基于观测资料和数值模拟的积云夹卷混合过程研究

Entrainment-mixing processes in cumulus clouds are very important for cloud-climate feedbacks and warm-rain initiation. Studies on the entrainment-mixing processes have two sides: entrainment rate and mixing-evaporation mechanisms. Entrainment rate is the speed at which dry air is entrained into clouds and mixing-evaporation mechanisms are evaporation processes of cloud droplets in dry air. Until now, understanding of the two sides is still a matter of debate, and it is needed to carry out comprehensive studies on the above two sides and on how entrainment rate affects cloud microphysical properties and cloud droplet size distributions. In this project, based on the dataset of cumulus clouds from aircraft observations, the effects of entrainment rate on cloud microphysical properties and cloud droplet size distributions will be studied with the entrainment rate estimation approach, which was recently developed by the applicant; different mixing-evaporation mechanisms will be distinguished with a dimensionless number recently defined by the applicant, and taking this dimensionless number as a connection between entrainment rate and mixing-evaporation mechanisms, the relationships between the two sides will be studied comprehensively. A high-resolution entrainment-mixing parcel model will be used to study entrainment-mixing processes from a microscopic point of view. The simulations will also be used to examine the effects of entrainment rate on cloud microphysical properties and cloud droplet size distributions, and the relationships between entrainment rate and mixing-evaporation mechanisms. Finally, the results from the simulations will be combined with those from the observations. The conclusions of this study will be useful to improve parameterizations of entrainment-mixing processes in low-resolution models and enhance their abilities to simulate and forecast climate/weather.

积云中的夹卷混合过程对云与气候之间的反馈过程以及暖云降水过程有着重要的影响。夹卷混合过程的研究包括夹卷率和混合蒸发机制两个方面，分别为干空气被卷入云内的速率，以及云滴在干空气中的蒸发过程。目前对这两方面的认识处于争论之中，迫切需要对这两方面进行综合研究，并探讨夹卷率对云微物理量、云滴谱型的影响。本项目基于积云飞机观测资料（已获得），利用申请人最近开发的夹卷率估算方法，研究夹卷率对云微物理量、云滴谱型的影响；利用申请人最近提出的一个无量纲数，区分不同的混合蒸发机制，并以该无量纲数为衔接点，综合研究夹卷率与混合蒸发机制之间的关系。利用高分辨率的夹卷混合气泡模式，从微观角度研究夹卷混合过程的机理；模拟研究夹卷率对云微物理量、云滴谱型的影响以及夹卷率和混合蒸发机制之间的关系，并与观测结果结合进行分析。所得结果将有利于改进低分辨率模式中夹卷混合过程的参数化方案，增强模式对气候/天气的模拟和预测能力。

湍流夹卷混合过程影响着云滴谱增宽和暖云降水问题。随着气候相关研究的深入，科学家们逐步认识到湍流夹卷混合对云微物理和辐射特性的影响，他们对深入理解夹卷混合过程越来越感兴趣。对流参数化方案在很大程度上影响着云-辐射-气候之间的相互影响以及模式对降水、台风和季节内震荡的模拟效果。夹卷率是对流参数化方案内的一个重要参量，它影响着对流云内的热量和水汽的垂直输送，其值的变化甚至能延迟对流降水的日变化，所以最近几十年科学家们对夹卷率进行了深入的研究。夹卷率的概率密度分布函数（PDF）都能较好的被这三个拟合函数（对数正态分布、伽玛分布、威布尔分布）所拟合，对应的确定系数均大于0.80。从确定系数的大小来看，伽马分布比另两个分布函数的拟合效果更好。夹卷率的PDF表明不同的云具有不同的夹卷率，因此有必要探究夹卷率与云性质之间的关系。由于夹卷能促进云滴的稀释和蒸发作用，更多环境空气的夹卷可导致云内数浓度和含水量减小。夹卷率与垂直速度、湍流耗散率和浮力之间呈负相关关系。夹卷率较大导致云层温度较低，进而导致浮力较小。夹卷率较大导致垂直速度较小，是由于垂直速度直接受浮力的影响并且夹卷混合过程会带来阻力。垂直速度较小会降低垂直速度的水平切变，这对于湍流强度很重要，从而导致耗散率较小。此外，垂直速度较小意味着云上升一定高度所需的时间更长，更长的相互作用时间导致更大的夹卷率。随着云滴谱采样频率的减小，云中的均匀混合百分比减小，即混合蒸发机制从均匀混合向极端非均匀混合过渡。均匀混合百分比的尺度依赖性可以用指数函数拟合，这为建立混合蒸发过程的尺度依赖参数化方案打下基础。本项目的研究结果增强了对夹卷混合过程的理论认识，有利于促进云微物理和对流参数化方案的改进，提高模式对云和降水的模拟能力。