南京2015年12月21日雾过程的微物理特征分析

论文总字数：19803字

目 录

摘要 1

Abstract 2

1.引言 3

1.1研究目的及意义 3

1.2雾的形成与分类 3

1.3雾微物理特征观测研究进展 4

1.4南京雾的气候特征 5

2.观测场地及仪器介绍 6

3.雾过程简况 7

4. 雾的微物理特征 10

4.1雾滴谱分布特征 10

4.2微物理结构特征 12

5.雾微物理参量的演变 13

6.雾的突变特征 15

7.结论 16

参考文献 17

致谢 19

南京2015年12月21日雾过程的微物理特征分析

李苑荣

, China

Abstract:A dense fog occurred on December 21, 2015 at the northern suburb of Nanjing, and it was divided into two sub-procedures because fog dispersal was observed after the sunrise. The micro-physical characteristics, evolution features, mutational features et al of the first sub-procedure are analyzed mainly using observational data of the droplet spectrometer, automatic meteorological station and visibility meter. The result shows that the first sub-procedure of the fog was formed in the case of radiation cooling, so it is radiation fog; Micro physical parameters had a low value in the generation phase and increased quickly as the fog got thicker, the fluctuation got more and more obvious as well, and the value of these parameters decreased quickly when the fog start dissipating; Fog droplet distribution tends to the side of small drops and the curve decreases exponentially in the range of 2~7.5 micron, it presents a phenomenon of exponential increase in the range of 7.5~12.5 micron, and the phenomenon is proved to be involved with the stage of burst reinforcement; The features of fog burst to thicken are micro physical parameters increased rapidly in a short time, the number concentration and the maximum size of fog droplets in each size range increased rapidly, and visibility decreased rapidly ; Analysis suggests that the fog burst to thicken was caused by the sudden drop of air temperature et al, the fog weakened quickly is relate to solar radiation et al.

Key words: Fog; Micro-physical characteristics; Evolution features; Mutational features; Nanjing

1.引言

1.1研究目的及意义

在水汽充足、微风及大气层稳定的条件下，空气中的水汽达到饱和后便会凝结成细小的水滴悬浮于空中，而使地面能见度下降（１千米以内）的天气现象称为雾^[1]。根据地面可见距离将雾划分为三个等级：能见度大于0.5千米小于1.0千米为雾；能见度大于0.05千米小于0.5千米为浓雾；能见度低于0.05千米为强浓雾^[2]。国民经济和人类健康受到雾的重大影响：雾是对人类交通活动影响最大的天气之一，因为雾存在时能见度大大降低，很多交通工具，如飞机等将无法使用，轮船、汽车等的使用效率也会降低，浓雾还会导致重大交通事故的发生；雾天，空气中的污染物与水汽相结合，变得不易扩散和沉降而聚集在人类经常活动的高度，一些有害物质与水汽结合后毒性会变得更大，因此雾天空气污染要比平时严重的多，在这种天气下锻炼、出行，人体健康将受到严重危害^[1]；建筑物、农作物受到酸雾的严重损害；雾引发“雾闪”，造成电路中断，影响市民日常生活用电、电力机车运输、工厂生产等；因此雾作为一种灾害性天气现象受到越来越广泛的关注。而雾中能见度的变化直接受到雾滴数浓度、液态含水量、平均直径、最大直径、雾滴谱分布等雾微物理参量的影响，因此开展有关雾微物理特征的研究，深刻了解雾生消、演变的规律，及时并准确发布浓雾预警预报，对国民经济和人类生活具有非常重要的意义和价值。

1.2雾的形成与分类

空气中的水汽增加、空气冷却到露点温度、不同温度的湿空气块在垂直方向上混合是形成雾的主要物理过程^[3]。实际雾形成过程中上述三种过程往往是同时存在的，只是作用有主次之分而已。根据其形成原因的不同，雾可以分为：

1）辐射雾

因地面和大气辐射冷却而使近地层水汽凝结而形成辐射雾。辐射雾是陆地上最为多见的雾，多出现在晴朗、水汽充沛的夜间或清晨，随着太阳升高而迅速减弱、消散，比较浓的也可持续到午后。辐射雾雾体物理结构不均匀、雾中能见度变化大、范围小、雾层较薄，厚度一般为几十米，厚的可达几百米，薄的则不到1米^[4]。

2）平流雾

当暖湿空气平流于冷下垫面上移行时，下部空气因输送给下垫面热量而降温，温度降低到露点以下时就有雾形成，水汽因平流冷却凝结而形成的雾称为平流雾。平流雾既可发生于陆地上也可发生于海上，我国沿海地区冬季多发生平流雾；平流雾产生时，要持续有风且风速大小适中时雾才能持续存在。平流雾的特点是范围大、雾的结构和物理特征相对均匀且雾层较厚^[3]。

3）蒸发雾

蒸发雾是冷空气移行于暖水面上时，暖水面蒸发的水汽在空气中凝结而形成的雾，又称蒸汽雾，在极地生成的蒸发雾称为极烟，常在内陆湖滨地区出现；蒸发雾的厚度，薄的不到1米，厚的可达1500米，较常见的约100米左右；观测发现，空气湿度和水—气温差是影响蒸发雾形成的两个主要因素^[4]。

4）雨雾和锋面雾

降水在地表蒸发，地面附近的空气得到水汽补充而形成了雨雾和锋面雾，锋面雾以发生在暖锋附近居多。

1.3雾微物理特征观测研究进展

国外对雾的研究始于Taylor^[5]对雾的野外观测实验，通过实验他提出了形成辐射雾的必要条件；Eldridge^[6]对雾进行了观测，分析了雾的微物理参量和能见度的演变特征，发现随着雾滴数浓度的不断增加雾滴尺度逐渐减小，即雾滴谱偏向于小雾滴一侧；Kunkel^[7]通过激光全息照相机采集到不同的雾过程样本，发现不同样本的雾滴谱分布之间是有差别的，并详细描述了几次雾过程的平均雾滴谱特征；Kumai^[8]观测了北冰洋夏季平流雾，分析了雾的微物理参量和能见度等，发现：雾滴数浓度和粒径分布随着时间和空间的变化迅速变化；雾滴谱很宽，范围为3.3~65μm；在能见度为250米时，最大数浓度为24个/cm³，液态含水量为0.09 g/mm³。Pilie等^[9]在位于美国纽约附近的埃尔迈拉山谷对山谷雾的雾滴谱分布、数浓度、液态含水量、凝结核及气压、温度、风速、风向、垂直风速、露点温度、辐射、能见度等的外场综合观测分析，认为地面雾的形成可能是由地面辐射冷却和低水平的热量交换引起的，日出后露水蒸发维持了水汽饱和，对雾持续存在有一定的作用；Roach^[10]观测研究了英国贝福德郡卡丁顿地区的辐射雾，结果显示雾微物理参量具有准周期振荡变化的特征，作者认为这种振荡特性与重力波有关；Francesco等^[11]拟合分析了云、雾滴的谱分布，并对云雾滴对光的散射和吸收进行了讨论；Hudson^[12]选取了美国西海岸的不同地点，对雾滴谱分布等进行了观测分析，发现凝结核浓度的变化对雾的微物理特征的影响非常显著；Meyer等^[13]在观测一次浓辐射雾时发现：0.3~1.0μm尺度范围内的霾滴的亚微粒子在整个雾过程中保持恒定的数浓度；当霾滴尺度大于1μm时，它很容易便可转化为雾滴；能见度从2.1千米降低到1.4千米的过程中，谱分布在短短5分钟内出现了很大的变化，作者认为这种变化主要是由气溶胶转化成雾滴造成的；雾强度达到最大时，雾滴谱出现了多峰分布。Degefie等^[14]研究了法国SIRTA地区各种类型雾的微物理、能量和水通量，在获取的六次雾过程中选取了两次突出的雾过程进行了详细的研究分析，发现在这两次雾过程中水汽通量下降是雾滴尺度分布拓宽和整个雾过程中雾水通量最大幅度上升的主要原因。

中国的学者做过大量雾微物理方面的观测研究：王庚辰^[15]对北京雾的微物理特征进行了观测分析，指出雾滴谱分布的变化可以表征雾体的演变，雾体发展的主要特点是雾滴谱拓宽；李子华等^[16]研究分析了重庆市区冬季雾的宏微观结构，认为重庆雾在宏微观结构方面具有雾层厚、数浓度大、液态水含量小、雾滴尺度小等特点，还发现除了辐射冷却外，山风、城市热岛、两江水面和大气污染等因子也影响重庆地区雾的形成；李良福等^[17]利用重庆一次辐射雾的观测资料初步分析了辐射雾演变过程中的温、湿、压、风、数浓度、含水量、平均直径、谱分布等的变化特征，得到了重庆地区辐射雾微物理参量的一些参考值并认为其雾滴谱分布为单调下降型；黄建平等^[18]分析了沪宁地区辐射雾的微物理结构及其演变，认为雾的微物理结构与大气污染程度紧密相关，还观测到谱宽、含水量等存在20~30分钟的周期振荡现象；李子华等^[19]分析了南京1996年5天浓雾的物理结构特征，得到了空气污染影响雾的微结构、雾滴谱型满足Deirmendjian 分布等结论；黄玉生等^[20]对西双版纳雾的微物理结构及演变过程进行了观测分析，得到雾层内含水量随高度增大、平均雾滴谱曲线偏向小滴一端等结论，并发现在雾发展和相对稳定的阶段，雾滴谱具有起伏增长的特点；徐杰等^[21]观测研究了南京冬季平流雾的微物理结构，认为：平流雾的发展及消亡过程主要受冷暖平流的影响；随着雾不断发展，各尺度范围雾滴数浓度和最大雾滴尺度不断增大，雾滴谱不断拓宽，谱型也逐渐由单峰向双峰、三峰转化；在维持阶段，滴谱出现了周期性振荡，雾滴谱的演变具有明显的日变化特征。李子华等^[22]通过分析南京冬季雾的物理化学特征得到：南京冬季雾多为暖雾；平流辐射雾的雾顶高度最高，辐射雾次之，蒸发雾偏低；各微物理参量均以平流辐射雾最大，辐射雾次之，蒸发雾最小；辐射雾和平流辐射雾进入强盛阶段时都具有明显的爆发性增强特征；并于同年详细分析了雾滴谱爆发性拓宽的宏微观条件，认为：降温速率加大引发了雾滴谱爆发性拓宽；雾较浓时地面的弱冷平流及日出后地表的水分蒸发都易造成雾滴谱爆发性拓宽；雾滴谱拓宽具有阶梯性的特征等^[23]。张舒婷等^[24]分析了一次南海海雾的微物理特征及微物理参量（数浓度、液态水含量、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；吕晶晶等^[25]研究分析了湛江地区一次冷锋型海雾的微物理特征，结果表明：海雾的生消与风场密切相关且其雾滴谱分布以单调递减谱为主；于华英等^[26]对2007年12月南京六次雨雾的宏微观结构的演变特征做了分析研究，认为：天气系统对这六次雨雾过程的影响显著；雨雾发生前近地层一般都会出现逆温；雾刚生成时，大、小粒子数浓度的增加都很明显。

1.4南京雾的气候特征

南京地区雾天主要集中在深秋和冬春季，尤其以11月、12月最多，10月就进入大雾频发期。据历史资料统计，南京全年的平均雾日数为26.5天，但有明显的变化。11月是各月中雾日最多的月份，平均有4.4天，平均有3.3天雾日的12月次之，这两个月平均雾日共有7.7天，占到全年的29％；如果加上10月平均雾日3.0天、1月平均雾日2.8天，则10月至次年1月4个月内平均雾日共有13.5天，占了全年雾日的一半还多^[3]。南京的雾天在近五十年来呈急剧上升的趋势，1949~1959年雾天只有两天，2004~2005年雾天上升到100天；2006年仅12月就出现了7天大雾，并于12月24~27日之间出现了能见度低于50米的恶劣天气长达40多个小时；2007年11月中旬到12月底，南京出现雾天气达31次之多。

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