云的微物理特性

第四章云的微物理特征1大氣氣溶膠簡(jiǎn)介1.1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(shí)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(jiǎn)稱為氣溶膠，那是不妥當(dāng)?shù)?。?duì)我們所研究的對(duì)象而言，研究的是大氣氣溶膠。大氣中的冰核、凝結(jié)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10-4pm，最大的冰雹在10厘米以上。一般直徑大于100pm的質(zhì)粒，就不易在空中停留。因此，氣溶膠質(zhì)粒，主要是指正10-3pm到100pm之間的微粒。1.2氣溶膠研究在大氣科學(xué)中的重要性氣溶膠在大氣系統(tǒng)中起著十分重要的作用：1） 改變?cè)频奈⑽锢磉^程和性質(zhì)；2） 對(duì)太陽(yáng)輻射和紅外輻射產(chǎn)生吸收和散射作用，還包括其自身的放射；3） 作為媒介和（或）終極產(chǎn)物，氣溶膠在大氣化學(xué)和大氣污染過程中也起著重要作用。1.3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：愛根核：半徑在0.01到0.1微米之間的塵粒，起凝結(jié)核的作用是明顯的。習(xí)慣把這一半徑范圍的塵粒，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；大核：比愛根核稍大，半徑在0.1到3微米之間的，稱為大核，一般只要過飽和度不到0.5%，就可使水汽凝結(jié)。如果這些核是吸濕性的，那末即使大氣尚未達(dá)水汽飽和，液水也能凝結(jié)于其上。巨核：半徑大于3微米的核，在大氣中也存在。它們?cè)谖沾髿庵械乃?，使之轉(zhuǎn)化為液水方面，有很大作用。例如10-8克干物質(zhì)的氯化鈉，其大小約相當(dāng)于半徑10微米的球，在相對(duì)濕度為99%時(shí)，即可增大為50微米（半徑）的水滴，下降速度可達(dá)30厘米/秒。如果下降，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。1.4來(lái)源據(jù)估計(jì)，全球氣溶膠質(zhì)粒主要是自然界產(chǎn)生的，人工來(lái)源僅為自然來(lái)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）、隕星余燼、植物花粉等；人為源主要有：氣粒轉(zhuǎn)換、工業(yè)過程、燃料燃燒、固廢處理、交通運(yùn)輸、核彈爆炸、人工播云等?？梢?，大多數(shù)氣溶膠質(zhì)粒是由海水飛沫中的鹽和氣粒轉(zhuǎn)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，形成新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破裂所造成的。原始的氣泡的形成：有許多不同過程可以產(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曾對(duì)風(fēng)力與空中大于一定尺度的海鹽數(shù)密度的關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果表明，對(duì)大于某一干半徑的鹽粒來(lái)說，風(fēng)力愈強(qiáng)，則鹽粒數(shù)密度愈大。N^v。一般來(lái)講，氣溶膠在對(duì)流層的生命史是幾天或幾個(gè)星期的時(shí)間，但由于各種過程不斷地產(chǎn)生新的氣溶膠，因此，大氣中氣溶膠的含量一直是比較高的。1.5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；擴(kuò)并下沉;即小的氣溶膠質(zhì)粒因布朗擴(kuò)散而附于降水質(zhì)粒上，然后下沉到地面；拖并下沉：即懸浮微粒受介質(zhì)氣體分子有規(guī)則流動(dòng)的影響而被拖并到降水物上并下沉到地面；以上三種過程的共同點(diǎn)是:氣溶膠粒子碰并到降水質(zhì)粒上，然后由降水質(zhì)粒帶出大氣。凝長(zhǎng)下沉：即氣溶膠質(zhì)粒以凝結(jié)核或凝華核的身份吸收水分，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(dòng)時(shí)，懸浮質(zhì)粒受慣性支配，在遇障礙物時(shí)與障礙物相碰而附粘于障礙物上；擴(kuò)散附粘：即小質(zhì)粒因布朗運(yùn)動(dòng)或亂流擴(kuò)散而與地表或地物相碰并被附粘；吸并附粘：即地物表面對(duì)微小質(zhì)粒的吸附，而減少了大氣懸浮物。從云霧降水物理觀點(diǎn)看，濕移出過程更引起我們注意。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(dòng)的影響而發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)，也受到大氣分子的有規(guī)則移動(dòng)的影響(例如水汽分子流一水汽梯度的影響)而被拖帶到降水物上，并合而下沉。在發(fā)生凝結(jié)或蒸發(fā)時(shí)，就有水汽梯度存在。它能產(chǎn)生水汽擴(kuò)泳現(xiàn)象(Diffusiophoresis)，使水汽分子在擴(kuò)散過程中出現(xiàn)了向低水汽密度方向的凈擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；另一種情況是：當(dāng)空氣中有兩處溫度高低不同時(shí)，高溫處的空氣分子熱擴(kuò)散能力(動(dòng)能)大于低溫處，于是空氣就有了向低溫方向凈熱擴(kuò)散的運(yùn)動(dòng)，形成了熱力擴(kuò)泳現(xiàn)象(Thermophoresis)。當(dāng)云滴在蒸發(fā)時(shí)，水汽擴(kuò)泳現(xiàn)象必使凈水汽分子流背離云滴運(yùn)動(dòng)，但蒸發(fā)造成冷卻，卻能通過熱擴(kuò)泳而造成凈空氣分子流向著云滴運(yùn)動(dòng)。反之，當(dāng)云滴在凝結(jié)時(shí)，水汽擴(kuò)泳現(xiàn)象必使凈水汽分子流向著云滴運(yùn)動(dòng)，熱力擴(kuò)泳現(xiàn)象卻造成凈空氣分子流背離云滴運(yùn)動(dòng)?？梢姰?dāng)云滴在進(jìn)行相變時(shí)，水汽分子流的方向常與空氣分子流的方向是相反的。1.6氣溶膠粒子的基本特性出于實(shí)際應(yīng)用的目的，對(duì)大氣氣溶膠粒子不可能采用枚舉法進(jìn)行研究(除了理論基礎(chǔ)研究需要對(duì)單個(gè)粒子的特性進(jìn)行考查，目的也是為了研究其群體特性)，與我們關(guān)系最為密切的大氣氣溶膠質(zhì)粒的特性主要包括：譜分布、化學(xué)成分及由化學(xué)成分決定的折射指數(shù)。其它如形狀、密度等由于測(cè)量研究的困難，暫研究中處理的還很粗糙。1.6.1譜分布?xì)馊苣z中的液態(tài)粒子接近于球形，但固態(tài)粒子的形狀卻是明顯不規(guī)則和可變的。目前的理論研究和實(shí)驗(yàn)方法、設(shè)備，均是在球形粒子的假設(shè)前提下發(fā)展起來(lái)的，對(duì)非球形粒子的討論還僅僅只是局限于一些特殊形狀。實(shí)際上，這一假設(shè)從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來(lái)看是合理的，即：大量不規(guī)則粒子表現(xiàn)出來(lái)的各種特性的統(tǒng)計(jì)平均和整體效果，可近似認(rèn)為與大量球形粒子的效果等價(jià)。較常使用的譜分布形式：主要有Junge(1953,1963)幕函數(shù)分布、Deirmedjian(1969)修正r分布、對(duì)數(shù)正態(tài)分布和zoid分布。各分布形式在許多研究者的模式中均有所運(yùn)用。實(shí)際的氣溶膠粒子譜比上述幾種譜形更復(fù)雜。氣溶膠粒子的幕指數(shù)分布一Junger分布設(shè)r(pm)為大氣氣溶膠質(zhì)粒的半徑，n(r)為氣溶膠質(zhì)粒的半徑分布函數(shù)(個(gè)/cm3pm)，其值隨半徑不同而異。則n(r)Ar為半徑介于r與r+Ar間的氣溶膠質(zhì)粒數(shù)密度(個(gè)/cm3)。如果我們將縱坐標(biāo)用n(r)表示，橫坐標(biāo)以r表示，則當(dāng)已測(cè)得不同半徑范圍的氣溶膠質(zhì)粒數(shù)密度［n(r)Ar］后，可將它除以半徑區(qū)間Ar，而得不同半徑處的n(r)值。然后可將各［r，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(gè)數(shù)量級(jí)的變化，因此譜分布的橫坐標(biāo)常采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)。在四十年代到五十年代初，C.E.Junger曾得到下面的觀測(cè)規(guī)律。即“在大氣中的質(zhì)粒，從十分之幾微米到幾十微米尺度之間的等間隔對(duì)數(shù)半徑區(qū)間內(nèi)，質(zhì)粒的總累積體積為一常數(shù)”。設(shè)半徑介于r及r+dr間的質(zhì)粒共有n(r)dr個(gè)，它們的平均半徑為r，則這些質(zhì)粒—tit共有體積當(dāng)為3 。按上述觀測(cè)規(guī)律，可得其數(shù)密度譜分布r)=~~=或其中一般情況下，2<a<4,常取為3。式表示的分布曲線在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中便是一條斜率為-a的直線。由式可計(jì)算得到以下特征量：總的數(shù)密度nt（單位體積中粒子總數(shù)）：筠二匚3（1g〃下（也〃二匚也-%-云二白、注意，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?。?匚嫩泌Q廣二 =一上詢|用a-1均方根半徑（面積平均半徑一表示粒子平均截面積大?。壕⒎礁霃剑w積平均半徑一表示粒子平均體積或質(zhì)量大小）：峰值半徑r一峰值數(shù)密度處的相應(yīng)半徑，即滿足下式所對(duì)應(yīng)的半徑中值半徑r一小于此半徑的數(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)密度換成粒子的表面積、體積和質(zhì)量，就得到相應(yīng)的表面積、體積和質(zhì)量的譜分布。在研究中根據(jù)不同的需要，采用不同的譜分布模型。譜分布函數(shù)的意義：1）理論分析和計(jì)算的方便；2）不同氣溶膠類型的比較。1.6.2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)率減少。對(duì)流層中粒子譜形隨高度而變窄，進(jìn)入平流層后，粒子譜形有顯著變化。1.6.3化學(xué)成分氣溶膠粒子的化學(xué)成分，從無(wú)機(jī)物到有機(jī)物，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，范圍很廣泛。大體上可以分成五種基本組成：礦物質(zhì)、海鹽、煙煤、氣體轉(zhuǎn)換物或水溶性物、火山灰。自然源中的大陸性粒子主要與源地地表和土壤成份有關(guān)，大部分由礦物元素（鋁、硅、鈉、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H2SO4和（nh4）2SO4等。當(dāng)有火山噴發(fā)時(shí)，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)城市粒子大部分來(lái)自于城市污染氣體的轉(zhuǎn)換，其中主要是由SO2、NOx、NH4等污染氣體轉(zhuǎn)換為酸性粒子。城市粒子也含有礦物元素，但和自然源的大陸粒子不同，它主要來(lái)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(lái)源形成的氣溶膠粒子化學(xué)成份的差異，所以可以對(duì)采集到的粒子進(jìn)行化學(xué)分析來(lái)判斷其來(lái)源，稱為源解析。在單個(gè)粒子內(nèi)部和整個(gè)大氣中，各種化學(xué)成分的分布是不均勻的。而且，在各種物理、化學(xué)過程的作用下，大氣氣溶膠的化學(xué)成分具有明顯的可變性。這對(duì)研究大氣中氣溶膠的形成與移出是至關(guān)重要的（Twomey,1977）。1.6.4吸濕性物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)與結(jié)構(gòu)會(huì)影響到物質(zhì)的吸濕性。由常識(shí)可知，當(dāng)下毛毛雨時(shí)，路上有的地方先被濕潤(rùn)，而且經(jīng)常還存在明顯界限，這是由下墊面的吸濕性造成的。還有衣物表面也有類似現(xiàn)象。如圖液體附著固體表面，液相表面切線與下墊面夾角為e度，稱為接觸角或濕潤(rùn)角。在圖中所示的界面或界線上有下列三種張力存在：（1） 汽液界面間aiv，它與下墊面交角為e，并指向球冠頂；（2） 液固界面間asl，指向胚底中心；（3） 汽固界面間asv，指向與相asl反。當(dāng)此三力平衡時(shí)，必有%*3+埋頁(yè)二%.所以匚抑二冬0田V可見若，alv>asv-asl>0，則1>cose>0，e<90°，表示液體能夠潤(rùn)濕固體表面。這種物質(zhì)稱為親液物質(zhì)，凡能夠被水所潤(rùn)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e等于0°和180°對(duì)應(yīng)的為完全親水性物質(zhì)和完全憎水性物質(zhì)。一個(gè)水滴在玻璃上e<90°，所以水能潤(rùn)濕玻璃。實(shí)際大氣中存在著許多固體微粒，它們的吸濕性除受濕潤(rùn)角這一參數(shù)決定外，還應(yīng)考慮微粒大小。對(duì)于不同的濕潤(rùn)角e，存在一個(gè)最有效吸濕成核的大小。1.6.5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(duì)氣溶膠復(fù)折射指數(shù)四=，#-的影響上。其實(shí)部n主要描述粒子對(duì)輻射的散射特性，虛部k直接與氣溶膠物質(zhì)的吸收系數(shù)成比例。數(shù)值實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，含量日益增多的大氣氣溶膠對(duì)地氣系統(tǒng)產(chǎn)生增溫效應(yīng)還是冷卻效應(yīng)，主要取決于氣溶膠折射指數(shù)虛部數(shù)值的大小。盡管已經(jīng)知道一些主要?dú)馊苣z物質(zhì)的整體折射指數(shù)，但由于懸浮粒子的非均勻結(jié)構(gòu)和不純凈，以及觀測(cè)和分析中的困難，還不可能得到各種化學(xué)成分的相應(yīng)k值。2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)結(jié)構(gòu)等。對(duì)于某一特定云個(gè)體，這些特征參量變化很大。2.1云滴譜與滴譜特征2.1.1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(zhǎng)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(duì)分布曲線進(jìn)行擬合。較為常用的是Khrgian-Mazin分布:就此函數(shù)與氣溶膠粒子的Junge幕函數(shù)形式比較。對(duì)于從譜分布曲線上峰值數(shù)密度分布函數(shù)的峰值（np）及其所對(duì)應(yīng)的半徑（rp）可以得到如下關(guān)系："%2=7.4??雖然可以由此確定A和B值，但僅僅由一個(gè)點(diǎn)所確定的函數(shù)關(guān)系顯然不能代表整體分布形式。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。2.1.2滴譜特征量由積分表可知： ，故可以得到式所代表的各種特征參量：數(shù)密度：心撲”普平均半徑：含水量：阿二如切網(wǎng)加"5此位珞普能見距離（假定水的無(wú)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(cè)手段)可以確定中的系數(shù)，但不同組合確定的結(jié)果往往不能完全相符。對(duì)實(shí)際觀測(cè)到的譜分布多采用純數(shù)學(xué)擬合，可將該種形式的曲線可轉(zhuǎn)化為線性關(guān)系進(jìn)行。3云的微物理特征3.1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度線以上為過冷云滴。當(dāng)云發(fā)展為積雨云時(shí)，頂部冰晶化。冰晶長(zhǎng)大后降落到下面過冷水層中，使云的中部由冰、水二相組成。當(dāng)然0度線以下，仍是液水區(qū)。高緯地區(qū)因?yàn)闇囟鹊停喑霈F(xiàn)的機(jī)率增大，即使淡積云也可以由冰晶組成。層云：層云和層積云因?yàn)楦叨容^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，但高緯冬季也可以出現(xiàn)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。3.2云滴大小粒子半徑(以m)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云雨滴分界線10070典型雨滴10001650Adv.inGeop