云特征和过程

地球的最显著特征,从空间的云覆盖了大约一半的面积(图8.1)。潜在的释放热量在云是一个重要的能源从尺度的运动全球大气环流、飓风和中纬度气旋个人的风暴。云是占主导地位的组件在地球的水循环,垂直、水平运输水,消除大气中的水

图8.1的地球卫星视图。

通过降水。云与一些世界上最具破坏性的天气:暴雨,强风和龙卷风,冰雹、雷电,然后呢暴风雪。云是一个主要因素在决定地球辐射的预算,通过反射短波辐射和发射长波辐射。云与辐射的相互作用确定到达地球表面的辐射,从而影响水面蒸发和蒸散率。云是地面天气的主要元素的主要决定因素大气能见度。在大气化学云也重要,因为他们发挥积极作用在许多化学反应和运输化学品通过上升气流和扫气与降水有关。

一个重大的挑战在理解和建模云是空间尺度上的广泛参与。微米尺度的尺度范围从个人云滴,个人云的规模(公里)的规模最大的云系统(1000公里)。我们目前的计算能力只允许一个小范围的空间尺度上显式地在一个单一的模拟模型。过程的尺度是指定或参数化。

在本章和特征云的分类进行了讨论。我们描述降水和云辐射交互:这是两个原则不可逆过程与云,云的主要热力学效应对他们的环境。最后,我们介绍了在大规模云过程模型的参数化问题。

8.1云分类和特点

云分类方案介绍了在19世纪早期基于云的外表从表面观察的角度。这样的计划允许世界各地的统一识别云由不同的观察者。它一直认为替代云分类是基于物理原理(例如,云运动或cloud-radiative特征)对大气科学将更有用。但是,没有这样的替代云分类取得了任何普遍接受;因此,世界气象组织的标准形态云分类使用。

基于三个形态云分类方案云特征:云形状、云高和云是否沉淀。有三个主要的云的形状:

1)卷曲或纤维状云被称为卷云;

2)分层或层状云被称为层云;

3)块状或堆云,增加向上的基数水平,被称为积云。

云也区分的高度高出地面形式:

1)高云高于6公里的基地在热带和极地地区3公里(前缀:cirro),

2)中间的云基地隔2和8公里的热带和极地地区的2和4公里(前缀:alto);

3)低云层的基地躺下面2公里;

4)垂直发展的云。

的前缀nimbo或后缀灵气表明雨的存在。

使用这个基本框架,云分类是基于10个主要云组称为属。十个属的定义如下(国际云图)”。

卷云(Ci)。分离的云是白色的,有纤维(毛发)外观或丝质光泽。这些云的形式出现在精致的细丝,补丁或狭窄的乐队。

卷积云(Cc)。薄,白色的云,没有阴影。的云是由非常小的元素以颗粒的形式或合并或分离的涟漪,并定期安排或多或少。大部分的元素有一个明显的宽度小于1°时从水面。

卷层云(Cs)。透明,白色的云的面纱纤维(毛发)或光滑的外表,完全或部分覆盖天空,通常产生光晕现象。

高积云(Ac)。白色或灰色的云发生层或补丁,通常与阴影。云是由薄层的质量,或卷,有时部分纤维或扩散,可能会或可能不会被合并。大部分的定期安排元素之间有一个明显的宽度1°和5°时从水面。

高层云()。灰色或蓝色云层有条纹的,纤维或统一的外观。薄层部分足以揭示太阳至少朦胧,透过磨砂玻璃。高层云不会显示晕现象。

雨层云(Ns)。灰色的云层,黑暗,呈现弥漫性或多或少不断下跌雨或雪,但不伴有闪电,雷声或冰雹。雨层云厚度足以遮住了阳光。

层积云(Sc)。灰色或白色补丁或层云,几乎总是有黑暗的部分,由镶嵌、圆形的群众,卷,等,是根据,哪些可能会或可能不会被合并。大多数定期安排小元素有一个明显的宽度超过5°从地面往上看。

层云(St)。一般灰色云层可能产生细雨,棱镜的冰或雪谷物。当太阳通过云,可见其轮廓是清晰可辨的。层云不产生光晕现象,除了可能在很冷的温度下。有时层云出现在粗糙的补丁的形式。

积云(铜)。分离的云,一般密度和锋利的轮廓,发展垂直上升的形式成堆,圆顶或塔,膨胀的上部经常像菜花。这些云层的阳光照射的部分通常是亮白,虽然他们的基础是相对黑暗和近水平。

积雨云(Cb)。重,密集的云,有相当大的垂直范围、形式的一个巨大的塔。至少部分上部分通常是光滑,纤维,或有条纹的,几乎总是被夷为平地;这一部分通常利差在铁砧的形状或巨大的羽流。这个云的基础下,这通常是很黑暗的,经常有低衣衫褴褛云和降水。

雾不包括作为一个属在这个云分类方案。雾是由非常小的水滴(有时冰晶)悬浮在大气中,它减少了在海面能见度小于1公里。这将是8.4节所示,雾可能被认为是层云的基础是足够低到地面。

除了他们的形态外观地面观察者,不同的云属与不同的特征值相关联云的温度和阶段,浓缩水,云垂直速度和湍流,云时间尺度。这些云特征确定是否云将沉淀和降水形式和数量,以及云的辐射平衡的影响。

地球的卫星视图显示组织的云模式,其中一些扩展到数百到数千公里的距离(图8.1)。在中纬度地区,组织云模式通常与额叶系统有关。Me-soscale对流复合物通常被发现在温暖的土地表面和热带海洋。即使在大规模的云系统,云展览的细节水平结构。

因为他们是最密切耦合海洋表面,云的类型描述层,层积云,积云,积雨云在章节8.4和8.5更完全。

8.2降水过程

云粒子的成核和扩散增长是在第五章讨论。在表5.5中,结果表明,水的扩散增长下降是不够的粒子增长足以沉淀在一生中观察到的许多云沉淀。扩散冰晶增长可能发生足够被水浸透的环境中迅速形成足够大的粒子产生显著的下降速度。然而,许多云是观察precipitation-sized粒子温暖的云在短时间尺度为10 - 20分钟。

的机制,形成precipitation-sized颗粒可分为暖云和大片的过程,因缺乏的区别或冰粒子的存在。温暖和寒冷云雨生产、云粒子的碰撞和合并形成更大的云粒子,也称为深深地增长,是一个重要的元素。下面的云粒子的相互作用可以发生,引起precipitation-sized粒子:水滴之间的碰撞和合并;收集的水滴冰晶;和冰粒子的聚合。云粒子之间的碰撞聚合是不够的;一旦粒子碰撞,他们必须合并或“粘”在一起。

中央理解降水和碰撞和合并过程粒子终端速度的概念。当云粒子之间的引力和地球是平衡摩擦力的粒子通过空气时,粒子的速度下降称为终端速度。对于一个小的球形液滴,1我们可以近似终端速度,uj, uT = kxr2 (8.1)

1 = 1.19 xl06厘米——“s”。这二次下降速度大小的依赖下降与r < 30 / zm评选称为斯托克斯'law。斯托克斯定律并不适用于较大的粒子,因为大滴的形状变形时,摩擦力变得更加复杂。实验与下降下降提供了以下近似为大滴uT = k2r (8.1 b)

k2 = 8 x 103 s - 1。这个方程是有效的颗粒尺寸范围40点< r < 0.6毫米。最大的一类粒子,< r < 0.6毫米2毫米,uT = k3r * (g.lc)

k3 = 2.01 x 10 \ pjpa) m cm1/2 s“1和p0参考密度1.2公斤米”3。云滴的终端速度作为粒子半径的函数如图8.2所示。云滴与r < 50点没有明显的下降速度。最大雨滴大小约为r = 3毫米;更大的雨滴分手由于气动力下降。

冰晶的下降速度比这更难以确定理论上对液体云滴,因为复杂的形状和变量冰的密度

1给出了球面上的重力通过^ = (4/3)m ^ glp、pj,摩擦力对球体的半径r是由S ^”= (n / 2) rVft, Q >。光盘在哪里流阻力系数描述。利用雷诺数,Re = 2 pautr / n, n的动态粘度液体,我们可以写= 6 ntxrut (CDRel24)。雷诺数很小(r < 30 / im), (CDRe / 24) = 1,和uT = (2/9) r * gpi = ktr2。

云滴半径(毫米)

图8.2终端速度的云滴,滴半径的函数。(数据来自Gunn金泽,1949)。

云滴半径(毫米)

图8.2终端速度的云滴,滴半径的函数。(数据来自Gunn金泽,1949)。

晶体。图8.3显示了不同的冰晶体类型的观察到的下降速度。霰是最快的冰晶,单(未聚合)晶体有下降速度小于1 ms-1。

8.2和8.3的数据显示,云粒子以不同的速度下降,根据它们的大小,形状,和密度。一般来说,大颗粒比小颗粒,可能与一个较小的相撞,慢的粒子,它的路径(图8.4)。更大的粒子不一定会捕获一个较小的粒子在其路径,由于惯性和空气动力学的力量。

收集效率,< E,被定义为两个粒子之间的碰撞会发生的概率位于随机粒子的体积下降越快,而粒子碰撞“棒”或合并。图8.5给出了碰撞小收集器效率下降。注意,图8.5中的碰撞效率几乎是相同的联合概率是统一以来的收集效率下降时都小于100鱼翅。收集器下降R,任何规模的碰撞效率对于小R / R值小,因为小滴小惯性,很容易被周围的流偏转收集器下降。随着r / r的增加,液滴的惯性增加,占增加碰撞效率。r / r趋于统一,价值£可能超过统一的落后于滴水可以被吸引到的附近下降(但不是直接横扫体积)在几乎相同的速度。

晶体的尺寸(毫米)

图8.3观察终端速度的冰粒子晶体类型和大小的函数(从弗莱彻,1962)。v

晶体的尺寸(毫米)

图8.3观察终端速度的冰粒子晶体类型和大小的函数(从弗莱彻,1962)。v

图8.4碰撞几何半径为R的收集器下降下降的速度uT (R)通过滴半径小,人口下降速度uT (R)。

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