基于探空數據分析低云對大氣折射率結構常數的影響*

張坤 羅濤 王菲菲 孫剛 劉慶 青春 李學彬 翁寧泉1) 朱文越1)?

1) (中國科學技術大學環境科學與光電技術學院,合肥 230026)

2) (中國科學院合肥物質科學研究院安徽光學精密機械研究所,中國科學院大氣光學重點實驗室,合肥 230031)

3) (中國科學技術大學研究生院科學島分院,合肥 230026)

4) (先進激光技術安徽省實驗室,合肥 230037)

本文基于實測的熱力湍流探空數據,使用WR95 方法識別低云的垂直結構,對比分析了低云與晴空天氣下大氣折射率結構參數、氣象條件和大氣穩定度的平均統計結果.結果表明,低層薄云對 起伏變化的影響微乎甚微,僅僅表現出輕微增大的趨勢,云底 相對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 相對于晴空天氣增大了3.80—6.61 倍,且云頂區域增大的幅度大于云底區域.云底區域大氣湍流特性受到地面熱力驅動與低云冷卻的聯合作用,沉降氣流與地面向上氣流發生了耦合,增強了風切變,在這一高度附近也出現了增強.綜合對比晴空和有云天氣大小可知,云對的增強效應大致在10–16 量級.一方面,風切變在云頂處或者云頂之上達到最大值;另一方面,因為云頂短波輻射增溫和長波輻射冷卻的共同作用,云頂之上會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;而云底區域 N2 均小于晴空天氣.由于云層多尺度活動引發的湍流效應,勢必會引起對激光傳輸大氣效應評估和訂正的偏差.正確掌握不同相態云層及邊界處湍流的變化規律,也可以為進一步建立云層周圍大氣湍流的變化規律模型奠定基礎.

1 引言

云覆蓋了地球約2/3 的面積,尤其是低云對地氣系統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].因為不同尺度活動間相互作用機制的復雜性,云在天氣和氣候變化中的作用仍然是不明確的[2?4].云在發展過程中,因為湍流夾卷(通過云頂和側邊界,云內外進行熱量、動量、水分和質量的湍流交換)和動力夾卷(由于云內氣流的加速上升.根據質量連續性的要求,四周空氣必然會流入云中進行補償),環境空氣被不斷地卷入并與之混合[4].云內湍流和夾卷混合不僅決定了云層的生命周期和形態結構[5],而且影響著云的微物理特性.當外部空氣從云的側邊界[6,7]或云頂[8]、云底[9]被夾卷進入并滲透到云層內部,云滴蒸發和沉降相繼發生以使卷入的干冷空氣達到飽和平衡狀態[9].因為稀釋作用,云內水汽混合比、液態水含量、云滴濃度、云滴尺寸分布均會做出相應的變化,直接影響著云的動力和輻射特性[10,11].云頂長波輻射冷卻、短波輻射增溫、風切變均是產生湍流的機制,但是在不同時段的影響程度各不相同,尤其是早晚差異[12,13].

湍流誘導的夾卷混合會導致云層不穩定(梯度理查森數Ri≤1)[14],伴隨著云內和邊界強風切變、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力變化直接影響著云周邊幾公里范圍大氣光學湍流[14].由于云頂輻射冷卻、云底增溫和大尺度風切變運動產生的大氣湍流在大氣中是一種很常見的現象[17,18].這種現象在Paluch和Baumgardner 的實驗中發現過[19].

大氣湍流是一種具有強烈渦旋性的大氣不規則運動,時刻存在于大氣層中.在自由空間光通信、激光雷達、光探測與測距、遙感和成像等實際應用中,大氣湍流是重要的影響因素[20].光傳輸和激光探測中,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對成像和激光系統的性能造成影響[21,22],而且云層周圍的湍流結構的變化規律對激光傳輸系統[23,24]和云的湍流建模都具有重要指導意義.但是,目前關于低云周圍大氣光學特性,尤其是針對大氣光學湍流強度的報道較少.本文基于實測的熱力探空數據識別低云的垂直結構,并從靜力和動力兩個方面分析低云周圍大氣湍流參數的起伏變化.

2 數據與方法

2.1 試驗與數據

2017 年11 月—12 月,中國科學院安徽光學精密機械研究所在中國山東半島(A 站點)和浙江東部(B 站點)兩個濱海站點進行大氣湍流探測聯合試驗.A,B 兩站點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,B 站點的中下對流層(0—6 km,above ground level,AGL,下同)氣溫較高.試驗期間,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 兩個時間段進行探空試驗.A 站點共釋放64 組探空氣球,最終高度均在24 km 之上;B 站點共釋放65 組,其中有5 組最終高度未達到20 km,但是不影響本文的研究內容.

基于北斗定位的TD2 型數字式電子探空儀搭載T,P,U 傳感器測量溫度、氣壓和濕度,風速與風向根據北斗定位計算得到,此外還搭載了安徽光機所研制的QHTP-2 型熱力湍流探空儀[25].其中,TD2 型數字式電子探空儀的傳感器參數如表1 所示.熱力湍流探空儀利用自研的溫度脈動儀進行湍流測量.溫度脈動儀裝有兩個間距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,測量空間內兩點間由于溫度脈動起伏所引起的電壓變化,繼而得到兩點之間的溫度差.熱力湍流探空儀頻率響應范圍為0.1—30.0 Hz,可測量的最小溫度起伏標準差不大于0.002 ℃,垂直分辨率為10 m.

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

在慣性子區內,溫度結構函數DT滿足三分之二定律,因此,通過測量兩點溫差可以得到溫度結構常數

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

2.2 云層垂直結構識別方法

云垂直結構（云低、云頂高度、云厚等參數）和相態變化與云輻射強迫作用息息相關[27],影響著地表能量收支[28].目前,基于探空數據識別云垂直結構的方法主要有三種,分別為設定溫度露點差閾值法(Poore 法)[29]、計算溫度和濕度隨高度變化的二階導數法[30]和相對濕度閾值法(WR95 法)[31].WR95 法是目前基于探空數據識別云垂直結構最成熟的方法,該方法改進了Poore 的方法,通過取相對濕度閾值(84%—87%)判斷云層,其最大的優點在于能夠連續地識別云層垂直結構.與毫米波云雷達實測數據進行對比結果表明,因為WR95 方法識別高云的能力較弱,二者的相關系數為0.81,但是中低云情況的相關系數會更高[32].另外,WR95 識別結果與CloudSat 實測云垂直結構的對比分析[33]也顯示了WR95 方法對識別中低云具有較好的可靠性與準確性.在使用WR95 法時,需要注意根據云的相態來選擇按照純液面還是純冰面計算相對濕度.當溫度高于約–10 ℃時,云多表現為水云;當溫度低于–40 ℃時,云多表現為冰云;而當溫度介于–40 —–10 ℃時,混合相云(即同時存在云水和云冰)的發生概率較高[34,35].根據掩星探測資料的對比研究結果表明[36],若把混合相云當作純液相會漏檢測高云和多層云.如圖1 所示,如果使用液面相對濕度將會漏檢1.9 km 處的云.

圖1 WR95 法 識別云 層垂直結 構示意圖(2017 年11 月15 日07:40 在A 站點的探空數據),藍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,為提高識別精度,當溫度低于–10 ℃時,需要按照冰面飽和水氣壓重新計算新的相對濕度(RH-ice):

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

具體數據處理步驟為:1)按照上述公式,計算t<–10 ℃環境下,相對于冰相的濕度;2)識別相對濕度最小值大于84%,且最大值大于87%的云層;3)當相鄰的兩個云層之間的距離小于300 m時,視為一層云.

為進一步提高識別的可靠性,數據分析中對識別結果進行了進一步的篩選和分類.當識別的云層厚度小于30.5 m[29]或云底高度小于500 m[38]時,該層以濕層處理,不視為云層.同時,探空儀中的濕度傳感器雖然容易受低溫的影響而降低準確性,但不影響對流層中下部大氣濕度的測量精度[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,當云層厚度大于2 km 時可能存在深對流云,對的影響機制較為復雜,本文研究中也暫不考慮.按照試驗時間將數據分為早晨和晚上兩組分別進行討論.

基于WR95 方法對A，B 兩站點低云垂直結構的識別結果如圖2 所示，各類云層樣本數量統計歸納于表2 中.表3 中記錄了A,B 站點低云平均云底高度(cloud base height,CBH (HCB))、云頂高度(cloud top height,CTH (HCT))和云層厚度(?H).兩站點識別到低云的樣本出現概率為23.21%(A 站點)和31.37%(B 站點).早晨不僅出現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 站點云垂直結構篩選結果(括號內表示“早晨組樣本數量”+“晚上組樣本數量”)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 站點云層垂直結構平均參數Table 3.Average parameters of cloud vertical structure at Station A and B.

圖2 WR95 法識別低云垂直結構結果,數字表示每個樣本的云層厚度(單位為m) (a) A 站點;(b) B 站點,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”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 結果與分析

圖3 A 站點薄云和晴空天氣下 廓線對比 (a) 彩色實線分別表示四個薄云周圍 廓線,線上的彩色圓圈和*分別表示相應云層的CBH,CTH;(b) 四個薄云樣本 與同時段晴空天氣平均廓線的比值Ratio.(注:Ratio=log10(),為樣本(有云) ,為對照組(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 站點有云(低層中厚云,下同)與晴空天氣下的綜合對比情況.圖中黑/紅線為所有云層高度歸一化后的有云/晴空廓線的統計情況,同時段晴空廓線被稱為晴空對照組(下同).因為B 站點早晨組的3 個樣本分布較為離散,給定義參照高度的范圍增加了難度,因此本文將不討論B 站點早晨組的情況.當云層厚度大于1 km 時,–?H以下會低于地面,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比 (a) A 站點早晨組;(b) A 站點晚上組;(c) B 站點晚上組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)氣象條件對比分析

圖6 展示了有云與晴空天氣下氣象條件對比.A 站點緯度位置相比B 站點更偏北,因此整體而言A 站點溫度比B 站點低,這種熱力因素的系統性差異導致A 站點的整體弱于B 站點.從11,12 月開始,隨著冷空氣的加強和南下,相對于B 站點,A 站點大風過程明顯增多[40,41].A 站點早/晚組有云情況相比晴空情況風速增加、溫度降低,云頂以下風速增加2—3 m/s、溫度降低6—8 ℃.根據環流場和歷史天氣顯示,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 站點有云和無云情況下風速和溫度差異不明顯,有云時溫度甚至略高于晴空;云頂溫度在5 ℃左右(水云).

A 站點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),云頂存在較強的逆溫層,多對應層云情況.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 站點晚上組云的宏觀性質較為接近,云位置相對低(平均云底位置1.0—1.1 km)、厚度大(平均厚度0.6 km左右),多對應淺對流云情況,云頂大致在邊界層頂位置,可以發現晴空和有云(除云影響以外)的廓線基本隨高度遞減,其中B 站點由于地表溫度較高,底層湍流較強,隨高度遞減的趨勢更為明顯.

2)大氣穩定度分析

圖7 給出了有云和晴空情況下動力(風切變Shear)、熱力(位溫θ、Brunt-Vaisala 頻率N2)因素對比結果.大氣湍流的能量主要來源于動力和熱力作用.前者是指在有風向風速切變時,湍流切應力對空氣微團做功;后者是指在不穩定條大氣中,浮力對垂直運動的空氣微團做功,使湍流增強.

圖7 A,B 站點有云與晴空天氣下動力(風切變)和熱力特征(Brunt-Vaisala 頻率和位溫)對比 (a),(d) A 站點早晨組;(b),(e) A站點晚上組;(c),(f) B 站點晚上組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 站點有云時風切變相比晴空均出現了增強.其中,A 站點早、晚兩組中,晴空對照組的風切變(紅線)在整個對照高度上基本維持在(0.01 ± 0.003) s–1左右,尤其是早晨對照組的風切變基本上保持在定值(0.01 s–1).當存在低云時,–?H之上風切變呈現逐漸增大的趨勢,其中早晨組在+0.5 ?H處達到極大值,增大了0.012 s–1,這種強切變保持了約0.5 ?H,隨后迅速減小;類似地,A 站點晚上組在–?H—+1.2 ?H區間內表現出增大的趨勢,增大了0.013 s–1,隨即迅速減小;B 站點在云頂(+0.5 ?H)處同樣出現了最大值.而在云中上部到1.0 ?H—1.5 ?H附近,A 站點早、晚均出現了遠強于晴空的強逆溫層,N2達到4× 10–4—6 × 10–4s–2;B 的云頂位置接近于晴空情況時的邊界層蓋頂逆溫層的位置,因此逆溫層強度相與晴空時差不多,N2達到4 × 10–4s–2左右.云頂的輻射冷卻和蒸發冷卻是產生逆溫層的有利條件[42,43],云頂發射熱紅外輻射產生的湍流混合會加劇夾卷率[44],同時云頂強逆溫也會抑制氣流的上升,而向水平方向傳輸,從而增強云頂風切變.云頂或云頂之上由于天氣系統或云頂形成的強風切變也會誘發強湍流和夾卷更多潮濕的空氣從云頂或者邊界進入到云層內部,同時也會使得云底的感熱和潛熱以強湍流為載體傳輸到云頂,以補償云頂的輻射冷卻和蒸發冷卻[45,46].

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

4 結論

云在發展過程中,上升氣流不斷地在邊界與周圍的干空氣夾卷混合.在湍流混合和動力夾卷的共同作用下,云內外進行了熱量、動量等湍流交換.夾卷混合的固有屬性,改變了云層周圍環境的大氣動力、熱力特性,進而不同程度地影響云內及云層上下一段距離的.本文基于湍流探空數據,采用WR95 法識別云層的垂直結構,通過對比有云和晴空的情況,分析了低云附近大氣湍流參數的變化特征.與晴空天氣相比,薄云(云厚度 <150 m)由于本身夾卷程度較弱,因此對周圍大氣環境的影響很小.而中厚度(數百米至1 km 左右)的低云能影響和增強云頂以上0.5 ?H范圍內、云底1?H范圍內的,增強效應大致在10–16量級.云頂區域湍流強度增強是風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動與低云冷卻的聯合作用.根據混合和蒸發時間尺度的大小,強湍流和弱湍流背景下分別對應著均勻夾卷和極端非均勻夾卷過程[47].云對湍流強度的增強效應多發生在非均勻夾卷混合機制中,如A 站點;而B 站點晚上組偏向于均勻混合,增強效應較弱.

諸如輻射冷卻、蒸發冷卻、風切變之類的云邊界小尺度活動和云相態是影響夾卷混合速率的重要參數[48].小尺度活動的并發行,共同控制著云頂不穩定性.云與自由大氣最大的區別就是由這些小尺度活動引起的對流不穩定,即產生大氣湍流的有利條件.其中,輻射冷卻是產生湍流的主要機制之一,其他現象可以與之聯合作用.長波輻射冷卻對夾卷率的直接影響表現在云體溫度急劇下降,有利于逆溫層的形成,使云層處于不穩定狀態.盡管輻射和蒸發冷卻是產生湍流的主導因素,但是它們容易受到云頂其他活動的影響,例如風切變.上升氣流會被逆溫層偏轉到水平方向上,導致風切變增大.強風切變引起的湍流混合作用,一方面會從云頂或者側邊界卷入外部干空氣;另一方面會從云底向上傳輸潛熱和感熱以補償云頂輻射冷卻[45],從而造成云底的靜力不穩定性.另外,風切變會正反饋于夾卷混合.

雙點溫度脈動儀在云中測量時,可能會存在小的測量誤差,因此文中著重分析了云底和云頂區域的情況.其中,溫度脈動儀的鉑絲在云底區域還沒受到云層高濕度的影響,結果較為可靠;當溫度脈動儀穿過并離開云層,進入未飽和大氣中時,因為揮發性,粘附在鉑絲上的水汽很快揮發.本文僅僅是從趨勢變化上,提到了云中的起伏變化,但沒有過多的分析與討論.溫度脈動儀旨在測量雙點溫差,雙探頭受到同樣的影響時,溫差的測量誤差會更小.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量不到弱湍流的情況,但是,實際情況上,云層內部及附近的湍流強度較強.圖4 中有云與晴空天氣下對比顯示,有云情況下的標準差與晴空天氣下大小相當,并沒有出現云中較大起伏的現象.在文獻調研中,并未發現云層對溫度傳感器測量誤差的影響的相關研究,下一步計劃開展相應的研究.另外,A,B 站點低云分別對應混合相云和低云,不同相態的云具有不同的吸收和散射特性;且兩站點有云時大氣折射率結構常數、氣象條件以及大氣穩定度表現出不同的量化特征.兩站點低云的相態對這種差異性的貢獻率還有待于進一步的研究.

大氣湍流作為一種具有強烈渦旋性的運動,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之類的激光工程的主要限制因素.由于自然界云的多發性,激光光路上或光路周圍不可避免的會存在云層的情況,如果忽略云層多尺度活動引發的湍流效應,勢必會引起對激光傳輸大氣效應評估和訂正的偏差.本文的研究可以為進一步建立云層周圍大氣湍流的變化規律模型奠定基礎.