基于Mie散射的雾中能见度参数化方案研究

论文总字数：23482字

目 录

摘要 1

Abstract 2

第一章 绪论 3

1.1 研究意义 3

1.2 国内外研究进展 3

1.3 研究内容 5

第二章 方法介绍 5

2.1 数据来源 5

2.2 仪器介绍 6

第三章 结果与讨论 6

3.1 雾的微物理特征量 6

3.2 气溶胶谱、雾滴谱分析 9

3.2.1 气溶胶、雾滴数密度谱 9

3.2.2 气溶胶、雾滴平均谱分布特征 9

3.3 用Mie散射模式计算光学特性 11

3.3.1 雾滴和气溶胶的消光效率因子谱分布特性 11

3.3.2 雾滴和气溶胶的消光系数特征 12

3.3.3 气溶胶和雾滴消光系数β谱分布 13

3.4 参数化方案能见度的比较与拟合 14

3.4.1 参数化方案比较 14

3.4.2 参数化方案拟合 16

第四章 总结 19

参考文献 20

致谢 22

基于Mie散射的雾中能见度参数化方案研究

徐双喜

,China

Abstract：In order to clarify the characteristics of changes in the physical quantities of fog, and the applicability of Kunkel (1984) and Gultepe (2006;2009) two visibility parameterization schemes in Nanjing, a comprehensive test for the Nanjing field from December 18, 2007 to December 20, 2007 was conducted. During the three-day continuous fog process, the parameters of the micro-physical properties of fog, the spectral distribution characteristics of aerosol particle and droplet, the atmospheric extinction characteristics of fog at different stages, and the visibility of fog visibility were studied. The results showed that from December 18 to December 20, 2007, the microphysical quantities of fog oscillated over time, especially in the mature stage. The average spectral distribution of fog droplets monotonically decreased during a fog process, and the aerosol average spectrum was a single peak type, and the droplets were droplets. Concentrating on the side of 3 to 10 μm droplets, aerosols are mainly concentrated in the range of 0.01 μm to 0.3 μm; the density of fog droplets is concentrated in the small-scale range of 2-10 μm over time, and the spectrum of droplets broadens with the development of fog. Aerosol number density spectra are concentrated in a small scale of 10-40 nm. In the extinction feature of fog, the low visibility of the fog stage is caused by the high concentration of aerosol particles and droplets, and the change trend of visibility in the fog process is mainly determined by fog extinction. In the parametric visibility scheme for fog visibility, the visibility obtained by using the droplet spectroscopy and aerosol spectroscopy is much larger than the actual measurement, but the visibility of the two phases is similar in the maturation stage. Similarly, in the weaker fog, the visibility calculated by the parameterization scheme is very different from that of the actual measurement and the spectrum calculation.For the dense fog, the visibility of the parameterization scheme is the least different from the latter.

Key words：fog,aerosol,extinction characteristics,visibility,parameterization

第一章 绪论

1.1 研究意义

雾天气是一种常见的天气现象。雾是由于水汽凝结或凝华，大量细小水滴或冰晶悬浮于大气中，使得地面有效能见度小于1000m的现象。能见距离0.5km~1km的称为雾，能见距离0.05km~0.5km的称为浓雾，而能见距离0.5km的称为强浓雾^[1]。

随经济的迅速发展，我国很多地方雾霾事件频发。研究雾和低能见度的相关关系很重要，因为雾能对红外和可见光产生强散射、吸收。据统计，雾所引起交通运输方面损失相当于台风等自然灾害造成的损失。此外，雾通常发生于夜间稳定边界层，此时会有顶盖逆温层。小的地面风速，及稳定的大气层结不利于污染物的扩散，含有毒化学物质的污染气体、病菌等与雾滴结合会影响人体健康。

研究雾中微物理量演变特征与雾中能见度的关系，有利于进一步明确雾的微物理结构、宏观生消物理机制。雾滴与气溶胶的消光作用机理同能见度的演变规律，助于对雾中低能见度现象有一个更深入的认识。雾中消光因子，尤其是考虑气溶胶的消光对于能见度的参数化方案研究显得十分必要，是空气质量研究的重要组成，是空气质量数值预报的基础。具有重要的研究价值和现实意义。

1.2 国内外研究进展

雾的现象很早便受到关注，国外自19世纪末就开始了雾的研究和预报。80年代以来，随着我国经济发展，雾对人们生产生活的影响愈发凸显，我国雾的观测研究也得到了很大发展。21世纪，随着大气科学、通信传输和卫星遥感技术的发展，国内外对雾的生成和宏微观物理等研究已有较大突破。

当下国内外对雾的研究涉及雾中形成机制、气候特点、宏微观物理、数值模拟预报等。李子华^[2]概括总结了近40年中国有关雾研究进展，论述了雾的微物理特征、雾生消过程研究等取得的成就,以及雾数值模式的研究发展和重要成果。王飞^[3]对灰霾天气背景下颗粒物谱分布等方面进行了研究，得出了污染过程积聚模态气溶胶数浓度较高，且气溶胶数浓度谱呈现明显的季节特征，春夏冬三季呈单峰，而峰值集中于0.02～0.05μm范围内，峰值浓度冬季高于春季，夏季最小。尚倩^[4]等根据Mie 理论，研究了南京北郊气溶胶粒子的谱分布特征与大气能见度相关关系，表明了0.1～2μm范围内能见度与粒子表面积浓度相关性高，是引起南京能见度下降的主要因子。邓雪娇^[5]等通过1998年、2001年在中国南部南岭山脉一个相对清洁地区实地观测数据，得到了南岭山地浓雾和能见度的季节分布特征、雾滴谱微观特征。刘端阳在南京北郊开展的长江三角洲地区冬季雾外场综合观测试验，研究了雾滴谱微观结构特征、雾边界层结构、雾水化学特征、大气气溶胶粒子谱，表明了辐射雾、雨雾平流雾以及平流辐射雾的微物理参量有很大的差异，平流辐射雾的数密度、液态含水量以及平均直径都是最大^[6]。李子华^[7]等研究发现在降温速率加大的条件下，辐射雾在短时间内由浓雾发展为强浓雾的微物理特征是雾滴谱拓宽，含水量和数密度骤然増大。余洋^[8]对2007年南京冬季雾外场综合试验进行了研究，揭示了雾、霾过程不同阶段平均能见度的大小关系为:霾～轻雾gt;湿霾gt;雾。杨军^[9]对南京大气气溶胶和雾滴尺度谱分布同步观测资料进行了研究，表明雾过程中气溶胶粒子数浓度与均方根直径呈明显负相关关系，而雾阶段气溶胶粒子数浓度最低、尺度平均最大。尚倩对2009、2010冬季雾中大气能见度和不同粒径段气溶胶粒子的表面积浓度相关性关系综合分析，得到了聚模态粒子对表面积浓度的贡献最大，且该范围内粒子对光的散射效率很大^[10]。林艳通过研究南京一次雾外场观测资料，用确定性和概率性方法分析了能见度、液态含水量、粒子数浓度及相对湿度的关系式，表明了确定性方法得出的Vis关系式虽然是最佳拟合方案，但包含许多不确定性，而概率性方法却能给出某种特定情况如低能见度的可预测性^[11]。Gultepe^[12]等通过对2005、2006年加拿大安大略省南部冬季雾的微物理特征进行外场观测，以观测数据对能见度预报的参数化方案做出改进。曹祥村通过 RAMS模式海雾数值模拟试验改进了雾模式中能见度参数化方案，提出了一种适用于黄渤海地区雾预报的新能见度参数化方案^[13]。周鑫^[14]综述了能见度参数化方案研究成果和进展，能见度模拟计算中使用的不同参数化方案如Kunkel（1984）、Eldridge（1966,1971）、Pinnick（1978）、Tomasi和Tampieri（1976）进行了回顾总结,并对参数化方案的模拟效果进行了简述。胡俊^[15]等根据2013年12月南京两个霾污染个例提出了改进的大气能见度的参数化方案，提高了大气能见度预报性能。雾的能见度是由微物理性质如雾滴谱决定。然而，数值模式由于不具有详细的微物理过程因此使用参数化方案来预测雾能见度。1980年和1981年美国Massa chusetts的11个液相雾的 观测资料得出了液态水含量（LWC）/冰水分含量（IWC）的方案^[16]。

大气消光和能见度计算的进展方面，由Koschmieder^[17]明确了能见度、消光系数的关系，为能见度的计算指明了方法。则能见度的计算公式可用大气消光关系表示为

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：23482字

相关图片展示：