04-云降水物理7-12
人工降雨的原理初中物理
人工降雨的原理初中物理人工降雨的原理是指人类利用科学技术手段来改变天气状况，增加降水量。
人工降雨是通过人为干预气象系统的运行，以实现增加降水或者延长降水时段的目的。
一、云的形成与降水云是由水蒸气在大气中凝结形成的，而降水则是云中水滴的增长到足够大而下落的过程。
在云的形成与降水中，气象要素如湿度、温度、气流等起着重要的作用。
二、人工影响云和降水的方式1.雷电影响法：通过飞机或者火箭向云中释放含有云中云粒子所需的潜热的物质，以触发云中电荷产生的现象，从而诱发雷电发生。
雷电释放的能量和电磁场的改变，可能会导致降水的增加。
2.雷电的人工消除法：通过设备产生一个与雷电云发电行为一致的电场分布，以降低或消除雷电云。
这样可能造成这种云产生降水增加。
3.雷雨增强法：在云中战机上释放化学剂，形成气溶胶，作为云滴的凝结核，提高云滴数量，从而增加降水量。
另一种方法是通过发射火箭或释放物体以刺激云中产生凝结核，从而增加降水。
4.明云制造法：通过向云中供给气溶胶，形成冷凝核，促进水蒸气在云中凝结为云滴，从而增加降水量。
5.冷云制造法：在冷空气前沿或冷锋中，通过施放云凝结剂或物质，形成冷湿云，使云滴数量增加，从而增加降水。
6.强制增雨法：通过使用飞机、火箭、炮弹等载体向云中撒播云凝结剂，改变云的物理和化学性质，从而引发或增加降水。
三、人工降雨的原理和效果分析1.影响云粒子的溶解度：引入云凝结剂后，能够影响云中水滴的溶解度，促使冷凝核形成，并增加云滴数量。
这样就会使得云中的水滴渐渐增大，从而导致降水的增加。
2.影响降水过程的温度和湿度：人工降雨的方法可以影响云中的温度和湿度，从而改变云物理性质和云滴运动，加速云滴的凝结和降水过程，提高降水量。
3.人工降雨的效果：人工降雨的效果会受到许多因素的影响，如气象条件、地理环境等。
在适当的条件下，人工降雨可以增加降水量，改善干旱或缓解水资源不足的情况。
然而，人工降雨也存在一些局限性和潜在的风险。
大气云降水对电磁波的衰减-南京大学
云滴、雨滴则对雷达波的衰减作用既有散射也有吸收；
如果用 表示大气的衰减系数, 表示云的衰减系数, 示降水的衰减系数,则实际的总衰减系数 表
1km距离
2.气体衰减
(1)水汽吸收与绝对湿度成正比(即水汽密度) (2)除1.35cm附近外,水汽吸收同气压成正比 (3)水汽含量不变,衰减随温度降低缓慢增加
表示的是由于云和降水粒子散射造成的单位距离上的电 磁波能流密度损失的分贝数，量纲为 。
因此，云和降水粒子群的总衰减系数
因此，根据
上式反映了雷达电磁波经过云、降水粒子群的吸收和 散射而造成衰减后的回波功率。
4.云衰减
云滴：半径小于100 的水滴或冰晶粒子，对于常用的测 雨雷达而言，满足 2r 1 ，即满足Rayleigh散射条
如果将具有不同吸收截面的粒子都考虑进去，则
当雷达波经过单位距离( R = 1 )时，则
上式表示的是由于云和降水粒子吸收造成的单位距离上 的电磁波能流密度损失的分贝数，量纲为 。
实际计算时，取N 为 1 m3 中的总数，将量纲改成 以 表示，称为云和降水群的吸收系数，则
，并
类似的，有云和降水粒子群的散射系数
衰减导致功率 的减少，故用 负号“-”表示！
即
接收功率以分贝形式表示时的衰减系数
令
（分贝/距离)
K
实际大气中，雷达波的衰减是由于吸收和散射引起的； 一般地，气体对雷达波的衰减作用主要是吸收，散射可以忽 略(尤其是2 cm以上的雷达, 一般可以忽略大气吸收所造成的衰 减)；大气对雷达波的衰减除了与波长有关以外，还与湿度、温 度、气压有关。
5.6
0.001 0.002 0.014 0.033 0.0732 0.214 0.481 1.083
人工影响天气岗位培训总复习题及答
人工影响天气岗位培训总复习题及答案第一章云、降水动力学和微物理学基础一、单项选择题：1. 作为人工增雨的的主要对象，冷锋出现频次：(A)冬季最多；(B)春季最多；(C)夏季最多；(D)秋季最多。
答案： B级别：通用2. 暖底云中霰的结凇增长比同质量的水滴的碰并增长：(A)更快；(B)更慢；(C)相当；(D)随小水滴尺度而异，尺度小，霰增长更快。
答案： A级别：通用3. 霰的结凇增长率在较大云滴(d≥20μm)区，(A)随霰密度减小，结凇增长率减小；(B)随霰密度增大，结凇增长率增大；(C)随霰密度减小，结凇增长率增大；(D)随霰密度增大，结凇增长率减小。
答案： C级别：通用4. 霰和冻滴的结凇增长率与过冷水滴的碰并比较明显，在较大云滴(d≥20μm)区(A)冻滴比霰处于有利结凇增长条件；(B)霰比冻滴处于有利结凇增长条件；(C)过冷水滴比霰处于有利碰并增长条件；(D)过冷水滴比冻滴处于有利碰并增长条件。
答案： B级别：通用16. 考虑到潜热作用和热传导效应，空中600hPa冰水共存云中，相应的最大水汽密度出现在:(A)－12℃；(B)－13℃；(C)－15.5℃；(D)－14.25℃。
答案： C级别：通用17. 自然"播种-供水"降水增强机制，常出现于：(A)深厚层状云系的混杂云中；(B)气团雷暴中；(C)雨层云中；(D)上为高层云，下为碎雨云的云系中。
答案： A级别：通用18. 防雹试验的统计效果检验中,哪个检出率较高.(A)序列试验分析；(B)区域对比试验分析；(C)区域回归试验分析；(D)无法确定。
答案： C级别：通用二、多项选择题2. 在R处目标相对雷达波束轴线方向的运动分量v,称为目标的径向速度，规定朝向天线运动的速度分量的符号是什么，分别表示为：(A)正，v=dR/dt(B)正，v=-dR/dt(C)负，v=dR/dt(D)负，v=-dR/dt答案： B级别：通用三、简答题2. 为什么出现的雨滴大都在2～3mm以下？答案：大气中因湍流作用，雨滴变形、碰撞产生破碎，不像静止大气那样可出现4～5mm的雨滴。
【国家自然科学基金】_云物理_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140731
推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2014年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
2014年 科研热词 细颗粒 电声换能超声波雾化 机载探测 旋风除尘器 数值模拟 强化 团聚 云物理 云微物理量 推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2010年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
2011年 科研热词 数值模拟 雾淞 零度层亮带 雨淞 逆温层 江淮流域暴雨 气溶胶 模拟诊断分析 微物理 天气学 地面降水过程 南方冻雨 冻雨 冰雹云 云物理过程 云凝结核 cloudsat 推荐指数 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2009年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
科研热词 闪电 辐射通量 辐射方案 辐射效应 积云对流方案 积云 电荷 热带对流日变化 液水含量 测云雷达 河南省 水物质 毫米波 梅雨锋暴雨 有效半径 数值模拟 快速辐射传输模式 微物理机制 微物理作用 层状云降水 大气环流模式 多普勒天气雷达 多层分布 地面降水率 双参数方案 卫星观测 卫星反演 动力作用 冰相云物理过程 云雨区 云物理过程 云物理和降水 云水含量 云探测和监视 云冰含量 云三维结构 中尺度播撒数值模式 三维冰雹云冰粒子分档模式 t-re分布 agi播撒
天气学原理和方法 第七章 大型降水天气过程
华南前汛期降水、江淮梅雨、华北与东北雨 季降水环流特征及其产生暴雨的关键系统解 释
概述
1 含义 大型降水主要是指范围广大的降水，降
水区可达天气尺度大小，包括连续性和 阵性的大范围雨雪及夏季暴雨。
2 降水的分级
2 可降水量
（1）定义：将一地区上空整层大气的 水汽全部凝结并降至地面的降水量称 为该地区的可降水量。
（2） 表达式：
qdz 0 1
g 0 qdp
3 水汽通量
速（V1）相定垂义直：的单单位位时面间积通的过水与汽水量平. 风
（2）表达式:
qV
底边为单位长度，高为单位百帕的水汽通
p 0
p u (
v )dp
0 x y
p ( u v )dp 0 x y
讨论：
பைடு நூலகம்
p u ( 0 x
v )dp y
0, p
0
p ( u
0 x
v y
)dp
0,
p
0
（3）补偿原理（整层积分）
p0 ( u
0 x
24小时雨 <0.1 0.1~10 10~25 25~50 50~100 100~200 >200 量（mm)
等级
微量 小雨 中雨 大雨 暴雨 大暴雨 特大 暴雨
3 降水的影响 利弊
4 我国各地降水气候概况 （1）各地雨量
年雨量分布极不均匀，从东南沿海向西 北内陆减少 （2）雨季：即连阴雨期，夏季水汽充沛， 降水量多，故夏季的连阴雨期一般称为雨 季。我国绝大多数雨量集中在夏季，有明 显的雨季、干季之分
北京“721”特大暴雨云微物理特征分析
北京“721”特大暴雨云微物理特征分析茅家华;平凡【摘要】利用非静力中尺度模式WRFV3.2,结合LAPS数据融合系统同化多源观测资料,较好地模拟出了北京“721”特大暴雨的降水演变过程.在此基础上,分析了暖区及冷锋降水阶段的云微物理特征差异.研究表明:暖区降水阶段水物质中雪和雨水的含量明显高于冷锋阶段;水汽大量凝结为云水,进而被雪收集,是雪含量较高的主要原因;霰融化为雨水和雨水蒸发为水汽的正负反馈双重作用下,导致暖区阶段雨水含量明显高于冷锋阶段.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)016【总页数】8页(P121-127,133)【关键词】特大暴雨;数值模拟;云微物理【作者】茅家华;平凡【作者单位】南京信息工程大学地理与遥感学院,南京210044;南京信息工程大学地理与遥感学院,南京210044;中国科学院大气物理研究所云降水与强风暴重点实验室,北京100029【正文语种】中文【中图分类】P426.616暴雨是影响我国的主要灾害性天气之一，常常会带来严重的次生灾害，是气象工作者们长期关注和研究的课题。
华北暴雨具有很强的地域性，多发生于炎热高湿的夏季，次数较少，但强度较强。
每年夏季，若西南气流大量输送水汽，同时副热带高压明显向北抬升，华北地区就有可能发生大暴雨。
2012年7月21日10时～22日04时(北京时，下同)，北京及其周边地区遭遇了61年来最强的暴雨过程，全市平均降雨量达164 mm，造成79人死亡、160.2万人受灾和 116.4 亿元的经济损失［1，2］。
北京“721”特大暴雨降水时间长，短时降水强度大，引发了洪涝、泥石流及龙卷风等严重的次生灾害，对北京市人民生命财产及基础设施安全造成了重大影响。
北京“721”特大暴雨过后，针对这场局部降雨量接近500年一遇的罕见天气过程，已有了大量研究，主要集中于大气环流形势、中尺度对流系统、水汽通道输送、地形抬升影响以及暴雨预报等方面，为之后的研究和预报提供了宝贵的借鉴思路［3—10］。
人工影响暖云降水原理
43
2019/3/11
暖云人工增雨
把盐质粒播撒到云底附近，以便提供形成云滴所必须的核。
44 2019/3/11源自452019/3/11
吸湿性凝结核
46
2019/3/11
小结
1. 大水滴的存在是暖云 降水得以发生的关键。 2. 播撒吸湿性巨核可以 增加暖云中大水滴数 浓度。 3. 吸湿性巨核在云底催 化，影响暖云核化过 程。
21 2019/3/11
云滴的凝结增长
– 对于所研究的云滴表面薄层，假设所有物理量均与 方向无关，即各向同性。
– 由D的定义式有
d v d v dM 2 AD 4 l D dt dl dl dM dl 2 4 Dd v dt l
22 2019/3/11
水滴通过水汽扩散产生凝结增长的半径变 化方程（Maxwell方程，1890）
25 2019/3/11
云滴的凝结增长
– 讨论
• 凝结增长正比于e-Ern • 半径增长率与r成反比，即随r的增大，r的增长率将减小
– 质量为10-12克(r=0.48μm)的NaCl核，在过饱和度ΔS=0.0005的 环境中长成半径r=50μm的水滴，需11.5小时
Lv Tr T s (Tr ) s (T ) s (T )( 1)( ) 2 RvT T
三个方程相结合，可以得到：
4 r[ v / s (T ) 1] dM 4 r[ S 1] Lv Lv Lv Lv 1 1 dt ( 1) ( 1) K aT RvT D s (T ) K aT RvT D s (T )
19
纯水
纯溶液滴
2019/3/11
云滴的凝结增长
降水及其特性
2020/12/3
15
3 降雨量观测
器测法 ➢ 雨量器
分辨率0.1mm。 两段制观测，即每日8时及20 时各观测一次。雨季增加观测 段次。 每日8时至次日8时降水量为当 日降水量。
2020/12/3
雨量器示意图
16
➢ 虹吸式自记雨量计 分辨率：0.1mm 降雨强度适用范围： 0.01～4.0mm/min 既反映雨量大小， 又能反映降雨过程 的变化情况。
3
➢ 对流雨
因地表局部受热，气温向 上递减率过大，大气稳定 性降低，下层空气膨胀上 升与上层空气形成对流运 动。上升的空气形成动力 冷却而致雨。
特点：强度大，历时短，范围小，常伴有暴雨、雷电。夏季午后
2020/12/3
4
➢ 地形雨
暖湿气流遇到丘陵、高原、山脉等阻拦，被迫沿坡上升而冷却致雨， 称地形雨。
特性：因空气本身 温湿特性，运行速 度以及地形特点而 异，差别较大。
降雨多集中在迎风 坡。
2020/12/3
5
➢ 锋面雨
气团：温度、湿度、气压等物理性质比较均匀、相似的大团空气。 根据温度特征分为冷气团和暖气团。 锋面：冷暖气团的交界面。
冷锋：冷气团主动向暖气团移动的锋。
类 型
暖锋：暖气团主动向冷气团移动而形成的锋。
2020/12/3
22
4 降雨特性及其图示方法
（3）降雨强度：指单位时间内的降雨量，以mm/min 或mm/h计。 （4）降雨面积：指降雨所笼罩的水平面积，以km2计。 （5）降雨中心：是指降雨笼罩面积上降雨量 最为集中且范围 较小的局部地点。
2020/12/3
23
4 降雨特性及其图示方法
图示方法 （1）降雨量过程线 （降雨强度过程线） （2）降雨量累积曲线 （3）降雨强度历时曲线 （4）降雨量等值线图
基于多源资料的积层混合云降水微物理特征
基于多源资料的积层混合云降水微物理特征王洪;张佃国;王文青;王俊;李毅;王烁【期刊名称】《大气科学》【年(卷),期】2022(46)4【摘要】基于地基云雷达、微雨雷达和天气雷达等遥测设备观测资料,结合挂载KPR云雷达和DMT粒子测量系统的飞机平台,详细分析了山东积层混合云降水过程的云降水微物理结构特征。
结果表明,积层混合云降水过程呈现层状云和对流云降水特征。
零度层以上,5~6 km高度层内,对流云降水多普勒速度和谱宽均大于层状云,说明对流云降水环境垂直气流、粒子尺度等均大于层状云。
对流云降水,云雷达和微雨雷达时空剖面上出现由衰减造成的“V”字形缺口,云雷达衰减程度大于微雨雷达,且随高度增加,衰减越大。
层状云降水,零度层亮带附近,雷达反射率因子跃增高度比多普勒速度高80 m,多普勒速度跃增高度又比谱宽高20 m。
降水云系零度层附近降水机制复杂,粒子形态有辐枝冰晶聚合物、针状冰晶聚合物和云滴;0°C层以上,5~6 km处,对流云降水的多普勒速度和谱宽均大于层状云降水,即对流云降水环境垂直气流、粒子尺度范围等均大于层状云降水。
【总页数】17页(P886-902)【作者】王洪;张佃国;王文青;王俊;李毅;王烁【作者单位】山东省气象科学研究所;山东省人民政府人工影响天气办公室;中国气象局云雾物理环境重点开放实验室;西安华腾微波有限责任公司【正文语种】中文【中图分类】P401【相关文献】1.华北一次积层混合云微物理和降水特征的数值模拟与飞机观测对比研究2.一次降水性积层混合云系的微物理特征分析3.基于飞机观测的华北积层混合云降水微物理特征的数值模拟研究4.云南省积层混合云微物理特征飞机观测5.三江源区积层混合云微物理特征机载观测试验研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
云顶参数与降水间关系的统计分析和数值模拟
２ Ｄ ｐ ｒｍ ｎ ｆＡｔ ｓｈ ｒｃ ｃ ｎｅ ， ｃｏ ｌｆ Ｐ ｙｉ，Ｐ ｋｎ ｎｖｒｉ Ｂ ｉｉｇ １０ ７ ｅ ａ ｔ ｅ ｔ ｍｏｐ ｅｉ Ｓ ｉ ｃｓ Ｓ ｈｏ ｈ ｓ ｏ ｅ ｏ ｃ ｅｉｇＵ ｉｅｓ ｙ， ｅ ｎ ０ ８ １ ｔ ｊ
３ Ｉ ｓ ｔｔ ｏ ｂ ｎＭｅｅｒｌｇ Ｃ ｉａＭｅ ｏｏｏ ｉ ｌ ｍｉｓｒｔ ｎ Ｂ ｉｉｇ １０ ８ ｎｔ ｕｅ ｆＵｒａ ｔ ｏｏ ｙ， ｈｎ ｔ ｒｌｇｃ ｉ ｏ ｅ ａ Ａｄ ｎｔ ｉ ， ｅ ｎ ０ ０ ９ ａｏ ｊ
第 １卷 第 ２ ７ 期
２ １ 年 ３ 月 ０２
气
候
与
环
境
研
究
Ｖｏ ＿ ７ Ｎ ｏ ２ １１ ．
Ｍ ａ． ｒ ２ １ ０２
Ｃｌｍａ ｉ ｎｄ Ｅｎｖ ｒ ｎｍｅ ａ ｓ ａ ｃ ｉ ｔｃａ ｉｏ ｎｔ ｌＲｅ ｅ ｒ ｈ
刘晓春 ， 范水勇 ，毛节泰．２１． ０２ 云顶参数与降水间关 系的统计分析和数值模 拟 ［］ Ｊ．气候与环境研 究， ７ （） １５ １８ ｄｉ１．８８ １ ２： ２ — ３ ， ｏ：０３７／
利用 Ｆ －Ｃ静止卫 星云顶物 理参数及 地面加 密雨量 观测等 ，结合 ＭＭ５中尺度 非静力数 值预 报模 Ｙ２
式 ，综合分析了典 型层状 云降水 过程 的云系演变 和结构特征 ，揭示 了云顶参数与单站雨强之间并不是 简单 的量 化统计关系 ：即降水大，每小 时降水量与云顶高度 、有效粒子半径是较好 的正相关 ，与云顶温度是较好 的负相
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｓ ｒ ｃ Ｕ ｓｎ ｌ ｕ ｏ ｈ ｓｃ ｌｐ ｏ ｅ ｔ ｓ ｏ ｅ ｓａ ｉｎ ｒ ａ ｅ ｌ ｅ ｒ ｕ ｄ ｒ ｉ ｆ ｌ ｏ ｓ ｒ ａ ｉｎ，ａ ｄ Ｍ Ｍ ５ ｉ ｇ ｃｏ ｄ ｔ ｐ ｐ ｙ ｉａ ｒ ｐ ｒ ｉ ｆ ｇ ｏ ｔ ｔ ａ ｙ ｓ ｔ ｌ ｔ ，ｇ ｏ ｎ ａｎ ａｌ ｂ ｅ ｖ ｔ ｅ ｏ ｉ ｏ ｎ
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碰并效率（系数）等于碰撞系数和并合系数的
乘积
Ec E E '
碰并增长The Collision and Coalescence Process
碰并增长
云中少数滴R>=20微米，碰并小云滴的效率提高， 能有效地启动重力碰并机制，形成降水粒子， 其碰并增长速率是随大水滴增大而快速增加的。 云滴碰并增长在暖云降水中十分重要，在这种云 中如没有碰并增大，云滴难以发展为雨滴。
固态降水粒子的增长
冰晶同冰晶碰并——碰连
0～-5℃及-12～-17℃是雪花的两个多发区
固态降水粒子的增长
冰晶同冰晶碰并—
—碰连
-12～-17℃，一是 冰面过饱和度最大 的温度，二是产生 枝状冰晶的温度， 枝叉结构的冰晶相 碰容易“钩连”和 “攀附”在一起
碰连
固态降水粒子的增长
水滴的悬浮冻结冰
水滴通过水汽扩散产生凝结增长的半径变化方程 （Maxwell方程，1890）
质量扩散方程
半径增长率与r成反比，即随r的增大，r的 增长率将减小
通风因子对水滴凝结增长的影响
相对于空气运动的水滴，其凝结速率总是大于静止 时的，而且运动速度越大凝结速率也越大。
云滴群的凝结增长
自然云中许多云滴常一起增长，并争食云内可被利用的 水汽。当微滴相当大或者数量充分多时，消耗水汽的速 率可以超出产生过饱和度的速率，这将阻碍或终止微滴 的增长过程。
雨滴繁生
雨滴繁生
变形破裂理论最大直径可达5mm，甚至有理论和 实验证实可大到10mm 自然界降水中，水滴直径一般很少大于2—3mm。
雨滴谱
最常用的测定降水的宏观特征量就是地面上的降雨 率（降水强度）。而最常用的表示降水的微观特征 量便是雨滴大小的分布函数（即滴谱） 马歇尔和帕尔默(Marshall and Palmer，1948)
水滴尺度增大，E很快增大 小于20μm的粒子E很小
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
碰并增长
碰并
= 碰撞 + 并合
在定常过程中，D不因距离而变
dM dt
r
v dl 4 D d v 2 rv l
dM 4 rD v rv dt
水滴质量增长方程的基本形式
质量扩散方程 – 半径增长率
质量增长率半径增长率
dM d 4 3 2 dr r w 4 r w dt dt 3 dt
“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
微滴下落末速度
微滴下降速度受三种力决定
空气 浮力 空气 阻力
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
dr 4 r w 4 rD v rv dt
2
dr D r dt w v rv
质量扩散方程
水汽密度水汽压
1 e Ern v rv Rv T Tr
dr D e Ern r dt w Rv T Tr
质量扩散方程 - Fick's Law
对于所研究的云滴表面薄层，假设所有物理量均与 方向无关，即各向同性。
由D的定义式有
d v d v dM 2 AD 4 l D dt dl dl
dM dt
dl 2 4 Dd v l
质量扩散方程 - Fick's Law
Rain in Summer --Herry Wadsworth Longfellow
碰并增长
一个半径为1毫米的雨滴， 其质量或体积相当于100万 个半径为10微米的云滴
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
随机碰并增长
问题：初始大滴从何而来？
巨CCN
云不均匀性—云粒子增长不同步
湍流作用
凝结与随机碰并结合的作用
碰并过程开始后进行很快，云 滴数急剧减少，过饱和度明 显增加。
水滴数减少使总凝结表面减少， 上升空气因绝热膨胀冷却造成 的多余的水汽没有充分的凝结 表面凝结，致使过饱和度急增。
增加过饱和度能激活新的凝结 核，从而引起水滴数的增加， 造成一个小的峰值。但这仅 仅是短暂的效应，因为碰并 增长又迅速地吞并新形成的 微滴
播撒一供应机制
播撒一供应机制
降水小结
当云中有足够大的水滴或冰质粒，就有可能发
生云水转化，产生降水。
但降水能否长时间维持，这就要看有无充分水
汽供应，这就牵涉到云中气流、云体厚度和生 命期等宏观条件。
这就是说，能否降水与云中微物理条件及过程
有关，能否产生大量降水，则与云的宏观条件 有关。
粒
一种是水滴在上升中因 空气绝热冷却时冻结而 成 一种是雨滴通过冷空气 层时冻结
冰质粒的繁生过程
脆弱冰晶的破裂
冰质粒的繁生过程
过冷大水滴的冻结破裂 结凇时的繁生（Hallett-Mossop机制，主要）
播撒云一供应云降水机制
播撒一供应机制
高层播种云，一般是卷层云，在气旋云系中，
冰雹的分层结构
冰雹的分层结构
雹胚（雹核）
霰还是冻滴？
决定于云底温度
冻滴胚的频数随 云底平均温度 上升而增大 霰胚反之
由于霰落速比冻 滴小，平均增长 时间不同，所以 大冰雹多以霰为 胚
固实冰
过冷却水滴碰在雹块上，如果因冻结而释放的热量 很容易传到环境空气中去，整个雹块就可降温而很 快固结，形成固实冰结构。 密实冰：0.9克/厘米3
多孔冰： 可低到0.2克/厘米3
冰雹的分层结构
最中心的部分称为雹胚 透明层 不透明层 每一层的厚度从几毫米到1cm不等，它包括层次的 多少均由冰雹在云中的形成过程决定。 从尺度上看，直径1～3cm的冰雹一般是2~5层， 直径为3～5cm的大冰雹一般是4~6层，特大冰雹 中有的多达10~20层。
雨滴繁生及雨滴谱
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
暖云降水，雨滴直径一般截止于2---3毫米以下， 原因主要是碰撞破裂所致。冷云降水中包含有冰雪 晶，则可出现直径大于3毫米的雨滴
4 3 r w g 3
地球 重力
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
4 3 r g 3
微滴下落末速度
斯托克斯定律（0.5
2
~ 50 μm ）
2 r g w 6 2 u 1.19 10 r 9
10μm: 0.3 cm/s
所以降水问题是一个宏微观物理过程相结合的
问题。
第十章部分 冰雹物理基础
冰雹的危害
冰雹的危害
冰雹的危害
冰雹的危害的决定因素
尺度 数量 下垫面性质
问题
微观：
结构，为什么？
宏观：
是在什么样的天气系 统中产生的？
冰雹的形状
有圆球、扁圆球、椭球、扁椭球、圆锥、苹果形、 盘形和不规则形。最常见的冰雹是圆球、圆锥和椭 球三种。
高空对流泡是一种典型的播种云。由于高空对 流泡尺度小，可能同时存在好几个，因此，使 地面降水存在着小尺度的不均匀结构。
供应云，一般指浓密的层状云，如高层云、雨
层云、层积云或层云。当供应云受到冰雪晶粒 子的播种后，云内会通过云水碰冻→云冰碰连 →雪晶的有效转化以及碰并等过程，使其降水 强度明显增加。
冰雹的形状
冰雹的尺度
小冰雹较为多见。据新疆 观测，直径在5至 20mm间的冰雹占总数 的92%，大于20mm的 仅占8%。
大的有像鸡蛋那么大(直径 约10厘米)
冰雹的相态结构 海绵冰-冰水混合雹块
当雹块的热量难以很快被环境空气传走时，未冻的 一部分水就在其由辐枝状冰晶组成的网格或骨架内 被保留起来，从而形成海绵状冰结构。海绵冰的密 度在0.9至1.0克/厘米3之间，它常是很透明的。
含盐粒较大的云滴都易于活化 增大。而半径小的难以达到活 化半径；而且在以后湿度下降 时，甚至会蒸发变小。
过到活化半径而增大的各种大 小的云滴，它们会渐渐增大到 尺度相近的半径。
冰雪晶的形状 雪晶是指冰晶通过凝华及撞 冻、碰并等机制增长到尺度 大于500微米后的水成物。
Dendrite
国际上将固体降水物分为十
N d n(d ) N 0e d
I
6
w d n d u d d
3 0
雨滴谱
降水效率
到达地面的降水质量与进入云中的水汽质量之比 (Braham，1952)。
一般小雷暴的降水效率仅为11%，大雷暴可达50%
地面雨区的总降水率与雨带的总凝结率之比。
蒙古气旋中心附近降水效率最高（94%），其次是冷锋面 （87%）和暖锋面（75%）附近，暖区（60%）和冷锋 后（49%）降水效率最低。
dt
质量扩散方程 - Fick's Law