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夹卷混合过程与云滴谱离散度的相互作用及其参数化

罗仕  
【摘要】:云是地球系统中重要的组成部分,云和环境空气之间的湍流夹卷混合过程对云的宏微观物理特性、暖云降水形成过程以及气溶胶间接效应的评估都有显著影响。然而对该过程的理解还很有限,参数化方案还需要进一步改进。而且夹卷与云滴谱离散度的相互作用有待深入理解:一方面,夹卷混合机制对云滴谱离散度的影响还缺乏定量的分析,主导云滴谱离散度和夹卷率相关关系的物理机制和关键影响因子还不清楚;另一方面,离散度对夹卷混合机制的影响在传统的夹卷混合机制定量描述方法中没有考虑。本文围绕以上问题开展研究,主要结论如下:本文使用显式混合气泡模式(EMPM),在不同初始条件下驱动模式,模拟了约2.3万个个例,增强了模拟结果的代表性。基于未消散的约1.2万个个例发现,随着高度的增加,夹卷混合机制由非均匀混合向均匀混合转变,因为夹卷高度越低,云滴尺度越小,越容易发生完全蒸发。随着混合时间的推移,夹卷混合机制由均匀混合向非均匀混合过渡,再向均匀混合发展。综合利用这些模拟结果的云微物理量,建立了夹卷混合机制的参数化方案。通过参数化方案计算出的云滴数浓度和EMPM中的实际数浓度之间具有很好的一致性,证明了参数化方案的可靠性。由于EMPM是为研究夹卷混合过程而设计的,不限于特定的区域,且大量模拟考虑了影响夹卷混合机制的不同因子,因此,该参数化方案具有普适性。除了云滴数浓度,本文还定量分析了夹卷混合机制对云滴谱离散度的影响:随着混合均匀程度的减小,离散度先增大后减小,这修正了传统定性分析结果的片面性(认为夹卷混合越非均匀,离散度越大),并且具有理论支撑(当极端非均匀机制发生时,离散度会减小到与绝热云一致)。离散度与混合均匀程度之间的正负相关性与小滴数浓度有关,本文提出了两个新的无量纲量来定量描述小滴的作用以及云滴部分蒸发和完全蒸发的强弱。当部分蒸发大于完全蒸发时,小滴增多,此时如果完全蒸发较强,离散度与混合均匀程度负相关;如果完全蒸发较弱,两者正相关。另外,当完全蒸发大于部分蒸发时,两者正相关。正负相关性也受到卷入环境空气相对湿度、环境空气比例和湍流耗散率的影响。夹卷过程除了夹卷混合机制外,夹卷率是另一个重要的物理量。以往的观测研究表明离散度和夹卷率之间的关系可为正相关或为负相关,结论不一致。本文利用EMPM再现了正负相关关系,并揭示了导致正负相关性的机理,提出了概念模型。当卷入的环境空气中含有云凝结核时,卷入凝结核的活化是小滴的主要来源。如果小滴蒸发占主导,并能使环境空气达到新的饱和,那么离散度和夹卷率呈负相关;如果小滴蒸发的同时,大滴亦大量蒸发,那么离散度和夹卷率呈正相关。如果卷入的环境空气中不含凝结核,夹卷混合过程以大滴的蒸发为主,两者呈正相关。两者相关性亦与诸多因子有关:负相关对应着较大的垂直速度、环境空气相对湿度、卷入环境空气个数以及较小的云滴数浓度和适中的湍流耗散率和含水量。以上内容讨论了夹卷过程对离散度的影响,反过来,离散度的大小亦会影响夹卷混合机制。以往研究中在分析夹卷混合机制时,往往假定初始谱分布的离散度较小,甚至等于0;随着夹卷混合过程的进行,体积平均半径减小,符合理论预期。但是,本研究发现当初始谱分布的离散度较大时,体积平均半径在蒸发过程中会逐渐增大,原因是小滴容易完全蒸发,大滴的比例增大。此时,体积平均半径与含水量或数浓度呈负相关,这种现象可能被错误地认为是非均匀混合并随后抬升过程。基于上述两种微物理关系定义的传统均匀混合程度均为负值,表明传统方法存在局限性。本文提出了一种考虑离散度的定量描述夹卷混合机制的新方法,称为分档-加权均匀混合程度。该方法将夹卷混合均匀程度的计算拓展到了适用于宽谱的情形。新方法的合理性有三个论据作为支撑。第一,分档-加权均匀混合程度始终在0~1.0这个范围内,当离散度减小为0时,该物理量与传统的均匀混合程度等价;第二,分档-加权均匀混合程度与丹姆克尔数的倒数以及过渡尺度数之间呈正相关关系,和理论预期一致;第三,分档-加权均匀混合程度在夹卷混合过程中均先减小后增大,具有清晰的物理解释。对云滴数浓度、含水量、卷入环境空气尺度、权重函数以及初始谱分档数量进行了敏感性试验,验证了上述结果的可靠性。


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