Scaling of an Atmospheric Model to Simulate Turbulence and Cloud Microphysics in the Pi Chamber
Scaling of an Atmospheric Model to Simulate Turbulence and Cloud Microphysics in the Pi Chamber
复制标题
缩放大气模型以模拟 Pi 室中的湍流和云微物理
DOI：
10.1029/2019ms001670
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发表时间：
2019
影响因子：
6.8
通讯作者：
Shaw, Raymond A.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Thomas, Subin;Ovchinnikov, Mikhail;Yang, Fan;van der Voort, Dennis;Cantrell, Will;Krueger, Steven K.;Shaw, Raymond A.
圆周率云室为研究稳态、湍流环境中的气溶胶-云微物理相互作用提供了一个独特的机会。在这项工作中，一个大气大涡模拟(LES)模式的光谱面元微物理缩小模拟这些相互作用，允许与实验结果进行比较。建立了一个简单的标量通量收支模式，用来研究侧壁对混合温度、水汽混合比和过饱和度的影响。标量模拟和简单标量通量收支模式产生了类似的总体混合标量值。LES动力学结果与粒子图像测速仪测量的湍动能、能量耗散率和来自云室的大尺度振荡频率进行了比较。这些模拟结果与实验结果定量地吻合。最后，大涡模拟系统能够模拟稳态云条件以及云滴数浓度减小时云滴大小分布的展宽。结果进一步表明，碰撞-合并对这种加宽没有显著贡献。这为进一步详细比较实验室和模拟结果以进行模型验证和探索特定物理过程开辟了一条道路。
The Pi Cloud Chamber offers a unique opportunity to study aerosol‐cloud microphysics interactions in a steady‐state, turbulent environment. In this work, an atmospheric large‐eddy simulation (LES) model with spectral bin microphysics is scaled down to simulate these interactions, allowing comparison with experimental results. A simple scalar flux budget model is developed and used to explore the effect of sidewalls on the bulk mixing temperature, water vapor mixing ratio, and supersaturation. The scaled simulation and the simple scalar flux budget model produce comparable bulk mixing scalar values. The LES dynamics results are compared with particle image velocimetry measurements of turbulent kinetic energy, energy dissipation rates, and large‐scale oscillation frequencies from the cloud chamber. These simulated results match quantitatively to experimental results. Finally, with the bin microphysics included the LES is able to simulate steady‐state cloud conditions and broadening of the cloud droplet size distributions with decreasing droplet number concentration, as observed in the experiments. The results further suggest that collision‐coalescence does not contribute significantly to this broadening. This opens a path for further detailed intercomparison of laboratory and simulation results for model validation and exploration of specific physical processes.
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