cloudforming南信工云降水實(shí)用

會(huì)計(jì)學(xué)1cloudforming南信工云降水實(shí)用2成核作用核化過(guò)程：形成云霧質(zhì)粒的過(guò)程。自發(fā)核化（同質(zhì)核化）：?jiǎn)我幌鄳B(tài)分子中沒(méi)有其它物質(zhì)存在時(shí)發(fā)生的核化過(guò)程。對(duì)水而言，水汽以幾個(gè)水分子集合體為中心聚集成液體（凝結(jié)）或固體（凝華），或者以過(guò)冷卻水中的水分子集體為中心形成冰晶（凍結(jié)）。如把這些微小的水分子集合體看成核，則這種無(wú)異質(zhì)核存在時(shí)的核化現(xiàn)象稱為自發(fā)核化或同質(zhì)核化。同質(zhì)是指結(jié)成的核心不是異性物質(zhì)，都是水分子的意思。上述三種過(guò)程的自發(fā)核化分別稱為：同質(zhì)凝結(jié)核化、同質(zhì)凝華核化和同質(zhì)凍結(jié)核化。異質(zhì)核化：有異質(zhì)核存在時(shí)的核化現(xiàn)象。第1頁(yè)/共50頁(yè)3成核作用異質(zhì)核化：有異質(zhì)核存在時(shí)的核化現(xiàn)象。第2頁(yè)/共50頁(yè)4同質(zhì)凝結(jié)核化在大氣中水汽較豐沛時(shí)，其中有些水汽分子就會(huì)偶然結(jié)合成微滴。如果其大小超過(guò)某個(gè)臨界值，它將能穩(wěn)定存在。平均來(lái)說(shuō)，大于臨界尺度的微滴將會(huì)增長(zhǎng)，而小于臨界尺度的微滴就會(huì)消失。第3頁(yè)/共50頁(yè)5同質(zhì)凝結(jié)核化第4頁(yè)/共50頁(yè)6同質(zhì)凝結(jié)核化因此，微滴增長(zhǎng)和消失的速率之間的平衡值就決定了微滴的臨界尺度。其大小由前面純水滴飽和水汽壓中介紹的Kelvin公式?jīng)Q定，即第5頁(yè)/共50頁(yè)7同質(zhì)凝結(jié)核化即使由于水分子隨機(jī)碰撞而形成的水胚滴的半徑達(dá)到0.01μm，仍然遠(yuǎn)小于實(shí)際環(huán)境過(guò)飽和度下存活所要求達(dá)到的臨界半徑。成核率J=1cm-3s-1，水滴連續(xù)出現(xiàn)第6頁(yè)/共50頁(yè)8同質(zhì)凝結(jié)核化1897年，Wilson令一個(gè)內(nèi)含純凈無(wú)雜質(zhì)的且相對(duì)濕度為100%的空氣云匣發(fā)生膨脹，第一次發(fā)現(xiàn)在膨脹冷卻到相對(duì)濕度達(dá)800％以上時(shí)，才出現(xiàn)自發(fā)凝結(jié)現(xiàn)象。在這樣大的相對(duì)濕度下，水汽分子才能克服由于溫度和密度造成的微觀起伏，自發(fā)地排列成團(tuán)，形成微水滴。同質(zhì)凝結(jié)核化發(fā)生的相對(duì)濕度界限，稱為閾濕。結(jié)論：自然條件下不可能出現(xiàn)水汽同質(zhì)核化凝結(jié)形成水滴。第7頁(yè)/共50頁(yè)9同質(zhì)凝華核化將同質(zhì)凝結(jié)核化公式中的各汽液相參數(shù)改為相應(yīng)的汽固相參數(shù)，可得同質(zhì)凝華核化比同質(zhì)凝結(jié)核化困難得多?。?！第8頁(yè)/共50頁(yè)10同質(zhì)凝華核化Ostwald等級(jí)規(guī)律（1902）：一個(gè)水汽過(guò)飽和相并不直接轉(zhuǎn)變?yōu)樽罘€(wěn)態(tài)(冰)，而是先轉(zhuǎn)變?yōu)榇畏€(wěn)態(tài)（或亞穩(wěn)態(tài)），即過(guò)冷卻水。1940年Krastanow計(jì)算認(rèn)為溫度低于-65℃時(shí)，水的相變并不按上述規(guī)律，而卻能直接轉(zhuǎn)化為冰。1963年Dufour和Defay指出：Krastanow的結(jié)果是錯(cuò)的，因?yàn)樗玫臄?shù)據(jù)有誤?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，至少在溫度高于-100℃的范圍內(nèi)，自發(fā)凝華核化過(guò)程不會(huì)違反Ostwald的等級(jí)規(guī)律。第9頁(yè)/共50頁(yè)11同質(zhì)凍結(jié)核化同質(zhì)凍結(jié)與同質(zhì)凝華的差異從過(guò)冷卻水滴形成冰胚的方式與從水汽中形成冰胚有著本質(zhì)的不同。同質(zhì)凝華，單個(gè)水汽分子組成的通量流來(lái)控制冰胚的生長(zhǎng)的。自發(fā)凍結(jié)，水分子早巳聚在一起。只是它們是按液水的結(jié)構(gòu)排列，并非按冰的結(jié)構(gòu)存在。第10頁(yè)/共50頁(yè)同質(zhì)凍結(jié)與同質(zhì)凝華的差異形成冰胚要求：①首先必須破壞其原有結(jié)構(gòu)，改變水分子位置及方向；②其次必須在水中形成新相(冰相)，并同時(shí)建立冰與水之間的界面。12同質(zhì)凍結(jié)核化第11頁(yè)/共50頁(yè)13同質(zhì)凍結(jié)核化計(jì)算表明，要產(chǎn)生同質(zhì)凍結(jié)，過(guò)冷卻水的溫度至少要冷到-35℃左右。這時(shí)的冰胚半徑僅1.2×10-3μm。而每個(gè)冰胚僅含195個(gè)水分子。此時(shí)冰胚產(chǎn)生率為5/cm3s，過(guò)冷卻水溫度愈低，冰胚產(chǎn)生率愈高。第12頁(yè)/共50頁(yè)14同質(zhì)凍結(jié)核化--中值凍結(jié)溫度中值凍結(jié)溫度：由于水滴群同質(zhì)凍結(jié)的起始溫度存在隨機(jī)性，常用“中值凍結(jié)溫度”來(lái)表示水滴群的凍結(jié)溫度。它指水滴群中有半數(shù)水滴已凍結(jié)時(shí)的溫度。①群滴尺度一定時(shí)，冷卻率愈小，則中值凍結(jié)溫度愈高；②冷卻率一定時(shí)，群滴的尺度愈大，則中值凍結(jié)溫度愈高。因此在-40℃以上，自然云多為過(guò)冷卻的。第13頁(yè)/共50頁(yè)15異質(zhì)核化-離子的凝結(jié)核化水汽在帶電離子上凝結(jié)的平衡飽和比S較不帶電時(shí)小。不帶電時(shí)不可能發(fā)生凝結(jié)的飽和比狀態(tài)，由于有了電荷就能發(fā)生凝結(jié)現(xiàn)象。r<0.6nm時(shí)，電荷的影響十分顯著；r>0.6nm時(shí)，曲率的影響顯著；r>1.4nm時(shí)，電荷的影響已可以忽略。離子正負(fù)對(duì)飽和比的影響與正離子相比，負(fù)粒子在較低過(guò)飽和度條件下就開(kāi)始成核。原因在于，微水滴負(fù)氧端指向外，正H端向內(nèi)，負(fù)離子表面分布有負(fù)電荷，正好和正H端相接，造成異號(hào)相吸的形勢(shì)。這就使負(fù)離子上水汽凝結(jié)為水較為容易些。但是，由于離子誘導(dǎo)核化需要很高的飽和比，所以在實(shí)際對(duì)流層大氣中離子誘導(dǎo)核化似乎不是云滴形成的主要過(guò)程。

第14頁(yè)/共50頁(yè)16異質(zhì)核化-不溶性平表面上的凝結(jié)核化主要與核的水濕性相關(guān)：如在潮濕環(huán)境下的平石板、墻面，浴室的鏡面、磁磚表面上發(fā)生的凝結(jié)現(xiàn)象。結(jié)論：要產(chǎn)生相同的核化率，親水性表面比憎水性表面容易。第15頁(yè)/共50頁(yè)17異質(zhì)核化-不溶性曲面上的凝結(jié)核化主要與核的曲率相關(guān)：1）凹表面比凸表面容易發(fā)生凝結(jié)核化；2）單就凹、凸表面而言，曲率半徑越小，平衡飽和比越大，凝結(jié)越困難。尺度較大、接觸角較小的不可溶粒子才有可能核化成為云滴。實(shí)際觀測(cè)發(fā)現(xiàn)云的凝結(jié)核尺度很小，接觸角較大。第16頁(yè)/共50頁(yè)存在的問(wèn)題：接觸角的概念是宏觀概念。當(dāng)形成水胚時(shí)，只有少數(shù)水分子組成一個(gè)微觀集體，是否能用宏觀概念討論這種微觀現(xiàn)象，還有待研究。理論將核表面過(guò)于理想化，實(shí)際核表面并不是十分光滑的。將下墊面上之水胚視為直接由水汽在核表面上打擊而形成，也可能是將問(wèn)題簡(jiǎn)單化。事實(shí)上，水汽在到達(dá)下墊面上方薄層中后，往往還有擴(kuò)散現(xiàn)象。下墊面的性質(zhì)，肯定對(duì)水汽的這種擴(kuò)散起到控制作用。異質(zhì)核化-不溶性曲面上的凝結(jié)核化第17頁(yè)/共50頁(yè)較同質(zhì)凝結(jié)核化過(guò)程容易發(fā)生，但在自然大氣濕度條件下仍不能發(fā)生?。?！異質(zhì)核化-不溶性曲面上的凝結(jié)核化第18頁(yè)/共50頁(yè)20異質(zhì)核化-可溶性核上的凝結(jié)已知K?hler方程為f為相對(duì)濕度。設(shè)溫度為275K，m為飽和食鹽溶液中溶質(zhì)質(zhì)量，則第19頁(yè)/共50頁(yè)21異質(zhì)核化-可溶性核上的凝結(jié)第20頁(yè)/共50頁(yè)22異質(zhì)核化-可溶性核上的凝結(jié)每一條平衡曲線，其f值都有一個(gè)極大值，稱為“臨界相對(duì)濕度f(wàn)c”，其相應(yīng)的溶液滴半徑，稱為“臨界半徑rc”。將前式對(duì)r微分，令其等于0，可得：第21頁(yè)/共50頁(yè)23異質(zhì)核化-可溶性核上的凝結(jié)討論鹽核質(zhì)量愈大，起始的飽和溶液滴半徑也愈大；鹽核質(zhì)量愈大，則臨界相對(duì)濕度愈小，但臨界半徑卻愈大；第22頁(yè)/共50頁(yè)對(duì)任一條K?hler曲線，由純鹽粒吸收水份而增大的過(guò)程，是由當(dāng)時(shí)的相對(duì)濕度大小決定的：環(huán)境相對(duì)濕度f(wàn)低于fc時(shí)，鹽核吸濕增大是有局限性的，鹽核可增長(zhǎng)到與f相對(duì)應(yīng)的平衡尺度，處于穩(wěn)定態(tài)。24異質(zhì)核化-可溶性核上的凝結(jié)第23頁(yè)/共50頁(yè)環(huán)境相對(duì)濕度f(wàn)=fc時(shí)，鹽滴就會(huì)增大到rc。但rc與前不同的是處于亞穩(wěn)態(tài)。如水滴半徑因偶然的原因增到大于rc，此時(shí)它所需的平衡相對(duì)濕度就小于環(huán)境相對(duì)濕度，于是就有水汽在它上面凝結(jié)，使它繼續(xù)增大甚至成為云滴，而不會(huì)因蒸發(fā)恢復(fù)到原有半徑。25異質(zhì)核化-可溶性核上的凝結(jié)rcfc第24頁(yè)/共50頁(yè)當(dāng)外界相對(duì)濕度f(wàn)>fc時(shí)，鹽核將由小而大地不斷增大到超過(guò)fc，最后能繼續(xù)增大成云滴。26異質(zhì)核化-可溶性核上的凝結(jié)第25頁(yè)/共50頁(yè)27異質(zhì)核化-可溶性核上的凝結(jié)討論（續(xù)）任一條Kohler線上相對(duì)濕度最大點(diǎn)左邊的平衡曲線上點(diǎn)稱為“霾點(diǎn)”。溶液滴處于霾點(diǎn)狀態(tài)時(shí)，就稱為“霾?！被颉蚌驳巍薄Ｈ绻鄬?duì)濕度不變，處于霾點(diǎn)的水滴是不會(huì)增大或減小的。溶液滴半徑由于相對(duì)濕度增大而一旦增大到臨界點(diǎn)，即半徑達(dá)到臨界半徑rc，就能被激活而不斷增大。因此rc也稱為“活化半徑”，fc也稱為“活化相對(duì)濕度”。在云霧形成過(guò)程中，可溶性凝結(jié)核作為水滴的核后，只有在被激活以后，才能形成云滴，否則只能保持為霾滴。第26頁(yè)/共50頁(yè)28異質(zhì)核化-可溶性核上的凝結(jié)純水和包含各種質(zhì)量鹽分的溶液滴表面相對(duì)濕度/過(guò)飽和度隨液滴半徑變化的曲線（1：純水；2：10-19kg氯化鈉；3：10-18kg氯化鈉；4：10-17kg氯化鈉；5：10-19kg硫酸銨；6：10-18kg硫酸銨。取自Wallace,J.M.andHobbs,P.V.,2006）

第27頁(yè)/共50頁(yè)29異質(zhì)核化-異質(zhì)凝華核化異質(zhì)凝華核化的理論處理與異質(zhì)凝結(jié)核華相似。其核華率主要由接觸角θ、核半徑和溫度決定。結(jié)論：1）同一冰核半徑條件下，θ愈大，則凝華溫度愈低（即凝華愈難）；2）接觸角一定，隨著冰核半徑的增大，凝華核華溫度愈高（即愈易核華）。只是這種趨勢(shì)在冰核半徑大于0.1μm時(shí)沒(méi)有半徑小于0.1μm時(shí)顯著。H2O第28頁(yè)/共50頁(yè)30異質(zhì)核化-異質(zhì)凍結(jié)核化結(jié)論類似于異質(zhì)凝華核化：1）接觸角大則凍結(jié)溫度愈低，即愈不易凍結(jié)；2）冰核半徑愈小，凍結(jié)溫度愈低。特別當(dāng)冰核半徑小于0.01μm時(shí)，很難凍結(jié)。Contact（接觸）Immersion（浸沒(méi)）condensation/freezing（凝結(jié)凍結(jié)）第29頁(yè)/共50頁(yè)31異質(zhì)凍結(jié)與同質(zhì)凍結(jié)核化中值凍結(jié)溫度隨相當(dāng)水滴直徑的變化（不同符號(hào)表示來(lái)自于不同工作者的結(jié)果；上面的曲線異質(zhì)浸潤(rùn)凍結(jié)核化，下面的曲線表示同質(zhì)凍結(jié)核化。取自Wallace,J.M.andHobbs,P.V.,2006）第30頁(yè)/共50頁(yè)異質(zhì)核化-異質(zhì)凝結(jié)凍結(jié)核化空氣處于水面過(guò)飽和，當(dāng)存在一個(gè)合適的凝結(jié)凍結(jié)核，水汽首先在核上發(fā)生異質(zhì)凝結(jié)核化過(guò)程，其后再發(fā)生凍結(jié)成冰過(guò)程異質(zhì)凝結(jié)-凍結(jié)和異質(zhì)凝華核化過(guò)程隨溫度和各種成分過(guò)飽和度的變化（核化過(guò)程從過(guò)程曲線的上方開(kāi)始。左上區(qū)域各條曲線表示的物質(zhì)從左向右依次是：四聚乙醛、碘化銀、碘化鉛、和高嶺土。取自Wallace,J.M.andHobbs,P.V.,2006）

第31頁(yè)/共50頁(yè)33CCN(云凝結(jié)核)大氣氣溶膠中的一小部分可以作為水汽凝結(jié)形成水滴的質(zhì)粒，而這些小水滴在云中實(shí)際過(guò)飽和度條件下能夠活化和凝結(jié)增長(zhǎng)形成云滴。這些氣溶膠質(zhì)粒稱為云凝結(jié)核（簡(jiǎn)稱CCN）。第32頁(yè)/共50頁(yè)34CCN北極清潔海洋氣團(tuán)大陸氣團(tuán)CCNspectraintheboundarylayerfrommeasurementsneartheAzoresinapollutedcontinentalairmass(brownline),inFloridainamarineairmass(greenline),andincleanairintheArctic(blueline).[DatafromJ.Geophys.Res.,107(D19),INX221(2002).]第33頁(yè)/共50頁(yè)35CCN無(wú)系統(tǒng)性的緯度和季節(jié)變化數(shù)濃度：大陸>海洋；污染>清潔海洋：CCN/CN~0.2-0.6；大陸：CCN/CN~<0.01-0.1（大量小粒子）大陸：自由大氣是邊界層的1/5；海洋：垂直定?；蛟谄骄聘咛庍_(dá)最大值日變化：6a.m.最??；6p.m.最大第34頁(yè)/共50頁(yè)36CCN來(lái)源氣粒轉(zhuǎn)換（還有待進(jìn)一步研究）多數(shù)CCN含有硫酸鹽植物燃燒：農(nóng)作物、林火等：1012-1015/kg石油及其產(chǎn)品燃燒土壤、沙塵：次要海鹽：次要（既使在海洋上空）第35頁(yè)/共50頁(yè)37自然冰核自然冰核呈現(xiàn)過(guò)冷卻譜過(guò)冷卻譜指不同溫度能起冰核作用的核的含量。其特點(diǎn)是溫度越低，冰核濃度越高。在全球冰核濃度與溫度之間呈指數(shù)變化的性質(zhì)。-20oC時(shí)約1個(gè)/L，溫度每下降4oC冰核濃度增加10倍，反映了單位空氣體積內(nèi)冰核數(shù)隨溫度下降而指數(shù)上升的趨向。第36頁(yè)/共50頁(yè)38自然冰核a=0.3-0.8冰核數(shù)往往僅占大氣氣溶膠質(zhì)粒數(shù)中很少一部分。在一個(gè)氣溶膠質(zhì)粒數(shù)密度為103cm?3，往往冰核只占?xì)馊苣z質(zhì)?？偭康陌偃f(wàn)分之一。與溫度有關(guān)，冰核數(shù)密度隨溫度下降而增多。第37頁(yè)/共50頁(yè)39自然冰核冰核濃度與濕度也有關(guān)系，大體上冰核數(shù)密度是隨冰面過(guò)飽和度的增大而呈指數(shù)律增加。第38頁(yè)/共50頁(yè)40自然冰核隨著地點(diǎn)不同冰核濃度呈現(xiàn)較大差異自然冰核濃度北半球比南半球高出一個(gè)量級(jí)。六大洲中以亞洲冰核濃度最高。我國(guó)北方地區(qū)的觀測(cè)值稍高于北半球的平均值。第39頁(yè)/共50頁(yè)41自然冰核變化一天中午的觀測(cè)值要高于下午值不同氣團(tuán)的冰核濃度有一定差異。在鋒面過(guò)境時(shí)，冰核濃度驟然增加，比氣團(tuán)中的濃度增加一個(gè)量級(jí)，有人把這種急劇增加稱之“核暴”。在大連十次鋒面活動(dòng)有九次出現(xiàn)核暴，西安六次和蘭州十一次鋒面活動(dòng)分別出現(xiàn)四次和七次核暴，原因歸之于鋒面過(guò)境，伴隨大量的沙塵輸送。冰核濃度隨大氣能見(jiàn)度減少而增加，這與大氣中影響能見(jiàn)度的懸浮顆粒有關(guān)。第40頁(yè)/共50頁(yè)42異質(zhì)核化-冰核起核化作用的條件1、溶解度條件各種冰核多為不可溶解的物質(zhì)組成。成冰：將水分子的混亂運(yùn)動(dòng)變得排列有序。冰核應(yīng)使無(wú)序運(yùn)動(dòng)水分子排列有序化，即冰核本身應(yīng)當(dāng)排列有序。溶解：核物質(zhì)在水中或豐沛水汽中使自己內(nèi)部分子的有序排列受無(wú)序運(yùn)動(dòng)影響而無(wú)序化起來(lái)。因此：從溶解度條件看，冰核應(yīng)當(dāng)在水中是不溶性的。有些可溶性冰核在冰面過(guò)飽和時(shí)，能起凝華核的作用。一旦當(dāng)空中濕度達(dá)水面飽和時(shí)，就失去作為冰核的作用。第41頁(yè)/共50頁(yè)43異質(zhì)核化-冰核起核化作用的條件2、質(zhì)粒尺度條件異質(zhì)凝華核化和異質(zhì)凍結(jié)核化，都是冰核質(zhì)粒愈大，核化溫度愈高。半徑大于0.1微米的冰核，其核化溫度較為穩(wěn)定。半徑小于0.01微米的質(zhì)粒，一般很難起冰核作用。一種情況例外：“生物冰核”。冰核質(zhì)粒如太小，1）它的溶解度增大，就會(huì)破壞其作為冰核的作用。2）而且冰核如小于冰胚的尺度，冰胚就難以在其上形成。第42頁(yè)/共50頁(yè)44異質(zhì)核化-冰核起核化作用的條件3、化學(xué)鍵條件冰核表面的化學(xué)鍵對(duì)成冰有很重要作用。冰的晶格由一定強(qiáng)度及取向的氫鍵所維系，如果冰核表面也有氫鍵，必有利于水汽或液水在冰核表面核化成冰。某些有機(jī)冰核就是根據(jù)這一條件找到的。1961-1962年，Head實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能被氫鍵束縛的化學(xué)團(tuán)(如-OH、-NH3、-O等)在有機(jī)物表面的排列情況對(duì)發(fā)動(dòng)成冰作用十分重要。此外人們還發(fā)現(xiàn)作為凝華核，介乙醛(CH3CHO4)的閾溫可高到-0.4℃，膽甾醇(C27H46O·H2O)的閾溫為-1℃—-2℃，間苯三酚(C6H3(OH)3·2H2O)的閾溫在-2℃—-4℃。

第43頁(yè)/共50頁(yè)45異質(zhì)核化-冰核起核化作用的條件4、晶體結(jié)構(gòu)條件有效冰核，不僅需要表面有化學(xué)鍵，而且這些化學(xué)鍵在核面有一定的幾何排列。要使冰晶在異質(zhì)核上生長(zhǎng)如同直接在冰晶上生長(zhǎng)一樣，必然是冰核生長(zhǎng)面的原子、離子或分子所組成的晶體結(jié)構(gòu)和幾何排列，盡可能與冰晶某一表面的水分子的晶格和幾何排列相近。這樣，冰和冰核界面兩側(cè)的原子就能很好配合，以完成接長(zhǎng)附生過(guò)程。第44頁(yè)/共50頁(yè)46異質(zhì)核化-冰核起核化作用的條件5、活化位置條件冰核面上異質(zhì)核化往往從局部位置發(fā)動(dòng)。這些位置往往在善于接收水汽并形成液水的地方。對(duì)水汽凝華于核上時(shí)的核面形狀研究發(fā)現(xiàn)，