降水過程
雲粒が落下しながら集まっていく過程を併合過程(へいごうかてい、coalescence process)、併合成長または衝突併合成長という。
大量の雲粒が存在しているが、それぞれの大きさにはばらつきがある。大きくなった水滴は次第に落下を始めるが、水滴が大きくなるほど速く落下することで、速度差によって大きな水滴が小さな水滴に衝突、小さな水滴を併合してさらに大きくなっていく。
水滴が受ける空気抵抗の力は6πηrv(r:半径, v:速度, η:流体がもつ粘性係数)と置くことができ、落下を始めた水滴が自身の重力と空気抵抗が釣り合う速度に達して加速を止めたときの終端速度は、6πηrv = mgであることから質量mを半径を含む式に変換して当てはめ、
V = 2ρwrg/9η(ρw:水の密度, v:重力加速度) となる。
上式から、半径の2乗に比例し速度が増すことが求められる。ただし、ある程度大きく速くなると、粘性にほかの条件が加わり、更に落下する水滴の背後に乱流が生じて流れを変化させるため、上式の関係から外れてくる。なお、雲中には強弱色々な上昇気流があるので実際にはより複雑になる。
また、あまりに小さな水滴は接近しても衝突せず回り込んでしまい、併合が起こりにくい。研究によれば、雲中に約20 μm以上の雲粒が存在しなければ衝突併合は起こらないと考えられる。半径と衝突率の関係をみると、半径5 μm以下はほとんど併合せず、10 μm以上の雲粒多数と20 μm以上の雲粒少数であれば衝突率は10 %、15 μm以上の雲粒多数と30 μm以上の雲粒少数であれば衝突率は50 %、15 μm以上の雲粒多数と30μmを大きく超える雲粒少数であれば衝突率はほぼ100 %と試算され、多数の小さな水滴の中に大きな水滴がある環境は衝突成長が速い。
氷晶を含む「冷たい雲」(cold cloud) から、固体の状態を経て雨が降るものを「冷たい雨」(cold rain)、氷晶雨という。雪や霰などもこの過程で形成される。
中緯度以上の緯度で降る雨は、一部の弱い雨を除いて多くが冷たい雨。日本でも雨のほとんどは冷たい雨。
なお、暖かい場合は上部が「冷たい雲」・下部が「温かい雲」であり、「冷たい雨」の過程でも「温かい雲」で成長する水滴が多かれ少なかれ関与している。