云的微物理特性

第四章云的微物理特征1大气气溶胶简介1.1气溶胶和气溶胶质粒的概念气溶胶：指在气体中悬浮有液体或固体微粒时的气体和悬浮物的总体系。而其中的悬浮物就称为气溶胶质粒。有些书中将气溶胶质粒也简称为气溶胶，那是不妥当的。对我们所研究的对象而言，研究的是大气气溶胶。大气中的冰核、凝结核，尘埃等均属大气气溶胶微粒，云雾滴、小雨滴等也属大气气溶胶质粒。气溶胶质粒中，分子及原子的尺度约为10-4pm，最大的冰雹在10厘米以上。一般直径大于100pm的质粒，就不易在空中停留。因此，气溶胶质粒，主要是指正10-3pm到100pm之间的微粒。1.2气溶胶研究在大气科学中的重要性气溶胶在大气系统中起着十分重要的作用：1） 改变云的微物理过程和性质；2） 对太阳辐射和红外辐射产生吸收和散射作用，还包括其自身的放射；3） 作为媒介和（或）终极产物，气溶胶在大气化学和大气污染过程中也起着重要作用。1.3气溶胶粒子的分类在云物理学中，将大气气溶胶粒子按大小可分为：爱根核：半径在0.01到0.1微米之间的尘粒，起凝结核的作用是明显的。习惯把这一半径范围的尘粒，称为爱根核。其中具有吸湿性的尘粒只要过饱和度达0.5%到2.0%，就可使水汽凝为液水；大核：比爱根核稍大，半径在0.1到3微米之间的，称为大核，一般只要过饱和度不到0.5%，就可使水汽凝结。如果这些核是吸湿性的，那末即使大气尚未达水汽饱和，液水也能凝结于其上。巨核：半径大于3微米的核，在大气中也存在。它们在吸收大气中的水汽，使之转化为液水方面，有很大作用。例如10-8克干物质的氯化钠，其大小约相当于半径10微米的球，在相对湿度为99%时，即可增大为50微米（半径）的水滴，下降速度可达30厘米/秒。如果下降，就易兼并云滴而很快增大。在可核化前题下，核越大，所要求的环境过饱和度越小。1.4来源据估计，全球气溶胶质粒主要是自然界产生的，人工来源仅为自然来源的五分之一。自然源按产生量大小主要包括：海盐、气粒转换、风砂扬尘、林火烟粒、火山喷发（变化很大）、陨星余烬、植物花粉等；人为源主要有：气粒转换、工业过程、燃料燃烧、固废处理、交通运输、核弹爆炸、人工播云等。可见，大多数气溶胶质粒是由海水飞沫中的盐和气粒转换所造成的。所谓气粒转换，是指大气中通过气体之间或气体与液滴、或固粒之间的相互作用，形成新的大气悬浮物的过程。次生粒子。次生质粒占大气气溶胶总质量的25%左右。海盐核的形成过程：空中盐核主要是洋面气泡破裂所造成的。原始的气泡的形成：有许多不同过程可以产生原始气泡。影响海盐核产生的主要因子是风速。A.H.Woodcock曾对风力与空中大于一定尺度的海盐数密度的关系进行测量。结果表明，对大于某一干半径的盐粒来说，风力愈强，则盐粒数密度愈大。N^v。一般来讲，气溶胶在对流层的生命史是几天或几个星期的时间，但由于各种过程不断地产生新的气溶胶，因此，大气中气溶胶的含量一直是比较高的。1.5气溶胶粒子移出大气的过程气溶胶质粒不仅不断有输入大气的过程，而且还有不断被移出大气的过程。移出过程可分干、湿两类。干移出过程：指质粒在干的状况下移出大气的过程；湿移出过程：指质粒受雨雪或云雾滴等影响而下沉到下垫面移出大气的过程。湿移出过程主要有：扫并下沉：即干气溶胶质粒被降水质粒扫并而下堕到地面；扩并下沉;即小的气溶胶质粒因布朗扩散而附于降水质粒上，然后下沉到地面；拖并下沉：即悬浮微粒受介质气体分子有规则流动的影响而被拖并到降水物上并下沉到地面；以上三种过程的共同点是:气溶胶粒子碰并到降水质粒上，然后由降水质粒带出大气。凝长下沉：即气溶胶质粒以凝结核或凝华核的身份吸收水分，并渐渐地增大成降水物而下沉到地面。干移出过程主要有：重力下沉：即大的干悬浮质粒受重力作用而下沉；碰并附粘：即悬浮质粒随气流运动时，悬浮质粒受惯性支配，在遇障碍物时与障碍物相碰而附粘于障碍物上；扩散附粘：即小质粒因布朗运动或乱流扩散而与地表或地物相碰并被附粘；吸并附粘：即地物表面对微小质粒的吸附，而减少了大气悬浮物。从云雾降水物理观点看，湿移出过程更引起我们注意。这要主要介绍一下拖并下沉。气溶胶质粒悬浮于大气中，它既受到大气分子混乱运动的影响而发生布朗运动，也受到大气分子的有规则移动的影响(例如水汽分子流一水汽梯度的影响)而被拖带到降水物上，并合而下沉。在发生凝结或蒸发时，就有水汽梯度存在。它能产生水汽扩泳现象(Diffusiophoresis)，使水汽分子在扩散过程中出现了向低水汽密度方向的净扩散运动；另一种情况是：当空气中有两处温度高低不同时，高温处的空气分子热扩散能力(动能)大于低温处，于是空气就有了向低温方向净热扩散的运动，形成了热力扩泳现象(Thermophoresis)。当云滴在蒸发时，水汽扩泳现象必使净水汽分子流背离云滴运动，但蒸发造成冷却，却能通过热扩泳而造成净空气分子流向着云滴运动。反之，当云滴在凝结时，水汽扩泳现象必使净水汽分子流向着云滴运动，热力扩泳现象却造成净空气分子流背离云滴运动。可见当云滴在进行相变时，水汽分子流的方向常与空气分子流的方向是相反的。1.6气溶胶粒子的基本特性出于实际应用的目的，对大气气溶胶粒子不可能采用枚举法进行研究(除了理论基础研究需要对单个粒子的特性进行考查，目的也是为了研究其群体特性)，与我们关系最为密切的大气气溶胶质粒的特性主要包括：谱分布、化学成分及由化学成分决定的折射指数。其它如形状、密度等由于测量研究的困难，暂研究中处理的还很粗糙。1.6.1谱分布气溶胶中的液态粒子接近于球形，但固态粒子的形状却是明显不规则和可变的。目前的理论研究和实验方法、设备，均是在球形粒子的假设前提下发展起来的，对非球形粒子的讨论还仅仅只是局限于一些特殊形状。实际上，这一假设从统计学的角度来看是合理的，即：大量不规则粒子表现出来的各种特性的统计平均和整体效果，可近似认为与大量球形粒子的效果等价。较常使用的谱分布形式：主要有Junge(1953,1963)幕函数分布、Deirmedjian(1969)修正r分布、对数正态分布和zoid分布。各分布形式在许多研究者的模式中均有所运用。实际的气溶胶粒子谱比上述几种谱形更复杂。气溶胶粒子的幕指数分布一Junger分布设r(pm)为大气气溶胶质粒的半径，n(r)为气溶胶质粒的半径分布函数(个/cm3pm)，其值随半径不同而异。则n(r)Ar为半径介于r与r+Ar间的气溶胶质粒数密度(个/cm3)。如果我们将纵坐标用n(r)表示，横坐标以r表示，则当已测得不同半径范围的气溶胶质粒数密度［n(r)Ar］后，可将它除以半径区间Ar，而得不同半径处的n(r)值。然后可将各［r，n(r)］值点在图上，形成一条曲线，以表示气溶胶质粒的尺度谱，该曲线便是所说的大气气溶胶的数密度谱分布曲线。由于大气气溶胶粒子半径存在几个数量级的变化，因此谱分布的横坐标常采用对数坐标。在四十年代到五十年代初，C.E.Junger曾得到下面的观测规律。即“在大气中的质粒，从十分之几微米到几十微米尺度之间的等间隔对数半径区间内，质粒的总累积体积为一常数”。设半径介于r及r+dr间的质粒共有n(r)dr个，它们的平均半径为r，则这些质粒—tit共有体积当为3 。按上述观测规律，可得其数密度谱分布r)=~~=或其中一般情况下，2<a<4,常取为3。式表示的分布曲线在对数坐标中便是一条斜率为-a的直线。由式可计算得到以下特征量：总的数密度nt（单位体积中粒子总数）：筠二匚3（1g〃下（也〃二匚也-%-云二白、注意，上式积分下限取为零是没有意义的。平均半径（粒子的平均线性大小）：-匚嫩泌Q广二 =一上询|用a-1均方根半径（面积平均半径一表示粒子平均截面积大小）：均立方根半径（体积平均半径一表示粒子平均体积或质量大小）：峰值半径r一峰值数密度处的相应半径，即满足下式所对应的半径中值半径r一小于此半径的数密度=大于此半径的数密度，即m与数密度分布函数类似，将上述谱分布定义中的粒子数密度换成粒子的表面积、体积和质量，就得到相应的表面积、体积和质量的谱分布。在研究中根据不同的需要，采用不同的谱分布模型。谱分布函数的意义：1）理论分析和计算的方便；2）不同气溶胶类型的比较。1.6.2气溶胶粒子随高度的变化在地面至5公里高度范围内气溶胶粒子浓度随高度按指数率减少。对流层中粒子谱形随高度而变窄，进入平流层后，粒子谱形有显著变化。1.6.3化学成分气溶胶粒子的化学成分，从无机物到有机物，从简单到复杂，范围很广泛。大体上可以分成五种基本组成：矿物质、海盐、烟煤、气体转换物或水溶性物、火山灰。自然源中的大陆性粒子主要与源地地表和土壤成份有关，大部分由矿物元素（铝、硅、钠、钾、钡等）组成。海洋性粒子主要由NaCl、KCl、（NH4）2SO4等吸湿性物质组成。处于正常状态下的平流层，其粒子也主要由气粒转换形成，不要成份是H2SO4和（nh4）2SO4等。当有火山喷发时，大量火山灰将成为平流层粒子的主要成份。人为源中的工业城市粒子大部分来自于城市污染气体的转换，其中主要是由SO2、NOx、NH4等污染气体转换为酸性粒子。城市粒子也含有矿物元素，但和自然源的大陆粒子不同，它主要来源于工业交通污染的各种元素，如氯、钨、银、锰、锌、镍、砷等。由于不同来源形成的气溶胶粒子化学成份的差异，所以可以对采集到的粒子进行化学分析来判断其来源，称为源解析。在单个粒子内部和整个大气中，各种化学成分的分布是不均匀的。而且，在各种物理、化学过程的作用下，大气气溶胶的化学成分具有明显的可变性。这对研究大气中气溶胶的形成与移出是至关重要的（Twomey,1977）。1.6.4吸湿性物质的化学性质与结构会影响到物质的吸湿性。由常识可知，当下毛毛雨时，路上有的地方先被湿润，而且经常还存在明显界限，这是由下垫面的吸湿性造成的。还有衣物表面也有类似现象。如图液体附着固体表面，液相表面切线与下垫面夹角为e度，称为接触角或湿润角。在图中所示的界面或界线上有下列三种张力存在：（1） 汽液界面间aiv，它与下垫面交角为e，并指向球冠顶；（2） 液固界面间asl，指向胚底中心；（3） 汽固界面间asv，指向与相asl反。当此三力平衡时，必有%*3+埋页二%.所以匚抑二冬0田V可见若，alv>asv-asl>0，则1>cose>0，e<90°，表示液体能够润湿固体表面。这种物质称为亲液物质，凡能够被水所润湿的物质称之为亲水性物质。否则称为憎水性物质。与e等于0°和180°对应的为完全亲水性物质和完全憎水性物质。一个水滴在玻璃上e<90°，所以水能润湿玻璃。实际大气中存在着许多固体微粒，它们的吸湿性除受湿润角这一参数决定外，还应考虑微粒大小。对于不同的湿润角e，存在一个最有效吸湿成核的大小。1.6.5折射指数化学成分在气溶胶的辐射效应中的作用主要表现在对气溶胶复折射指数四=，#-的影响上。其实部n主要描述粒子对辐射的散射特性，虚部k直接与气溶胶物质的吸收系数成比例。数值实验结果表明，含量日益增多的大气气溶胶对地气系统产生增温效应还是冷却效应，主要取决于气溶胶折射指数虚部数值的大小。尽管已经知道一些主要气溶胶物质的整体折射指数，但由于悬浮粒子的非均匀结构和不纯净，以及观测和分析中的困难，还不可能得到各种化学成分的相应k值。2云滴谱表示法及其特征量云的微物理特征主要包括：数密度及其尺度谱分布、相态结构等。对于某一特定云个体，这些特征参量变化很大。2.1云滴谱与滴谱特征2.1.1云滴谱公式云滴谱的分布密度函数曲线的一般特点：小滴较少，中等尺度滴较多，大滴较少，且在大滴方向有长尾巴。为了便于理论分析和比较，常用数学函数的形式对分布曲线进行拟合。较为常用的是Khrgian-Mazin分布:就此函数与气溶胶粒子的Junge幕函数形式比较。对于从谱分布曲线上峰值数密度分布函数的峰值（np）及其所对应的半径（rp）可以得到如下关系："%2=7.4«?虽然可以由此确定A和B值，但仅仅由一个点所确定的函数关系显然不能代表整体分布形式。因此从物理意义的角度确定式中的系数还需要考虑其它特征参量。2.1.2滴谱特征量由积分表可知： ，故可以得到式所代表的各种特征参量：数密度：心扑”普平均半径：含水量：阿二如切网加"5此位珞普能见距离（假定水的无量纲散射效率因子为2）：雷达反射率因子:通过多种特征参量的组合(基于不同探测手段)可以确定中的系数，但不同组合确定的结果往往不能完全相符。对实际观测到的谱分布多采用纯数学拟合，可将该种形式的曲线可转化为线性关系进行。3云的微物理特征3.1云内相态积云中低纬地区暖季的淡积云和浓积云，温度都比较高。云由水滴组成，0度线以上为过冷云滴。当云发展为积雨云时，顶部冰晶化。冰晶长大后降落到下面过冷水层中，使云的中部由冰、水二相组成。当然0度线以下，仍是液水区。高纬地区因为温度低，冰相出现的机率增大，即使淡积云也可以由冰晶组成。层云：层云和层积云因为高度较低，因此温度较高，一般多为暖云，云体由水滴组成，也有上部存在过冷水滴的情形，但高纬冬季也可以出现冰晶。As、Ns往往上部由冰晶、中部由过冷水和冰晶、下部由非过冷水组成；卷层云(Cs)都由冰晶组成。3.2云滴大小粒子半径(以m)数浓度(l-1)下落末速度(cm/s)CCN0.11060.0001典型云滴101061大云滴5010327云雨滴分界线10070典型雨滴10001650Adv.inGeop