江苏北部不同等级雾的微物理结构及个例分析

利用2015—2017年秋冬季在江苏北部观测到12次雾过程的雾滴谱数据及常规气象观测资料,统计分析了轻雾、大雾、浓雾、强浓雾和特强浓雾等级下的微物理特征量及雾滴谱分布,并通过一次雾过程的分析,探讨了不同雾等级下的主要微物理过程。结果表明:随着雾等级的提升,雾滴数浓度、含水量增长明显,而轻雾、大雾和浓雾的雾滴平均直径和最大直径差异不大,但当能见度小于200 m时,平均直径和最大直径显著增大;能见度下降时,平均数浓度谱和含水量谱的谱线上抬,从浓雾到强浓雾,粒径大于10 μm的大雾滴增长明显;雾滴数浓度主要由小雾滴控制,雾滴含水量受大雾滴影响;东海县郊平均的雾滴含水量与南京观测结果相差不大,但雾滴数浓度仅为南京的一半左右,平均直径大约是南京的2.3倍;个例分析中,能见度从1000 m下降到50 m,凝结核活化并凝结增长是主要微物理过程,但可凝结水汽是影响该过程效果的一个重要因子,可使雾滴数浓度和平均直径呈现不同的相关关系;能见度降到50 m以下时,碰并过程效果显著;日出后雾滴蒸发作用显现并逐步增强。      

寿县不同强度雾的微物理特征及其与能见度的关系

雾对交通运输有不利影响,尤其是强浓雾。本文利用2019年1月上中旬在寿县国家气候观象台应用FM-100型雾滴谱仪测量的雾滴谱数据和常规气象观测数据,分析了不同强度雾的微物理特征,以及能见度与含水量、雾滴数浓度、相对湿度之间的关系,在此基础上建立了能见度参数化方案。结果表明:（1）随着雾的强度增强,雾中含水量显著增大,大雾、浓雾和强浓雾阶段含水量平均值分别为0.003 g m?3、0.01 g m?3和0.09 g m?3;当含水量大于0.02 g m?3,出现强浓雾的比例高达95%。（2）雾滴数浓度、雾滴尺度随着雾强度增强而增大,从大雾到浓雾,雾滴数浓度显著增加（增幅67%）,而从浓雾到强浓雾,雾滴尺度显著增大,平均直径、平均有效半径分别增加62%、135%;当雾滴有效半径大于4.7 μm,出现强浓雾的比例高达95%。（3）强浓雾、浓雾、大雾雾滴数浓度谱分布均为双峰结构,谱分布整体偏向小粒子一端,强浓雾谱型为Deirmendjian分布,浓雾、大雾均为Junge分布;强浓雾的雾水质量浓度谱呈现多峰特征,最大峰值出现在21.5 μm处,浓雾雾水质量浓度谱为双峰分布,大雾为单峰型,最大峰值均出现在5 μm处。（4）含水量、数浓度与能见度均呈反相关关系,含水量对能见度的影响最为显著;分别采用全样本和分段方式建立了四种能见度参数化方案,评估检验结果表明,基于含水量的能见度分段拟合方案对能见度的估算效果最好。     

天津平流雾过程及其空中微物理特征个例研究

2016/2017冬季在天津开展了平流雾微物理特征观测试验,结合距地66 m高度处雾滴谱和255 m气象塔大气边界层资料,借助突变和趋势一致性非参数检验方法对重度霾后接连发生的两次平流雾过程发展阶段进行客观划分,揭示雾体内部一定高度处雾滴微物理特征和尺度分布特征的观测事实,讨论其生消演变规律。结果表明,伴随西南暖湿平流,饱和层首先在空中出现并向地面扩展,雾过程中成熟阶段观测高度范围内升温,雾层处于中性或弱不稳定层结状态。66 m高度处大雾滴持续存在,微物理特征与地面能见度准同步变化,数浓度高值出现在成熟阶段初期,而含水量、特征直径高值出现在成熟阶段后期,对应成熟阶段后期雾滴数浓度减少、地面能见度小幅跃升。消散阶段各尺度数浓度因雾滴蒸发同步减小。     

湛江地区近海岸雾产生的天气条件及宏微观特征分析

利用2011年2～3月广东省湛江市东海岛雷达站观测得到的12次雾过程中雾滴谱、能见度、边界层风温场资料以及常规气象资料,对沿岸海雾发生时的天气系统进行分类,分析了雾发生时的气象条件、边界层特点、微物理特征等,并对典型个例进行讨论。总结发现:海雾易出现在低压前部、高压后部和冷锋前部等天气形势下;雾过程中,地面以偏东风为主,高空以偏东、偏南风为主;雾滴数浓度(N)的平均值变化范围为170～372 cm-3,液态水含量(LWC)为0.018～0.170 g m-3,平均半径为1.71～3.28 μm。选取了一个典型个例来研究典型天气形势下海雾宏微观特征,该过程发展初期以核化凝结为主,在水汽不充足时,大量的雾滴凝结核争食水汽,使得N增加而平均半径几乎不变。根据自动转化阈值T可以看出,成熟时期碰并效率增加,大滴端数密度增加,滴谱拓宽。结合边界层气象要素演变分析发现,在夜间急流显著时,不利于雾滴生长,LWC较低;而高空风速较小,逆虚温较强可能是消散阶段平均半径出现跃增的原因。雾滴谱呈双峰分布,且瞬时谱符合Gamma分布;液态水含量与消光系数、有效半径呈正相关关系,相关系数分别为0.95和0.97。     

南京冬季辐射雾雾水沉降特征研究

利用2007年11月15日至12月29日在南京市郊开展的雾外场观测试验所获取的雾滴谱、三维风资料,利用涡度协方差法,主要分析了南京冬季辐射雾雾过程中的雾水沉降特征,并探讨了一次辐射雾与辐射—平流雾雾水沉降特征的差异。结果表明:辐射雾成熟阶段的雾水沉降量占总沉降量的90%以上;发现20μm以上的大雾滴对沉降起主要贡献,而大雾滴主要受重力沉降机制影响,重力沉降量约占总沉降量的82%,而雾水的湍流沉降量相对较小;直径7μm以下与40μm以上的雾滴对总沉降量几乎无贡献;雾的液态水含量与雾水沉降量之间线性相关,说明雾液态水含量对雾水沉降量有直接的影响,雾水沉降集中在能见度50 m以下的强浓雾阶段;辐射雾发展阶段近地面小雾滴在湍流扩散作用下以一定的周期向雾层上方输送,使得雾水通量谱具有明显的振荡特征,而辐射—平流雾的雾水通量谱不具有振荡特征。     

华北一次浓雾过程爆发性增强的微物理特征

基于华北雾-霾综合观测试验资料,分析了2011年12月4日河北涿州一次浓雾过程爆发性增强的微物理特征及形成机理。结果表明:此次浓雾过程除具有均压场、地面辐射降温、逆温层、静稳天气等特征外,还具有雾微物理过程出现爆发性增强的特征,10 min内,小雾滴浓度显著增加,含水量增大了3个量级,雾滴谱由15 μm拓宽到35 μm,能见度由500 m骤降至70 m。夜间地面长波辐射冷却效应导致近地层雾的形成,而近地层雾的形成反过来快速地增强了地面长波辐射冷却效应,促使大量小雾滴的形成和碰并过程的产生,这是一种正反馈效应;大量雾滴形成释放的潜热,促使雾体抬升和向下长波辐射增强,又使地面长波辐射冷却效应减弱,产生负反馈效应。相对于南京辐射雾过程,此次涿州浓雾的小雾滴粒子数浓度高,液态水含量明显偏小,这与华北高浓度气溶胶和弱水汽输送有关。     

一次南海海雾微物理结构个例分析

本文利用2010年3月22～23日广东省湛江市一次海雾过程的雾滴谱和能见度资料,分析了海雾的微物理特征及微物理参量(数浓度、液态含水量和平均直径)之间的相关性,并讨论了影响海雾的主要物理过程。结果表明:湛江地区海雾的平均雾滴谱符合Junge分布;在海雾发展和成熟阶段,雾滴谱拓宽过程以及数浓度与平均直径的正相关关系表明本次海雾过程主要以雾滴活化和凝结增长过程为主;湍流过程的参与使得雾滴混合均匀,雾滴平均直径向3.5 μm附近集中,趋向平均化。同时湍流使雾体内部和外部空气交流,外部空气的凝结核核化,数浓度升高,凝结增长造成小雾滴变大。     

长江中上游平原地区冬季雾观测分析

长江中上游年平均雾日数达到20~106 d,是我国主要雾区之一。利用2010年12月在江汉平原观测获得的边界层廓线和雾滴谱资料,重点分析了该地区冬季雾过程的边界层结构及其生消过程。结果表明:荆州冬季雾多出现在寒潮过境1~2 d后,多为平流辐射雾;雾顶发展是水汽在上层逆温下积累,并伴随200~300 m高度冷平流降温引起;近地层冷平流降温导致饱和水汽压减小,同时上层系统性下沉增温引起逆温增强,水汽积累促使强浓雾过程产生;低空急流促使外界偏干气流与雾体混合后雾滴蒸发,是该地区雾顶迅速下降的主要原因;平均数浓度为150~406个·cm-3,极大值达到1 983个·cm-3,平均液水含量为0.014~0.118 g·m-3,极值达到0.786 g·m-3,与南京和重庆强浓雾观测值相似,超过其他地区观测值。城市地区高气溶胶浓度,配合充足的水汽条件,使得荆州雾过程微物理参量数值较大,易出现能见度小于50 m,持续时间4~9 h的强浓雾过程。     

湛江地区一次冷锋型海雾微物理特征

利用2010年3月31日—4月2日冷锋天气系统影响下湛江海雾综合观测资料,分析了海雾的微物理特征及海雾过程中气溶胶粒子谱的演变特征。结果表明,海雾的生消与风场密切相关,海雾生成和发展与较强的ESE气流相联系,而弱的NE气流则会促使海雾减弱或消散。湛江海雾的雾滴数浓度为100~102cm-3,液态含水量为0.001~0.232 g·m-3,雾滴平均半径小于10μm,雾滴峰值半径多位于1.4μm。海雾雾滴谱分布以单调递减谱为主,谱宽超过20μm,且雾发展过程中雾滴谱谱宽存在突然增宽和迅速减小的现象。海雾过程中雾滴数浓度的变化主要是由半径小于5μm的雾滴数密度变化引起的。海雾过程对气溶胶粒子的湿清除效果并不显著,雾过程中粒径小于0.1μm和大于4μm的气溶胶粒子数密度显著减少,但在雾消散后又迅速恢复到雾发生前的水平。     

闽南沿海一次春季海雾过程微物理特征分析

利用地面自动站观测、风廓线雷达、ERA5再分析资料、葵花8号高分辨率卫星资料以及FM-120型雾滴谱资料,分析了2019年4月7日闽南沿海一次强浓雾过程的环流形势以及微物理特征。环流形势分析表明,此次海雾过程500 hPa为槽底偏西西北气流,700 hPa至地面为一致的偏南气流,探空形势稳定。海雾发生前,整层风速明显减小,弱风速层厚度迅速增大,为海雾的形成提供了稳定的环流背景。卫星监测分析表明,海雾首先快速形成于台湾海峡上,在偏南气流作用下,平流至沿海地区。水文条件分析表明,福建近海存在一条冷水带,从海峡中部至沿海海温梯度大,海温在18~24℃,近海气海温差介于0~2℃,有利于海峡内平流冷却雾的形成。雾滴谱分析表明,翔安站能见度显著下降伴随着粒子数浓度、液态水含量显著增加,雾滴谱爆发性拓宽。海雾过程中,5 min平均粒子数浓度最大超过200个·cm^-3,瞬时数浓度最大达到468个·cm^-3,雾过程平均数浓度为100个·cm^-3。5 min平均液态水含量最高达到0.41 g·m^-3,瞬时液态水含量最大达到1.35 g·m^-3,雾过程平均液态水含量为0.17 g·m^-3。粒子浓度呈现双峰结构特征,峰值分别位于4~6和22~26μm,表明小粒子和大粒子对海雾的形成均有明显的贡献。     

ANALYSIS OF THE MICROPHYSICAL STRUCTURE OF RADIATION FOG IN XUANEN MOUNTAINOUS REGION OF HUBEI, CHINA

Based on data of radiation fog events in Xuanen, Hubei province, 2010, this paper analyzes the microphysical process and evolution characteristics of radiation fogs with complicated substrate in the upper and middle reaches of the Yangtze River, and compares them with findings in other areas. Results are as follows: radiation fog in Xuanen is evidently weaker in droplet number concentration and liquid water content than land fogs in other areas. Its liquid water content fluctuates obviously, 0.01g/ m3 with visibility of 1,000 meters, which is quite different from that in urban areas, but similar to the Nanling Mountains. Bi-modal droplet distribution is likely to occur in Xuanen mountain radiation fog (MRF) events. Statistical analysis shows that the observed droplet size distribution can be piecewise described well by the Gamma distribution. There is a positive correlation between liquid water content, fog droplet concentration and mean radius, especially in the development and dissipation stage. Condensation growth and droplet evaporation are major processes of Xuanen MRF. The dissipation time coincided with the time when the grass temperature reached the peak value, which indicated that dew evaporation is a key role in maintaining Xuanen MRF. In the early stage of dense fog’s growth, droplets with diameter of over 20 micrometers can be observed with visibility of 800-1,000m, which might be caused by the transportation of low cloud droplets to earth’s surface by turbulence. Big droplets in the initial stage correspond to higher water content, leading to the higher observed value of water content of Xuanen MRF.     

济南冬季雾的微物理结构及其对能见度的影响

2016年12月19日至2017年1月9日,受静稳天气影响,济南接连出现了10次大雾等级以上天气过程,期间最低能见度不足50 m,持续的大雾天气严重影响了工农业生产和人民生活。本文利用10次冬季雾期间雾滴谱仪、自动站等观测资料,分析了济南不同强度冬季雾的微物理结构特征,分析了其中的微物理过程及强度,探讨了微物理结构、微物理过程对能见度（ V ）的影响。结果表明:（1）济南冬季雾强度不同,其谱分布具有明显的差异,在雾变浓的过程中,谱型由“单峰”结构逐渐向“多峰”结构发展。（2）数浓度对能见度具有较好的指示意义,液态含水量、离散度等对能见度指示意义不稳定。（3）环境温度与核化、凝结和碰并增长（或蒸发）等微物理过程密切相关;核化、凝结增长是济南冬季雾发展过程中最主要的微物理过程,在整个雾过程中起主导作用。（4）碰并过程主要发生在发展和成熟阶段,在生成和减弱阶段很弱,以未碰并或偶发碰并为主。（5）自转化率计算结果表明,在V≥200 m的雾中,碰并过程很少发生;在100 m≤V<200 m的强浓雾中,以未碰并或间断碰并为主;碰并过程主要出现在V<100 m等级的强浓雾和特强浓雾中;与V<50 m的特强浓雾相比,50 m≤V<100 m的强浓雾中碰并过程发生的概率更大、强度更强。（6）在济南冬季特强浓雾中含有大量的小雾滴,但各微物理量的最大值、最大的起伏变化并未出现在特强浓雾中,而是出现在50 m≤V<100 m强浓雾中,这可能与强浓雾中较强的碰并过程有关,碰撞过程中产生的并合和破碎可能是微物理量起伏变化最大的主要原因。（7）利用雾滴谱资料计算的能见度与实测值在变化趋势上具有较好的一致性,但比实测值大1～2个数量级,这可能主要与雾中大量的气溶胶粒子有关,对于污染大气,基于雾滴谱仪观测资料来估算雾中的大气能见度是不够的,必须同时考虑气溶胶粒子对能见度的影响。     

Examination of Microphysical Relationships and Corresponding Microphysical Processes in Warm Fogs

In this paper, the microphysical relationships of 8 dense fog events collected from a comprehensive fog observation campaign carried out at Pancheng（32.2 N, 118.7 E） in the Nanjing area, China in the winter of 2007 are investigated. Positive correlations are found among key microphysical properties（cloud droplet number concentration, droplet size, spectral standard deviation, and liquid water content） in each case, suggesting that the dominant processes in these fog events are likely droplet nucleation with subsequent condensational growth and/or droplet deactivation via complete evaporation of some droplets. The abrupt broadening of the fog droplet spectra indicates the occurrence of the collision-coalescence processes as well, although not dominating. The combined efects of the dominant processes and collision-coalescence on microphysical relationships are further analyzed by dividing the dataset according to visibility or autoconversion threshold in each case. The result shows that the specific relationships of number concentration to volume-mean radius and spectral standard deviation depend on the competition between the compensation of small droplets due to nucleation-condensation and the loss of small droplets due to collision-coalescence. Generally, positive correlations are found for diferent visibility or autoconversion threshold ranges in most cases, although negative correlations sometimes appear with lower visibility or larger autoconversion threshold. Therefore, the compensation of small droplets is generally stronger than the loss, which is likely related to the sufcient fog condensation nuclei in this polluted area.     

南京冬季浓雾的演变特征及爆发性增强研究

2007年12月18—19日,南京地区出现了一次持续20h的浓雾过程,其中能见度低于50m的强浓雾几乎占到整个雾过程的1／3。利用同期在南京市北郊的外场观测数据,结合NCEP再分析资料,分析了该次雾的演变过程、微物理结构及边界层特征,探讨了地面雾爆发性增强的成因。结果表明：本次雾在西南平流的增湿作用下触发生成;日出后,平流输送和地表蒸发提供了充足水汽来源,贴地层逆温因高空下沉增温而向上抬升且稳定存在,因此大雾得以维持;整个雾过程中雾滴数浓度、平均直径、含水量随时间的变化趋势基本一致,平均谱曲线均呈指数下降分布,雾滴集中在小滴端;两次地面雾爆发性增强均发生在夜间,其特征为各微物理参量明显增大,滴谱上抬拓宽;爆发性增强的原因是地表气温陡降、贴地层逆温增强及可充当雾滴凝结核的气溶胶大粒子数增多。     

2006年12月南京连续4天浓雾的微物理结构及演变特征

2006年12月24-27日南京地区出现了连续4天的浓雾天气,其中能见度小于50 m的强浓雾持续了40多个小时.利用FM-100型雾滴谱仪,连续观测了雾滴谱、数密度和含水量等微物理参量.结合自动气象站及能见度仪观测资料,分析了这次浓雾过程的微物理特征,并与1996年观测结果进行对比:雾滴的平均含水量和平均直径与1996年观测结果相当,含水量最大值比1996年观测结果大4倍,数密度比10年前小.认为前2个子过程的雾滴数密度、含水量很高,造成了南京奉次大雾能见度长时间低于50 m的恶劣天气.结合边界层探空资料,认为形成这种强浓雾的主要原因足近地层持续存在强盛的水汽平流,具有平流雾的特征.根据雾微物理参量的起伏变化,将浓雾过程分成4个子过稃,分析并比较了4个子过程的雾滴谱分布,总过程的谱分布及4个子过程的谱分布都服从Dcirmendjian分布,谱型都基本呈指数下降,雾滴主要集中存小滴段.最后,对第一个子过程微物理参量的变化特征进行了细致分析.发现这次浓雾是在夜间晴空辐射降温后形成的,午夜最强,日出后随着气温的升高逐渐减弱,反映了辐射雾的口变化特征.另外,还发现雾形成以后,开始变化不大,但随着进一步辐射降温,地面雾团不断产牛,雾爆发性发展.     

辐射雾雾滴谱拓宽的微物理过程和宏观条件

为研究南京雾的物理化学过程,2006～2007年冬季,在南京信息工程大学(原南京气象学院)院内进行了雾的外场综合观测实验,共获得27次雾过程资料,其中有22次过程进行了全过程不间断的雾滴谱和湍流观测.根据雾滴谱分布特征可以将辐射雾分为宽谱辐射雾(都为强浓雾,最大直径大于40μm)和窄谱辐射雾(多为浓雾,最大直径小于22...