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一次飞机积冰过程云微物理特征分析一次飞机积冰过程云微物理特征分析在飞行过程中，飞机会遭遇不同云层，其中一种现象就是积冰。
积冰可能对飞机的飞行性能和安全造成不利影响，因此深入研究飞机积冰过程中的云微物理特征对保障飞行安全至关重要。
飞机积冰在特定的天气条件下发生，主要涉及到云和超冷水滴的相互作用。
首先，让我们来了解云的形成和性质。
云是由大量的微观水滴、冰晶或冰晶与水滴的混合体组成的可见气溶胶。
云是地球大气中一种常见的现象，主要形成于温暖而潮湿的空气被抬升至高空后迅速冷却，导致其中的水蒸气凝结成云。
云的形成和种类有多种因素影响，包括空气的湿度、温度、压力等。
不同类型的云具有不同的物理特征，如云的颗粒大小、形状、浓度和分布等。
其中，云中的水滴是形成积冰的主要因素。
超冷水滴是指水在零度以下仍保持液态的小水滴。
在云中，由于相对湿度较高、温度较低，部分水滴的温度可以低于冰点而仍然保持液态状态。
这些超冷水滴是飞机积冰的主要来源。
飞机在云层中飞行时，超冷水滴会附着在飞机外表面，随着时间的推移，这些水滴会以冰晶的形式渐渐累积。
云微物理特征的分析对于研究飞机积冰过程至关重要。
首先，云颗粒大小和浓度对积冰过程有重要影响。
通常情况下，云中的水滴数目会与云浓度成正比。
云浓度越大，遇到的水滴数目也越多，导致飞机更容易积冰。
而云中的颗粒大小也会影响积冰速度和程度。
颗粒较小的云中，水滴更容易附着在飞机表面，并形成更均匀的冰层。
相反，颗粒较大的云中，水滴之间的空隙较大，飞机可能只在局部区域积冰。
其次，云的温度和湿度对积冰过程也具有重要影响。
云的温度越低，超冷水滴结冰的概率越高，飞机积冰的速度也较快。
此外，云中的湿度也会影响积冰程度。
湿度越高，云中水滴更多，飞机积冰更快。
最后，云的演化过程也会对积冰过程产生影响。
云的演化通常涉及云凝结、蒸发、降水等过程。
在这一过程中，云中的水滴发生变化，从而改变了云的物理特征。
例如，云逐渐变得较稀薄，云中的水滴数目减少，飞机积冰的风险也减小。
气象学中的云物理学云是大自然给我们送来的不竭的礼物，无论在哪个季节，在何时何地都能看到丰富多彩的云。
可是，你们知道云怎么形成的吗？气象学中的云物理学就是研究云形成、演变和消散的学科。
在气象学的场景中，云是一种由微小的水滴或冰晶组成的气体团，自然生成于空气的各种层次中。
云物理学涉及云的形成、结构、类型、演变、影响以及它们对气候和气象学的影响等。
云的形成空气中的水汽在特定的温度和压力条件下快速冷却时，就会形成小水滴和冰晶，这就是云的形成。
云的形成还受到大气中气体的饱和度、水汽的含量、气体的成分以及外在的条件等因素的制约。
当云的微粒不断吸收更多的水汽，水滴和冰晶就会越来越大，最终汇聚成雨、雪、冰雹等降水形式。
云的结构和类型云的结构和类型是基于它们的高度、形状、纹理等特征进行分类的。
根据云的高度，云可以分为高云、中云、低云以及垂直云等不同类型。
在云的形状方面，云可以分为层状云、卷状云、堆状云和垂直云等类型。
云的类型与其高度和形状有关，例如，高积状云通常位于高空，形成厚厚的卷云或白色的层云。
它们由冰晶组成，常在晴天或微风天出现。
云物理学研究的内容云物理学除了研究云的形成和结构外，还研究云的演变、影响、降水形式以及云-辐射关系等。
云物理学家通过实地观测以及模拟仿真等手段，探讨云粒子如何相互作用形成不同形态的云，以及云与气候的关系。
云物理学的一项主要任务是研究云的演变过程和不同类型的降水形式以及如何预测它们。
云物理学家制定了一系列的云基础公式，用于分析和理解不同类型的云，并且应用到各种气象预报模型中。
气象预报模型中的云物理学方法还可以让科学家们更好地理解大气传输和云辐射过程。
云物理学的应用云物理学研究的结论和实验数据可以应用到各种气象预测、灾害预警、气候变化以及空气污染等领域。
通过了解云粒子如何形成、演化和消散，可以预测气候变化以及天气变化造成的灾害预警。
此外，云物理学还可以应用到空气污染领域。
未来气象预测模型和观测将能够为我们提供更好的信息，以理解空气污染和臭氧层破坏等环境问题。
云和降水微物理学气象图大气中的水汽凝结而成的云滴很小，半径大约10微米，浓度为每升一万至一百万个，下降的速度约 1厘米／秒，通常比云中上升的气流速度小得多，因而云滴不能落出云底。
即使离开云底而下降，也会在不饱和的空气中迅速蒸发而消失。
只有当云滴通过各种微物理过程，集聚和转化成为降水粒子后，才能降落到地面。
成云致雨要经过一系列复杂的微物理过程：湿空气上升膨胀冷却，其中的水汽达到饱和，并在一些吸湿性强的云凝结核上，凝结而成初始云滴的凝结核化过程；云中的过冷水滴或水汽，在冰核上冻结或凝华以及在-40℃以下，自然冻结成初始冰晶胚胎的冰相生成过程；水汽在略高于饱和的条件下时，在云滴(冰晶)上进一步凝结(凝华)，使云滴(冰晶)长大的凝结增长过程(凝华增长过程)；云内尺度较大的云滴，在下落过程中与较小的云滴碰并而长大的重力碰并过程；冰晶和过冷水滴同时存在时，因为过冷水滴的饱和水汽压比冰面的大，造成过冷水滴逐渐蒸发，而冰晶则由于水汽的凝华而逐渐长大的冰晶过程。
降水粒子的尺度大约是云滴的一百倍，但其浓度却仅为云滴的百万分之一。
人工降雨云滴由于受表面张力作用，通常呈球形。
球形纯水滴表面的饱和水汽压，高于平水面的饱和水汽压。
以半径为0.01微米的水滴为例，其饱和水汽压超过平水面的12.5%。
在没有任何杂质的纯净空气中，初始的云滴只能靠水汽分子随机碰撞而生成。
靠分子随机碰撞而产生云滴的可能性随着尺度增大而变小。
微小的初始云滴，只有在相对湿度达百分之几百的环境中才不致蒸发。
但实际大气的水汽含量很少能够超过饱和值的1%。
因此，在没有杂质的纯净空气中是难以直接形成云滴的。
事实上，大气中存在着各种凝结核，这为凝结成云滴提供了条件。
云凝结核可分成两类：亲水性物质的大粒子，它不溶于水，但能吸附水汽，在其表面形成一层水膜，相当于一个较大的纯水滴；含有可溶性盐的气溶胶微粒。
它能吸收水汽而成为盐溶液滴，属吸湿性核。
例如海盐的饱和水溶液，只要环境相对湿度高于78%，就可以凝结长大。
大气气溶胶对云微物理特征的影响研究大气气溶胶是指悬浮在大气中的微小颗粒物质，包括尘埃、气溶胶、水蒸气等。
它们对云微物理特征的影响一直是大气科学研究的热点之一。
云微物理特征是指云中微观物理量（如液滴和颗粒物的大小、数量、分布）的描述，其变化直接影响着云的物理和化学特性，进而影响全球气候系统。
大气气溶胶能够影响云的物理特性，主要体现在以下几个方面。
首先，大气气溶胶的存在对云的形成和演化过程起着重要作用。
云的形成需要水蒸气在凝结核上凝结成水滴，而大气气溶胶颗粒就是凝结核的重要组成部分。
它们提供了云滴形成的凝结核，促进了云的形成。
同时，大气气溶胶的分布和浓度也会影响云的演化过程。
当大气中的气溶胶浓度较高时，会导致云滴数量增加，形成大量小尺度的云滴；而低气溶胶浓度则有助于形成较大尺度的云滴。
其次，大气气溶胶对云的辐射特性有重要影响。
大气中的云主要通过反射和散射太阳辐射来减少地面的接收，也通过吸收和发射地球辐射来改变大气层的能量平衡。
而大气气溶胶颗粒的存在会影响云的光学性质，进而改变云的辐射特性。
具体来说，气溶胶会增强云层的散射能力，使云对太阳辐射的反射增加；同时，气溶胶还能增加云中的吸收和散射，使云对地球辐射的影响增加。
这种影响直接导致大气层的能量分布发生变化，进而影响气候系统的变化。
此外，大气气溶胶对云滴的影响也会对降水产生影响。
云滴中的水滴大小和分布决定了云滴的凝结速率，进而影响降水的产生。
大气气溶胶的存在会改变云滴的凝结速率，导致云粒子的增长速率变化。
一些研究表明，气溶胶的增加会导致云滴的凝结过程加快，云滴的增长速率增加，从而增加降水的可能性。
而另外一些研究则指出，气溶胶的增加可能导致云滴变小，凝结过程减慢，从而降低降水的可能性。
不同研究的结论有所不同，但气溶胶对降水的影响不容忽视，需要进一步深入研究。
综上所述，大气气溶胶对云微物理特征的影响十分复杂且多样。
它们参与云的形成和演化过程，改变云的光学特性，影响降水的产生。
云层结构知识点总结归纳一、云层的定义和形成因素云是大气中由水蒸气凝结而成的微小水滴或冰晶的集合体。
它是地球大气中的一种天气现象，是大气中的水分子在特定条件下聚集形成的。
云的形成需要具备以下条件：1. 水汽含量高：空气中的水汽含量达到相对湿度饱和状态，即相对湿度达到100%。
2. 凝结核：空气中有足够的微小颗粒或颗粒团作为凝结核，这些凝结核可以是灰尘、盐粒、微生物等。
这些杂质在特定条件下可以使水蒸气凝结成水滴。
3. 低温：空气中的温度低于露点温度，使水蒸气凝结成水滴或冰晶。
二、云层的分类根据云形成的高度、形状和密度，可以将云层分为不同的类型。
主要的云层类型包括以下几种：1. 高空云层：高空云层主要由稀薄的冰晶组成，高度一般在6000米以上，主要包括卷云、卷层云和卷积云等。
2. 中层云层：中层云层主要由冰晶和水滴混合形成，高度在2000-6000米之间，主要包括层云、斑积云和积雨云等。
3. 低层云层：低层云层主要由水滴组成，高度在2000米以下，主要包括层积云、层云和雾等。
4. 垂直发展云层：垂直发展云层是指云体在大气中的高度有较大的变化，包括积雨云、雷暴云和雹暴云等。
根据云的形状和外观，还可以将云层分为不同的云种，如卷云、积云、层云、雾云等。
三、云层的结构和形态1. 卷云：卷云是一种长而柔软的云层，呈卷曲状。
它通常出现在大气边界层或对流层中，形成卷云的主要原因是水汽在受到地形障碍、气流剧烈对流或气温的快速变化时，水汽凝结形成云雾。
卷云的结构多变，有时呈层状，有时呈条状，也有的呈荡漾状。
卷云的高度一般在2000米以上。
2. 卷层云：卷层云是一种连续的、比较大范围的云层，呈卷曲状。
它通常出现在大气边界层或对流层中，形成卷层云的主要原因也是水汽在受到地形障碍、气流剧烈对流或气温的快速变化时，水汽凝结形成云雾。
卷层云的高度一般在2000米以上。
3. 卷积云：卷积云是一种具有明显竖直发展的云层，形状呈圆形或锥形。
第四章云的微物理特征1 大气气溶胶简介1.1 气溶胶和气溶胶质粒的概念气溶胶：指在气体中悬浮有液体或固体微粒时的气体和悬浮物的总体系。
而其中的悬浮物就称为气溶胶质粒。
有些书中将气溶胶质粒也简称为气溶胶，那是不妥当的。
对我们所研究的对象而言，研究的是大气气溶胶。
大气中的冰核、凝结核，尘埃等均属大气气溶胶微粒，云雾滴、小雨滴等也属大气气溶胶质粒。
气溶胶质粒中，分子及原子的尺度约为10-4μm，最大的冰雹在10厘米以上。
一般直径大于100μm的质粒，就不易在空中停留。
因此，气溶胶质粒，主要是指正10-3μm到100μm 之间的微粒。
1.2 气溶胶研究在大气科学中的重要性气溶胶在大气系统中起着十分重要的作用：1）改变云的微物理过程和性质；2）对太阳辐射和红外辐射产生吸收和散射作用，还包括其自身的放射；3）作为媒介和（或）终极产物，气溶胶在大气化学和大气污染过程中也起着重要作用。
1.3 气溶胶粒子的分类在云物理学中，将大气气溶胶粒子按大小可分为：爱根核：半径在0.01到0.1微米之间的尘粒,起凝结核的作用是明显的。
习惯把这一半径范围的尘粒，称为爱根核。
其中具有吸湿性的尘粒只要过饱和度达0.5%到2.0%，就可使水汽凝为液水；大核：比爱根核稍大，半径在0.1到3微米之间的，称为大核，一般只要过饱和度不到0.5％，就可使水汽凝结。
如果这些核是吸湿性的，那末即使大气尚未达水汽饱和，液水也能凝结于其上。
巨核：半径大于3微米的核，在大气中也存在。
它们在吸收大气中的水汽，使之转化为液水方面，有很大作用。
例如10-8克干物质的氯化钠，其大小约相当于半径10微米的球，在相对湿度为99%时，即可增大为50微米(半径)的水滴，下降速度可达30厘米／秒。
如果下降，就易兼并云滴而很快增大。
在可核化前题下，核越大，所要求的环境过饱和度越小。
1.4 来源据估计，全球气溶胶质粒主要是自然界产生的，人工来源仅为自然来源的五分之一。
自然源按产生量大小主要包括：海盐、气粒转换、风砂扬尘、林火烟粒、火山喷发（变化很大）、陨星余烬、植物花粉等；人为源主要有：气粒转换、工业过程、燃料燃烧、固废处理、交通运输、核弹爆炸、人工播云等。
可见，大多数气溶胶质粒是由海水飞沫中的盐和气粒转换所造成的。
所谓气粒转换，是指大气中通过气体之间或气体与液滴、或固粒之间的相互作用，形成新的大气悬浮物的过程。
次生粒子。
次生质粒占大气气溶胶总质量的25%左右。
海盐核的形成过程：空中盐核主要是洋面气泡破裂所造成的。
原始的气泡的形成：有许多不同过程可以产生原始气泡。
影响海盐核产生的主要因子是风速。
A．H．Woodcock曾对风力与空中大于一定尺度的海盐数密度的关系进行测量。
结果表明，对大于某一干半径的盐粒来说，风力愈强，则盐粒数密度愈大。
N∝v。
一般来讲，气溶胶在对流层的生命史是几天或几个星期的时间，但由于各种过程不断地产生新的气溶胶，因此，大气中气溶胶的含量一直是比较高的。
1.5 气溶胶粒子移出大气的过程气溶胶质粒不仅不断有输入大气的过程，而且还有不断被移出大气的过程。
移出过程可分干、湿两类。
干移出过程：指质粒在干的状况下移出大气的过程；湿移出过程：指质粒受雨雪或云雾滴等影响而下沉到下垫面移出大气的过程。
湿移出过程主要有：(1) 扫并下沉：即干气溶胶质粒被降水质粒扫并而下堕到地面；(2) 扩并下沉；即小的气溶胶质粒因布朗扩散而附于降水质粒上，然后下沉到地面；(3) 拖并下沉：即悬浮微粒受介质气体分子有规则流动的影响而被拖并到降水物上并下沉到地面；以上三种过程的共同点是：气溶胶粒子碰并到降水质粒上，然后由降水质粒带出大气。
(4) 凝长下沉：即气溶胶质粒以凝结核或凝华核的身份吸收水分，并渐渐地增大成降水物而下沉到地面。
干移出过程主要有：(1) 重力下沉：即大的干悬浮质粒受重力作用而下沉；(2) 碰并附粘：即悬浮质粒随气流运动时，悬浮质粒受惯性支配，在遇障碍物时与障碍物相碰而附粘于障碍物上；(3) 扩散附粘：即小质粒因布朗运动或乱流扩散而与地表或地物相碰并被附粘；(4) 吸并附粘：即地物表面对微小质粒的吸附，而减少了大气悬浮物。
从云雾降水物理观点看，湿移出过程更引起我们注意。
这要主要介绍一下拖并下沉。
气溶胶质粒悬浮于大气中，它既受到大气分子混乱运动的影响而发生布朗运动，也受到大气分子的有规则移动的影响（例如水汽分子流—水汽梯度的影响）而被拖带到降水物上，并合而下沉。
在发生凝结或蒸发时，就有水汽梯度存在。
它能产生水汽扩泳现象（Diffusiophoresis），使水汽分子在扩散过程中出现了向低水汽密度方向的净扩散运动；另一种情况是：当空气中有两处温度高低不同时，高温处的空气分子热扩散能力（动能）大于低温处，于是空气就有了向低温方向净热扩散的运动，形成了热力扩泳现象（Thermophoresis）。
当云滴在蒸发时，水汽扩泳现象必使净水汽分子流背离云滴运动，但蒸发造成冷却，却能通过热扩泳而造成净空气分子流向着云滴运动。
反之，当云滴在凝结时，水汽扩泳现象必使净水汽分子流向着云滴运动，热力扩泳现象却造成净空气分子流背离云滴运动。
可见当云滴在进行相变时，水汽分子流的方向常与空气分子流的方向是相反的。
1.6 气溶胶粒子的基本特性出于实际应用的目的，对大气气溶胶粒子不可能采用枚举法进行研究（除了理论基础研究需要对单个粒子的特性进行考查，目的也是为了研究其群体特性），与我们关系最为密切的大气气溶胶质粒的特性主要包括：谱分布、化学成分及由化学成分决定的折射指数。
其它如形状、密度等由于测量研究的困难，暂研究中处理的还很粗糙。
1.6.1 谱分布气溶胶中的液态粒子接近于球形，但固态粒子的形状却是明显不规则和可变的。
目前的理论研究和实验方法、设备，均是在球形粒子的假设前提下发展起来的，对非球形粒子的讨论还仅仅只是局限于一些特殊形状。
实际上，这一假设从统计学的角度来看是合理的，即：大量不规则粒子表现出来的各种特性的统计平均和整体效果，可近似认为与大量球形粒子的效果等价。
较常使用的谱分布形式：主要有Junge（1953，1963）幂函数分布、Deirmedjian（1969）修正Γ分布、对数正态分布和Zold分布。
各分布形式在许多研究者的模式中均有所运用。
实际的气溶胶粒子谱比上述几种谱形更复杂。
气溶胶粒子的幂指数分布—Junger分布设r(μm)为大气气溶胶质粒的半径，n(r)为气溶胶质粒的半径分布函数（个/cm3μm），其值随半径不同而异。
则n(r)Δr为半径介于r与r+Δr间的气溶胶质粒数密度（个/cm3）。
如果我们将纵坐标用n(r)表示，横坐标以r表示，则当已测得不同半径范围的气溶胶质粒数密度[n(r)Δr]后，可将它除以半径区间Δr，而得不同半径处的n(r)值。
然后可将各[r，n(r)]值点在图上，形成一条曲线，以表示气溶胶质粒的尺度谱，该曲线便是所说的大气气溶胶的数密度谱分布曲线。
由于大气气溶胶粒子半径存在几个数量级的变化，因此谱分布的横坐标常采用对数坐标。
在四十年代到五十年代初，C. E. Junger曾得到下面的观测规律。
即“在大气中的质粒，从十分之几微米到几十微米尺度之间的等间隔对数半径区间内，质粒的总累积体积为一常数”。
设半径介于r及r+dr间的质粒共有n(r)dr个，它们的平均半径为r，则这些质粒共有体积当为。
按上述观测规律，可得其数密度谱分布或其中一般情况下，2<α<4，常取为3。
式表示的分布曲线在对数坐标中便是一条斜率为-α的直线。
由式可计算得到以下特征量：总的数密度N T（单位体积中粒子总数）：注意，上式积分下限取为零是没有意义的。
平均半径（粒子的平均线性大小）：均方根半径（面积平均半径—表示粒子平均截面积大小）：均立方根半径（体积平均半径—表示粒子平均体积或质量大小）：峰值半径r p—峰值数密度处的相应半径，即满足下式所对应的半径中值半径r m—小于此半径的数密度=大于此半径的数密度，即与数密度分布函数类似，将上述谱分布定义中的粒子数密度换成粒子的表面积、体积和质量，就得到相应的表面积、体积和质量的谱分布。
在研究中根据不同的需要，采用不同的谱分布模型。
谱分布函数的意义：1）理论分析和计算的方便；2）不同气溶胶类型的比较。
1.6.2 气溶胶粒子随高度的变化在地面至5公里高度范围内气溶胶粒子浓度随高度按指数率减少。
对流层中粒子谱形随高度而变窄，进入平流层后，粒子谱形有显著变化。
1.6.3 化学成分气溶胶粒子的化学成分，从无机物到有机物，从简单到复杂，范围很广泛。
大体上可以分成五种基本组成：矿物质、海盐、烟煤、气体转换物或水溶性物、火山灰。
自然源中的大陆性粒子主要与源地地表和土壤成份有关，大部分由矿物元素（铝、硅、钠、钾、钡等）组成。
海洋性粒子主要由NaCl、KCl、(NH4)2SO4等吸湿性物质组成。
处于正常状态下的平流层，其粒子也主要由气粒转换形成，不要成份是H2SO4和(NH4)2SO4等。
当有火山喷发时，大量火山灰将成为平流层粒子的主要成份。
人为源中的工业城市粒子大部分来自于城市污染气体的转换，其中主要是由SO2、NO x、NH4等污染气体转换为酸性粒子。
城市粒子也含有矿物元素，但和自然源的大陆粒子不同，它主要来源于工业交通污染的各种元素，如氯、钨、银、锰、锌、镍、砷等。
由于不同来源形成的气溶胶粒子化学成份的差异，所以可以对采集到的粒子进行化学分析来判断其来源，称为源解析。
在单个粒子内部和整个大气中，各种化学成分的分布是不均匀的。
而且，在各种物理、化学过程的作用下，大气气溶胶的化学成分具有明显的可变性。
这对研究大气中气溶胶的形成与移出是至关重要的（Twomey, 1977）。
1.6.4 吸湿性物质的化学性质与结构会影响到物质的吸湿性。
由常识可知，当下毛毛雨时，路上有的地方先被湿润，而且经常还存在明显界限，这是由下垫面的吸湿性造成的。
还有衣物表面也有类似现象。
如图液体附着固体表面，液相表面切线与下垫面夹角为θ度，称为接触角或湿润角。
在图中所示的界面或界线上有下列三种张力存在：（1）汽液界面间αlv，它与下垫面交角为θ，并指向球冠顶；（2）液固界面间αsl，指向胚底中心；（3）汽固界面间αsv，指向与相αsl反。
当此三力平衡时，必有所以可见若，αlv>αsv-αsl>0，则1>cosθ>0，θ<90°，表示液体能够润湿固体表面。
这种物质称为亲液物质，凡能够被水所润湿的物质称之为亲水性物质。
否则称为憎水性物质。
与θ等于0°和180°对应的为完全亲水性物质和完全憎水性物质。
一个水滴在玻璃上θ<90°，所以水能润湿玻璃。
实际大气中存在着许多固体微粒，它们的吸湿性除受湿润角这一参数决定外，还应考虑微粒大小。
