层积云中夹卷混合机制的尺度依赖特征研究

云的夹卷混合过程对地气系统的辐射传输过程，暖云降水过程和气溶胶的间接效应都有重要影响。根据干空气被卷入云内之后对云滴谱的不同影响，将夹卷混合过程分为均匀夹卷与极端非均匀夹卷过程。在均匀夹卷混合过程中，所有云滴尺度同时减小，云滴个数保持不变；在极端非均匀夹卷混合过程中，紧邻干空气的部分云滴完全蒸发，云滴个数减小，云滴尺度保持不变。

目前夹卷混合机制研究面临的问题是，在微物理方案中，夹卷机制的设定过于简单，仅仅假定为某种极端的机制，但观测中夹卷混合机制往往介于两者之间。因此定义了均匀混合百分比这个无量纲量来表征夹卷混合机制，该量不仅涵盖了两种极端机制的情况，还可以表征中间状态。以往研究表明当采样尺度不同时，会呈现不同的夹卷混合机制，即夹卷混合机制具有尺度依赖性。不同模式的分辨率不同，因此在不同分辨率的模式中假定为何种夹卷机制的问题十分重要。

之前的研究通过计算不同采样尺度下的均匀混合百分比，发现它随采样尺度的增大而减小，即夹卷混合机制随采样尺度的增大由均匀向非均匀转化。我们通过对飞机观测资料的计算，结果表明，一部分个例中，夹卷混合机制随采样尺度增大变得更加非均匀，这与以往研究结论一致；另一部分个例中，夹卷混合机制随采样尺度增大变得更加均匀，这与以往研究结论相反。为了探究影响尺度依赖的因子，我们建立了一个简单的推导模型，模型中用不同采样尺度的均匀混合百分比差值表示夹卷混合机制的尺度依赖。推导结果表明，微物理量和夹卷干空气的相对湿度会影响尺度依赖的方向和强度，而夹卷干空气的尺度仅仅影响尺度依赖的强度，不改变其方向。为了证实推导，用飞机观测资料得到了类似的结果。为了同时考虑所有的影响因子，定义了两个新的无量纲参数，可以更好地表征夹卷混合机制的尺度依赖特征。

由于不同的模式分辨率不同，以上结论为不同分辨率下的模式中夹卷混合过程的参数化提供了理论依据和参考，也提出了新的挑战。上述研究成果已在Geophysical Research Letters上，得到了国家重点研发项目（2017YFA0604000），江苏省自然科学基金（BK20160041），国家自然科学基金（41822504，91537108），江苏省青蓝工程（R2018Q05）和江苏省六大人才高峰（2015-JY-011）的资助。

图1.夹卷混合机制的两种不同的尺度依赖特征。

Sinan Gao, Chunsong Lu, Yangang Liu, Fan Mei, Jian Wang, Lei Zhu, Shuqi Yan (2020). Contrasting Scale Dependence of Entrainment-Mixing Mechanisms in Stratocumulus Clouds, Geophysical Research Letters, 2020, 47, (9).