云和降水物理学

水蒸气形成云滴和冰晶并生长为雨、雪和冰雹的微观物理过程。

Definition

云和降水物理学是研究大气中液态和固态水凝物在单个粒子尺度上的形成、生长和降落的学科。

Scope

该领域涵盖气溶胶粒子上的云滴核化、通过凝结以及碰撞和聚结使液滴生长、冰晶的形成和生长、包括凇附和聚集在内的混合相过程、云凝结核和冰核的作用，以及从云粒子到降水的转变。

Sub-topics

• 云凝结核和冰核
• 云滴核化
• 冰相和混合相微物理学
• 暖雨和碰撞-合并

Core questions

• 云滴是如何在气溶胶粒子上形成的？
• 液滴和晶体通过哪些过程生长到足以作为降水降落？
• 冰和液体如何在混合相云中共存和相互作用？

Key theories

液滴活化的科勒理论

科勒理论结合了曲率（开尔文）效应和溶质（拉乌尔）效应，预测了雾霾粒子活化成生长中的云滴所需的临界过饱和度。

碰撞-聚结和贝吉隆过程

降水形成要么是暖云中较大的液滴碰撞合并，要么是冷云中冰晶以过冷液滴为代价生长。

Mechanisms

一旦过饱和度超过科勒理论给出的临界值，水蒸气就会凝结在云凝结核上，产生大量小液滴。这些液滴首先通过蒸汽扩散生长，然后通过重力碰撞和聚结更快地生长。在较冷的云中，冰晶在冰核上核化或通过液滴冻结形成，并在过冷水存在的情况下通过水汽沉积（魏格纳-贝吉隆-芬代森过程）、凇附和聚集生长，最终形成雪、霰或冰雹。

Clinical relevance

云微物理学控制着降水效率、云辐射特性和气溶胶-云相互作用，使其成为天气预报、气候敏感性评估和人工增雨评估的核心。

History

魏格纳在1930年代提出了降水冰晶理论，并由贝吉隆和芬代森发展完善，而科勒在1936年提出的理论解释了液滴活化。普鲁帕彻和克莱特在他们的综合专著中对该领域进行了总结，该专著自1970年代以来一直是标准参考文献。

Key figures

• Tor Bergeron
• Hilding Kohler
• Hans Pruppacher

Seminal works

• pruppacher1997
• rogers1989

Frequently asked questions

为什么中纬度地区的大多数雨滴最初是冰？

在冷云中，魏格纳-贝吉隆-芬代森过程使冰晶以过冷液滴为代价快速生长；这些冰晶下落、融化并以雨的形式到达地面。