冰相和混合相微物理学

冰晶如何形成和生长，以及冰和过冷液态水如何相互作用，在冷云中产生降水。

Definition

冰相和混合相微物理学是研究冰粒子在低于冰点的云中的成核、生长和相互作用，以及它们与过冷液态水共存的学科。

Scope

涵盖冰核形成模式、冰晶通过水汽沉积生长及各种晶体习性、冰通过Wegener-Bergeron-Findeisen过程以过冷水滴为代价生长、凇附、霰和冰雹的形成、聚合成雪花以及二次冰生成。

Core questions

• 冰如何在云中成核，以及过冷水为何持续存在？
• 当存在过冷水滴时，冰晶为何会迅速生长？
• 凇附和聚集如何形成霰、冰雹和雪花？

Key theories

魏格纳-伯杰龙-芬代森过程 (Wegener-Bergeron-Findeisen process)

由于冰上的饱和水汽压低于过冷水上的饱和水汽压，冰晶通过水汽沉积生长，而附近的水滴蒸发，从而有效地产生降水大小的冰。

Mechanisms

云水在远低于冰点时仍能保持液态，因为冰核形成需要冰核，或者在极低温度下需要均质冻结。一旦冰形成，冰上较低的饱和水汽压比过冷水上较低的饱和水汽压促使水汽从水滴净转移到冰晶，即Wegener-Bergeron-Findeisen过程。冰晶根据温度和过饱和度形成特定习性，通过与过冷水滴碰撞并冻结（凇附）进一步生长，形成霰和冰雹，并聚合成雪花，雪花下落并可能融化成雨。

Clinical relevance

冰相过程主导中纬度降水，并强烈影响云的生命周期和辐射特性，使得混合相微物理学成为天气和气候模型中的一个关键不确定性。

History

魏格纳（Wegener）指出了冰和水共存的不稳定性，伯杰龙（Bergeron）和芬代森（Findeisen）在20世纪30年代将其发展为降水的冰晶理论，该理论长期以来是中纬度地区降雨的主要解释。

Key figures

• Tor Bergeron
• Walter Findeisen
• Alfred Wegener

Seminal works

• pruppacher1997
• lamb2011

Frequently asked questions

什么是过冷水？

过冷水是指在零摄氏度以下仍保持液态的水，因为它缺乏有效的冰核；它在云中很常见，是混合相降水的核心。