解耦的海洋性層積云頂邊界層湍流與云微物理特征

摘要 基于POST觀測(cè)計(jì)劃中獲得的海洋性層積云頂邊界層內(nèi)高頻氣象資料和云微物理資料，在選取解耦個(gè)例基礎(chǔ)上研究解耦邊界層湍流和云微物理特征及成因。結(jié)果表明，過(guò)渡層的大氣靜力穩(wěn)定度較強(qiáng)，抑制向上浮力做功，使得湍流動(dòng)能迅速消耗殆盡，實(shí)現(xiàn)邊界層解耦。湍流動(dòng)能最大值出現(xiàn)在云內(nèi)，主要與云頂降溫、大云滴下落沉降拖曳帶來(lái)的下沉氣流增強(qiáng)及云底之上附近凝結(jié)增長(zhǎng)潛熱釋放產(chǎn)生向上浮力作用有關(guān)。近地面層的浮力項(xiàng)和切變項(xiàng)對(duì)湍流動(dòng)能都起到增強(qiáng)作用，并以切變項(xiàng)的貢獻(xiàn)更為顯著，云內(nèi)的湍流動(dòng)能是以浮力項(xiàng)貢獻(xiàn)為主。過(guò)渡層附近存在向下的熱通量，抑制了熱量向上輸送和向上浮力項(xiàng)的增強(qiáng)，促進(jìn)解耦發(fā)生。云內(nèi)存在向上感熱通量，其最大值及其出現(xiàn)高度主要與云頂冷卻和云中下部的凝結(jié)潛熱加熱有關(guān)。云頂之上濕層促進(jìn)了潛熱通量的向下輸送，增強(qiáng)了云內(nèi)水汽含量，為解耦邊界層云的發(fā)展起到正反饋?zhàn)饔谩Ｔ祈敻×Φ罐D(zhuǎn)引起的云中湍流混合呈現(xiàn)非均勻性，并進(jìn)一步導(dǎo)致絕熱或超絕熱液滴出現(xiàn)，促進(jìn)凝結(jié)和碰并增長(zhǎng)的增強(qiáng)，同時(shí)云頂之上濕層進(jìn)一步對(duì)云中的微物理增長(zhǎng)起到了重要的推動(dòng)作用。云底因夾卷混合表現(xiàn)為均勻混合特征。

關(guān)鍵詞解耦;層積云頂邊界層;湍流;夾卷;云微物理

海洋性低云能有效地將入射的太陽(yáng)輻射反射回宇宙空間，同時(shí)微弱地減少向空間發(fā)射的地面輻射，從而對(duì)地球產(chǎn)生強(qiáng)烈的冷卻作用。研究顯示海洋性低云的全球覆蓋率和反射率的變化有可能會(huì)放大或減輕全球變暖（Norris et al.，2016;Zhu et al.，2019;謝冰等，2023）。例如，隨著氣候變暖，海洋性低云全球覆蓋率或反射率的降低，將放大大氣中溫室氣體濃度增加所產(chǎn)生的正輻射強(qiáng)迫，放大全球溫度響應(yīng)。由于氣候模式對(duì)控制海洋性低云的可變性及其對(duì)氣候擾動(dòng)反應(yīng)的關(guān)鍵物理過(guò)程的描述存在不確定性，造成其對(duì)氣候敏感性估計(jì)存在很大不確定性，所以大多數(shù)全球氣候模式未能真實(shí)地模擬出低云過(guò)程（Qu et al.，2014;Sherwood et al.，2014;Myers and Norris，2015;Zelinka et al.，2016，2020）。

層積云（thEpOu53Z0ENclM+f/sqwTVmRAeHxY25N0HwkagqPWk=Stratocumulus，Sc）是覆蓋地表最多的海洋性低云，在大氣層頂（Top of the Atmosphere，TOA）和地表輻射收支中發(fā)揮著特別關(guān)鍵的作用（Wood，2012）。海洋性Sc優(yōu)先形成于淺層、混合良好、與地表耦合的邊界層中，該邊界層被逆溫層所覆蓋，逆溫層位于干燥和下沉的自由對(duì)流層之下，普遍存在于東副熱帶海面和中緯度氣旋的冷鋒后（Norris and Iacobellis，2005;Naud et al.，2016）。當(dāng)前研究顯示，Sc云量受邊界層特征和云微物理過(guò)程的影響，如海表溫度、逆溫層強(qiáng)度、云滴生長(zhǎng)機(jī)制等，其背后的物理機(jī)制涉及輻射、湍流和微物理之間的密切相互作用。當(dāng)海面溫度（Sea Surface Temperature，SST）越冷（Norris and Leovy，1994）、覆蓋海洋邊界層頂?shù)哪鏈卦綇?qiáng)（Wood and Bretherton，2006）時(shí)，Sc云量越多。較強(qiáng)的云內(nèi)潛熱增強(qiáng)湍流和自由對(duì)流層空氣卷入邊界層，從而減少低云。低層干冷空氣平流至暖水面上空時(shí)使得海洋性邊界層出現(xiàn)不穩(wěn)定，增強(qiáng)海-氣感熱通量和潛熱通量，從而有利于產(chǎn)生更多的低云（Scott et al.，2020）。綜上可見，開展邊界層與Sc的研究有助于探究邊界層與Sc間的相互作用機(jī)理，對(duì)區(qū)域及全球氣候變化的理解以及提高模式對(duì)低云的描述均有重要意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值（劉艷和翁篤鳴，2000;IPCC，2013;張小華等，2015;譚紅建等，2022）。

邊界層的垂直結(jié)構(gòu)對(duì)Sc特征起到了決定性作用（Wyant et al.，2010），而邊界層的垂直結(jié)構(gòu)取決于層積云與海表通量特別是潛熱和感熱通量的耦合程度（Bretherton and Wyant，1997;Xiao et al.，2011年;韓永翔等，2016;Zheng et al.，2018），當(dāng)對(duì)流混合在整個(gè)層積云頂邊界層（Stratocumulus-Topped Boundary Layer，STBL）內(nèi)存在時(shí)，邊界層處于耦合狀態(tài)，而當(dāng)對(duì)流混合在整個(gè)邊界層減弱時(shí)，層積云層中由輻射驅(qū)動(dòng)的湍流和地面混合層中由地表通量驅(qū)動(dòng)的湍流開始分離，就會(huì)產(chǎn)生解耦（Jones et al.，2011;Zheng et al.，2018）。

當(dāng)前研究顯示STBL的解耦機(jī)制非常復(fù)雜，存在很大的不確定性。北極地區(qū)由于其特殊的地表特征，地表湍流相對(duì)較弱，而當(dāng)云混合層不是很厚時(shí)就會(huì)出現(xiàn)解耦（Brooks et al.，2017）。副熱帶地區(qū)STBL解耦是通過(guò)減弱與STBL深度相關(guān)的由輻射驅(qū)動(dòng)的環(huán)流強(qiáng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，如日間短波輻射加熱抵消長(zhǎng)波冷卻（Nicholls，1984;Jones et al.，2011），或通過(guò)卷入大量的暖干空氣使得STBL加深至湍流不足以維持混合（Bretherton and Wyant，1997）來(lái)實(shí)現(xiàn)。邊界層的解耦還可以通過(guò)雨滴形成放出的潛熱加熱云層，抑制云內(nèi)向下的湍流運(yùn)動(dòng)，同時(shí)雨滴在下落過(guò)程中蒸發(fā)吸收潛熱冷卻云下層、抑制向上湍流運(yùn)動(dòng)，向上和向下的湍流分離實(shí)現(xiàn)降雨解耦（Jones et al.，2011）。混合良好的STBL存在暖平流時(shí)，邊界層加深-變暖實(shí)現(xiàn)解耦（Bretherton and Wyant，1997）。

鑒于邊界層解耦機(jī)制的復(fù)雜性及邊界層湍流與層積云微物理過(guò)程間存在復(fù)雜的相互作用，為了提升層積云頂邊界層在氣候模式中的描述能力，需要對(duì)STBL的解耦機(jī)制及其與云微物理的相互反饋進(jìn)一步開展詳細(xì)探究。因此，本研究基于層積云頂物理（Physics of Stratocumulus Top，POST）觀測(cè)計(jì)劃中獲得的氣象要素、輻射及云物理資料，對(duì)POST觀測(cè)期間解耦邊界層湍流特征及其與云微物理間的相互作用機(jī)制進(jìn)行研究。

1 資料和方法

1.1 資料

POST是2008年7—8月在美國(guó)蒙特雷灣（Monterey Bay）附近開展的綜合性觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。觀測(cè)使用CIRPAS Twin Otter飛機(jī)，其是對(duì)邊界層湍流觀測(cè)的理想平臺(tái)（Malinowski et al.，2013；Jen-La Plante et al.，2016）。CIRPAS Twin Otter的飛行速度約為55 m·s-1。氣象變量在40 Hz下采集（包括風(fēng)速分量、水汽混合比和位溫等），本研究采用320個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行雷諾分解來(lái)求其平均值和湍流值（Dodson and Griswold，2020），對(duì)應(yīng)于時(shí)間長(zhǎng)度8 s、水平距離約410 m、垂直距離約11 m的時(shí)空距離。云微物理量用CAS（Cloud and Aerosol）探頭進(jìn)行觀測(cè)，該儀器測(cè)量的云滴粒徑有20檔，粒徑范圍為0.58～50.1 μm，本文選用第11檔（2.42 μm）到第20檔（50.1 μm）之間的數(shù)據(jù)（Yeom et al.，2017），其時(shí)間分辨率為1 Hz。輻照度資料的時(shí)間分辨率為1 Hz，包括太陽(yáng)輻射和紅外輻射。

1.2 研究方法

關(guān)于解耦的判定方法，本文參考Jones et al.（2011）的研究方法來(lái)判定大氣邊界層解耦狀態(tài)。當(dāng)邊界層處于解耦狀態(tài)時(shí)，云下層底部總水混合比qt，bot與頂部總水混合比qt，top差值Δqt大于0.5 g·kg-1，且云下層底部液態(tài)水位溫θl，bot與頂部液態(tài)水位溫θl，top差值Δθl大于0.5 K。

邊界層高度zi：水汽混合比qv隨高度變化量≥0.1 g·kg-1且θ隨高度的變化量≥0.2 K的高度為邊界層高度（Dodson and Griswold，2020）。本文采用的高度均為標(biāo)準(zhǔn)化高度，便于不同云段間的對(duì)比分析。標(biāo)準(zhǔn)化高度為z/zi，其中z為高度（m）。

碰并閾值Tf：量化云滴間的碰并程度，Tf在0～1之間變化，其值越大，表示碰并越強(qiáng)，具體參見Liu et al.（2005）和芮雪等（2022）。

2 研究結(jié)果

2.1 解耦邊界層個(gè)例篩選

本文所用觀測(cè)資料均來(lái)自于對(duì)日間邊界層的垂直探測(cè)，探測(cè)方式為在邊界層底部和頂部做垂直和水平交替飛行，具體探測(cè)方案如圖1所示，本文只選取穿透整個(gè)邊界層的時(shí)段進(jìn)行分析。在垂直探測(cè)時(shí)，本文使用Yeom et al.（2017）提出的L大于0.001 g·m-3和N大于10cm-3的標(biāo)準(zhǔn)識(shí)別有效云段。圖1中黃色區(qū)域?yàn)楸疚乃x取個(gè)例（其他日期的飛行方案類似；圖略）。本文根據(jù)解耦的判定方法對(duì)41次觀測(cè)個(gè)例的混合性質(zhì)進(jìn)行判別。

在41個(gè)個(gè)例中，只有7月21日（RF04）的4個(gè)個(gè)例具有顯著的解耦特征，即云下層底部和頂部之間的平均θl的差值大于0.5 K，同時(shí)兩個(gè)高度間qt的差值也大于0.5 g·kg-1（表1），而其余37個(gè)個(gè)例均符合耦合特征。

2.2 解耦STBL的垂直分層

從圖2a可看出，θl隨高度逐漸增大，層積云頂部的θl差異約為4 K，qt在邊界層內(nèi)隨高度逐漸減小，且在0.3高度處θl和qt出現(xiàn)了明顯的梯度變化（該高度上下的溫濕量梯度分別為θ′2l≈0.007 6，q′2t≈0.037，均為邊界層內(nèi)較大的值，且該高度上下區(qū)間的梯度值接近于0），而在該高度上下的θl和qt相對(duì)穩(wěn)定，因此認(rèn)為以0.3～0.5高度為分界，該高度層之上的湍流來(lái)源與該高度層之下的湍流來(lái)源不同，因?yàn)樵谕粋€(gè)氣團(tuán)來(lái)源下θl和qt穩(wěn)定少變。值得注意的是，在此次解耦邊界層頂部之上存在著明顯的濕層特征，即濕度不減小、反而增大或保持定常。當(dāng)前的研究顯示，云頂之上濕層在副熱帶的解耦STBL中很少出現(xiàn)（Jones et al.，2011；Dodson and Griswold，2020；Nowak et al.，2021），而在極地邊界層發(fā)生解耦時(shí)會(huì)經(jīng)常觀測(cè)到該特征（Brooks et al.，2017），本研究所在的地理位置位于36°N，處于副熱帶的北部邊緣，因此間接表明，不同地域或相同氣候區(qū)但影響的天氣背景不同時(shí)，STBL解耦機(jī)制可能會(huì)存在差異。水平風(fēng)速?gòu)慕孛骈_始隨高度迅速增加，然后趨于穩(wěn)定，平均值約為10 m·s-1，最后在云頂處又迅速減小，即在邊界層底部和頂部均存在明顯的風(fēng)切變，底部和頂部的差異性分別為4 m·s-1和3 m·s-1，風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)（圖2c）。

ZLCL在0.3～0.5高度范圍內(nèi)隨高度略增大后保持不變（圖2b），表明在該高度范圍內(nèi)空氣更加干燥，受低層湍流的影響很小，這是邊界層解耦的一個(gè)標(biāo)志。穩(wěn)定性參數(shù)μ在0.3～0.5高度內(nèi)處于波動(dòng)狀態(tài)，其數(shù)值達(dá)到甚至稍微超過(guò)了指示值0.054（圖2b），說(shuō)明該區(qū)域?yàn)樵葡逻^(guò)渡層。N2b在包含云層在內(nèi)的大部分高度范圍內(nèi)的數(shù)值隨高度穩(wěn)定少變，平均值約為0.15，S2h在近地面保持較穩(wěn)定，在云內(nèi)維持較小值（圖2d），表明云下靜力穩(wěn)定性較強(qiáng)，受源自地表的湍流影響小，因此發(fā)生解耦，而云內(nèi)的靜力不穩(wěn)定性相對(duì)更強(qiáng)，有利于云的發(fā)展和維持。

基于θl和qt的垂直廓線，本文手動(dòng)區(qū)分了以下子層：具有自由對(duì)流層條件的子層（FTL）；包含逆溫和云頂部的夾卷層（EIL）；包含云的層積云層（SCL）；從云底向下延伸到ZLCL不隨高度均勻減小的位置視為云下子層（SBL）；位溫和混合比存在明顯梯度變化的過(guò)渡層（TSL）；以及由地面向上延伸至過(guò)渡層處的地面混合層（SML）。為了參考，在之后的分析中EIL、SCL、SBL和TSL分別用淡紅色、淡紫藍(lán)色、淡綠色和淡紫紅色背景標(biāo)記（圖2）。

2.3 湍流動(dòng)能的特征

TKE是衡量湍流強(qiáng)度的物理量，它直接關(guān)系到邊界層內(nèi)動(dòng)量、熱量和水汽的輸送（Stull，1988）。為了探究邊界層解耦機(jī)制，圖3給出了ETK及其水平分量（U′2）和垂直分量（w′2）、垂直風(fēng)速偏度（w′3）及各向異性比（Avar2）的垂直分布。

在解耦邊界層的ETK在SML保持穩(wěn)定的大值，之后在TSL和SBL內(nèi)達(dá)到最小，平均值約為0.02 m2·s-2，表明湍流在此處到達(dá)最弱，其為解耦的重要標(biāo)志。SCL的ETK從云底向上至云中逐漸增大并達(dá)到最大值，然后隨高度至云頂逐漸減小（圖3a）。

TKE的水平分量U′2和垂直分量w′2的垂直分布特征與ETK的垂直分布特征相似，但在量值上存在一定的差異（圖3b、c）。在SML內(nèi)U′2（平均約為0.14 m2·s-2）略大于w′2（平均為約0.11 m2·s-2），在SBL和TSL內(nèi)，U′2和w′2均非常小，兩者量值的差異性小。在SCL大部分高度范圍內(nèi)均呈現(xiàn)w′2明顯強(qiáng)于U′2的特征，只在云頂部又轉(zhuǎn)為U′2強(qiáng)于w′2。從圖3e可看出，在整個(gè)解耦邊界層內(nèi)大湍渦基本上處于各向異性狀態(tài)，其中在云底以下高度，水平擾動(dòng)對(duì)湍渦各向異性起主導(dǎo)作用，且在近地面附近水平擾動(dòng)的主導(dǎo)性最強(qiáng)，然后隨高度增加其主導(dǎo)作用逐漸減弱。在云內(nèi)大湍渦的各向異性比顯示是垂直擾動(dòng)起主導(dǎo)作用，且該主導(dǎo)作用隨高度增加而增強(qiáng)，并在云上部的0.9高度附近達(dá)到最強(qiáng)，在0.9高度附近到云頂之間的湍渦各向異性是水平擾動(dòng)起主導(dǎo)作用。

從TKE的垂直分布可知，SCL和近SML均為整個(gè)邊界層內(nèi)2個(gè)湍流動(dòng)能的最大值區(qū)域。從邊界層解耦發(fā)生機(jī)制可知，源自近地表的TKE在TSL基本消耗殆盡，那么解耦邊界層的云內(nèi)湍流動(dòng)能增加及最大值出現(xiàn)的機(jī)制則需我們做進(jìn)一步探究。垂直風(fēng)速偏度（w′3）可以描述邊界層內(nèi)湍流的大小和方向，因此基于w′3的分析可以進(jìn)一步了解湍流來(lái)源和特征（Dodson and Griswold，2020；Nowak et al.，2021）。由圖3d發(fā)現(xiàn)，在近地面附近w′3為較弱的正值，表明近地面附近有向上的較弱湍流運(yùn)動(dòng)。TSL和SBL的w′3在0附近擾動(dòng)，即在邊界層的很大范圍都只有微弱的湍流存在，該特征也是指示邊界層解耦的標(biāo)志。云內(nèi)的w′3均為負(fù)值，且在云頂部和云底部其強(qiáng)度相對(duì)云內(nèi)其他區(qū)域更小，表明云內(nèi)存在源自云頂?shù)南蛳逻\(yùn)動(dòng)的湍流，該湍流強(qiáng)度隨高度降低先略有增強(qiáng)后略有減弱，向下的湍流可以影響至云底附近。

下面對(duì)云內(nèi)湍流動(dòng)能最大值出現(xiàn)原因及云微物理過(guò)程對(duì)湍流是否存在影響進(jìn)行分析。從圖4可看出，在TKE最大值的高度范圍內(nèi)，云中碰并閾值Tf明顯大于0.6，表明云內(nèi)存在旺盛的碰并增長(zhǎng)，因此云中特別是其中上部的云滴凝結(jié)很少，凝結(jié)潛熱對(duì)湍流的貢獻(xiàn)很小，但是云滴碰并增長(zhǎng)會(huì)在云中產(chǎn)生更多的大尺度云滴，它們的下落拖曳作用會(huì)在一定程度上增強(qiáng)下沉氣流，會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)云中向下湍流的發(fā)展（圖3c、d），進(jìn)而在云的中上部（強(qiáng)碰并區(qū)域）湍流動(dòng)能得到了增強(qiáng)（圖3a）。云底附近（0.7～0.8）的w′3為正值，結(jié)合圖4發(fā)現(xiàn)該區(qū)域Tf很小，間接說(shuō)明該區(qū)域應(yīng)存在云滴的凝結(jié)增長(zhǎng)，凝結(jié)增長(zhǎng)釋放的潛熱導(dǎo)致了相對(duì)較弱的向上湍流運(yùn)動(dòng)（朱磊等，2020）。云內(nèi)向上與向下的湍流在云底高度之上附近相遇，造成TKE的累積并達(dá)到最大值。云中的微物理機(jī)制對(duì)云中TKE最大值及其強(qiáng)度均會(huì)存在一定程度的影響。

2.4 湍流動(dòng)能的浮力項(xiàng)和切變項(xiàng)特征

為了進(jìn)一步獲得解耦STBL的TKE產(chǎn)生機(jī)制，我們對(duì)湍流動(dòng)能的浮力項(xiàng)（B）和切變項(xiàng)（S）的垂直特征進(jìn)行了分析，圖5為解耦STBL時(shí)的B和S的垂直分布。可見，B在整個(gè)邊界層高度范圍存在著正、負(fù)值的變化，同時(shí)存在2個(gè)正的大值區(qū)和1個(gè)負(fù)的絕對(duì)值大值區(qū)，其中正的大值區(qū)分別位于云上部和近地面附近，且云上部的大值區(qū)為整個(gè)邊界層的最大值區(qū)，而負(fù)的絕對(duì)值大值區(qū)則位于0.2～0.4高度范圍（TSL附近），表明解耦時(shí)B不僅對(duì)TKE起到增強(qiáng)作用，還會(huì)對(duì)TKE起到消耗作用，而S總體上為正值，對(duì)TKE起正貢獻(xiàn)。結(jié)合圖3a可看出，近地面附近（z/zi<0.25）的TKE最大值出現(xiàn)的高度范圍與近地面層B和S的大值范圍相一致，表明通過(guò)地表加熱產(chǎn)生的浮力和近海表附近的強(qiáng)水平風(fēng)切變均對(duì)TKE起到增強(qiáng)作用，特別是S的貢獻(xiàn)更為顯著。

在SCL內(nèi)TKE最大值出現(xiàn)的高度范圍只與B高值區(qū)出現(xiàn)的范圍相一致，S在SCL內(nèi)的量值很小，表明云內(nèi)TKE的增強(qiáng)只與云中浮力作用有關(guān)。該浮力主要源自云頂冷卻產(chǎn)生的浮力倒轉(zhuǎn)引發(fā)強(qiáng)的向下湍流運(yùn)動(dòng)（負(fù)的w′3，圖3d）和云內(nèi)TKE向下的輸送（圖3a、c）。當(dāng)前研究顯示，云頂?shù)呢?fù)浮力存在云頂部輻射冷卻和夾卷蒸發(fā)冷卻2種來(lái)源（Dodson and Griswold，2020；Nowak et al.，2021），為此我們計(jì)算了云頂部的Randall-Deardorff參數(shù)κ，發(fā)現(xiàn)4個(gè)云段的κ均小于0.23，表明云頂降溫并不主要由云頂夾卷冷卻引起。此外我們還計(jì)算了云頂?shù)膬糸L(zhǎng)波輻射冷卻，發(fā)現(xiàn)解耦邊界層的云頂附近紅外凈輻射較強(qiáng)（平均約為79 W·m-2），這間接表明解耦時(shí)云頂冷卻的主要機(jī)制是云頂輻射冷卻降溫。

TSL及之下0.1高度層出現(xiàn)了較強(qiáng)的負(fù)B，此高度范圍與TKE隨高度明顯減小并達(dá)到整個(gè)邊界層最小值的范圍相一致，且在該高度區(qū)間大氣處于靜力穩(wěn)定狀態(tài)（超過(guò)了靜力穩(wěn)定度閾值0.054，圖2b），并存在強(qiáng)的向下湍流，表明此區(qū)域克服浮力做功，消耗了TKE。我們結(jié)合圖3d可看到，該區(qū)域存在很強(qiáng)的向下湍流（強(qiáng)的負(fù)w′3），因此認(rèn)為當(dāng)大氣處于靜力穩(wěn)定時(shí)，云下層出現(xiàn)克服向上的浮力做功，使得TKE被迅速消耗至極小，進(jìn)而向上的湍流影響不到更高的邊界層（SCL），最終使得邊界層處于解耦狀態(tài)。

2.5 湍流通量的特征

感熱通量QS和潛熱通量QL是影響邊界層演變的重要物理量（Dodson and Griswold，2020）。王寅鈞等（2015）的研究表明，低層大氣視熱源（潛熱和感熱）對(duì)邊界層熱力混合起著重要作用和貢獻(xiàn)，同時(shí)B與QS及QL存在著顯著的相關(guān)，因此基于QS和QL分析進(jìn)一步獲得它們對(duì)B的貢獻(xiàn)程度（圖6）。

近地面因海氣溫差大產(chǎn)生強(qiáng)的向上感熱輸送，QS約為7 W·m-2，隨著距海表越遠(yuǎn)，上下高度層的溫差變小，向上的感熱輸送迅速減小，并在TSL附近轉(zhuǎn)為向下的感熱輸送，抑制了熱量的向上輸送，促進(jìn)了解耦發(fā)生。在TSL層之上至云底之下高度范圍不存在感熱的輸送（圖6a）。

云上部存在QS的正最大值。由于云中溫度隨高度遞減，并在云頂輻射降溫的作用下，云內(nèi)減溫率較大。從云底開始云中凝結(jié)加熱使得云層間的溫差減小，因此向上輸送的QS隨高度升高而增加的幅度不是那么劇烈，而在云層上部由于云頂輻射降溫使得云內(nèi)和云頂間溫差大，QS的變化幅度非常劇烈，同時(shí)在向下湍流的作用下，向上的QS在云頂附近出現(xiàn)極大值（圖6a）。我們結(jié)合圖4進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在QS最大值出現(xiàn)的高度上云微物理機(jī)制為碰并增長(zhǎng)，缺少了凝結(jié)潛熱對(duì)QS的影響。

解耦STBL的QL（圖6b）在云下非常小，甚至在TSL附近出現(xiàn)負(fù)值。在此范圍大氣處于靜力穩(wěn)定狀態(tài)，向下湍流的作用抑制了潛熱向上輸送（負(fù)QL），促進(jìn)了邊界層解耦。

在SCL，QL負(fù)的絕對(duì)值大值區(qū)也是強(qiáng)烈碰并增長(zhǎng)區(qū)（凝結(jié)消耗水汽可忽略），在云頂之上濕層和向下湍流的作用下，潛熱向下輸送，并隨著距云頂高度越遠(yuǎn)氣層間水汽差變小，向下輸送的潛熱強(qiáng)度逐漸減弱，同時(shí)云層中下部的凝結(jié)增長(zhǎng)消耗水汽在一定程度上也促進(jìn)了潛熱的向下輸送（圖6b）。

綜上可見，解耦邊界層的QL和QS在云下較弱，甚至在TSL附近存在向下的通量，抑制了熱量向上輸送和向上B的增強(qiáng)，促進(jìn)了解耦的發(fā)生。當(dāng)云中微物理機(jī)制以碰并增長(zhǎng)為主時(shí)，QS的正大值主要?dú)w因于云頂冷卻和云中下部的凝結(jié)潛熱加熱，其出現(xiàn)位置接近云頂。云頂之上濕層促進(jìn)了QL的向下輸送，增強(qiáng)了云內(nèi)水汽含量，進(jìn)而為解耦邊界層云的發(fā)展起到了正反饋?zhàn)饔谩?/p>

2.6 湍流混合對(duì)云微物理特征的影響

由前面分析可知，云微物理生長(zhǎng)機(jī)制對(duì)云中湍流的演變存在一定程度的影響，實(shí)際上它們之間是存在相互作用的（Wood，2012）。因此，我們下面進(jìn)一步分析云內(nèi)湍流混合對(duì)云微物理特征的影響。

混合圖已廣泛用于指示層積云中湍流混合事件期間液滴的微物理行為（Pawlowska and Brenguier，2000），其橫坐標(biāo)表示由絕熱值歸一化的數(shù)濃度，豎坐標(biāo)表示由絕熱值歸一化的平均液滴體積。本文對(duì)La的選取標(biāo)準(zhǔn)與Desai et al.（2021）的方法存在差異，其原因是本文所選的個(gè)例存在著旺盛的碰并增長(zhǎng)，因此N最大值不一定對(duì)應(yīng)L的最大值，而Desai et al.（2021）的研究所選個(gè)例主要微物理過(guò)程為凝結(jié)增長(zhǎng)，在凝結(jié)增長(zhǎng)過(guò)程中云中最大L和最大N間具有一致性。因此，為了研究有碰并增長(zhǎng)的云中湍流混合對(duì)云微物理特征的影響，我們把云中最大L作為L(zhǎng)a。

首先我們給出云內(nèi)不同高度的混合圖，以便進(jìn)一步探究湍流混合對(duì)云微物理特征影響隨高度的變化。在云底附近標(biāo)準(zhǔn)化云滴體積（V/Va）隨著標(biāo)準(zhǔn)化云滴數(shù)濃度（N/Na）的減小而減小，且向著低L的指示線發(fā)展（圖7a），具有HM的分布特征（Yeom et al.，20ea5855d2ef23efae98e118bb82b5f1f5065b6c8dc9b70691dde35864f8fa9d5017）。該高度的云滴譜進(jìn)一步表明，隨著云內(nèi)稀釋程度越強(qiáng)，N越低，rm越小，且表2顯示該高度范圍具有正的ψ值，N、L和rm在整個(gè)云層中都是量值最低，因此多方面分析均表明云底附近具有HM特征。

隨著云內(nèi)高度的增加，在云底之上的云區(qū)，隨著N/Na降低V/Va相對(duì)恒定（圖7b），顯示了類似于IM的特征，同時(shí)隨著云中稀釋程度的增強(qiáng)，云中的Tf減小，在云中一定的稀釋程度才有利于碰并增長(zhǎng)的出現(xiàn)，當(dāng)云中Tf大于0.4之后，V/Va和N/Na間表現(xiàn)為一定的碰并增長(zhǎng)特征，即低數(shù)濃度下體積顯著增加，同時(shí)個(gè)別液滴表現(xiàn)出準(zhǔn)絕熱滴或超絕熱滴的特征，而Tf小于0.4時(shí)則表現(xiàn)為IM特征，總體具有IM和準(zhǔn)絕熱特征。相關(guān)研究結(jié)果（Paoli and Shariff，2009；Chandrakar et al.，2016；Chen et al.，2018）表明，湍流凝結(jié)增長(zhǎng)能夠促進(jìn)云滴尺度的增大并促進(jìn)碰并過(guò)程的發(fā)生，本文研究結(jié)論與之具有一致性。Desai et al.（2021）提出，Tf和絕熱增長(zhǎng)相繼發(fā)生時(shí)，由于Tf會(huì)導(dǎo)致N降低，所以過(guò)飽和度增大和rm增加會(huì)產(chǎn)生絕熱液滴。我們結(jié)合表2和圖8可以知道該高度范圍的L、rm居中，N最高，云滴譜最窄（云滴譜標(biāo)準(zhǔn)差σ最小），表現(xiàn)為明顯的凝結(jié)增長(zhǎng)特征（圖8），此時(shí)ψ接近于0，再次說(shuō)明云中混合均有非均勻特征。

在云的中上層，云微物理特征仍舊表現(xiàn)為類似IM和碰并增長(zhǎng)特征，即N/Na減小時(shí)，V/Va相對(duì)穩(wěn)定少變（圖7c），此時(shí)云中存在強(qiáng)碰并增長(zhǎng)（圖4），在低N/Na下V/Va緩慢增加，表現(xiàn)出液滴通過(guò)碰并增長(zhǎng)的信號(hào)（Desai et al.，2019），即在湍流混合的云中存在強(qiáng)碰并增長(zhǎng)，且碰并增長(zhǎng)的強(qiáng)度似乎與混合稀釋程度關(guān)系不大。同時(shí)有些點(diǎn)與絕熱值相比，具有更大的V/Va，即產(chǎn)生了超絕熱液滴，這些液滴的出現(xiàn)能夠更加促進(jìn)碰并效率的增強(qiáng)，有利于降水的形成。有學(xué)者認(rèn)為，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)與云內(nèi)湍流混合使N、水汽量或相對(duì)濕度存在較大擾動(dòng)有一定關(guān)系，這些物理量的擾動(dòng)造成了超絕熱液滴的產(chǎn)生（Baker et al.，1980；Lasher-Trapp et al.，2005；Yang et al.，2016）。Chen et al.（2018）也認(rèn)為湍流有助于增強(qiáng)碰并，且隨著湍流的加劇，液滴之間的碰撞頻率也會(huì)提升，本研究結(jié)論與之相同。在此高度范圍的云滴譜非常寬（圖7、圖8），σ很大（表2），rm可以達(dá)到10 μm左右，符合碰并增長(zhǎng)特征，同時(shí)云滴譜會(huì)隨著云中稀釋程度的減弱而顯著增寬，表明云中非均勻混合有利于絕熱甚至超絕熱滴的產(chǎn)生，促進(jìn)了碰并效率的增強(qiáng)。

在云頂部仍舊表現(xiàn)為IM和碰并增長(zhǎng)特征（圖7d）。在此高度碰并增長(zhǎng)最為旺盛，總體上Tf大于0.9（少數(shù)點(diǎn)除外），為整個(gè)云中碰并增長(zhǎng)最為旺盛的高度層。云頂處仍舊存在絕熱或超絕熱滴，其成因與云上層的成因相同，即湍流混合有利于云物理量的擾動(dòng)，促進(jìn)碰并增長(zhǎng)。此時(shí)云滴譜最寬，rm大，且隨著B（圖5）增大云滴譜變得越來(lái)越寬，再次證明了湍流混合促進(jìn)了云頂部云滴譜的變寬。Yum et al.（2015）認(rèn)為，對(duì)于海洋層積云，由云頂負(fù)浮力產(chǎn)生的垂直環(huán)流會(huì)使云頂混合更趨于非均勻，而云底附近的混合更可能是均勻的，本文結(jié)論與該文獻(xiàn)的研究結(jié)果具有一致性，即整個(gè)云內(nèi)基本上為向下的湍流運(yùn)動(dòng)，云內(nèi)混合特征強(qiáng)烈受源自云頂負(fù)浮力產(chǎn)生的垂直環(huán)流影響，云內(nèi)大部分高度的湍流混合均表現(xiàn)為IM特征，IM促進(jìn)了絕熱甚至超絕熱大滴的產(chǎn)生，促進(jìn)凝結(jié)和碰并增長(zhǎng)的增強(qiáng)，有利于降水的發(fā)生。

實(shí)際上，本文的云頂部云滴譜的變寬特征與一般的層積云滴譜特征存在不一致性。一般情況下STBL之上的氣層是干而暖的（Wood，2012），在因云頂輻射降溫而產(chǎn)生的向下湍流作用下，云頂會(huì)變干（Wood，2012），不利于碰并增長(zhǎng)的發(fā)生（Desai et al.，2021）。但是此次個(gè)例中云頂之上存在濕層特征，且在向下湍流的作用下水汽不斷向云內(nèi)輸送，促進(jìn)了云滴的凝結(jié)或碰并增長(zhǎng)。

3 結(jié)論與討論

本文基于POST的觀測(cè)資料選取解耦邊界層事件，對(duì)其湍流特征和云微物理進(jìn)行詳細(xì)分析，主要得到如下結(jié)論：

在解耦STBL內(nèi)，云下大氣穩(wěn)定度較強(qiáng)，在0.3高度處出現(xiàn)克服浮力做功，使得源自地表向上的TKE迅速被消耗至極小，且在TSL基本被消耗殆盡，向上的湍流影響不到TSL之上，同時(shí)源自云頂向下的湍流在云下部衰減至很小的量值，因此邊界層處于解耦狀態(tài)。TSL內(nèi)的μ、N2b、ZLCL、θl和qt均發(fā)生明顯變化，均可作為解耦發(fā)生的指示參數(shù)。解耦STBL的SCL的N2b較弱，有利于源自邊界層頂部湍流向下輸送，并維持云層的穩(wěn)定存在。

TKE最大值出現(xiàn)在SML，第二大值出現(xiàn)在SCL。解耦STBL內(nèi)源自云頂?shù)南蛳峦牧鬏斔秃驮祈斕帩駥哟龠M(jìn)了水汽的向下輸送，并導(dǎo)致了云中上部旺盛的云滴碰并增長(zhǎng)引起的下沉氣流增強(qiáng)，促進(jìn)TKE的增大，而云底附近云滴凝結(jié)增長(zhǎng)釋放的潛熱導(dǎo)致了相對(duì)較弱的向上B增強(qiáng)和向上湍流輸送，向下的湍流與向上的湍流在云中部相遇帶來(lái)了TKE的累積，并導(dǎo)致TKE最大值的出現(xiàn)。

在解耦STBL內(nèi)，近地面的B和S對(duì)TKE都起到增強(qiáng)作用，并以S的貢獻(xiàn)更為顯著，在SCL內(nèi)B對(duì)TKE的增強(qiáng)貢獻(xiàn)顯著，且B主要源自云頂輻射冷卻。

解耦邊界層的云下QL和QS較弱，甚至在TSL附近存在向下的通量，抑制了熱量向上輸送和B的增強(qiáng)，促進(jìn)了解耦的發(fā)生。當(dāng)云中微物理機(jī)制以碰并增長(zhǎng)為主時(shí)，QS的正大值主要?dú)w因于云頂冷卻和云中下部的凝結(jié)潛熱加熱，其出現(xiàn)位置接近云頂。云頂濕層促進(jìn)了QL的向下輸送，增強(qiáng)了云內(nèi)水汽含量，進(jìn)而為解耦邊界層云的發(fā)展起到正反饋?zhàn)饔谩?/p>

源自云頂輻射冷卻降溫產(chǎn)生的浮力倒轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向下較強(qiáng)的湍流運(yùn)動(dòng)可以影響到云底之上附近。云頂浮力倒轉(zhuǎn)產(chǎn)生的湍流混合使云內(nèi)大部分高度呈現(xiàn)IM特征，并導(dǎo)致絕熱或超絕熱滴的出現(xiàn)，促進(jìn)了云中凝結(jié)和碰并增長(zhǎng)。云頂之上濕層特征進(jìn)一步增強(qiáng)了云中碰并增長(zhǎng)，因此云頂部表現(xiàn)為最為旺盛的碰并增長(zhǎng)特征。云底附近因夾卷混合呈現(xiàn)HM特征，數(shù)濃度、液態(tài)水含量和粒徑明顯降低或變小。

本文發(fā)現(xiàn)，在解耦個(gè)例中，濕層促進(jìn)維持了云物理過(guò)程的演變。而在通常情況下，云頂之上的濕層主要產(chǎn)生2種影響：1）通過(guò)增強(qiáng)向下的紅外輻射改變?cè)祈數(shù)妮椛淦胶猓–hristensen et al.，2013）；2）在云頂附近夾卷更多的濕空氣，減小蒸發(fā)冷卻的程度（Eastman et al.，2017）。這2種效應(yīng)均減小了云頂附近的冷卻，降低了云頂負(fù)浮力湍流的強(qiáng)度。但濕層在減緩邊界層加深的同時(shí)，通過(guò)將濕層中的水汽卷入到云內(nèi)，導(dǎo)致云量增加（Eastman and Wood，2018）。因此綜合來(lái)看，云頂之上的濕層盡管會(huì)通過(guò)降低云頂向下湍流來(lái)促使邊界層解耦，但也會(huì)促進(jìn)維持層積云的發(fā)展。

本文闡述了云內(nèi)湍流和云微物理過(guò)程之間的相互作用，而根據(jù)Wood（2012）的表述，海洋性層積云的維持嚴(yán)重依賴于云頂冷卻所產(chǎn)生的對(duì)流性不穩(wěn)定，由此引發(fā)的向下的湍流運(yùn)動(dòng)特征會(huì)影響云內(nèi)微物理過(guò)程，之后云內(nèi)的微物理生長(zhǎng)機(jī)制又反過(guò)來(lái)影響云內(nèi)湍流，因此間接說(shuō)明了兩者間存在相互作用，但湍流對(duì)云微物理過(guò)程更為優(yōu)先且重要。

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Turbulence and cloud microphysical characteristic of decoupled marine stratocumulus-topped boundary layer

Abstract This study investigates turbulence and cloud microphysical characteristics within the decoupled boundary layer，focusing on selected decoupling cases.High-frequency meteorological data and cloud microphysics data from stratocumulus-topped boundary layers，obtained during the POST （Physics of Stratocumulus Top） observation campaign，form the basis of our analysis.Results reveal that atmospheric static stability strengthens in the transition layer，inhibiting upward buoyancy work and rapidly depleting turbulent kinetic energy，leading to boundary layer decoupling.Maximum turbulent kinetic energy occurs within the cloud，driven primarily by cooling at the cloud top，enhanced downdraft from falling and sinking large cloud droplets，and latent heat release from condensation above the cloud base.Buoyancy and shear contributions augment turbulent kinetic energy in the near-surface layer，with shear playing a more prominent role，while within-cloud turbulent kinetic energy is mainly buoyancy-driven.Downward heat flux near the transition layer hinders upward heat transport and buoyancy enhancement，further promoting decoupling.Upward sensible heat flux within the cloud correlates with cloud top cooling and latent heat release from condensation in the lower cloud region.Increased moisture at the cloud top facilitates downward latent heat flux transport，amplifying water vapor content within the cloud，fostering positive feedback role in decoupled boundary layer cloud development.Cloud-top buoyancy reversal induces inhomogeneous mixing，leading to the appearance of adiabatic or super-adiabatic droplets and promoting condensation and coalescence growth.Additionally，enhanced moisture at the cloud top drives microphysical growth within the cloud.The cloud base exhibits homogeneous mixing characteristics due to entrainment.

Keywords decoupled;stratocumulus-topped boundary layer;turbulence;entrainment;cloud microphysics