云的微物理特性

第四章云的微物理特征大氣氣溶膠簡介氣溶膠和氣溶膠質(zhì)粒的概念氣溶膠：指在氣體中懸浮有液體或固體微粒時的氣體和懸浮物的總體系。而其中的懸浮物就稱為氣溶膠質(zhì)粒。有些書中將氣溶膠質(zhì)粒也簡稱為氣溶膠，那是不妥當(dāng)?shù)?。對我們所爭論的對象而言，爭論的是大氣氣溶膠。大氣中的冰核、分散核，塵埃等均屬大氣氣溶膠微粒，云霧滴、小雨滴等也屬大氣氣溶膠質(zhì)粒。氣溶膠質(zhì)粒中，分子及原子的尺度約為10-4μm10100μm10-3μm100μm之間的微粒。氣溶膠爭論在大氣科學(xué)中的重要性氣溶膠在大氣系統(tǒng)中起著格外重要的作用：轉(zhuǎn)變云的微物理過程和性質(zhì)；對太陽輻射和紅外輻射產(chǎn)生吸取和散射作用，還包括其自身的放射；〔或氣溶膠粒子的分類在云物理學(xué)中，將大氣氣溶膠粒子按大小可分為：0.010.1半徑范圍的塵粒，稱為愛根核。其中具有吸濕性的塵粒只要過飽和度達(dá)0.5%到2.0%，就可使水汽凝為液水；0.13到0.5％，就可使水汽分散。假設(shè)這些核是吸濕性的，那末即使大氣尚未達(dá)水汽飽和，液水也能分散于其上。巨核：半徑大于3微米的核，在大氣中也存在。它們在吸取大氣中的水汽，使之轉(zhuǎn)化10-81099%時，即可增大為50微米(半徑)的水滴，下降速度可達(dá)30下降，就易兼并云滴而很快增大。在可核化前題下，核越大，所要求的環(huán)境過飽和度越小。來源據(jù)估量，全球氣溶膠質(zhì)粒主要是自然界產(chǎn)生的，人工來源僅為自然來源的五分之一。自然源按產(chǎn)生量大小主要包括：海鹽、氣粒轉(zhuǎn)換、風(fēng)砂揚(yáng)塵、林火煙粒、火山噴發(fā)〔變化很大換所造成的。所謂氣粒轉(zhuǎn)換，是指大氣中通過氣體之間或氣體與液滴、或固粒之間的相互作用，形成的大氣懸浮物的過程。次生粒子。次生質(zhì)粒占大氣氣溶膠總質(zhì)量的25%左右。海鹽核的形成過程：空中鹽核主要是洋面氣泡裂開所造成的。原始的氣泡的形成：有很多不同過程可以產(chǎn)生原始?xì)馀?。影響海鹽核產(chǎn)生的主要因子是風(fēng)速。A．H．Woodcock數(shù)密度愈大。N∝v。一般來講，氣溶膠在對流層的生命史是幾天或幾個星期的時間，但由于各種過程不斷地產(chǎn)生的氣溶膠，因此，大氣中氣溶膠的含量始終是比較高的。氣溶膠粒子移出大氣的過程氣溶膠質(zhì)粒不僅不斷有輸入大氣的過程，而且還有不斷被移出大氣的過程。移出過程可分干、濕兩類。干移出過程：指質(zhì)粒在干的狀況下移出大氣的過程；濕移出過程：指質(zhì)粒受雨雪或云霧滴等影響而下沉到下墊面移出大氣的過程。濕移出過程主要有：掃并下沉：即干氣溶膠質(zhì)粒被降水質(zhì)粒掃并而下墮到地面；拖并下沉：即懸浮微粒受介質(zhì)氣體分子有規(guī)章流淌的影響而被拖并到降水物上并下沉到地面；凝長下沉：即氣溶膠質(zhì)粒以分散核或凝華核的身份吸取水分，并漸漸地增大成降水物而下沉到地面。干移出過程主要有：重力下沉：即大的干懸浮質(zhì)粒受重力作用而下沉；碰并附粘：即懸浮質(zhì)粒隨氣流運(yùn)動時，懸浮質(zhì)粒受慣性支配，在遇障礙物時與障礙物相碰而附粘于障礙物上；集中附粘：即小質(zhì)粒因布朗運(yùn)動或亂流集中而與地表或地物相碰并被附粘；吸并附粘：即地物外表對微小質(zhì)粒的吸附，而削減了大氣懸浮物。從云霧降水物理觀點(diǎn)看，濕移出過程更引起我們留意。這要主要介紹一下拖并下沉。氣溶膠質(zhì)粒懸浮于大氣中，它既受到大氣分子混亂運(yùn)動的影響而發(fā)生布朗運(yùn)動，也受到大氣分子的有規(guī)章移動的影〔例如水汽分子流—水汽梯度的影響而被拖帶到降水物上，并合而下沉。在發(fā)生分散或蒸發(fā)時〔〔動能〕了向低溫方向凈熱集中的運(yùn)動，形成了熱力擴(kuò)泳現(xiàn)象〔Thermophoresis〕。當(dāng)云滴在蒸發(fā)時，水汽擴(kuò)泳現(xiàn)象必使凈水汽分子流背離云滴運(yùn)動，但蒸發(fā)造成冷卻，云滴在進(jìn)展相變時，水汽分子流的方向常與空氣分子流的方向是相反的。氣溶膠粒子的根本特性出于實際應(yīng)用的目的，對大氣氣溶膠粒子不行能承受枚舉法進(jìn)展?fàn)幷摗渤死碚摳姿缤庑巍⒚芏鹊扔捎跍y量爭論的困難，暫爭論中處理的還很粗糙。譜分布爭論還僅僅只是局限于一些特別外形大量不規(guī)章粒子表現(xiàn)出來的各種特性的統(tǒng)計平均和整體效果效果等價。較常使用的譜分布形式主要有Jung195196冪函數(shù)分布Deirmedjia196〕修正Γ 分布、對數(shù)正態(tài)分布和Zold分布。各分布形式在很多爭論者的模式中均有所運(yùn)用。實際的氣溶膠粒子譜比上述幾種譜形更簡單。氣溶膠粒子的冪指數(shù)分布—Junger分布設(shè)rμmn(r〔/cmμm，n(rΔr為半徑介于r與rΔr〔/c3。假設(shè)我們將縱坐標(biāo)用n(r)表示，橫坐標(biāo)以r表示，則當(dāng)已測得不同半徑范圍的氣溶膠質(zhì)粒數(shù)密度[n(r)ΔrΔn(rr，n(r)]值點(diǎn)在圖上，形成一條曲線，以表示氣溶膠質(zhì)粒的尺度譜，該曲線便是所說的大氣氣溶膠的數(shù)密度譜分布曲線。由于大氣氣溶膠粒子半徑存在幾個數(shù)量級的變化，因此譜分布的橫坐標(biāo)常承受對數(shù)坐標(biāo)。在四十年月到五十年月初，C.E.Junger曾得到下面的觀測規(guī)律。即“在大氣中的質(zhì)共有體積當(dāng)為。按上述觀測規(guī)律，可得其數(shù)密度譜分布常數(shù)”。設(shè)半徑介于r及r+dr間的質(zhì)粒共有n(r)dr個，它們的平均半徑為共有體積當(dāng)為。按上述觀測規(guī)律，可得其數(shù)密度譜分布或其中一般狀況下，2<α<4，3。式表示的分布曲線在對數(shù)坐標(biāo)中便是一條斜率為-α的直線。由式可計算得到以下特征量：總的數(shù)密度N〔單位體積中粒子總數(shù)〕：T留意，上式積分下限取為零是沒有意義的。平均半徑〔粒子的平均線性大小〕：均方根半徑〔面積平均半徑—表示粒子平均截面積大小〕：均立方根半徑〔體積平均半徑—表示粒子平均體積或質(zhì)量大小〕：峰值半徑r—峰值數(shù)密度處的相應(yīng)半徑，即滿足下式所對應(yīng)的半徑p中值半徑r—小于此半徑的數(shù)密度=大于此半徑的數(shù)密度，即m與數(shù)密度分布函數(shù)類似，將上述譜分布定義中的粒子數(shù)密度換成粒子的外表積、體積的譜分布模型。譜分布函數(shù)的意義：1〕理論分析和計算的便利；2〕不同氣溶膠類型的比較。氣溶膠粒子隨高度的變化在地面至5公里高度范圍內(nèi)氣溶膠粒子濃度隨高度按指數(shù)率削減隨高度而變窄，進(jìn)入平流層后，粒子譜形有顯著變化。化學(xué)成分氣溶膠粒子的化學(xué)成分，從無機(jī)物到有機(jī)物，從簡潔到簡單，范圍很廣泛。大體上可以分成五種根本組成：礦物質(zhì)、海鹽、煙煤、氣體轉(zhuǎn)換物或水溶性物、火山灰?！测c、鉀、鋇等〕組成。海洋性粒子主要由NaCl、KCl、(NH4)2SO4等吸濕性物質(zhì)組成。處于正常狀態(tài)下的平流層，其粒子也主要由氣粒轉(zhuǎn)換形成，不要成份是HSO和(NHSO等。當(dāng)有2 4 42 4火山噴發(fā)時，大量火山灰將成為平流層粒子的主要成份。人為源中的工業(yè)城市粒子大局部來自于城市污染氣體的轉(zhuǎn)換，其中主要是由SO、NO、NH2 x 4要來源于工業(yè)交通污染的各種元素，如氯、鎢、銀、錳、鋅、鎳、砷等。由于不同來源形成的氣溶膠粒子化學(xué)成份的差異，所以可以對采集到的粒子進(jìn)展化學(xué)分析來推斷其來源，稱為源解析。移出是至關(guān)重要的〔Twomey,1977〕。吸濕性物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)與構(gòu)造會影響到物質(zhì)的吸濕性。由常識可知，當(dāng)下毛毛雨時，路上有也有類似現(xiàn)象。如圖液體附著固體外表，液相外表切線與下墊面夾角為θ度，稱為接觸角或潮濕角。在圖中所示的界面或界限上有以下三種張力存在：汽液界面間α，它與下墊面交角為θ，并指向球冠頂；lv液固界面間α，指向胚底中心；sl汽固界面間α ，指向與相α 反。sv sl當(dāng)此三力平衡時，必有所以可見假設(shè)，αlv>αsv-αsl>0，1>cosθ>0，θ<90°，表示液體能夠潤濕固體外表。這種物質(zhì)稱為親液物質(zhì)，凡能夠被水所潤濕的物質(zhì)稱之為親水性物質(zhì)。否則稱為憎水性物質(zhì)。與θ 等于0°和180°對應(yīng)的為完全親水性物質(zhì)和完全憎水性物質(zhì)。一個水滴在玻璃上θ<90°，所以水能潤濕玻璃。實際大氣中存在著很多固體微粒，它們的吸濕性除受潮濕角這一參數(shù)打算外，還應(yīng)考慮微粒大小。對于不同的潮濕角θ，存在一個最有效吸濕成核的大小。折射指數(shù)化學(xué)成分在氣溶膠的輻射效應(yīng)中的作用主要表現(xiàn)在對氣溶膠復(fù)折射指數(shù)nk得到各種化學(xué)成分的相應(yīng)k值。云滴譜表示法及其特征量云的微物理特征主要包括：數(shù)密度及其尺度譜分布、相態(tài)構(gòu)造等。對于某一特定云個體，這些特征參量變化很大。云滴譜與滴譜特征云滴譜公式云滴譜的分布密度函數(shù)曲線的一般特點(diǎn)：小滴較少，中等尺度滴較多，大滴較少，且在大滴方向有長尾巴。為了便于理論分析和比較，常用數(shù)學(xué)函數(shù)的形式對分布曲線進(jìn)展擬合。較為常用的是Khrgian-Mazin就此函數(shù)與氣溶膠粒子的Junge冪函數(shù)形式比較。對于從譜分布曲線上峰值數(shù)密度分布函數(shù)的峰值〔n〕〔r〕可以得p p到如下關(guān)系：雖然可以由此確定AB布形式。因此從物理意義的角度確定式中的系數(shù)還需要考慮其它特征參量。由積分表可知：，故可以得到式所代表的各種特征參量：由積分表可知：，故可以得到式所代表的各種特征參量：數(shù)密度：平均半徑：含水量：能見距離〔假定水的無量綱散射效率因子為2〕：雷達(dá)反射率因子：通過多種特征參量的組合〔基于不同探測手段〕可以確定中的系數(shù)，但不同組合確定可轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系進(jìn)展。云的微物理特征云內(nèi)相態(tài)積云中低緯地區(qū)暖季的淡積云和濃積云，溫度都比較高。云由水滴組成，0度線以上為過0高緯地區(qū)由于溫度低，冰相消滅的機(jī)率增大，即使淡積云也可以由冰晶組成。層云：層云和層積云由于高度較低，因此溫度較高，一般多為暖云，云體由水滴組成，也有上部存在過冷水滴的情形，但高緯冬季也可以消滅冰晶。As、Ns往往上部由冰晶、中部由過冷水和冰晶、下部由非過冷水組成；卷層云〔Cs〕都由冰晶組成。粒子半徑(粒子半徑(μm)數(shù)濃度(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云的膠性穩(wěn)定性244(1958)膠性穩(wěn)定和膠性不穩(wěn)定隨高度增加，云滴譜展寬，多峰消滅，云體膠性不穩(wěn)定度增加大陸性積云和海洋性積云的差異：大陸性積云穩(wěn)定，不易降水，由于大陸上空分散核多，形成的云滴譜窄，大粒子少。大陸地區(qū)淡積云中云滴濃度多為200-600個/區(qū)低一個數(shù)量級，約為數(shù)十個。濃積云和積雨云中云粒子濃度比淡積云中的要小。1