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降水的形成就是雲滴增大為雨滴、雪花或其它降水物,並降至地面的過程。一塊雲能否降水,則意味著在一定時間內(例如lh)能否使約106個雲滴轉變成一個雨滴。使雲滴增大的過程主要有二:一為雲滴凝結(或凝華)增長。一為雲滴相互沖並增長。實際上,雲滴的增長是這兩種過程同時作用的結果。

1雲滴凝結(或凝華)增長

小結
上述幾種條件中,對形成大雲滴來說,冰水雲滴共存的作用更為重要。這是因為在相同的溫度下,冰水之間的飽和水汽壓差異很大,特別是當溫度在-10— -12℃時差別最顯著,最有利於大雲滴的增大。因此,對於冷雲(指雲體上部已超越等O℃線,有冰晶和過冷卻水滴共同構成的混合雲)降水,這種冰水雲滴共存作用(稱為冰晶效應)是主要的。觀測事實也證明了這一點。著名的貝吉龍(Bergeron)理論的價值,就在於他強調了冰晶對降水的作用。但是,不論是凝結增長過程,還是凝華增長過程,都很難使雲滴迅速增長到雨滴的尺度,而且它們的作用都將隨雲滴的增大而減弱。可見要使雲滴增長成為雨滴,勢必還要有另外的過程,這就是沖並增長過程。

2雲滴的碰並增長

雲滴經常處於運動之中,這就可能使它們發生沖並。大小雲滴之間發生沖並而合併增大的過程,稱為碰並增長過程。
運算
實際上大水滴下降時,與空氣相對運動,空氣經過大水滴,會在其周圍發生繞流,。半徑為R的大水滴以末速度v下降的過程中,單位時間內掃過的體積是以πR2為截面的圓柱體,位於圓柱體中的小水滴只有一部分與大水滴碰撞,另一部分小水滴將隨氣流繞過大滴而離開,不發生碰撞。
水滴重力沖並增長的快慢程度與雲中含水量及大小水滴的相對速度成正比。即雲中含水量越大,大小水滴的相對速度越大,則單位時間內沖並的小水滴越多,重力沖並增長越快。
計算和觀測表明,對半徑小於20μm的雲滴,其重力沖並增長作用可忽略不計,但對半徑大於30μm的大水滴卻在很短的時間內,就可通過重力沖並增長達到半徑為幾個毫米的雨滴。大水滴越大,沖並增長越迅速。也就是說,水滴的沖並增長是一種加速過程。
實際的雲中雲滴大小不一,在空間的分佈也不均勻,雲中雲滴與雲滴之間的沖並過程是一種隨機過程。這種觀點在認識暖雲水滴增長問題上,是個重要的進展。在該觀點的基礎上,提出了隨機(或統計性)沖並模式。該模式認為在每一時間間隔內雲滴的增長為概率性的。有的雲滴沖並增大,有的則保持不變。這樣在下一時間間隔內,有的雲滴而能獲兩次增長機會,有的只獲一次,有的還保持不變。這個概念十分重要,因為它不僅說明了凝結增長過程的窄滴譜拓寬的機制,而且也解釋了雲中為何有少數雲滴能因隨機沖並而增長得比一般雲滴快得多。
此外由於雲中分子的不規則運動、雲中空氣的湍流混合、雲滴帶有正負不同的電荷以及流體吸力等原因,也可引起雲滴的相互沖並。

不規則運動

由於沖並作用,水滴不斷增大,在空氣中下降時就不再保持球形。開始下降時,底部平整,上部因表面張力而保持原來的球形。當水滴繼續增大,在空氣中下降時,除受表面張力外,還要受到周圍作用在水滴上的壓力以及因重力引起的水滴內部的靜壓力差,二者均隨水滴的增長及下降而不斷增大。在三種力的作用下,水滴變形越來越劇烈,底部向內凹陷,形成一個空腔。空腔越變越大,越變越深,上部越變越薄,最後破碎成許多大小不同的水滴。水滴在下降過程中保持不破碎的最大尺度稱為臨界尺度,常用等體積球體的半徑來表示,稱為臨界半徑或破碎半徑。在不同的氣流條件下,臨界半徑是不同的。如在均勻氣流條件下,臨界半徑為450—500μm。而在有擾動的瞬時氣流條件下,臨界半徑約為300μm。在自然界中觀測到的臨界半徑為300—350μm,這是因為大氣具有湍流的緣故。當大氣中的雨滴增大到300—350μm時,就要破碎成幾個較大的滴和一些小滴,它們可以被上升氣流攜帶上升,並在上升過程中作為新一代的胚胎而增長,長大到上升氣流支托不住時再次下降,在下降過程中繼續增大,當大到臨界半徑后,再次破碎分裂而重複上述過程。雲中水滴增大—破碎—再增大—再破碎的循環往複過程,常用夾解釋暖雲降水的形成,稱之為「鏈鎖反應」,有時也稱為暖雲的繁生機制。
產生「鏈鎖反應」的條件是:上升氣流要大於6m/s(對於不同的滴有不同的要求),雲中含水量要大於2g/m3,同時還要求一定的雲厚。當然,「鏈鎖反應」不會無限地繼續下去,因為強烈的上升氣流無法持久,雲的宏觀條件和微觀結構也在迅速改變。同時,當大量雨滴下降時會抑制上升氣流,或帶來下沉氣流。例如雷雨時的情況,下一陣大雨之後、雲體即崩潰消散。

3總結

上述兩種雲滴增大過程在由雲滴轉化為降水的過程中始終存在。但觀測表明,在雲滴增長的初期,凝結(或凝華)增長為主,沖並為次。當雲滴增大到一定階段(一般直徑達50—70μm)后,凝結(或凝華)過程退居次要地位,而以重力沖並為主。在低緯度地區,雲中出現冰水共存的機會較少,形成所謂暖雲(指整個雲體的溫度在0℃以上,雲體由水滴構成,又稱為水成雲)降水,這時沖並作用更為重要。總之,凝結(或凝華)增長和沖並增長兩種過程是不可分割的。我們必須辯證地看待這兩種過程的作用,以深入了解降水形成的理論,為人工控制降水奠定基礎。

4雲滴形成的作用

天空中飄著的雲彩千姿百態,變化多樣,但所有的雲彩都是由許多小水滴和小冰晶組成的。雨滴和雪花就是由雲中的雲滴和冰晶增長變大而來的。  雲滴非常小,要使雲滴繼續增長達到雨滴的大小,需要雲層很厚,含水量多,就是說雲滴濃度很大,雲滴之間相互碰撞合併逐漸增大成雨滴。這種碰撞運動需要在雲中有較強的垂直運動,才有可能增加雲滴的多次碰撞併合成的機會。而在比較薄的和比較穩定的水雲中,雲滴沒有足夠的凝結和合併增長的機會,天空中只能出現多雲、陰天,不大會下雨。 如果雲滴周圍的水汽充足,繼續凝結增長到一定程度變成雨滴以後,雨滴在地心引力的作用下從空中降落下來。當雨滴遇到上升氣流時,就會有一個向上的力加在雨滴上,使其下降的速度變慢,並且有一些小雨滴還可能被帶回空中。只有當雨滴增大到一定的重量,上升氣流托不住雨滴時才有可能下降到地面,形成降雨。
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