(AP09)降水理论.ppt

降水形成理论 云内相态 碰并增长 单凭凝结作用，则当半径增大到超过临界值后，由于争食水汽，造成的云滴谱也仅是半径为1到10微米间的较均匀的狭谱 暖云降水 “暖”云中产生降水的机制是云滴间的碰并。 碰并作用在热带的降水形成过程中占有非常重要的地位 在云顶低于冻结温度的中纬度积云中碰并作用也有一定的意义 小雨滴在空气中降落时，由于表面张力作用，故保持球形。对于较大雨滴，除了表面张力以外，还有两个力作用于水滴，一个是四周空气的压力，另一个是重力引起的水滴内部的静压力差。随着水滴的增大，这后两个力也随之增加，而表面张力却因曲率的减小而减小。这三种力的共同作用，使大雨滴降落时发生变形。雨滴越大，变形越厉害，以至最终破碎（图12.10）。这种破碎称为自发破碎。另外，降水粒子发生碰撞时也可能破碎成若干小滴，称为碰撞破碎。 实验结果指出，如令re表示等效半径，则 ① 当re ? 0.14mm时，严格成球形； ② 当0.14 ? re ? 0.5mm时，稍有变形，短半轴b与长半轴a 的比值b / a = 0.98； ③ 当re = 1.4mm时，b / a = 0.85，雨滴的底部趋于平坦； ④ 当re = 2.0mm时，b / a = 0.78，雨滴的底部由平坦演变成凹面； ⑤ 当re= 4.0mm时，凹面进一步发展，直到某一临界半径，由于流体力学的不稳定，雨滴趋于破碎。 微滴下落末速度 微滴下降速度受三种力决定 假定水滴在下降过程中，无蒸发、凝结、碰并现象，可认为水滴受到的地球重力无变化 空气密度愈向下愈大，所以浮力也就相应愈向下愈大，由于水滴和空气密度差异，可忽略空气浮力 微滴下落末速度 空气阻力（Stokes’ drag force） 微滴下落末速度 斯托克斯定律（0.5 ~ 50 μm ） 10μm: 0.3 cm/s 20μm: 1.2 cm/s 50μm: 7.2 cm/s 100μm: 25.6 cm/s 微滴下落末速度 500μm~5000μm 50μm~500μm 微滴下落末速度 冰雪晶下落末速 冰雪晶和雪花的下落速度通常可通过实测得到。图12.12给出了一些冰雪晶下落速度与尺度之间关系的实测结果。(p334) D、L分别为冰晶的直径（或宽度）和主轴的长度。 表12.12给出了各种形状的冰晶下落速度与尺度的经验关系。 表12.12 不同形状冰晶末速度经验公式 Magono(1953)曾给出如下表达式： 碰撞效率(Collision efficiency) 微滴之间的碰撞主要通过重力作用而引起。 碰撞的小水滴数和大水滴所扫过的几何截面内全部小水滴数（可能碰撞小水滴数）之比称为碰撞效率（系数） 碰撞效率(Collision efficiency) r2/r1 ?0时E很小，小粒子惯性小，易绕过大滴 当r2/r1 0.6后E下降 粒子的尺度接近，导致粒子间相对速度减小，不利于互相碰撞 r2/r1 ?1: 两个粒子速度几乎相同时，E增大，尾涡俘获可使E1 并合效率 并合效率 并合效率 并合效率 碰并增长 并合的个数与碰撞的个数之比称为并合效率 碰并 = 碰撞 + 并合 碰并效率（系数）等于碰撞系数和并合系数的乘积 微滴带电或有电场存在，则并合系数近似等于1，所以解释暖雨的形成问题，可简单归结为确定微滴群的碰撞效率 碰并增长The Collision and Coalescence Process 碰并增长 假设半径为R的收集滴，以末速度u下落通过被捕获微滴群n(r),碰并效率为E (R, r) 求R的半径增长率dR/dt 在单位时间R经过的空间体积 该体积内半径在r和r + dr之间被碰并的小滴个数 被碰并的小滴总体积即为所求 碰并增长 假设半径为R的收集滴，以末速度下落通过被捕获微滴群。在单位时间内收集滴扫过半径为r的微滴群的空间体积是 其中u为下落末速度。 碰并增长 因此如果n(r)为被捕获云滴的谱分布函数，则单位时间内半径在r和r + dr之间被碰并的平均微滴数目是 E(R, r)为碰并效率 碰并增长 对所有微滴进行积分，可得到大滴总体积增加的速率 转换为大滴的半径增长率 碰并增长 大滴的半径增长率 云含水量 如果微滴比大滴小得多，则可取u(r) ≈ 0，R + r = R，从而得到如下的近似式 碰并增长与凝结增长对比 雨滴繁生 雨滴繁生 问题：随着高度的降低，降水质粒的数密度增大 雨滴繁生主要途径有二： 一是碰撞破碎 两个水滴互相碰撞时，可发生三种情况：“并合”、“破碎”、“弹开’，主要由相对速度和碰撞角决定 雨滴繁生 二是变形破裂 由于空气动力学作用引起的水滴内部环流造成 雨滴繁生 雨滴繁生 变形破