云的流体动力学
在一系列特邀论文中，研究人员讨论了减少与云形成和传输相关的气候模型不确定性的新工具。
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为了预测天气与气候模式，气象学家使用计算密集型大气环流模型（GCMs）这些模型通过解出描述地球大气的流体性质是如何演变的方程来运作，但他们很难描述一个关键的大气特征：云。本月，《流体物理评论》（Physical Review Fluids）发表了一系列论文，描述了在建模云如何生长及其与周围环境相互作用时减少不确定性的最新方法。这些论文与APS流体动力学分部第73届年会上云物理小型研讨会上的特邀演讲有关。
一个多云问题涉及积云在形成时与周围空气和湿气混合或夹带的速度。空气测量提供的证据显示描述这一过程的最好方法是将其描述为一系列随时间发展的空气柱：每一个柱（或热柱）上升到高度更高的大气中，并且比前一个柱含有更多的水分。然而，模拟环境条件如何影响这些云中的水分吸收，从而影响云层的气候效应，已被证明是非常困难的。瑞典北欧理论物理研究所的Ravichandran 和印度阿瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心的 G. R. Vybhav研究了干热和湿热气形成积云时，夹带速率如何不同[1]。
为了找出控制夹带水量的因素，Ravichandran和Vybhav对不同温度和密度分布的大气中的热上升进行了数值模拟。他们模拟了具有层流和湍流行为的干湿热力。两人发现，随着浮力的增加，夹带率会增加。这种浮力变化可能是由于冷凝加热或周围大气的不稳定分层造成的。在湿热环境中，浮力的增强增加了湍流的强度。研究人员得出结论，当最初的干热变湿时，湍流对夹带变得很重要。与之前的研究相反，他们表明，潮湿的热力导致积云比干燥的积云更大。
在一项单独研究中，印度国际理论科学中心的Ravichandran和Rama govindarazhan解释了一种在2017年被国际气象组织官方指定的特殊形态的云[2]。研究人员最初提出，所谓的asperitas云-波纹状的波浪状结构，看起来像从下面看到的粗糙的海面，起源于分层云层中的差异剪切力。相反，Ravichandran 和Govindarajan认为，这些云是在沉降时形成的，水滴的蒸发导致云层不稳定。他们的模型表明，对于特定的液滴尺寸和大气液态水含量，会形成一层稠密的空气层并变得不稳定。由液滴蒸发驱动的小尺度湍流通常会分散该层，但当湍流被背景剪切力抑制时，致密层会持续存在，当致密层通过下面密度较低的层沉降时，会产生独特的asperitas结构。
在另一篇论文中，在威斯康星大学的Tianhong Huang和他的同事们描述了一种能帮助解释云分布模式中存在的巨大空间尺度的模拟框架。很难在气候模型中再现这一范围，从而导致模型预测的不确定性[3]。研究人员开发了基于形状和尺寸都是随机确定的云团。在这项数值模拟中，云会自动演变来适应模拟中网格间距的大小因而可以更容易地合并到一般模型中。这些结果展示了一种在理想的气候变化模拟中云能对其造成怎样影响的新的可能性。
#文本编辑：
编译：Thomas
排版：NanProud
#参考来源：
原文作者：Rachel Berkowitz
原文网址：https://physics.aps.org/articles/v15/s67
#参考文献：
1. G. R. Vybhav and S. Ravichandran, Phys. Rev. Fluids 7, 050501 (2022).
2. S. Ravichandran and R. Govindarajan, Phys. Rev. Fluids 7, 010501 (2022).
3. T. Huang et al., Phys. Rev. Fluids 7, 010502 (2022).
