m/A)1/2这一因子的影响。当碰冻的凇附物十分疏松时，虽然m及A且均有增大，但(m/A)值可有所减少，从而霰的下降末速u也会减小。1.2 固态降水粒子的增长a.冰晶同云滴碰并 ???? 一个下落的冰晶，通过由过冷却水滴和冰晶组成的云中，不仅仅会发生“蒸凝过程”而增长，而且将因水滴碰冻或冰晶碰连而增长。冰晶同云滴或冰晶之间的碰并过程在云内是经常发生的，对云的微结构和降水的形成都有重要的意义。????冰晶与过冷水滴相碰并且冻结在冰晶上的过程称为凇附或碰冻，碰冻增长会形成淞状结构的霰????冰晶碰并增长方程可统一写成 式中Mi为冰晶的质量，A是冰晶迎风面的面积，ΔU为相碰冰晶之间或冰晶与水滴之间的相对速度，此时冰晶的下落速度是这种增长过程中的重要因子。W为被碰水滴或冰晶的含水量，E为碰并系数。下标i代表冰，w代表水。????冰晶与水滴相碰问题有一些理论研究，用扁椭球和长椭球分别去近似板状和柱(针)状冰晶。计算结果表明， ????1)能为冰晶碰撞的小水滴存在一定的尺度范围，即在大水滴端和小水滴端均有碰撞效率为零的现象，过大和过小的水滴都不能为冰晶所碰撞。原因：小水滴过小，将因气流绕片状晶而流，使碰撞效率变小。小水滴过大，则因片状晶密度较小，水滴向冰晶靠近时，片状晶会飘浮，并向水滴绕流，从而也会使碰撞效率减少。例如，半径为147～404μm的板状冰晶不能碰撞半径小于10μm的小水滴。而长为67