北京及其周边地区一次大雾的数值模拟及诊断分析

利用美国国家大气研究中心研制的第5代中尺度模式系统MM5对2002年12月1~4日北京及其周边地区出现的一次大雾进行了数值模拟研究,模拟的雾出现和消散时间与实况一致。同时对雾形成和维持的机制进行了分析,讨论了雾发生发展阶段的物理过程,并对影响大雾过程的辐射条件做了敏感性试验。结果表明:形成大雾的主要原因是大气层结稳定,水汽充沛,地面的长波辐射冷却;近地面层微物理过程充分发展和雾顶的强烈辐射降温致使雾在垂直空间上出现爆发性发展;而太阳短波辐射对雾的减弱消散有着重要影响;深厚逆温层的维持对雾层长时间维持起着决定性作用。     

微波辐射计资料在大雾预报预警中的应用

MP-3000A 是一种新型大气探测仪器,可以连续得到从地面到10 km 高度上高分辨率的位温、相对湿度、水汽密度及其廓线。选取大雾发生、维持及消散时微波辐射计观测数据,分析发现,大雾从形成到消散过程中水汽密度、相对湿度和位温均有不同变化;大雾发生前近地层大气中的相对湿度、水气密度一般会稳定增加,大雾发生时两者会有爆发性增加的现象。大雾维持阶段在近地层多伴有逆温层,辐射雾逆温层明显;大雾期间雾层高度有稳定型也有波动型,雾层高度下降时大雾会迅速加强。大雾消散时近地层大湿区减小抬升,水汽密度迅速减小。因此研究微波辐射计探测的大气水汽密度、液态水含量和位温,将有助于提高大雾生成与消散的预报、预警。     

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。     

安徽沿长江东部春季一次大范围雾天气过程诊断分析

利用地面气象观测资料、高空探测资料、NCEP再分析资料、芜湖市边界层风廓线雷达资料和高速公路气象观测站资料,分析了2012年3月6日安徽省沿长江东部大范围雾天气过程形成的环流背景及雾生消的物理条件。结果表明：安徽沿江东部地区此次春季大范围雾的性质为辐射雾,雾发生时雾区上空为西到西南风为主,无明显冷空气影响,地面为高压控制的均压场,有利于雾的生成和维持。由雾生消的物理条件可知,近地面水汽条件较好和长波辐射降温造成的水汽凝结是此次大范围雾形成的重要原因。地面辐射降温形成的近地面逆温层有利于雾的维持,且随着近地面逆温层的抬升,雾层变厚并发展。低空的逆温层则形成稳定的层结,阻止水汽向上传输。近地面风速大小合适,风垂直切变小,低层有湍流,中层无明显上升运动,构成雾形成的有利动力条件;而湿层变厚又阻止了水汽向高层交换,有利于雾的生成和维持。日出后,太阳辐射增强,有利于雾发生和维持的地面辐射降温、逆温和动力条件逐渐消失,雾逐渐消散。     

雨后两次强浓雾的爆发性增强过程

2015年12月在南京市郊进行雾的外场综合试验,观测得到20—21日雨后两次强浓雾的爆发性增强过程。利用常规气象资料、边界层廓线、雾滴谱等,分析此次典型雾过程的天气背景和边界层结构特征,探讨雾爆发性增强的原因。结果表明:雨后地表及近地层高湿环境为雾的形成提供了充足的水汽,南京冬季冷高压控制下稳定的天气层结,以及夜间的辐射冷却作用,极有利于辐射雾的产生。而雾的爆发性增强,主要和降温与增湿有关。晴天夜间地表向上长波辐射增强引起的强降温,日出后地面的强蒸发作用使得近地表水汽增多,都可直接引起雾的爆发性变浓。强的贴地逆温层的形成是雾爆发性增强的关键,易于近地面水汽的积累。而超低空急流的产生,有利于加速逆温层的贴地增强。     

华南沿海暖海雾过程中的湍流热量交换特征

湍流交换是海雾中的关键物理过程, 在海雾的热量和水汽平衡过程中起重要作用。本文根据2007年3月24～25日一次海雾的外场观测数据, 分析了海雾过程中近海面湍流热量交换特征; 并在区分风切变机械湍流与雾顶长波辐射冷却热力湍流的基础上, 着重分析了两种不同性质的湍流对海雾发展和维持的作用。结果表明: (1) 本次海雾是在西南低压和变性冷高压的控制下, 来自南海东部暖水区的空气平流在近岸冷海面上形成的暖海雾; 暖海雾中的湍流热量交换过程比冷海雾更为复杂; (2) 在暖海雾的形成和消散阶段, 风切变机械湍流的热量输送起主要作用; 而在发展和维持阶段, 既有风切变机械湍流的热量输送作用, 也有雾顶长波辐射冷却热力湍流的热量输送作用; (3) 风切变机械湍流向冷海面输送热量, 对近海面空气起到降温和增湿作用; 热力湍流同样向冷海面输送热量, 但对雾层起到增温和降湿作用; (4) 暖海雾中的湍流热量交换机制与雾层的非充分混合结构有密切关系。     

济南一次雾过程的数值模拟试验和成因分析

基于中尺度天气研究与预报(Weather Research and Forecast,WRF)模式并选取T639模式数据作为初始条件和边界条件,对2015年11月13日至14日发生在济南的一次大雾天气进行数值模拟试验。利用常规观测资料对模拟效果进行检验分析,从不同方面分析这次雾的成因。结果表明:1稳定的大气层结、微弱的风速、较小的温度露点差为雾的形成提供了有利的气象条件;2WRF模式能够较好地模拟出雾形成和发展过程并且可以较为准确地模拟出能见度的强度;3近地层中性层结和较为充足的水汽对雾的形成和发展有重要作用;低云的存在推迟了白天雾的消散;4在雾形成和发展阶段,925hPa以下为辐合上升运动,之上为辐散下沉运动,这使得水汽集中在近地层,有利于雾的生成;5近地层的冷平流会增大相对湿度,是雾形成的有利条件;非绝热因子对这次雾的形成发展并没有起到关键作用。     

北京城市浓雾特征及其与交通预报服务的关系

使用2007—2010 年北京地区18 个道面自动气象站能见度在1000 m 以下时的气象资料及同期北京管界内高速公路交通资料,对北京城市浓雾特征及其与交通预报服务的关系进行了探讨。结果表明: 1) 北京管界内高速公路封闭90%以上因浓雾引起。2) 浓雾具有明显的日变化和年变化,高发、低发时段分别在05—09 时和12—18 时,浓雾主要集中在9—12 月,6、7 月最少。3) 空间分布上,浓雾频次东南高,城区低,80%以上的浓雾出现在大兴和通州两区。4) 浓雾变化具有突发性和“象鼻形”先期振荡特征。5) 浓雾期间能见度变化与气象要素关系密切,近地面偏南风和偏东风最有利浓雾生成发展,西北风最有利浓雾消散;风速减小,气温下降,湿度增大,能见度降低,有利浓雾生成和发展;风速增大,气温升高,湿度减小,能见度上升,有利浓雾减弱消散;湿度减小滞后于能见度上升;浓雾维持阶段,各要素变化很小。     

华北平原一次持续性大雾过程的动力和热力特征

利用台站加密观测资料和NCEP/NCAR再分析资料对2004年11月29日—12月3日华北平原一次罕见的持续性大雾天气过程进行了研究, 通过对本次过程动力和热力特征的深入分析, 揭示了其成因和维持机制。结果表明:对流层中低层暖性高压脊及地面变性冷高压的稳定维持为持续性大雾过程提供了良好的背景条件; 地表净辐射引起的近地层冷却是大雾的触发和加强机制; 中低空下沉气流的存在有助于近地层的弱风条件和稳定层结的建立; 低层暖平流的输入和边界层的浅层抬升有利于大雾的长时间维持; 伴随负温度平流南下的偏北风的爆发是使大雾消散的动力因子。     

宁波北仑港区一次航道海雾地基多源信息观测特征分析

结合天气形势、高空风场、370 m高塔、地面要素、激光云高仪、毫米波雷达等资料,对宁波北仑港区航道2018年2月15日海雾过程进行分析.结果 表明,这是一次以锋前雾为主的海雾过程,在上暖下冷的锋面背景下,地面水汽充沛、风力温和,近地层逆温结构,都为海雾的形成和维持提供了有利条件.上下大气风向不一致,不利于垂直方向空气交...     

2018年8月22日宁夏北部局地浓雾天气形成机制分析

利用宁夏972个地面自动站的10 m风场、2 m温度及露点温度,银川、大武口、平罗、贺兰4个常规地面观测站的能见度、温度及相对湿度逐时观测资料和欧洲中期天气预报中心（ECMWF）ERA-Interim逐6 h再分析资料（0.125°×0.125°）,对2018年8月22日宁夏北部局地突发浓雾天气过程的环流形势、逆温结构及其热力、动力条件和形成维持机制进行分析。结果表明：8月22日宁夏北部局地浓雾发生在地面冷高压、高空暖脊及近地面微风的静稳天气条件下;较为深厚的暖平流和近地面冷空气侵入所形成的稳定大气层结,是大雾形成的必要条件;弱上升运动使混合层扩展至840 hPa左右,是该地区雾的发展和维持的重要原因。在本次过程中,深厚的弱水汽辐合较水汽自身的饱和与否更为重要,是大武口站浓雾形成的关键性因素。浓雾呈现平流-辐射雾特征,地面热通量在过程前期促进浓雾的发生,后期对浓雾起到抑制作用。     

辽宁地区一次罕见大雾天气成因分析

应用常规气象观测、加密自动站、能见度观测等资料和NCEP FNL再分析资料,对2014年辽宁地区一次罕见的长时间大范围强浓雾天气的成因进行诊断.结果表明:2014年11月20—22日辽宁地区大雾过程分为两个阶段,其中21日14—16时大雾爆发性发展后,特强浓雾持续12 h,此种情况在辽宁近20 a比较罕见.大雾第一阶段...     

云辐射效应在华北持续性大雾维持和发展中的作用

观测研究发现华北地区的持续性大雾天气通常伴随高层云的存在,具有云-雾共存结构特征,为揭示云在持续性大雾维持和发展中的作用,利用中尺度数值模式WRF,结合华北雾霾观测试验期间的卫星、探空、地面观测、系留气艇、微波辐射计等观测资料,研究了2011年12月3—6日和2013年1月28—31日两次华北持续性大雾天气形成和发展演变过程。在模拟与观测对比检验研究的基础上,重点开展了云辐射效应在大雾维持和发展中作用的探讨。研究结果表明:两次大雾过程持续时间超过48 h,近地面具有偏南暖湿平流,在持续性大雾发展过程中,均出现了由单层雾发展为云-雾共存结构,一般是雾形成24 h以后有中高云移到雾层之上,云底高度在3 km以上,云厚超过3.5 km,云中以冰晶和雪晶为主。白天云-雾共存结构出现后,云-雾的反照率效应使地表接收的短波辐射减少71%—84%,地面增温效应显著减小,从而阻碍了大雾的消散过程,使大雾天气得以维持,同时由于云-雾产生的温室效应,湍流过程加强,使地面雾向上扩展,雾在稳定层内维持;夜晚云-雾共存时,由于云-雾温室效应使地表净长波辐射增大超过70 W/m2,导致地面长波辐射冷却过程减弱,并不利于雾的加强,但云对雾的增温效应有利于混合层内的湍流扩散过程,促使雾在更高的空间内得以维持。可见,在云-雾共存结构中,云辐射效应有利于低层大雾的长时间维持,对持续性大雾的形成和发展产生了重要作用。      

藏北一次局地爆发性浓雾特征与成因分析

利用那曲市色尼区常规气象观测资料,结合NCEP（1°×1°）、Era5（0.25°×0.25°）再分析资料,从天气学角度对2019年4月10日藏北一次浓雾天气的形成机制、物理结构特征以及局地性爆发的成因进行诊断分析。结果表明：此次浓雾具有局地爆发性特征;前期积雪融化的水汽蒸发配合风场辐合作用,为此次大雾的形成提供了水汽条件;500 hPa环流背景及边界层内上层暖平流与下层冷平流配置,为大雾的形成提供了弱风与稳定层结条件,从而雾得以发展且维持;夜间少云,地表净辐射加强,降温冷却作用导致水汽达到饱和状态,利于水汽凝结形成无数悬浮于空气里的小雾滴;近地层风速小、逆温及下沉运动使水汽不易向高空扩散,在相对有限的空间内水汽大量汇聚,导致大雾爆发性发展;大雾的局地性与特殊地形关系密切。     

Stratus–Fog Formation and Dissipation: A 6-Day Case Study

A suite of active and passive remote sensing instruments and in-situ sensors deployed at the SIRTA Observatory (Instrumented Site for Atmospheric Remote Sensing Research), near Paris, France, for a period of six months (October 2006–March 2007) document simultaneously radiative, microphysical and dynamic processes driving the continental-fog life cycle. The study focuses on a 6-day period between 23 and 29 December 2006 characterized by several stratus-cloud lowering and lifting events and almost 18 h of visibility below 1 km. Conceptual models and different possible scenarios are presented here to explain the formation, the development and the dissipation phases of three major stratus–fog events and to quantify the impact of each driving process. For example, slowly evolving large-scale conditions characterized by a slow continuous cloud-base lowering, followed by a rapid transient period conductive to fog formation and dissipation, are observed for cases 1 and 3. During this stable period, continuous cloud-top radiative cooling (≈ −160 Wm⁻²) induces a progressive and slow lowering of the cloud base: larger droplets at cloud top (cloud reflectivity approximately equals to −20 dBZ) induce slow droplet fall to and beyond cloud base (Doppler velocity ≈ −0.1 ms⁻¹), cooling the sub-cloud layer by evaporation and lowering the saturation level to 100 m (case 1) or to the surface (cases 2 and 3). Suddenly, a significant increase in Doppler velocity magnitude ≈ −0.6 ms⁻¹ and of turbulent kinetic energy dissipation rate around 10⁻³ m²s⁻³ occurs at cloud base (case 1). These larger cloud droplets reach the surface leading to fog formation over 1.5 h. The Doppler velocity continues to increase over the entire cloud depth with a maximum value of around −1 ms⁻¹ due to the collection of fog droplets by the drizzle drops with high collection efficiency. As particles become larger, they fall to the ground and lead to fog dissipation. Hence, falling particles play a major role in both the formation and also in the dissipation of the fog. These roles co-exist and the balance is driven by the characteristics of the falling particles, such as the concentration of drizzle drops, the size distribution of drizzle drops compared to fog droplets, Doppler velocity and thermodynamic state close to the surface.     

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。     

Mesoscale numerical simulation study of warm fog dissipation by salt particles seeding

Based on the dynamic framework of WRF and Morrison 2-moment explicit cloud scheme, a salt-seeding scheme was developed and used to simulate the dissipation of a warm fog event during 6–7 November 2009 in the Beijing and Tianjin area. The seeding effect and its physical mechanism were studied. The results indicate that when seeding fog with salt particles sized 80 μm and at a quantity of 6 gm~(-2) at the fog top, the seeding effect near the ground surface layer is negative in the beginning period, and then a positive seeding effect begins to appear at 18 min, with the best effect appearing at 21 min after seeding operation. The positive effect can last about 35 min. The microphysical mechanism of the warm fog dissipation is because of the evaporation due to the water vapor condensation on the salt particles and coalescence with salt particles.The process of fog water coalescence with salt particles contributed mostly to this warm fog dissipation. Furthermore, two series of sensitivity experiments were performed to study the seeding effect under different seeding amounts and salt particles sizes. The results show that seeding fog with salt particles sized of 80 μm can have the best seeding effect, and the seeding effect is negative when the salt particle size is less than 10 μm. For salt particles sized 80 μm, the best seeding effect, with corresponding visibility of 380 m, can be achieved when the seeding amount is 30 g m~(-2).     

大气物理学

基于采样间隔为2 min的湖北省高速公路交通气象站观测资料和微波辐射计资料,对2014年1月29—30日发生在湖北省一次强浓雾过程的大尺度环流背景、温度、相对湿度、液态水含量以及水汽密度等要素的演变特征进行了分析。结果表明,这次大雾的发展演变可以分为三个明显的阶段：大雾的形成阶段,气温与路面温度降低,能见度下降,且下降速率明显;大雾的发展增强阶段,气温与路面温度变化平稳,能见度不足百米;大雾的消亡阶段,气温与路面温度升高,能见度上升,大雾消散。大雾产生在特定的大气环流背景下,微波辐射资料分析表明,近地层逆温是大雾产生的重要条件,它的演变与大雾的生消发展有着较好的对应关系。大雾的形成到发展增强阶段,水汽密度明显从近地面逐步向上增加,液态水含量数值增大,相对湿度饱和区高度抬升,大雾厚度变厚,雾浓度变大,能见度下降;大雾的消亡阶段,液态水含量、水汽密度明显减小,相对湿度饱和区高度降低,大雾厚度变薄,雾浓度减小,能见度上升。

     

2006年12月24—27日大范围大雾过程数值模拟

利用美国国家大气研究中心(NCAR)和宾夕法尼亚州立大学(PSU)联合研制的第5代中尺度气象模式系统MM5对2006年12月24—27日江苏及其周边地区出现的一次罕见持续性大雾进行数值模拟和诊断分析, 同时对影响大雾过程的辐射条件进行敏感性试验。结果表明:形成持续性大雾的主要原因是大气层结稳定, 水汽充沛, 同时, 地面和大气的长波辐射冷却是雾形成和发展的最重要因素; 而日出后太阳短波辐射加热和热量湍流输送是辐射雾消散的主要原因。在大雾发展和维持期间, 雾区近地层基本上为弱的水汽辐合区; 在大雾减弱和消散期间, 雾区大部分为弱的水汽辐散区。大范围的下沉辐散运动有利于中低层大气增温, 与近地层的辐射降温相配合, 加上近地层弱冷平流作用, 使低层大气降温, 有助于逆温形成, 而深厚逆温层的存在, 对雾区的长时间维持起着决定性作用。     

济南爆发性增强冬季雾的物理特征分析

利用宏、微观观测资料,分析了济南4次出现爆发性增强冬季雾过程的类型以及形成、发展、减弱和消散的主要机制,研究了形成、发展、成熟和减弱阶段,以及爆发性增强期间的微物理演变特征,探讨了爆发性增强的触发机制。结果表明：1）夜间地面长波辐射及弱冷空气入侵造成的气温下降是济南冬季雾形成和发展的主要因素,干冷空气入侵或日出后太阳辐射加热升温,近地层相对湿度下降是雾消散或减弱的主要机制。2）形成阶段,核化和凝结增长过程启动但并不活跃,碰并强度很弱,以未碰并和偶发碰并为主;发展阶段,核化和凝结增长等微物理过程开始活跃,碰并过程启动,大滴开始增多;成熟阶段,核化、凝结和碰并增长非常活跃,各微物理量均达到最大值,谱最宽;减弱阶段,核化、凝结过程减弱,碰并过程减弱并消失,雾滴蒸发,能见度增大。3）爆发性增强的宏观物理特征主要表现为极大风速增大、气温下降、相对湿度增大、水汽压下降;微观物理特征主要表现为数浓度、液态含水量等微物理量出现跃增,以及谱型由“单峰”结构突变为“多峰”结构。4）相对湿度增大主要与气温下降有关,水汽压下降则与异常活跃的凝结增长有关;气温下降是济南冬季雾爆发性增强的直接原因,弱水汽输送产生的增湿作用对爆发性增强具有一定的促进意义。