張坤 羅濤 王菲菲 孫剛 劉慶 青春 李學(xué)彬 翁寧泉1) 朱文越1)?

1) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與光電技術(shù)學(xué)院,合肥 230026)

2) (中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,中國(guó)科學(xué)院大氣光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230031)

3) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院科學(xué)島分院,合肥 230026)

4) (先進(jìn)激光技術(shù)安徽省實(shí)驗(yàn)室,合肥 230037)

本文基于實(shí)測(cè)的熱力湍流探空數(shù)據(jù),使用WR95 方法識(shí)別低云的垂直結(jié)構(gòu),對(duì)比分析了低云與晴空天氣下大氣折射率結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣象條件和大氣穩(wěn)定度的平均統(tǒng)計(jì)結(jié)果.結(jié)果表明,低層薄云對(duì) 起伏變化的影響微乎甚微,僅僅表現(xiàn)出輕微增大的趨勢(shì),云底 相對(duì)于晴空天氣平均增大1.6 倍,云頂之上最大程度增大2.5 倍.低層中厚云在云頂處 相對(duì)于晴空天氣增大了3.80—6.61 倍,且云頂區(qū)域增大的幅度大于云底區(qū)域.云底區(qū)域大氣湍流特性受到地面熱力驅(qū)動(dòng)與低云冷卻的聯(lián)合作用,沉降氣流與地面向上氣流發(fā)生了耦合,增強(qiáng)了風(fēng)切變,在這一高度附近也出現(xiàn)了增強(qiáng).綜合對(duì)比晴空和有云天氣大小可知,云對(duì)的增強(qiáng)效應(yīng)大致在10–16 量級(jí).一方面,風(fēng)切變?cè)谠祈斕幓蛘咴祈斨线_(dá)到最大值;另一方面,因?yàn)樵祈敹滩ㄝ椛湓鰷睾烷L(zhǎng)波輻射冷卻的共同作用,云頂之上會(huì)形成不同厚度的逆溫層,致使云頂處位溫變化率急劇增大,Brunt-Vaisala 頻率 N2 值較晴空天氣下增大了0.5—3.0 倍;而云底區(qū)域 N2 均小于晴空天氣.由于云層多尺度活動(dòng)引發(fā)的湍流效應(yīng),勢(shì)必會(huì)引起對(duì)激光傳輸大氣效應(yīng)評(píng)估和訂正的偏差.正確掌握不同相態(tài)云層及邊界處湍流的變化規(guī)律,也可以為進(jìn)一步建立云層周圍大氣湍流的變化規(guī)律模型奠定基礎(chǔ).

1 引言

云覆蓋了地球約2/3 的面積,尤其是低云對(duì)地氣系統(tǒng)的輻射收支起到重要作用[1].低云參與著多種尺度的物理過程,從10–3—103m 不等,例如天氣和氣候變化、夾卷混合過程[2].因?yàn)椴煌叨然顒?dòng)間相互作用機(jī)制的復(fù)雜性,云在天氣和氣候變化中的作用仍然是不明確的[2?4].云在發(fā)展過程中,因?yàn)橥牧鲓A卷(通過云頂和側(cè)邊界,云內(nèi)外進(jìn)行熱量、動(dòng)量、水分和質(zhì)量的湍流交換)和動(dòng)力夾卷(由于云內(nèi)氣流的加速上升.根據(jù)質(zhì)量連續(xù)性的要求,四周空氣必然會(huì)流入云中進(jìn)行補(bǔ)償),環(huán)境空氣被不斷地卷入并與之混合[4].云內(nèi)湍流和夾卷混合不僅決定了云層的生命周期和形態(tài)結(jié)構(gòu)[5],而且影響著云的微物理特性.當(dāng)外部空氣從云的側(cè)邊界[6,7]或云頂[8]、云底[9]被夾卷進(jìn)入并滲透到云層內(nèi)部,云滴蒸發(fā)和沉降相繼發(fā)生以使卷入的干冷空氣達(dá)到飽和平衡狀態(tài)[9].因?yàn)橄♂屪饔?云內(nèi)水汽混合比、液態(tài)水含量、云滴濃度、云滴尺寸分布均會(huì)做出相應(yīng)的變化,直接影響著云的動(dòng)力和輻射特性[10,11].云頂長(zhǎng)波輻射冷卻、短波輻射增溫、風(fēng)切變均是產(chǎn)生湍流的機(jī)制,但是在不同時(shí)段的影響程度各不相同,尤其是早晚差異[12,13].

湍流誘導(dǎo)的夾卷混合會(huì)導(dǎo)致云層不穩(wěn)定(梯度理查森數(shù)Ri≤1)[14],伴隨著云內(nèi)和邊界強(qiáng)風(fēng)切變、溫度和濕度起伏,在云頂之上形成較為顯著的逆溫層[15,16].因夾卷混合引起的熱力和動(dòng)力變化直接影響著云周邊幾公里范圍大氣光學(xué)湍流[14].由于云頂輻射冷卻、云底增溫和大尺度風(fēng)切變運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的大氣湍流在大氣中是一種很常見的現(xiàn)象[17,18].這種現(xiàn)象在Paluch和Baumgardner 的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)過[19].

大氣湍流是一種具有強(qiáng)烈渦旋性的大氣不規(guī)則運(yùn)動(dòng),時(shí)刻存在于大氣層中.在自由空間光通信、激光雷達(dá)、光探測(cè)與測(cè)距、遙感和成像等實(shí)際應(yīng)用中,大氣湍流是重要的影響因素[20].光傳輸和激光探測(cè)中,如果光路中存在云層,云層周圍大氣密度、溫度、流體速度等的起伏變化不僅會(huì)對(duì)成像和激光系統(tǒng)的性能造成影響[21,22],而且云層周圍的湍流結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律對(duì)激光傳輸系統(tǒng)[23,24]和云的湍流建模都具有重要指導(dǎo)意義.但是,目前關(guān)于低云周圍大氣光學(xué)特性,尤其是針對(duì)大氣光學(xué)湍流強(qiáng)度的報(bào)道較少.本文基于實(shí)測(cè)的熱力探空數(shù)據(jù)識(shí)別低云的垂直結(jié)構(gòu),并從靜力和動(dòng)力兩個(gè)方面分析低云周圍大氣湍流參數(shù)的起伏變化.

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 試驗(yàn)與數(shù)據(jù)

2017 年11 月—12 月,中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所在中國(guó)山東半島(A 站點(diǎn))和浙江東部(B 站點(diǎn))兩個(gè)濱海站點(diǎn)進(jìn)行大氣湍流探測(cè)聯(lián)合試驗(yàn).A,B 兩站點(diǎn)在地理位置上具有南北(緯度)差異,大氣背景也就存在不同.相比A 站點(diǎn),B 站點(diǎn)的中下對(duì)流層(0—6 km,above ground level,AGL,下同)氣溫較高.試驗(yàn)期間,在沒有特殊天氣條件的情況下,每天早晚分別集中在07:30—08:00和19:30—20:00 兩個(gè)時(shí)間段進(jìn)行探空試驗(yàn).A 站點(diǎn)共釋放64 組探空氣球,最終高度均在24 km 之上;B 站點(diǎn)共釋放65 組,其中有5 組最終高度未達(dá)到20 km,但是不影響本文的研究?jī)?nèi)容.

基于北斗定位的TD2 型數(shù)字式電子探空儀搭載T,P,U 傳感器測(cè)量溫度、氣壓和濕度,風(fēng)速與風(fēng)向根據(jù)北斗定位計(jì)算得到,此外還搭載了安徽光機(jī)所研制的QHTP-2 型熱力湍流探空儀[25].其中,TD2 型數(shù)字式電子探空儀的傳感器參數(shù)如表1 所示.熱力湍流探空儀利用自研的溫度脈動(dòng)儀進(jìn)行湍流測(cè)量.溫度脈動(dòng)儀裝有兩個(gè)間距1 m 的鉑絲探頭(直徑為15 μm),利用鉑絲探頭的線性電阻-溫度特性,測(cè)量空間內(nèi)兩點(diǎn)間由于溫度脈動(dòng)起伏所引起的電壓變化,繼而得到兩點(diǎn)之間的溫度差.熱力湍流探空儀頻率響應(yīng)范圍為0.1—30.0 Hz,可測(cè)量的最小溫度起伏標(biāo)準(zhǔn)差不大于0.002 ℃,垂直分辨率為10 m.

表1 TD2 型氣象探空傳感器參數(shù)Table 1.Sensor parameters of TD2 type meteorological radiosonde.

在慣性子區(qū)內(nèi),溫度結(jié)構(gòu)函數(shù)DT滿足三分之二定律,因此,通過測(cè)量?jī)牲c(diǎn)溫差可以得到溫度結(jié)構(gòu)常數(shù)

其中T(x),T(x+r) 表示兩端鉑絲探頭的溫度;l0,L0分別表示內(nèi)尺度和外尺度長(zhǎng)度(單位為m).

2.2 云層垂直結(jié)構(gòu)識(shí)別方法

云垂直結(jié)構(gòu)（云低、云頂高度、云厚等參數(shù)）和相態(tài)變化與云輻射強(qiáng)迫作用息息相關(guān)[27],影響著地表能量收支[28].目前,基于探空數(shù)據(jù)識(shí)別云垂直結(jié)構(gòu)的方法主要有三種,分別為設(shè)定溫度露點(diǎn)差閾值法(Poore 法)[29]、計(jì)算溫度和濕度隨高度變化的二階導(dǎo)數(shù)法[30]和相對(duì)濕度閾值法(WR95 法)[31].WR95 法是目前基于探空數(shù)據(jù)識(shí)別云垂直結(jié)構(gòu)最成熟的方法,該方法改進(jìn)了Poore 的方法,通過取相對(duì)濕度閾值(84%—87%)判斷云層,其最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠連續(xù)地識(shí)別云層垂直結(jié)構(gòu).與毫米波云雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比結(jié)果表明,因?yàn)閃R95 方法識(shí)別高云的能力較弱,二者的相關(guān)系數(shù)為0.81,但是中低云情況的相關(guān)系數(shù)會(huì)更高[32].另外,WR95 識(shí)別結(jié)果與CloudSat 實(shí)測(cè)云垂直結(jié)構(gòu)的對(duì)比分析[33]也顯示了WR95 方法對(duì)識(shí)別中低云具有較好的可靠性與準(zhǔn)確性.在使用WR95 法時(shí),需要注意根據(jù)云的相態(tài)來選擇按照純液面還是純冰面計(jì)算相對(duì)濕度.當(dāng)溫度高于約–10 ℃時(shí),云多表現(xiàn)為水云;當(dāng)溫度低于–40 ℃時(shí),云多表現(xiàn)為冰云;而當(dāng)溫度介于–40 —–10 ℃時(shí),混合相云(即同時(shí)存在云水和云冰)的發(fā)生概率較高[34,35].根據(jù)掩星探測(cè)資料的對(duì)比研究結(jié)果表明[36],若把混合相云當(dāng)作純液相會(huì)漏檢測(cè)高云和多層云.如圖1 所示,如果使用液面相對(duì)濕度將會(huì)漏檢1.9 km 處的云.

圖1 WR95 法 識(shí)別云 層垂直結(jié) 構(gòu)示意圖(2017 年11 月15 日07:40 在A 站點(diǎn)的探空數(shù)據(jù)),藍(lán)色圓圈中即為厚度為20 m (小于30.5 m)的濕層Fig.1.Schematic diagram of WR95 method to identify the vertical structure of clouds (Radiosonde at Station A lunched at 07:40 on November 15,2017).The blue circle is the wet layer with a thickness of 20 m (less than 30.5 m).

因此,為提高識(shí)別精度,當(dāng)溫度低于–10 ℃時(shí),需要按照冰面飽和水氣壓重新計(jì)算新的相對(duì)濕度(RH-ice):

其中f為重新計(jì)算得到的RH-ice;e表示水汽壓;Es是指水汽達(dá)到飽和時(shí)的水汽壓強(qiáng).飽和水汽壓Es大小與溫度有直接關(guān)系.隨著溫度的升高,飽和水汽壓顯著增大.本文采用Goff-Gratch[37]公式計(jì)算溫度為t時(shí)的飽和水汽壓.

具體數(shù)據(jù)處理步驟為:1)按照上述公式,計(jì)算t<–10 ℃環(huán)境下,相對(duì)于冰相的濕度;2)識(shí)別相對(duì)濕度最小值大于84%,且最大值大于87%的云層;3)當(dāng)相鄰的兩個(gè)云層之間的距離小于300 m時(shí),視為一層云.

為進(jìn)一步提高識(shí)別的可靠性,數(shù)據(jù)分析中對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行了進(jìn)一步的篩選和分類.當(dāng)識(shí)別的云層厚度小于30.5 m[29]或云底高度小于500 m[38]時(shí),該層以濕層處理,不視為云層.同時(shí),探空儀中的濕度傳感器雖然容易受低溫的影響而降低準(zhǔn)確性,但不影響對(duì)流層中下部大氣濕度的測(cè)量精度[39].因此,本文著重研究低云（云底高度低于2.5 km AGL）的情況.此外,當(dāng)云層厚度大于2 km 時(shí)可能存在深對(duì)流云,對(duì)的影響機(jī)制較為復(fù)雜,本文研究中也暫不考慮.按照試驗(yàn)時(shí)間將數(shù)據(jù)分為早晨和晚上兩組分別進(jìn)行討論.

基于WR95 方法對(duì)A，B 兩站點(diǎn)低云垂直結(jié)構(gòu)的識(shí)別結(jié)果如圖2 所示，各類云層樣本數(shù)量統(tǒng)計(jì)歸納于表2 中.表3 中記錄了A,B 站點(diǎn)低云平均云底高度(cloud base height,CBH (HCB))、云頂高度(cloud top height,CTH (HCT))和云層厚度(?H).兩站點(diǎn)識(shí)別到低云的樣本出現(xiàn)概率為23.21%(A 站點(diǎn))和31.37%(B 站點(diǎn)).早晨不僅出現(xiàn)低云的概率低于晚上,而且云層厚度普遍薄于晚上組.

表2 2017 年11 月—12 月A,B 站點(diǎn)云垂直結(jié)構(gòu)篩選結(jié)果(括號(hào)內(nèi)表示“早晨組樣本數(shù)量”+“晚上組樣本數(shù)量”)Table 2.Recognition results of the cloud vertical structure at Station A and B from November to December,2017(“sample number in the morning group”+“sample number in the evening group”in parentheses).

表3 A,B 站點(diǎn)云層垂直結(jié)構(gòu)平均參數(shù)Table 3.Average parameters of cloud vertical structure at Station A and B.

圖2 WR95 法識(shí)別低云垂直結(jié)構(gòu)結(jié)果,數(shù)字表示每個(gè)樣本的云層厚度(單位為m) (a) A 站點(diǎn);(b) B 站點(diǎn),黑色和紅色分別代表早晨和晚上組;(c) 云層歸一化高度示意圖,其中,云層厚度 ? H=HCT–HCB,“圓點(diǎn)”代表云中高度(cloud middle height,CMH(HCM)),HCM=(HCB+HCT)/2Fig.2.The WR95 method identifies the results of the vertical structure of low clouds,and the numbers indicate the thickness of the each cloud layer (unit:m):(a) Station A;(b) station B.Black and red represent the morning and evening groups,respectively;(c) schematic diagram of cloud normalized height.Where,cloud thickness ? H=HCT–HCB,and the dots represent the height of the cloud middle height (CMH(HCM)),HCM=(HCB+HCT)/2.

3 結(jié)果與分析

圖3 A 站點(diǎn)薄云和晴空天氣下 廓線對(duì)比 (a) 彩色實(shí)線分別表示四個(gè)薄云周圍 廓線,線上的彩色圓圈和*分別表示相應(yīng)云層的CBH,CTH;(b) 四個(gè)薄云樣本 與同時(shí)段晴空天氣平均廓線的比值Ratio.(注:Ratio=log10(),為樣本(有云) ,為對(duì)照組(晴空)Fig.3.Contrast of profile under thin clouds and clear sky at Station A:(a) The colored solid lines indicate the profiles around the four thin clouds,the colored“o”and“*”on the lines indicate CBH and CTH of the corresponding clouds,respectively;(b) Ratio=log10() .is the of four thin clouds, is of the control group under clear sky.

圖4 為A,B 站點(diǎn)有云(低層中厚云,下同)與晴空天氣下的綜合對(duì)比情況.圖中黑/紅線為所有云層高度歸一化后的有云/晴空廓線的統(tǒng)計(jì)情況,同時(shí)段晴空廓線被稱為晴空對(duì)照組(下同).因?yàn)锽 站點(diǎn)早晨組的3 個(gè)樣本分布較為離散,給定義參照高度的范圍增加了難度,因此本文將不討論B 站點(diǎn)早晨組的情況.當(dāng)云層厚度大于1 km 時(shí),–?H以下會(huì)低于地面,因此圖4(b)和圖4(c)歸一化高度的下界為–?H.

圖4 有云與晴空天氣下對(duì)比 (a) A 站點(diǎn)早晨組;(b) A 站點(diǎn)晚上組;(c) B 站點(diǎn)晚上組Fig.4. for clouds and for clear sky:(a) The morning group at Station A;(b) the evening group at Station A;(c) the evening group at Station B.

圖5 A,B 站點(diǎn)中厚云層與晴空天氣下 的比值Fig.5.The ratio of with medium-thick clouds to under clear sky.

1)氣象條件對(duì)比分析

圖6 展示了有云與晴空天氣下氣象條件對(duì)比.A 站點(diǎn)緯度位置相比B 站點(diǎn)更偏北,因此整體而言A 站點(diǎn)溫度比B 站點(diǎn)低,這種熱力因素的系統(tǒng)性差異導(dǎo)致A 站點(diǎn)的整體弱于B 站點(diǎn).從11,12 月開始,隨著冷空氣的加強(qiáng)和南下,相對(duì)于B 站點(diǎn),A 站點(diǎn)大風(fēng)過程明顯增多[40,41].A 站點(diǎn)早/晚組有云情況相比晴空情況風(fēng)速增加、溫度降低,云頂以下風(fēng)速增加2—3 m/s、溫度降低6—8 ℃.根據(jù)環(huán)流場(chǎng)和歷史天氣顯示,可能為北方冷空氣入侵;云頂溫度處于–12 和–15 ℃之間(冰相或者混合相云).而B 站點(diǎn)有云和無云情況下風(fēng)速和溫度差異不明顯,有云時(shí)溫度甚至略高于晴空;云頂溫度在5 ℃左右(水云).

A 站點(diǎn)早晨組云位置相比其他組較高(平均云底位置1.36 km)、厚度薄(平均厚度0.25 km 左右),云頂存在較強(qiáng)的逆溫層,多對(duì)應(yīng)層云情況.云基本在邊界層頂以上,晴空和有云(除云影響以外)的廓線基本隨高度變化不大;而A,B 站點(diǎn)晚上組云的宏觀性質(zhì)較為接近,云位置相對(duì)低(平均云底位置1.0—1.1 km)、厚度大(平均厚度0.6 km左右),多對(duì)應(yīng)淺對(duì)流云情況,云頂大致在邊界層頂位置,可以發(fā)現(xiàn)晴空和有云(除云影響以外)的廓線基本隨高度遞減,其中B 站點(diǎn)由于地表溫度較高,底層湍流較強(qiáng),隨高度遞減的趨勢(shì)更為明顯.

2)大氣穩(wěn)定度分析

圖7 給出了有云和晴空情況下動(dòng)力(風(fēng)切變Shear)、熱力(位溫θ、Brunt-Vaisala 頻率N2)因素對(duì)比結(jié)果.大氣湍流的能量主要來源于動(dòng)力和熱力作用.前者是指在有風(fēng)向風(fēng)速切變時(shí),湍流切應(yīng)力對(duì)空氣微團(tuán)做功;后者是指在不穩(wěn)定條大氣中,浮力對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)的空氣微團(tuán)做功,使湍流增強(qiáng).

圖7 A,B 站點(diǎn)有云與晴空天氣下動(dòng)力(風(fēng)切變)和熱力特征(Brunt-Vaisala 頻率和位溫)對(duì)比 (a),(d) A 站點(diǎn)早晨組;(b),(e) A站點(diǎn)晚上組;(c),(f) B 站點(diǎn)晚上組Fig.7.Comparison of dynamic (wind shear) and thermal characteristics (Brunt-Vaisala frequency and potential temperature) with clouds and clear sky:(a),(d) The morning group at Station A;(b),(e) the evening group at Station A;(c),(f) the evening group at Station B.

在云頂附近,A,B 站點(diǎn)有云時(shí)風(fēng)切變相比晴空均出現(xiàn)了增強(qiáng).其中,A 站點(diǎn)早、晚兩組中,晴空對(duì)照組的風(fēng)切變(紅線)在整個(gè)對(duì)照高度上基本維持在(0.01 ± 0.003) s–1左右,尤其是早晨對(duì)照組的風(fēng)切變基本上保持在定值(0.01 s–1).當(dāng)存在低云時(shí),–?H之上風(fēng)切變呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),其中早晨組在+0.5 ?H處達(dá)到極大值,增大了0.012 s–1,這種強(qiáng)切變保持了約0.5 ?H,隨后迅速減小;類似地,A 站點(diǎn)晚上組在–?H—+1.2 ?H區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)出增大的趨勢(shì),增大了0.013 s–1,隨即迅速減小;B 站點(diǎn)在云頂(+0.5 ?H)處同樣出現(xiàn)了最大值.而在云中上部到1.0 ?H—1.5 ?H附近,A 站點(diǎn)早、晚均出現(xiàn)了遠(yuǎn)強(qiáng)于晴空的強(qiáng)逆溫層,N2達(dá)到4× 10–4—6 × 10–4s–2;B 的云頂位置接近于晴空情況時(shí)的邊界層蓋頂逆溫層的位置,因此逆溫層強(qiáng)度相與晴空時(shí)差不多,N2達(dá)到4 × 10–4s–2左右.云頂?shù)妮椛淅鋮s和蒸發(fā)冷卻是產(chǎn)生逆溫層的有利條件[42,43],云頂發(fā)射熱紅外輻射產(chǎn)生的湍流混合會(huì)加劇夾卷率[44],同時(shí)云頂強(qiáng)逆溫也會(huì)抑制氣流的上升,而向水平方向傳輸,從而增強(qiáng)云頂風(fēng)切變.云頂或云頂之上由于天氣系統(tǒng)或云頂形成的強(qiáng)風(fēng)切變也會(huì)誘發(fā)強(qiáng)湍流和夾卷更多潮濕的空氣從云頂或者邊界進(jìn)入到云層內(nèi)部,同時(shí)也會(huì)使得云底的感熱和潛熱以強(qiáng)湍流為載體傳輸?shù)皆祈?以補(bǔ)償云頂?shù)妮椛淅鋮s和蒸發(fā)冷卻[45,46].

在云底以下,A,B 兩地有低云存在時(shí)的風(fēng)速切變均小于或與晴空時(shí)的風(fēng)切變相當(dāng),其中A 站早、晚組有低云存在時(shí)(黑線),云底–0.5 ?H到–?H附近的風(fēng)切變均弱于晴空對(duì)照組,在–?H處二者的差值最大,對(duì)照組約是有云天氣下的2 倍,而B 站點(diǎn)云底之下有云和晴空的風(fēng)切變大小相當(dāng).低云云底與地面之間的區(qū)域中,大氣湍流特性受到地面熱力驅(qū)動(dòng)與低云冷卻的聯(lián)合作用,在–?H到–1.5 ?H附近沉降氣流與地面向上氣流發(fā)生了耦合,增強(qiáng)了風(fēng)切變,在這一高度附近也出現(xiàn)了增強(qiáng).云底區(qū)域的靜力不穩(wěn)定性相比晴空天氣出現(xiàn)了大幅增強(qiáng),即具有較小值的N2,最小可達(dá)6 × 10–5s–2.

4 結(jié)論

云在發(fā)展過程中,上升氣流不斷地在邊界與周圍的干空氣夾卷混合.在湍流混合和動(dòng)力夾卷的共同作用下,云內(nèi)外進(jìn)行了熱量、動(dòng)量等湍流交換.夾卷混合的固有屬性,改變了云層周圍環(huán)境的大氣動(dòng)力、熱力特性,進(jìn)而不同程度地影響云內(nèi)及云層上下一段距離的.本文基于湍流探空數(shù)據(jù),采用WR95 法識(shí)別云層的垂直結(jié)構(gòu),通過對(duì)比有云和晴空的情況,分析了低云附近大氣湍流參數(shù)的變化特征.與晴空天氣相比,薄云(云厚度 <150 m)由于本身夾卷程度較弱,因此對(duì)周圍大氣環(huán)境的影響很小.而中厚度(數(shù)百米至1 km 左右)的低云能影響和增強(qiáng)云頂以上0.5 ?H范圍內(nèi)、云底1?H范圍內(nèi)的,增強(qiáng)效應(yīng)大致在10–16量級(jí).云頂區(qū)域湍流強(qiáng)度增強(qiáng)是風(fēng)切變和云頂夾卷過程的共同作用,云底以下則主要是熱力驅(qū)動(dòng)與低云冷卻的聯(lián)合作用.根據(jù)混合和蒸發(fā)時(shí)間尺度的大小,強(qiáng)湍流和弱湍流背景下分別對(duì)應(yīng)著均勻夾卷和極端非均勻夾卷過程[47].云對(duì)湍流強(qiáng)度的增強(qiáng)效應(yīng)多發(fā)生在非均勻夾卷混合機(jī)制中,如A 站點(diǎn);而B 站點(diǎn)晚上組偏向于均勻混合,增強(qiáng)效應(yīng)較弱.

諸如輻射冷卻、蒸發(fā)冷卻、風(fēng)切變之類的云邊界小尺度活動(dòng)和云相態(tài)是影響夾卷混合速率的重要參數(shù)[48].小尺度活動(dòng)的并發(fā)行,共同控制著云頂不穩(wěn)定性.云與自由大氣最大的區(qū)別就是由這些小尺度活動(dòng)引起的對(duì)流不穩(wěn)定,即產(chǎn)生大氣湍流的有利條件.其中,輻射冷卻是產(chǎn)生湍流的主要機(jī)制之一,其他現(xiàn)象可以與之聯(lián)合作用.長(zhǎng)波輻射冷卻對(duì)夾卷率的直接影響表現(xiàn)在云體溫度急劇下降,有利于逆溫層的形成,使云層處于不穩(wěn)定狀態(tài).盡管輻射和蒸發(fā)冷卻是產(chǎn)生湍流的主導(dǎo)因素,但是它們?nèi)菀资艿皆祈斊渌顒?dòng)的影響,例如風(fēng)切變.上升氣流會(huì)被逆溫層偏轉(zhuǎn)到水平方向上,導(dǎo)致風(fēng)切變?cè)龃?強(qiáng)風(fēng)切變引起的湍流混合作用,一方面會(huì)從云頂或者側(cè)邊界卷入外部干空氣;另一方面會(huì)從云底向上傳輸潛熱和感熱以補(bǔ)償云頂輻射冷卻[45],從而造成云底的靜力不穩(wěn)定性.另外,風(fēng)切變會(huì)正反饋于夾卷混合.

雙點(diǎn)溫度脈動(dòng)儀在云中測(cè)量時(shí),可能會(huì)存在小的測(cè)量誤差,因此文中著重分析了云底和云頂區(qū)域的情況.其中,溫度脈動(dòng)儀的鉑絲在云底區(qū)域還沒受到云層高濕度的影響,結(jié)果較為可靠;當(dāng)溫度脈動(dòng)儀穿過并離開云層,進(jìn)入未飽和大氣中時(shí),因?yàn)閾]發(fā)性,粘附在鉑絲上的水汽很快揮發(fā).本文僅僅是從趨勢(shì)變化上,提到了云中的起伏變化,但沒有過多的分析與討論.溫度脈動(dòng)儀旨在測(cè)量雙點(diǎn)溫差,雙探頭受到同樣的影響時(shí),溫差的測(cè)量誤差會(huì)更小.即使是鉑絲探頭粘附了水,降低傳感器的靈敏度,這樣造成的不良影響是測(cè)量不到弱湍流的情況,但是,實(shí)際情況上,云層內(nèi)部及附近的湍流強(qiáng)度較強(qiáng).圖4 中有云與晴空天氣下對(duì)比顯示,有云情況下的標(biāo)準(zhǔn)差與晴空天氣下大小相當(dāng),并沒有出現(xiàn)云中較大起伏的現(xiàn)象.在文獻(xiàn)調(diào)研中,并未發(fā)現(xiàn)云層對(duì)溫度傳感器測(cè)量誤差的影響的相關(guān)研究,下一步計(jì)劃開展相應(yīng)的研究.另外,A,B 站點(diǎn)低云分別對(duì)應(yīng)混合相云和低云,不同相態(tài)的云具有不同的吸收和散射特性;且兩站點(diǎn)有云時(shí)大氣折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)、氣象條件以及大氣穩(wěn)定度表現(xiàn)出不同的量化特征.兩站點(diǎn)低云的相態(tài)對(duì)這種差異性的貢獻(xiàn)率還有待于進(jìn)一步的研究.

大氣湍流作為一種具有強(qiáng)烈渦旋性的運(yùn)動(dòng),是影響激光傳輸效果的主要因素之一,也是諸如成像型激光探測(cè)之類的激光工程的主要限制因素.由于自然界云的多發(fā)性,激光光路上或光路周圍不可避免的會(huì)存在云層的情況,如果忽略云層多尺度活動(dòng)引發(fā)的湍流效應(yīng),勢(shì)必會(huì)引起對(duì)激光傳輸大氣效應(yīng)評(píng)估和訂正的偏差.本文的研究可以為進(jìn)一步建立云層周圍大氣湍流的變化規(guī)律模型奠定基礎(chǔ).