弱大气湍流下三维雪沉降动力学的现场调查

尽管有大量的模拟和实验室研究，但关于雪粒子沉降动力学的研究（考虑其复杂形态和真实大气条件）仍然很少。我们的研究通过全面的现场调查弥补了这一差距，研究了弱大气湍流下三维（3D）雪的沉降动力学，利用3D粒子跟踪测速（PTV）系统记录了超过一百万个轨迹，并结合雪粒子分析仪同时表征了四种不同雪类型（聚合体、霰、枝晶、针状）的空气动力学特性。我们的发现表明，虽然空气动力学模型预测的终端速度与PTV测量的霰的沉降速度吻合良好，但对于非球形粒子，特别是枝晶，出现了显著差异，其阻力系数高于预测值。3D沉降轨迹的定性观察突出了聚合体和枝晶的明显蜿蜒运动，而针状和霰的蜿蜒运动较不明显，这归因于它们较小的迎风面积。聚合体和枝晶的蜿蜒运动频率低于霰。对轨迹加速度和曲率的进一步量化表明，聚合体和枝晶的蜿蜒频率小于形态诱导的圆盘涡脱落的频率，可能是由于它们的转动惯量，而霰的蜿蜒频率与小尺度大气湍流一致。此外，我们对沿轨迹的垂直加速度的分析表明，枝晶和聚合体的方向变化增强了它们的沉降速度。这些对沉降动力学的见解改进了弱大气湍流下雪沉降速度的模型，对更准确地预测地面积雪积累具有更广泛的意义。