魏格納-伯吉朗-芬德森過程

魏格納-伯吉朗-芬德森過程（英語：Wegener-Bergeron-Findeisen Process，以魏格納、伯吉朗和芬德森的名字命名，或可意譯為「冷雨過程」）是發生在混合相雲（包含過冷水和冰的混合物）中的冰晶生長過程) 在環境蒸氣壓介於水上飽和蒸氣壓和冰上較低飽和蒸氣壓之間的區域。這是液態水的不飽和環境，但冰的過飽和環境導致液態水快速蒸發並通過氣相沉積快速生長冰晶。如果冰的數量密度比液態水小，那麼冰晶可以長到足以從雲中掉下來，如果較低處的溫度足夠溫暖，就會融化成雨滴。

伯格朗過程發生時，對於大到足以對總質量有很大貢獻的液滴，以冰晶融化產生大液滴的方式比以較小液滴為代價生長大液滴要有效得多，因為液態水和冰之間的飽和壓力差大於在小液滴上增加的飽和壓力差。關於影響顆粒大小的其他過程，請參閱雨和雲物理學詞條。

歷史

1911 年，德國科學家阿爾弗雷德·魏格納在研究霜的形成時首次提出了通過冰晶上的蒸汽沉積以犧牲水來生長冰的原理。韋格納的理論認為，如果這個過程發生在雲中並且晶體長到足以脫落，那麼它可能是一種可行的降水機制。雖然他在冰晶生長方面的工作引起了一些關注，但它在降水中的應用還要過 10 年的時間才能得到認可。

1922 年冬天，托爾·伯吉朗在樹林中漫步時進行了一次好奇的觀察。他注意到，在氣溫低於冰點的日子裏，通常覆蓋山坡的層雲甲板停止在樹冠的頂部，而不是像氣溫高於冰點的日子那樣延伸到地面。由於熟悉魏格納的早期工作，伯吉朗推測樹枝上的冰晶正在清除過冷層雲中的蒸汽，阻止它到達地面。

1933年，伯吉朗被選中參加在葡萄牙里斯本舉行的國際大地測量學和地球物理學聯合會會議，在那裏他提出了他的冰晶理論。在他的論文中，他指出，如果冰晶的數量與液態水滴相比非常小，那麼冰晶就會長到足以脫落（魏格納的原始假設）。伯吉朗推測這個過程可能是所有降雨的原因，即使在熱帶氣候下也是如此。這一聲明在熱帶和中緯度地區的科學家之間引起了相當大的分歧。 1930 年代後期，德國氣象學家沃爾特·芬德森通過理論和實驗工作擴展和完善了伯吉朗的工作。

所需條件

液滴數量應遠大於冰晶數量的條件取決於稍後（雲中較高）充當冰核的雲凝結核的比例。或者，絕熱上升氣流必須足夠快，以便高過飽和度導致比存在的雲凝結核更多的液滴的自發成核。在任何一種情況下，這都應該發生在冰點以下不遠的地方，因為這會導致冰直接成核。液滴的生長會阻止溫度很快達到冰晶成核的溫度。

相對於冰的較大過飽和度，一旦存在，就會使其快速生長，從而從氣相中清除水。如果蒸氣壓$p$低於相對於液態水的飽和壓力$p_{w}$ ，液滴將停止生長。這可能不會發生，如果$p_{w}$本身正在迅速下降，這取決於飽和曲線的斜率、遞減率和上升氣流的速度，或者如果下降$p$速度慢，取決於冰晶的數量和大小。如果上升氣流太快，所有的液滴最終都會凍結而不是蒸發。

在下降氣流中會遇到類似的限制。液態水蒸發導致蒸氣壓$p$上升，但如果相對於冰的飽和壓力$p_{i}$在下降氣流中上升太快，所有的冰都會在大冰晶形成之前融化。Korolev 和 Mazin 推導出臨界上升氣流和下降氣流速度的表達式：

$u_{up}={\frac {p_{w}-p_{i}}{p_{i}}}\eta N_{i}{\bar {r_{i}}}\,$

$u_{dn}={\frac {p_{i}-p_{w}}{p_{w}}}\chi N_{w}{\bar {r_{w}}}\,$

其中η和χ是依賴於溫度和壓力的係數， $N_{i}$和$N_{w}$分別是冰和液體粒子的數量密度，${\bar {r_{i}}}$和${\bar {r_{w}}}$分別是冰和液體顆粒的平均半徑。

對於值$N_{i}{\bar {r_{i}}}$典型的雲， $u_{up}$範圍從幾厘米/秒到幾米/秒。這些速度很容易通過對流、波浪或湍流產生，這表明液態水和冰同時生長並不罕見。相比之下，對於典型值$N_{w}{\bar {r_{w}}}$, 要讓液體和冰同時收縮需要下降氣流速度達到幾米每秒。 這個速度在對流下降氣流中很常見，但在層雲中並不典型。

冰晶的形成

形成冰晶的最常見方式始於雲中的冰核。冰晶可以通過非均勻沉積、接觸、浸泡或冷凝後的凍結形成。在異質沉積中，冰核只是被水覆蓋。對於接觸，冰核將與撞擊時凍結的水滴碰撞。在浸沒冷凍中，整個冰核都被液態水覆蓋。

根據存在的冰核類型，水會在不同的溫度下結冰。冰核會導致水在比自然溫度更高的溫度下結冰。對於純水自發凍結，稱為均質成核，雲溫度必須為−35 °C（−31 °F） 。 以下是一些冰核的例子：

冰核	凍結溫度
細菌	−2.6 °C（27.3 °F）
高嶺石	−30 °C（−22 °F）
碘化銀	−10 °C（14 °F）
球霰石	−9 °C（16 °F）

冰晶倍增

不同的冰晶一起出現在雲中

隨着冰晶的生長，它們可以相互碰撞並分裂和破裂，從而產生許多新的冰晶。有許多形狀的冰晶可以相互碰撞。這些形狀包括六邊形、立方體、圓柱和枝晶。這一過程被大氣物理學家和化學家稱為「冰晶增強過程」。

聚合

冰晶粘在一起的過程稱為聚集。當冰晶在−5 °C（23 °F）溫度下光滑或粘稠時，就會發生這種情況及以上，因為晶體周圍有一層水。不同大小和形狀的冰晶以不同的終端速度下落，通常會發生碰撞和粘連。

吸積

當冰晶與過冷的水滴碰撞時，稱為吸積（或邊緣）。水滴在撞擊時凍結並形成霰粒。如果形成的霰粒被風重新引入雲中，它可能會繼續變得更大、更密集，最終形成冰雹。

降水

最終，這個冰晶會長大到足以落下。它甚至可能與其他冰晶碰撞並通過碰撞合併、聚集或吸積而變得更大。

伯吉朗過程通常會導致降水。隨着晶體的生長和下降，它們會穿過雲的底部，雲的底部可能高於冰點。這會導致晶體融化並像雨一樣落下。雲底下也可能有一層低於冰點的空氣，導致降水以冰珠的形式重新凍結。同樣，低於冰點的空氣層可能在地表，導致降水以凍雨的形式出現。在形成幡狀雲的情況下，該過程也可能導致沒有沉澱，在它到達地面之前蒸發。

另見

• 降水（氣象）
• 冰核
• 冰
• 成核
• 物理氣相沉積
• 飽和蒸氣壓