降水粒子形成机制

降水形成是由微小的云滴、冰晶，逐渐增大为雨滴、雪花或其他降水物，并降落到地面的过程。云滴的直径一般不超过50μm，最大可达100μm，在云中的分布浓度约为100个/cm3。雨滴是直径大于100μm的水滴，它在云中的浓度要比云滴的浓度低6个量级左右。在云滴与雨滴之间，直径50~100μm的水滴称为大云滴，在云中分布的浓度与云滴和雨滴相差较大。一块云能否降水，就要看一定时间内能否使百万数量级的云滴增大转变成一个雨滴。云滴增大的机制主要有2种，即凝结（或凝华）增长和碰并（碰冻）增长。这2种增大机制在降水形成过程中始终存在。在云滴增长的初期，以凝结（或凝华）增长为主。在云滴增长到一定阶段后，则以碰并（碰冻）增长为主。

（1）云滴凝结或凝华。云滴的凝结（或凝华）增长过程是指云滴依靠水汽分子在它表面凝聚增长的过程。在云的形成和发展阶段，由于云体持续的上升冷却或云外水汽的不断输入，使云内空气中水汽压大于云滴的饱和水汽压，因此，云滴能够有水汽凝结（凝华）而增长。一旦云滴表面产生凝结（凝华），水汽从空气中析出，空气湿度减小，云滴周围便不能维持过饱和状态，而使凝结（凝华）停止。所以，在一般情况下，云滴的凝结（凝华）增长有一定限度。要使云滴的凝结（凝华）增长不断地进行下去，还需有水汽的扩散过程。即当云层内部存在着冰水云滴共存、冷暖云滴共存、或大小云滴共存的任何一种条件时，水汽从一种云滴转至另外一种云滴上的扩散转移过程。譬如，当冷、暖云滴共存时，暖水云滴就会蒸发而减小，而水汽转化到冷水云滴上，使其不断增大。在冰晶、水滴和水汽三者共存的云中，由于相同温度下冰面饱和水汽压低于水面饱和水汽压，水分子直接从过冷水滴中转化为冰晶（即凝华过程）。这种水滴和冰晶同时存在，而水汽从水滴转移到冰晶，使冰晶增大而水滴减小的冰水转化过程，被称为冰晶效应，亦称为贝吉龙过程。无论是凝结过程还是凝华过程，本质上都是水汽分子的扩散和热传导过程。由于云滴增长率与其半径成反比，随着尺度增大，增长率下降。云滴通过凝结过程长大而成为雨滴可能会需要很长时间，甚至超过云的发展期。

（2）云滴碰并或碰冻。云滴通过凝结增长达到一定大小后，云滴的碰并增长起着更为重要的作用。云滴碰并增长是指大小云滴之间发生碰并增大的过程，主要有布朗碰并、湍流碰并和重力碰并等，其中重力碰并是最主要的碰并增长模式。所谓重力碰并是指由于云内云滴大小不一，其运动速度也有所不同，大云滴下降速度比小云滴快，大云滴在下降过程中会很快追上小云滴，大小云滴因相互碰撞而黏附起来，成为较大云滴。在下落过程中，重力和空气阻力达到平衡后，水滴（云滴和雨滴）匀速下降，此时的下降速度被称为水滴的下落末速度。一般而言，水滴粒径越大，其下落末速度越大，两者近似呈指数关系，给出了水滴下落末速度与尺度的关系。在上升气流中，小云滴的上升速度会比大云滴快而追上大云滴，并与之合并成为更大云滴。云滴增大后在下降过程中又可合并更多的小云滴，像滚雪球一样越滚越大。此外，由于云中分子的不规则运动（布朗运动）、云中空气的湍流混合、云滴带有正负不同电荷等原因，也可引起云滴的相互碰并。对于冰晶而言，除了水汽凝华增长之外，冰晶与冷水云滴之间还存在碰撞并冻结的增长过程（碰冻增长），冰晶之间存在着相互黏连作用而增长的过程（丛集增长过程）。