云的形成和降水
大气中的水分主要发生在气相,作为水蒸气,也凝结形成云水滴或冰晶。蒸汽凝结时其分压超过饱和值,由平衡条件之间的蒸汽和液体或蒸汽和冰阶段(2.2.2节)。自饱和压力减少几乎成倍增长
温度、热空气在25°C可以容纳50倍比低温空气蒸汽-25°C。因此,蒸汽量(测量的深度可沉淀的水蒸气在一列从地球表面向上扩展)不同季节和纬度,从1毫米在北极大陆空气在冬天在南亚在约60毫米季风在那边夏天(巴里和…,2003)。大气的失误温度与高度导致蒸汽含量急剧下降,因此,大约80%的水蒸气是包含在1000 - 700 hPa层或最低3公里的大气层。
云一般形式当温暖的表面空气向上移动,冷却绝热饱和,凝结在凝结或冰核。降水发生在云粒子生长足够大的下降,到达地面之前蒸发或升华。的降水在高海拔高、中纬度开始如雪,融化雨落。降水的发生和强度取决于水汽和随之而来的成核和增长机制的粒子。开放水域的海洋和大湖形式在冬天水分的主要来源。最大的冬季蒸发率发生在寒冷的空气吹在大陆温暖的海洋电流——条件最常发现在西北太平洋和北大西洋海洋(那边巴里和…,2003)。虽然积雪提供了无限的水分来源,其蒸发率是限制低饱和压力与温度低于0°C。同样,极地地区的降雪量在低蒸汽含量相对有限的极度寒冷的空气。
降水和云通常分类根据类型的垂直空气流动导致他们形成。这些包括(一)额或气旋空气升力与广泛的低压系统,(b)地形抬升了地形障碍,(c)对流(或活跃)电梯由于低层大气的土地或水加热表面。表2.1(从Schemenauer et al ., 1981)列出了各种相关的典型类型的降雪云的类型。雨层云的云生产规模更大、更持久的降雪,虽然短暂但大雪淋浴积雨云。在极度寒冷的条件盛行在表面,如在南极洲,雪降水可能出现不明显的垂直上升,凝结的潮湿的空气冷却附近的表面。雪晶然后沉淀没有任何可观察到的云。这种现象被称为“钻石灰尘。”
2.1.2雪的形成和晶体类型
雪粒子由冰中形成云,生长最初通过气相沉积,然后到达地面之前蒸发或融化。这个定义
表2.1类型的降雪与各种云类型有关。(从Schemenauer et al ., 1981年布莱克本出版社)的许可。
前云类型
可能降雪
热卷和衍生品(Ci)高积云(Ac)高积云堡状云(Acc)高层云()
雨层云(Ns)
层积云(Sc)层(St)
冷积云(铜)和高耸的积云(Tcu)积雨云(Cb)
通常幡状云(雪轨迹);小雪淋浴
Acc的可能发生。
光连续或断断续续的雪从;然而,当雪很重,可能已经毕业一个雨层云的云。
连续的雪。幡状云Ns和发生。
断断续续的粉状雪光(细片)。
连续光粉状雪。(这是温暖冰冻的降水模拟的降水细雨。)
小雪淋浴;从Tcu的可能性更大。
中度到重度雪淋浴。
排除了冰雹和雨夹雪,形式通过水的冰点,以及霜,形成通过气相沉积在地上。雪是单晶或聚合的许多晶体连接起来形成了雪花。单晶的形状或习惯不同,从简单的六角列或板块复杂的枝状或星形状的艺术家。
雪的形成条件包括大气温度小于0°C和过冷水的存在。尽管淡水湖泊(例如湖泊)冻结在0°C,云滴纯净水可以共存的冰粒子温度低至-40°C。雪开始为冰晶,这机会聚合的成核水分子为稳定的像冰一样的结构,称为冰胚胎。成核会发生均匀或不均匀。在后者的过程中,晶体成核的表面上冰核,这有助于降低自由能冰形成的障碍。均匀成核并没有发生在大气中,除了卷云,过冷滴可能冻结自发成卷冰(赫穆斯菲尔德和Miloshevich, 1993;Pruppacher, 1995)。Pruppacher和·凯尔特(1997)讨论四个异相成核机制,包括过冷的水滴冻结和水蒸气的直接沉积在冰核。
冰成核尘埃气溶胶粒子的主要来源(通常硅酸盐矿物粘土)和燃烧产品从工厂,火山爆发和森林火灾。而冰核浓度普遍较高大陆气团测量显示,全球没有系统性变化与位置
图2.1。基本的六角冰晶体形式。
图2.1。基本的六角冰晶形成。
和表明核活动远离它们的起源(Pruppacher·凯尔特,1997)。冰碎从现有的雪粒子的碎片被风可以作为二次核,从而把冰粒子浓度乘以许多数量级。不像凝结核,冰核通常局限于基质结构类似于冰,只有有效的在更大的尺寸,直径一般介于0.1和15 | ~ im。因为尚无结冰过程是如此的选择性,气溶胶粒子的分数作为冰核可能会像107年一样小。自从冰胚胎的关键尺寸随增加过度饱和2.2.2节中(见表2.3),较小的原子核成为激活在较低的温度。基于回顾发表数据,弗莱彻(1962)表明,冰核数量的增加几乎成倍增长降低温度,从典型的浓度0.011 - 1在-10°Cto1001-1在-30°C。
一旦有核,冰晶增长质量水蒸气扩散到他们的表面称为沉积的机制。冰晶在过冷云将增长为代价的水滴,因为冰层上的蒸汽压小于水。因此蒸汽直接滴到冰面(见2.2.2节)。冰晶生长的早期阶段通常直径小于75,是简单的形状(Schemenauer et al ., 1981)。基本形状共同冰晶是一个六角棱镜和两个基底飞机和六棱镜飞机(见图2.1),这是由于共价键的水分子中的氧,氢(哈雷特,1984)。基底的相对增长率和棱柱体随温度和过度饱和,导致各种各样的晶体形状。图在图2.2所示(Pruppacher·凯尔特,1997年,图2.36 b),晶体习性之间来回切换板(径向增长)和列(轴向增长)在转变温度约3到4,8到-10和-20到-25°C(梅森,1971;弗兰克,1982;哈雷特,1987;Colbeck et al ., 1990)。 The degree of supersaturation determines secondary crystal features and the crystal growth rate. Higher saturations favor increasingly hollow
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温度(°C)
图2.2。图显示冰晶体形状的变化与温度和过量蒸汽密度(Pruppacher和·凯尔特之后,1997年,图2.36 b,那种Kluwer学术出版商的许可;小林在实验室观察的基础上,1961年,泰勒和弗朗西斯有限公司许可,http://www.tandf.co.uk/journals;Rottner和瓦里,1974,版权1974美国气象协会)。
和骨骼形成,出现图的顶部。水和冰之间的饱和蒸汽压的不同峰值约-12°C(参见下面的图2.5),导致更高的增长率与树突晶体特性。
当一个冰晶生长大小,它有一个显著的下降速度和可以升华在其下降到地面,它变成了一个雪晶体。雪晶,继续增加气相沉积倾向于保持其形状和比例特征。大多数晶体的体积密度小于纯冰,尤其是越复杂或空洞的形式。详细观察和理论模型导致了维massdiameter各种晶体类型的关系。Pruppacher和·凯尔特(1997)提供了一个有用的这些关系的简介。个人unrimed晶体下降速度大约10至80厘米s - 1 (Kajikawa, 1972)、更大、更简单的晶体下降最快的。雪晶到达地面通常由两个数量级的范围最大的维度从50点到5毫米。在
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温度(°C)
大尺寸、表面沉积放缓增长,因为有更多的扩大每增加粒度。两个额外的机制,吸积和聚合,然后对雪粒子的增长变得重要。
雪晶超过临界尺寸可以通过碰撞和合并增长过冷云滴,随后再冰冻,在一个称为淞化或吸积过程。观察到的宽度为淞化不同的发病约30针800枝状晶体。王,霁(2000)成功地用一个数值模型来计算碰撞效率和阈值的六角板直径,broad-branched树突,六角列。增长增长相对较快,单晶生长1 - 2毫米的尺寸10 - 20分钟(Schemenauer et al ., 1981)。因为水滴之间的碰撞和雨滴不太可能导致合并,雪晶体长大通过吸积比水滴同行。为了提供的耗散释放热量在寒冷,淞化通常发生在零下的温度,5至-20°C。情况下的极端淞化导致或雪霰粒子颗粒的形成。大型霰粒子尺寸的3毫米3 m s - 1可以在加速下降。
当雪晶或雪粒子碰撞和“粘”在一起,雪花是由聚合的过程。雪花可以包含两个,几百名雪晶。因为他们的辐射武器,树枝状晶体聚合更容易比其他晶体类型。聚合机制是最有效的在0°C附近的温度,在电影促进液状物形成的粒子之间的债券(烧结)。雪花因此他们最大的尺寸接近0°C和聚合主要是局限于环境温度高于-10°C。霍布斯(1974)预测,1毫米雪花下降通过较小的云雪晶体可以长到10毫米直径在20分钟。因为他们的高空气阻力、大直径15毫米的雪花利率下降约1 - 2 m s - 1。
总之,雪由一个错综复杂的各种各样的雪晶,以及rim和总版本的这些形式。雪在地上ICSI国际分类方案(Colbeck et al ., 1990)区分8类型的冷冻沉淀形状和生长的栖息地:列、针板、恒星树突,不规则的晶体,霰,冰雹,冰珠。现在雪研究者的标准参考。年长的和更复杂的分类方案Magono和李(1966)通常是由最近的观察和建议对于那些寻求更多细节。宾利和汉弗莱(1931、1962)和Nakaya(1954)提供了大量的细粒子的照片收藏。更深入的材料在雪地上形成可以在梅森(1971),霍布斯(1974),Schemenauer et al。(1981),罗杰斯和姚(1989),和Pruppacher·凯尔特(1997)。
继续阅读:热力学相平衡的雪
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