寿县地面和20m高度浓雾微物理特征对比研究

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雾是一种具有垂直结构的天气现象,多数研究对雾微物理特征的认识仅局限于地面。2019年1月和2020年1月在寿县地区进行了两次雾微物理外场综合观测试验,本文结合系留边界层探测系统、气象梯度塔、自动气象站和涡动协方差通量观测系统等资料,分析了三次辐射雾过程地面和20 m高度的雾微物理特征,并讨论湍流、水汽通量等因子对雾微物理特征垂直差异的影响。结果表明:三次辐射雾过程前期均出现连续降水过程,近地面水汽大量积累,日落后在地面长波辐射降温和近地面微风的条件下,地面雾形成并逐渐发展为浓雾;日出前后近地面升温,第一次雾过程迅速消散,第二和第三次雾进一步增强,直至中午消散;三次雾过程均为典型的辐射雾过程,其中浓雾维持的时间占整个雾过程的80%以上。日出后近地面较强逆温的维持有利于水汽和颗粒物大量聚集,促进雾进一步增强。第二、三次雾过程中,贴地逆温随着太阳辐射的增强才开始抬升,日出后雾进一步发展。雾先形成于地面,随上方气层降温向20 m高度发展;雾发展至20 m高度时不稳定,随着雾层增厚变浓,近地面各梯度层气温渐趋一致,两高度各微物理量逐步接近并随时间准同步变化,近地面雾层稳定发展,上下均匀;第一次雾过程两高度雾同时消散;第二次雾消散期间,由于地面附近小粒子维持,地面雾消散晚于20 m雾约10 min;第三次雾消散期间,地面气温略高于高层气温导致地面雾滴蒸发更快,地面雾消散早于20 m雾约16 min。20 m雾形成初期雾滴尺度集中在3~6μm,20 m高度6μm以下小尺度雾滴数浓度远多于地面同尺度雾滴数浓度;随着较高层水汽增加,凝结过程进一步发展,20 m高度大于6μm的雾滴增多,滴谱显著拓宽并接近地面谱宽;成熟和消散阶段,两高度雾滴谱分布基本同步演变;由于20 m高度水汽含量始终少于地面附近含水量,整个雾过程中,20 m雾滴谱宽始终略小于地面谱宽。湍流状态的变化影响雾微物理垂直结构的演变;雾过程前期存在σw2值小于0.001m2/s2的最低时段,有利于贴地层水汽维持;形成阶段σw2在0.001~0.002 m2/s2范围起伏;发展阶段σw2表现为明显增大趋势;成熟阶段相对稳定在0.01 m2/s2;当σw2达到0.02m2/s2左右时雾进入消散阶段。雾前的强稳定状态有利于辐射雾发生所需水汽条件的维持,配合湍流适度增强使雾层垂直发展;弱的水汽通量条件下雾滴的凝结形成导致贴地气层水汽密度减小,适度的湍流强度和水汽通量有利于贴地辐射雾层发展均匀、稳定维持。
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