云滴怎样变成降水

天空有云并不保证地面下雨。有时云底垂下丝状雨幡，地上却仍然干燥；有时一片并不特别高大的暖云也能落下雨滴。要解释这些现象，需要把“形成云”与“形成能到达地面的降水”分成几个步骤。

看得见的是小液滴或冰晶

云（cloud）由大量细小液滴、冰晶或两者组成。气态水本身通常不可见。云凝结核（cloud condensation nuclei，CCN）是能帮助液滴形成的微小颗粒，例如部分海盐和可溶性气溶胶。仅有颗粒不够，还要达到合适的水汽与温度条件；凝结核的性质和大小也会影响启动增长所需的过饱和程度。

云滴很小，相对于空气的沉降速度低，上升气流与湍流容易延长它们在云中的停留时间。它们仍然受到重力，并不是到了某个尺寸才突然开始受重力作用。UCAR：云如何形成

把半径放大十倍，水量是多少倍

球形液滴体积为 $V=4\pi r^3/3$，半径$r$用m，体积$V$用m³。三次方意味着半径放大十倍，体积成为一千倍。拿半径10微米的教学云滴与半径1毫米的较大雨滴比较，半径差100倍，体积差100万倍；$1\mu \mathrm{m}={10}^{-6}$ m。它们只是选定尺度的比较，不代表每片云的统一粒径。

这说明从云滴变为雨滴需要收集大量水。凝结会使液滴增长，但不同大小液滴的碰撞与合并也非常重要。碰并（collision–coalescence）过程中，较大液滴常相对小滴沉降得更快，有机会收集沿途小滴。不是每次接近都会撞上，也不是每次碰撞都会黏在一起；空气绕流、反弹和破碎都影响效率。Met Office：雨与云滴增长

冰相提供另一条路径

零度以下仍可存在过冷水（supercooled water），即温度低于0°C而未冻结的液态水。混合相云（mixed-phase cloud）中，液滴与冰晶能够共存。在相同的零下温度，冰面的饱和水汽压低于水面；因此某些条件下，空气可让冰晶增长，同时液滴蒸发来补充水汽。这是冰相降水增长的重要机制之一。

冰晶还能相互聚合（aggregation）形成更大的雪粒，或收集过冷液滴，液滴在其上冻结，这叫淞附（riming）。实际云里多种过程并行，不能只用一条顺序流程描述所有雨雪。NWS：冬季降水增长过程

离开云后还要穿过一段空气

雨滴或雪粒下落后会继续与环境交换质量和能量。云下空气较干时，雨滴可能蒸发，冰粒也可能升华；若在到达地面前消失，就形成雨幡（virga）。雪粒穿过暖层可能融化，地面降水形态取决于整条下落路径的温湿结构，不能只看地面是否低于0°C。

常见误解： “RH达到100%便一定下雨”跳过了粒子增长和下落过程；“云是水蒸气，所以雨是气体直接掉下来”则混淆了物态。即使云一直存在，其中的具体水分子和粒子也可能不断更换，形状相似并不意味着同一滴水永远停留。

观察与自检：云、雨幡和地面雨

选择一次安全的远距离天空观察，记录云底是否有条带、条带是否延伸到地面以及地面是否湿润；只凭肉眼不能确定粒子是雨还是雪。再计算：半径20微米的球形滴含水体积，是10微米滴的几倍？

展开答案

半径两倍，体积为八倍。云下可见条带不等于地面必有降水，它可能在干层中蒸发或升华。观察记录可以建立假设，但判断粒子相态与落地区域还需要温湿剖面、雷达或地面观测等证据。

继续：气压梯度怎样推动空气。