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《南京信息工程大学》 2011年
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南京冬季雾宏微观物理结构的观测研究

刘端阳  
【摘要】:本研究于2006、2007、2008、2009年冬季在南京北郊(南京信息工程大学)、南京城区开展了四期长江三角洲地区冬季雾外场综合观测试验,内容包括雾的边界层结构、雾滴谱微观结构特征、雾水化学特征、大气气溶胶粒子谱及化学成分、辐射和热平衡各分量及湍流结构,还有水汽通量、热通量以及气象和环境监测常规项目。 本文首先对外场观测试验、观测所使用的仪器以及获取资料的处理方法进行了介绍。进而通过外场观测资料的筛选和分析。根据不同的形成原因将雾过程进行了分类,将雾分为四种类型:辐射雾、平流辐射雾、平流雾和雨雾。分析了南京冬季不同类型雾宏观物理特征,探讨了雾的类型,雾的生消过程以及雾层结构、温度结构和风场结构特征。分析发现辐射雾具有明显的日变化特征,通常在日落以后或者午夜形成;辐射雾大部分在日出后或者正午前后消散,维持时间大都在9—18小时。平流辐射雾和平流雾的维持时间都比较长;能见度低于50m的强浓雾大部分出现在凌晨,在日出前或者日出后的1-2小时内,且都出现在在辐射雾及平流辐射雾中。平流雾和平流辐射雾厚度最大。辐射雾的逆温结构维持时间较短;辐射雾和平流辐射雾形成前的风速都比较小,最大风速都不超过0.6m/s,且风向大都是西北风或者东南风;在强浓雾形成前地面的风向也出现了非常大的变化,尤其是维持时间超过2小时的强浓雾;平流雾在形成时的风向多为偏南风或者偏东风且没有出现强浓雾。 讨论了不同类型雾的微物理特征和谱分布特征及其之间的差异,发现辐射雾、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。辐射雾有宽谱辐射雾和窄谱辐射雾两种谱分布特征;宽谱辐射雾不论在小滴段还是大滴段其雾滴数都远远高于窄谱辐射雾,谱线几乎都在窄谱辐射雾之上。雾滴谱拓宽都有爆发性发展特征,即在很短时间(约30分钟)内,数密度明显增大,雾滴谱明显拓宽,含水量明显增大,浓雾突变为强浓雾。进而分析了雾滴谱拓宽的宏观条件和微物理过程。雾滴谱爆发性拓宽都是在降温(即过饱和度加大)条件下出现的;雾滴谱的“拓宽”具有阶梯式的特征或连续拓宽的特征。 利用常规气象观测资料及雾的外场观测资料,通过对南京地区雨雾的形成及其结构分析发现:南京地区秋末至春初出现雨雾时,高空500hpa处于槽前西南气流控制下,850hpa常伴有弱的切变,地面形势主要有锋面型、冷高压底部型和低压倒槽型3种情况。雨雾出现在非强天气过程中,一天当中任何时段均可出现;当雨势增强或地面风速加大,干冷空气不断侵入,都可能造成雨雾消散。稳定的边界层层结,较强的逆温层存在,且边界层上层气温高于近地层,是形成雨雾的一个重要的条件。 对一次典型的辐射雾过程的热力和动力结构分析发现。这次雾过程先是地表强辐射冷却,而后贴地空气向冷的地面辐射而使气温下降,与此同时土壤蒸发水汽而使空气相对湿度加大,雾即形成。雾过程具有爆发性增强特征,这与日出后地面蒸发增强以及弱冷空气侵入有关。强浓雾阶段雾层具有双层雾结构,地面雾和上层雾雾顶部分都具有强逆温和逆湿结构,上下两层雾之间的急流区阻碍了上下雾层相接。 通过对一次冷暖双平流影响下的平流雾的分析发现,这次雾过程在贴地层东北冷平流和上层东南风暖湿平流的共同作用下形成并长时间维持。冷暖平流共同作用形成的双层逆温结构及源源不断的水汽输送是浓雾长时间维持的主要条件。双层逆温结构为深厚浓雾的维持创造了良好的热力条件,水汽输送不仅有利于雾层厚度和强度的维持,也使得雾体浓度均匀,持续不消。下层逆温层附近的低空急流在深厚雾层维持过程中起到了促进作用,有利于下层逆温层附近的热量、动量和水汽交换,从而造成了深厚雾层的维持及均匀的雾体强度。
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