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湍流波动在气溶胶活化和云形成中的作用

  近日,《美国科学院院报》(PNAS)发表题为“湍流波动在气溶胶活化和云形成中的作用”(The role of turbulent fluctuations in aerosol activation and cloud formation)的研究论文指出,云的形成有三个阶段,其特征是环境中相对湿度(RH)值的分布与临界值之间的关系。云滴的形成除了要考虑RH的平均值外,还必须考虑RH的波动。

  云滴的形成是一种阈值现象;只有当局部相对湿度(RH)超过临界值时,液滴才会形成,该临界值取决于作为液滴种子的气溶胶粒子的大小和化学成分。在传统的观点中,只考虑RH的平均值。然而,云是无处不在的湍流,这意味着它们的特点不是一个单一的RH值,而是一个分布。

  气溶胶的间接气候效应涉及云的微物理和辐射特性的变化。当环境RH(饱和比)超过一个临界值(取决于气溶胶粒子的大小和化学成分)时,气溶胶颗粒会变成云滴。在这个问题的传统公式中,只考虑平均、均匀的饱和比。通过实验和理论,研究人员检验了湍流产生的波动的影响。在多相湍流云室中测量到,在云的形成过程中,存在从平均饱和比(RH)占主导地位到湍流波动决定云性质状态的转变过程。实验室测量了在湍流波动主导的情形下,平均亚饱和条件下(即相对湿度<100%)云的形成。为解释这些测量,研究人员根据环境饱和比的平均值和标准差的相对值,以及气溶胶颗粒变成液滴的临界饱和比的相对值,开发了一种理论框架,以预测从平均值主导到湍流波动主导的体制转变。

  该理论类似于随机凝结的概念,可用于大气环境中,验证由湍流波动驱动的云滴形式。它为未来云滴生成参数化的发展提供了一个基础,这种参数化超越了过去使用的内部均匀包裹计算。

  延伸阅读:https://www.arm.gov/research/highlights/955(吴灿编译)

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