由于云滴的尺度各不相同,在重力场中的下落速度不同,存在速度差。半径越大的云滴,下落速度越快。下落快的大云滴可赶上下落慢的小云滴而发生碰并,这称为重力碰并。此外,不同尺度的云滴惯性也不同,随着湍流运动时也会发生碰撞,这称为湍流碰并。
云滴的碰并增长
云滴之间发生碰撞并合而形成更大云滴的过程。
- 英文名称
- collision-coalescence growth of cloud droplets
- 所属学科
- 大气科学
碰并过程有两个步骤:碰撞和并合。一般将碰并过程中较大的云滴称为收集滴,较小的云滴称为被收集滴。在收集滴下落所扫过的体积里,只有一部分云滴能和收集滴相碰撞,因为小的云滴会随着气流绕过收集滴,不能相碰。相碰的云滴,也只有一部分能够并合,其他则反弹开来。碰撞且并合的比例称为碰并系数,通常都小于1,其具体数值由参与碰并的两个云滴的半径决定。当收集滴半径小于20微米时,碰并系数很小。因此,一般认为,收集滴半径大于20微米,才会启动碰并过程。
云滴的碰并增长导致雨滴的生成,是暖云降水的基础。对云滴碰并增长的描述,最基本的是云滴的连续碰并增长理论。该理论认为,被收集滴在空间均匀分布,因此,相同大小的收集滴以相同的速率增长。云滴半径的碰并增长速率与两个云滴的碰并系数、相对速度,以及单位体积空气中云滴的总液态水含量均成正比。收集滴越大,其下落末速度越快,碰并增长速率越大。而凝结增长正相反,滴的尺度越大,凝结增长速率越小。因此,半径小于20微米的云滴增长由凝结过程主导,而半径大于20微米的云滴增长由碰并过程主导。根据连续碰并增长理论,半径为30微米的收集滴,在含水量为1克/米3、由半径为10微米的云滴组成的云体中下落,只要6.5分钟就能长大到40微米,在20分钟之内就能长大到100微米。
实际上,云滴在时间上和空间上并不是均匀分布,而是有起伏。因此,云滴的随机碰并增长理论认为,碰并过程在时间上和空间上是随机分布的,相同尺度的收集滴可能以不同的速度碰并增长,某些收集滴碰并增长的机会更大,很快促成雨滴的生成。随机碰并增长理论所得到的雨滴生成时间比连续增长理论的时间大大缩短,与实际情况更加接近。
云滴的碰并过程最终受破碎过程的限制。半径大于3毫米的雨滴,在下降过程中会严重变形,有时会破裂成若干小雨滴;在雨滴的碰并过程中,有时也会分离出一些较小的雨滴。这些情况,统称为雨滴的破碎过程,最后又重新改变了云滴谱的分布。这种由雨滴在云中反复经历上升、增长、下落和再破碎,在一定条件下迅速形成大量雨滴的过程,称为朗缪尔连锁反应。