雲滴

(一)雲滴凝結(或凝華)增長

凝結(或凝華)增長過程是指雲滴依靠水汽分子在其表面上凝聚而增長的過程。在雲的形成和發展階段，由於雲體繼續上升，絕熱冷卻，或雲外不斷有水汽輸入雲中，使雲內空氣中的水汽壓大於雲滴的飽和水汽壓，因此雲滴能夠由水汽凝結(或凝華)而增長。但是，一旦雲滴表面產生凝結(或凝華)，水汽從空氣中析出，空氣濕度減小，雲滴周圍便不能維持過飽和狀態，而使凝結(或凝華)停止。因此，一般情況下，雲滴的凝結(或凝華)增長有一定的限度。而要使這種凝結(或凝華)增長不斷地進行，還必須有水汽的擴散轉移過程，即當雲層內部存在著冰水雲滴共存、冷暖雲滴共存或大小雲滴共存的任一種條件時，產生水汽從一種雲滴轉化至另一種雲滴上的擴散轉移過程。例如，在冰晶和過冷卻水滴共存的混合雲中，在溫度相同的條件下，由於冰面飽和水汽壓小於水面飽和水汽壓，當空氣中的現有水汽壓介於兩者之間時，過冷卻水滴就會蒸發，水汽就轉移凝華到冰晶上去、使冰晶不斷增大，而過冷卻水滴則不斷減小。當冷暖雲滴共存或大小雲滴共存時，同樣也可發生這種現象，使冷(或大)的雲滴不斷增大。

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。

(二)雲滴的沖並增長

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，稱為沖並增長過程。

雲內的雲滴大小不一，相應地具有不同的運動速度。大雲滴下降速度比小雲滴快(表3·5)，因而大雲滴在下降過程中很快追上小雲滴，大小雲滴相互碰撞而粘附起來，成為較大的雲滴。在有上升氣流時，當大小雲滴被上升氣流向上帶時，小雲滴也會追上大雲滴並與之合併，成為更大的雲滴。雲滴增大以後，它的橫截面積變大，在下降過程中又可合併更多的水雲滴。有時在有上升氣流的雲中，當大小水滴被上升氣流挾帶而上升時，小水滴也可以趕上大水滴與之合併。這種在重力場中由於大小雲滴速度不同而產生的沖並現象，稱為重力沖並。

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，如圖。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。

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。

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。