海区层积云顶上的小规模混合过程 —一次实例研究外文翻译资料

 2022-12-06 03:12

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海区层积云顶上的小规模混合过程

—一次实例研究

Krzysztof E. ，Szymon P. ，Joanna，Marcin ，Hermann ，Jean-Louis .

Warsaw University，Institute of Geophysics，Warsaw，Poland

Gerber Scientific Inc. Reston，VA，USA

CNRM，Meteo-France，Toulouse，France.

  1. 介绍

2001年7月在太平洋东部进行了DYCOM II实验，此次实验的主要目的之一，就是研究海区层积云的夹卷混合过程。 NCAR C-130飞机是实现这次任务的一个独特平台，它装备了大量的测量仪器，用于测量清洁空气和混浊空气的动力学和热力学参数。

这些安装在飞机机翼板上的仪器，其中有由华沙大学提供的超速飞机温度计UFT-F（在暖云中测量温度时具有两个传感器），和由格柏科技有限公司和Fast FSSP（FFSSP）提供的粒子体积计PVM-100A。UFT-F上的5mm长、2.5micro;m厚的电阻传感器有s一次的时间常量，PVM-100A可以在10cm的空间分辨率和2kHz采样率下测量液态水含量（LWC），FFSSP允许对液滴进行时间间隔测量。同时，测量数据还需要来自传统滞后的测量仪器的补充，像Lyman-alpha;温度计、罗斯蒙特高度计、5孔湍流探头、气压和GPS高度计等，希望可以给出在夹卷和混合过程中分米尺度上的新信息。

起先，UFT、PVM和FFSSP被紧密安装在C-130飞机右机翼下面的一个吊舱里。不幸的是，由于技术原因（干扰一些其他仪器），最终，UFT 被转移到机翼的尖端，这导致PVM和FFSSP仪器被分开约6米，使它们比原来的情况下显示更少的信息。另外，机翼尖端强的震动对UFT的运行产生不利影响，甚至会导致一个或两个传感器引起严重的机械故障。结果，在九次的DYCOMS Ⅱ实验任务中，只有少数的飞行给出了有价值的数据。其中飞行05中的研究：2001年7月18日，6:25-15:40 UTC（当地晚上和清晨环境）被分析研究在这篇论文中。

  1. 层积云顶的一般大气条件

这个被研究的飞行时段里呈现出一个直径大约为60 km的飞行环，测量点大概位于30°N，120.5°W（从圣地亚哥西南偏西大约600km），测量时间于12:01-12:29 UTC。此次飞行是以颠动的方式在云上进行，连续地爬云再下降到云里，它的垂直速度约2m/s，周围实测气流速度范围为90-125m/s。

所研究的云是典型的海上层积云，据推测高度可能有600m（不是直接观测所得），而且云顶部高度范围约900m-1000m。这个云顶部被强烈的逆温层阻挡，云顶的典型温度是8.5°C，同时云上方的干空气温度为15°C。由Lyman-alpha;温度计推导得出的混合比率分别为云里7.5g/Kg和云上2.5g/Kg。云顶部的典型液水含量为0.6g/，大概接近它的绝热值。此次飞行研究的部分没有进行直接地垂直探测，但是测量或早或迟地显示：SST下表面空气温度约为2°C的云中或云下，存在一个很好的混合层。云下区的位温波动值范围大约0.4°C、露点温度波动值范围大约0.2°C，是什么导致了约50m高度范围云的局地变化？在逆温层上，大约至少500m厚的气层中存在一个近似等温的气层，但低湿层很薄，从几十到约200m，上述混合比例近乎云的标准值。混浊空气不规则的垂直上下起伏相当动荡（由5孔探头测量），变化在几个dm/s内（偶尔可以达到 /-1.5m/s），而且典型的水平尺度为50-200m。在逆温层以上的空气非常的平静，带有微弱的波动（通常不会超过 /-20cm/s），波长为200-1000m。在云和干空气之间的过渡层，存在非常猛烈地运动（图1：每20cm甚至更少的高度变化约2°C，由飞机路径和云边缘组成的倾角记录所得）。

图1 云边缘处的温度和LWC的剧烈变化。

注意测温和测湿仪器之间存在6m的距离。

  1. 混合模式的温度和LWC记录

在此次讨论的飞行记录中，UFT记录温度和PVM记录LWC以1kHz的采样频率采样，同时Lyman-alpha;混合率测量和其它辅助数据测量以25Hz的采样频率测量。本研究的主要课题是研究云中空气与干空气之间的过渡层内和逆温层上的暖空气的温度和LWC的结构。由于颠动的飞行方式和逆温层的波浪状，使这层的厚度是难以确定，但它将会被验证得出，其垂直范围大概不超过几米，以下是对此层典型温度和LWC的验证：

  1. 云内空气进入“纯”干空气（即逆温层上方的干暖空气）环境；温度和LWC典型的“纯”云内空气（即来自云内部的空气）（图2）。

图2

  1. 云内空气进入“纯”干燥环境；LWC减少至低于“纯”云内空气，中值温度介于“纯”云内空气和“纯”干空气之间（图3）。

图3

  1. 无云的空气进入“纯”干燥环境；中值温度介于“纯”干空气和“纯”云内空气之间（图4）。

图4

  1. LWC较小的云内空气进入“纯”云内环境；中值温度介于“纯”云内空气和“纯”干空气之间（图5）。

图5

  1. LWC较小的云内空气进入“纯”云内环境；温度接近“纯”云内空气（图6）。

图6

  1. 无云的空气进入“纯”云内环境；温度接近“纯”云内空气（图7）。

图7

  1. 无云的空气进入“纯”云内环境，中值温度介于“纯”云内空气和“纯”干燥的空气（图8）。

图8

进入的水平范围从分米到几百米不等。有时各种侵入会形成束状，这时“环境”就很难定义了，除非某些确切的入侵形式出现。对入侵尺度的解释必须很谨慎，我们应该记住观察到的只是随机线性横截面云的特性，防止小角度下的飞行方向宽度的定向狭长结构被过分高估。

混合模式的小波多尺度分析被验证，温度和LWC信号被分解为Haar小波，然后挑选小波分量分别绘制图像，以得到显示混合模式特征尺度的大致情况。（云内空气和清洁空气丝）此次研究个例的结果，按照据距云顶垂直距离的函数被绘制在图9和图10中。有趣的是，在云顶的部分，LWC略大（约1g/Kg），低于几米以下，类似的情况在其他的穿透云云顶也被观测到。图9和10检验显示出在整个云里面，显著的LWC波动尺度起伏，有1m、10m和100m。相反的是，最大的温度波动位于云顶附近，在云上具有显著变化。

图9 在左侧面板：记录绘制了倾斜渗透层积云的LWC一个高度函数（0对应于云顶）。

在Haar连续板的小波分量对应的小波长度分别是10cm，1m，10m和100m。

图10倾斜渗透层积云温度记录采用图9类似的方式。

  1. 不同混合模式下的假设机制

虽然现有的数据不能详尽地描述和解释层积云顶的混合过程，但是可以提出一些有关研究模式中温度和LWC物理形成机制的猜测。首先要注意，在“纯”云内空气和“纯”干空气之间，随着温度的跃变（约6°C）和垂直气流速度变化（分别约为1.5m/s和0.2m/s），云内空气进入干燥空气的惯性渗透很难超过5m，而对于干燥空气进入云内距离以厘米计。因此，最初混合阶段大概发生在云内空气进入干暖空气中。

等压均匀混合分析结果，对应了所研究的飞行过程显示的典型环境条件，均匀混合物质中有少约18%干空气临界量，均匀混合物质在包含约14%的干空气条件下，极小的衰减约0.3°C，温度不会超过“纯”云内空气。这相当于一个弱CTEI（云顶夹带不稳定性）的影响。对于均匀混合物质中含有较少的干空气，其中包含的液态水比“纯”云稍冷一些。

均匀混合物质中包含的液态水比“纯”云更冷，这个事实在模式2和4（入侵含有液态水温度比“纯”干空气较高）中显示，云和干空气组成的非均匀混合物温度小于UFT和PVM分辨率记录值。这种性质应该倾向于在温度不连续面上的流体静力学平衡，逐渐地向均匀化和形成逆温层的过渡层转变。这种情况应该在对应的模式3（相当于云顶空气进入暖干空气的入侵后期）中被观测到，和模式7（大概是卷夹混合空气被上升的云或惯性穿透云从上面吞没）。

我们可以怀疑，模式1提出了一个新的惯性云入侵到干空气的情况，它可以被视为任何其他模式的初始阶段。模式5和6（LWC减少或者没有，接近于多云环境的热平衡）反映了大概均匀（或接近均匀）混合包含不到临界分数的“纯”干空气，和由于轻微的负浮力下降到它的流体静力学平衡的云。在“纯”云附近的随后混合过程中，干空气必须保持亚临界值，并且以假设接近流体静力平衡的方式、混合速度和均匀化控制下的垂直速度的条件下，混合物质可能继续消退。通过对典型层积云整层的观测，混合物质的消散大概是观测的“孔”的形成原因。我们注意到这样的永久性沉降是可能的并且似乎是经常发生的，但在云的分层里是湿绝热，特别是在夜间从云顶部进行辐射冷却的层积云。这样的沉降可以额外增强的规模较大的环形对流或逆温层的重力波振荡。

  1. 致谢

由美国国家科学基金会支持，由DYCOMS II大气物理部参与，数据资料处理是由波兰国家科学研究委员会提供的法律支持。

  1. 参考文献

Brenguier, J.-L., et al., 1998: Improvements of droplet size distribution measurements with the Fast-FSSP (Forward Scattering Spectrometer Probe). J. Atmos. Sci., 55, 1077-1090.

Gerber, H., B.G. Arends, and A.S. Ackerman, 1994: A new microphysics sensor for aircraft use.Atmos. Res., 31, 235-252.

Gerber, H., S.P. Malinowski, J.-L. Brenguier, and F.Burnet, 2004: Holes and entrainment in stratocumulus. In this volume.

Haman, K.E., S.P. Malinowski, B. Strus, R. Busen, and A. Stefko, 2001: Two new types of ultra-fast aircraft thermometer. J. Atmos. Oceanic. Technol., 18, 117-134.

Khalsa, S.J.S., 1993: Direct sampling of entrainment events in a marine stratocumulus layer. J.Atmos. Sci., 50, 1734-1750.

Nicholls, S., 1989: The structure of radiatively drivenconvection in stratocumulus. Quart. J. Roy.Meteor. Soc., 115, 487-511.

Stevens, B., et al., 2003: Dynamics and chemistry of marine stratocumulus - DYCOMS-II. Bull.Amer. Meteor. Soc., 84, 579-593.

Wang, Q., and B.A. Albrecht, 1994: Observations of cloudtop entrainment in stratocumulus clouds.J. Atmos. Sci., 52, 2778-2787.

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