卷入卷出的定量计算及其对云微物理量的影响机理

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夹卷混合过程(卷入率、卷出率、夹卷混合机制)对云的宏微观过程有着重要影响。为解决在观测资料中无法同时估算卷入率和卷出率的问题,以及卷入卷出过程对云微物理的影响,本文利用云的飞机观测资料,提出了估算卷入率和卷出率的新方法,探索了卷入、卷出与微物理之间的相关关系,重点分析了卷入过程对云滴谱宽度的影响。对于积云和层积云,本文分别关注侧边界和云顶的卷入卷出过程。主要结论如下:(1)建立了适用于积云飞机观测资料的卷入卷出率的估算新方法。以往方法仅适用于高分辨率模拟,或者基于观测只能估算卷入率,无法估算卷出率。该新方法基于积云气柱模型和卷入卷出率的定义,从理论上推导了卷入卷出率与云内外物理量的关系,弥补了该不足。把该方法应用到积云的飞机观测资料,发现卷入率和卷出率均随高度的增加而降低,且该趋势不受卷出空气性质的影响。新方法计算的卷入卷出率可以再现积云中湿静力能和总水分的观测结果,验证了新方法的可靠性。在此基础上,揭示了卷入卷出率和相对湿度之间的关系:当环境相对湿度较高时,卷入率较高,而卷出率较低。(2)揭示了积云中卷入和卷出与微物理量之间的相关关系。从夹卷动力的角度来看,越大的卷入率对应越强的混合稀释和蒸发,因此数浓度、含水量和云滴尺度都越小;卷出率对微物理量的影响较小。从夹卷微物理的角度来看,随着高度增加,夹卷混合机制从非均匀机制向均匀机制转变,主要原因是云滴尺度随高度增大,导致云滴蒸发时间尺度增大,均匀机制更容易发生。在数浓度和含水量较大以及离散度较小的云中心,夹卷混合机制越均匀。从动力和微物理两个方面来看,越大的卷入率对应着越均匀的夹卷混合机制,这与环境空气卷入越多,夹卷混合机制越非均匀的理论预期相悖,主要原因是环境相对湿度起了主导作用:一方面,环境相对湿度越大,云滴蒸发越慢,夹卷混合机制越均匀;另一方面,环境相对湿度的增大通过影响浮力和云中心附近的下沉气流,增大卷入率。(3)厘清了层积云中卷入过程对云滴谱宽度的影响机理。云顶附近和云洞中卷入过程导致云滴谱宽度增大。一方面,由于环境不饱和空气的卷入,云滴蒸发,云滴谱向小滴端拓展,宽度增大,且该效应随卷入强度的增大而增强。另一方面,卷入过程减小垂直速度,进而增大云滴谱宽度,因为垂直速度越小,云中过饱和度越小。此外,云滴数浓度和云滴尺度亦是影响云滴谱宽度的重要因子。
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