Published July 29, 2016 | Version v1
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Conditions for super-adiabatic droplet growth after entrainment mixing

  • 1. Michigan Technological University
  • 2. Peking University

Description

Abstract. Cloud droplet response to entrainment and mixing between a cloud and its environment is considered, accounting for subsequent droplet growth during adiabatic ascent following a mixing event. The vertical profile for liquid water mixing ratio after a mixing event is derived analytically, allowing the reduction to be predicted from the mixing fraction and from the temperature and humidity for both the cloud and environment. It is derived for the limit of homogeneous mixing. The expression leads to a critical height above the mixing level: at the critical height the cloud droplet radius is the same for both mixed and unmixed parcels, and the critical height is independent of the updraft velocity and mixing fraction. Cloud droplets in a mixed parcel are larger than in an unmixed parcel above the critical height, which we refer to as the "super-adiabatic" growth region. Analytical results are confirmed with a bin microphysics cloud model. Using the model, we explore the effects of updraft velocity, aerosol source in the environmental air, and polydisperse cloud droplets. Results show that the mixed parcel is more likely to reach the super-adiabatic growth region when the environmental air is humid and clean. It is also confirmed that the analytical predictions are matched by the volume-mean cloud droplet radius for polydisperse size distributions. The findings have implications for the origin of large cloud droplets that may contribute to onset of collision–coalescence in warm clouds.

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Translated Description (Arabic)

الملخص. يتم النظر في استجابة قطرات السحب للاحتجاز والاختلاط بين السحابة وبيئتها، مع مراعاة نمو القطرات اللاحقة أثناء الصعود الأديباتي بعد حدث الخلط. يتم اشتقاق المظهر الرأسي لنسبة خلط الماء السائل بعد حدث الخلط تحليليًا، مما يسمح بالتنبؤ بالانخفاض من جزء الخلط ومن درجة الحرارة والرطوبة لكل من السحابة والبيئة. وهو مشتق للحد من الخلط المتجانس. يؤدي التعبير إلى ارتفاع حرج فوق مستوى الخلط: عند الارتفاع الحرج يكون نصف قطر قطرة السحابة هو نفسه لكل من الطرود المختلطة وغير المختلطة، والارتفاع الحرج مستقل عن سرعة الطوف العلوي وجزء الخلط. تكون قطرات السحب في قطعة مختلطة أكبر من القطعة غير المختلطة فوق الارتفاع الحرج، والتي نشير إليها باسم منطقة النمو "شديدة الجفاف". يتم تأكيد النتائج التحليلية باستخدام نموذج سحابة بن للفيزياء الدقيقة. باستخدام النموذج، نستكشف تأثيرات سرعة التيار الصاعد، ومصدر الهباء الجوي في الهواء البيئي، وقطرات السحب المتعددة التشتت. تظهر النتائج أن الطرد المختلط من المرجح أن يصل إلى منطقة النمو فائقة الجفاف عندما يكون الهواء البيئي رطبًا ونظيفًا. ومن المؤكد أيضًا أن التنبؤات التحليلية تتطابق مع نصف قطر قطرة السحب لمتوسط الحجم لتوزيعات حجم التشتت المتعدد. وللنتائج آثار على أصل قطرات السحب الكبيرة التي قد تسهم في بداية الاصطدام المتلازم في السحب الدافئة.

Translated Description (French)

Résumé. La réponse des gouttelettes de nuage à l'entraînement et au mélange entre un nuage et son environnement est prise en compte, en tenant compte de la croissance ultérieure des gouttelettes lors de l'ascension adiabatique à la suite d'un événement de mélange. Le profil vertical du rapport de mélange de l'eau liquide après un événement de mélange est dérivé analytiquement, ce qui permet de prédire la réduction à partir de la fraction de mélange et de la température et de l'humidité pour le nuage et l'environnement. Il est dérivé pour la limite de mélange homogène. L'expression conduit à une hauteur critique au-dessus du niveau de mélange : à la hauteur critique, le rayon des gouttelettes de nuage est le même pour les parcelles mélangées et non mélangées, et la hauteur critique est indépendante de la vitesse de courant ascendant et de la fraction de mélange. Les gouttelettes de nuage dans une parcelle mélangée sont plus grandes que dans une parcelle non mélangée au-dessus de la hauteur critique, que nous appelons la région de croissance « super-adiabatique ». Les résultats analytiques sont confirmés avec un modèle de nuage de microphysique bin. À l'aide du modèle, nous explorons les effets de la vitesse du courant ascendant, de la source d'aérosol dans l'air ambiant et des gouttelettes de nuage polydispersées. Les résultats montrent que la parcelle mixte est plus susceptible d'atteindre la région de croissance super-adiabatique lorsque l'air ambiant est humide et propre. Il est également confirmé que les prédictions analytiques correspondent au rayon moyen des gouttelettes de nuage en volume pour les distributions de taille polydispersées. Les résultats ont des implications sur l'origine des grosses gouttelettes de nuage qui peuvent contribuer à l'apparition de la coalescence de collision dans les nuages chauds.

Translated Description (Spanish)

Resumen. Se considera la respuesta de las gotas de la nube al arrastre y la mezcla entre una nube y su entorno, teniendo en cuenta el crecimiento posterior de las gotas durante el ascenso adiabático después de un evento de mezcla. El perfil vertical para la relación de mezcla de agua líquida después de un evento de mezcla se deriva analíticamente, lo que permite predecir la reducción a partir de la fracción de mezcla y de la temperatura y la humedad tanto para la nube como para el medio ambiente. Se deriva para el límite de mezcla homogénea. La expresión conduce a una altura crítica por encima del nivel de mezcla: a la altura crítica, el radio de la gota de la nube es el mismo para las parcelas mezcladas y sin mezclar, y la altura crítica es independiente de la velocidad de la corriente ascendente y la fracción de mezcla. Las gotas de nubes en una parcela mixta son más grandes que en una parcela sin mezclar por encima de la altura crítica, a la que nos referimos como la región de crecimiento "superadiabática". Los resultados analíticos se confirman con un modelo de nube de microfísica bin. Usando el modelo, exploramos los efectos de la velocidad de la corriente ascendente, la fuente de aerosol en el aire ambiental y las gotas de nubes polidispersas. Los resultados muestran que es más probable que la parcela mixta llegue a la región de crecimiento superadiabático cuando el aire ambiental es húmedo y limpio. También se confirma que las predicciones analíticas coinciden con el radio medio de la gota de la nube en volumen para las distribuciones de tamaño polidisperso. Los hallazgos tienen implicaciones para el origen de las grandes gotas de nubes que pueden contribuir al inicio de la colisión-coalescencia en las nubes cálidas.

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Translated title (Arabic)
شروط نمو قطرات شديدة الجفاف بعد خلط الحبس
Translated title (French)
Conditions de croissance des gouttelettes super-adiabatiques après le mélange par entraînement
Translated title (Spanish)
Condiciones para el crecimiento de gotas superadiabáticas después de la mezcla de arrastre

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2313573460
DOI
10.5194/acp-16-9421-2016

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1486017959
  • https://openalex.org/W1585660961
  • https://openalex.org/W1807802298
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  • https://openalex.org/W2233314129
  • https://openalex.org/W2302307166
  • https://openalex.org/W2747210351
  • https://openalex.org/W3109070402
  • https://openalex.org/W583323484