云的微物理特性

第四章云的微物理特征大气气溶胶简介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。对我们所争论的对象而言，争论的是大气气溶胶。大气中的冰核、分散核，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10-4μm10100μm10-3μm100μm之间的微粒。气溶胶争论在大气科学中的重要性气溶胶在大气系统中起着格外重要的作用：转变云的微物理过程和性质；对太阳辐射和红外辐射产生吸取和散射作用，还包括其自身的放射；〔或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：0.010.1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；0.13到0.5％，就可使水汽分散。假设这些核是吸湿性的，那末即使大气尚未达水汽饱和，液水也能分散于其上。巨核：半径大于3微米的核，在大气中也存在。它们在吸取大气中的水汽，使之转化10-81099%时，即可增大为50微米(半径)的水滴，下降速度可达30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。来源据估量，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裂开所造成的。原始的气泡的形成：有很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的气溶胶，因此，大气中气溶胶的含量始终是比较高的。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；拖并下沉：即悬浮微粒受介质气体分子有规章流淌的影响而被拖并到降水物上并下沉到地面；凝长下沉：即气溶胶质粒以分散核或凝华核的身份吸取水分，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；集中附粘：即小质粒因布朗运动或乱流集中而与地表或地物相碰并被附粘；吸并附粘：即地物外表对微小质粒的吸附，而削减了大气悬浮物。从云雾降水物理观点看，湿移出过程更引起我们留意。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章移动的影〔例如水汽分子流—水汽梯度的影响而被拖带到降水物上，并合而下沉。在发生分散或蒸发时〔〔动能〕了向低温方向净热集中的运动，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，云滴在进展相变时，水汽分子流的方向常与空气分子流的方向是相反的。气溶胶粒子的根本特性出于实际应用的目的，对大气气溶胶粒子不行能承受枚举法进展争论〔除了理论根底它如外形、密度等由于测量争论的困难，暂争论中处理的还很粗糙。谱分布争论还仅仅只是局限于一些特别外形大量不规章粒子表现出来的各种特性的统计平均和整体效果效果等价。较常使用的谱分布形式主要有Jung195196幂函数分布Deirmedjia196〕修正Γ 分布、对数正态分布和Zold分布。各分布形式在很多争论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简单。气溶胶粒子的幂指数分布—Junger分布设rμmn(r〔/cmμm，n(rΔr为半径介于r与rΔr〔/c3。假设我们将纵坐标用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)ΔrΔn(rr，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承受对数坐标。在四十年月到五十年月初，C.E.Junger曾得到下面的观测规律。即“在大气中的质共有体积当为。按上述观测规律，可得其数密度谱分布常数”。设半径介于r及r+dr间的质粒共有n(r)dr个，它们的平均半径为共有体积当为。按上述观测规律，可得其数密度谱分布或其中一般状况下，2<α<4，3。式表示的分布曲线在对数坐标中便是一条斜率为-α的直线。由式可计算得到以下特征量：总的数密度N〔单位体积中粒子总数〕：T留意，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〕：均方根半径〔面积平均半径—表示粒子平均截面积大小〕：均立方根半径〔体积平均半径—表示粒子平均体积或质量大小〕：峰值半径r—峰值数密度处的相应半径，即满足下式所对应的半径p中值半径r—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外表积、体积的谱分布模型。谱分布函数的意义：1〕理论分析和计算的便利；2〕不同气溶胶类型的比较。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削减随高度而变窄，进入平流层后，粒子谱形有显著变化。化学成分气溶胶粒子的化学成分，从无机物到有机物，从简洁到简单，范围很广泛。大体上可以分成五种根本组成：矿物质、海盐、烟煤、气体转换物或水溶性物、火山灰。〔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HSO和(NHSO等。当有2 4 42 4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局部来自于城市污染气体的转换，其中主要是由SO、NO、NH2 x 4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展化学分析来推断其来源，称为源解析。移出是至关重要的〔Twomey,1977〕。吸湿性物质的化学性质与构造会影响到物质的吸湿性。由常识可知，当下毛毛雨时，路上有也有类似现象。如图液体附着固体外表，液相外表切线与下垫面夹角为θ度，称为接触角或潮湿角。在图中所示的界面或界限上有以下三种张力存在：汽液界面间α，它与下垫面交角为θ，并指向球冠顶；lv液固界面间α，指向胚底中心；sl汽固界面间α ，指向与相α 反。sv sl当此三力平衡时，必有所以可见假设，αlv>αsv-αsl>0，1>cosθ>0，θ<90°，表示液体能够润湿固体外表。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θ 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θ<90°，所以水能润湿玻璃。实际大气中存在着很多固体微粒，它们的吸湿性除受潮湿角这一参数打算外，还应考虑微粒大小。对于不同的潮湿角θ，存在一个最有效吸湿成核的大小。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nk得到各种化学成分的相应k值。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、相态构造等。对于某一特定云个体，这些特征参量变化很大。云滴谱与滴谱特征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展拟合。较为常用的是Khrgian-Mazin就此函数与气溶胶粒子的Junge幂函数形式比较。对于从谱分布曲线上峰值数密度分布函数的峰值〔n〕〔r〕可以得p p到如下关系：虽然可以由此确定AB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。由积分表可知：，故可以得到式所代表的各种特征参量：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：平均半径：含水量：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，但不同组合确定可转化为线性关系进展。云的微物理特征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0高纬地区由于温度低，冰相消灭的机率增大，即使淡积云也可以由冰晶组成。层云：层云和层积云由于高度较低，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，但高纬冬季也可以消灭冰晶。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。粒子半径(粒子半径(μm)数浓度(l-1)下落末速度(cm/s)CCN0.11060.0001典型云滴101061大云滴5010327云雨滴分界限10070典型雨滴10001650Adv.inGeophys.5,3.3云的胶性稳定性244(1958)胶性稳定和胶性不稳定随高度增加，云滴谱展宽，多峰消灭，云体胶性不稳定度增加大陆性积云和海洋性积云的差异：大陆性积云稳定，不易降水，由于大陆上空分散核多，形成的云滴谱窄，大粒子少。大陆地区淡积云中云滴浓度多为200-600个/区低一个数量级，约为数十个。浓积云和积雨云中云粒子浓度比淡积云中的要小。1