碰并及湍流对海洋性边界层云滴谱特征影响的模拟研究

【摘要】：利用MISTRA一维云模式,模拟了海洋性边界层云的发展过程。通过有无碰并、湍流强弱两组对照实验,获得了碰并及湍流对云不同发展阶段、不同高度上云微物理量特征以及ε-N相关关系的影响。再利用云滴谱谱型的变化特征确定影响离散度及ε-N相关关系的主要因子。主要研究结果如下:(1)海洋性边界层云微物理量存在明显的日夜变化特征。在凝结过程中,云微物理量因辐射等作用,存在明显白天增大夜晚消散的特征,并且由于逆温层的积聚作用以及云顶湍流较强的原因,液水含量以及云滴数浓度在云顶及其下方不远处的范围内存在极大值。而单一液水含量、离散度、平均半径以及标准差因受到液水含量和云滴数浓度的共同制约在云层中下部出现极值。增加碰并作用后云层发展较快,明显缩短了云层生命期,云中的液态水含量明显减少,云滴数浓度在前期变化不大,后期略有减少,单一液水含量、离散度、平均半径以及标准差因大尺度云滴的沉降作用在云底出现极值。(2)凝结过程ε-N在云中下部呈非线性相关关系,在云顶呈正相关关系,且云顶消散阶段的正相关性增加;碰并作用使得云中下部离散度随数浓度增大而减小的趋势增强,云顶ε-N正相关性减弱,且消散阶段离散度变小。随着液水含量的增加,凝结过程云层中下部云滴数浓度变大离散度变小,云顶ε-N正相关关系增强;碰并作用下液水含量对离散度及其与云滴数浓度相关关系的影响类似于凝结作用,只是对液水含量的变化更为敏感。凝结过程中云滴谱谱宽随时间高度均无明显变化,影响离散度的主要因子为平均半径;碰并过程中影响离散度的因子更为复杂:在云中下部离散度主要受到标准差的影响,而在云顶附近离散度主要受到平均半径的影响。对比两次模拟云滴谱的演变,碰并对离散度及其与云滴数浓度相关关系的影响主要是改变了云滴标准差。(3)相同初始场下,耗散项是影响湍流强弱的主要因子,耗散项大意味着云层处于弱湍流状态。湍流动能存在明显的日夜变化,一天中湍流动能的极大值出现在15点左右。不同湍流强度下液水含量与云滴数浓度在前15小时的变化较小,但在之后弱湍流下因夜间消耗较少,导致液水含量和云滴数浓度有所增多。弱湍流下单一液水含量、离散度、云滴平均半径以及标准差在前15小时内极值区域小并且数值有所增加,之后呈现相反的状态。强湍流使得云层中下部云滴数浓度减少,且在消散阶段离散度范围增加。云顶范围内随着湍流的增强ε-N的正相关性增加,且随时间的推移正相关性进一步加强。云顶范围内湍流的加强会使得相同云滴数浓度下离散度的均值及标准差增加,并且高频中心所对应的离散度数值也增加。强弱湍流下影响离散度变化的主要因子均为平均半径,凝结过程中湍流对离散度的改变主要是影响了云滴平均半径。云滴谱谱宽随时间高度的变化均较小,云滴数浓度随时间先增大后减小,随高度持续增加,强湍流下云滴数浓度随高度的增加幅度略大于弱湍流。