大气湍流中雪粒子的沉降与聚集

湍流对降雪的影响尚未被纳入当前的天气预报模型。在此我们展示证据表明，湍流实际上是沉降雪的落速和空间分布的关键影响因素。我们考虑了三种处于截然不同大气湍流强度下的降雪事件。我们表征了雪粒子的尺寸与形态，并同时对其在约 30 m2 面积垂直平面上的速度、加速度和相对浓度进行了成像。我们发现，湍流驱动的沉降增强解释了粒子尺寸与速度之间原本矛盾的趋势。斯托克斯数的估计以及垂直速度与局部浓度之间的相关性表明，增强的沉降根源于优先扫掠机制。当雪的垂直速度远大于特征湍流速度时，交叉轨迹效应导致强烈的加速度。当满足优先扫掠条件时，浓度场高度不均匀，并在很宽的尺度范围内出现聚集。这些簇首次在自然发生的流中被识别，展现出典型设定中可见的特征标志：幂律尺寸分布、分形状形态、垂直拉伸，以及随簇尺寸增大而增大的高落速。这些发现表明，含粒子湍流的基本现象学可被用以实现对降雪和地面积雪更好的预测性理解。它们也展示了如何利用环境流来研究在实验室实验或数值模拟中无法达到的雷诺数下的离散多相流。