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《南京信息工程大学》 2015年
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华北地区持续性雾—霾天气的类型、结构特征及机理研究

郭丽君  
【摘要】:华北地区持续性雾-霾天气近几年呈显著增加趋势,但对该地区持续性大雾天气的类型、垂直结构及相应的物理成因研究不足,尤其是雾-霾天气的演变过程、霾-雾转化特征及机理的研究较少。本文在气象行业专项“京津地区低能见度雾、霾天气监测与预报研究”的支持下,整理和收集了2009~2013年期间华北地区的微波辐射计的观测资料和雾、霾综合观测的试验资料,本文首先利用常规探空、系留汽艇探空资料和CloudSat云雷达数据检验了美国Radiometrics公司生产的35通道MP-3000A型微波辐射计廓线仪(Microwave Radiometer Profiler, MWRP)的温湿度廓线数据,然后利用微波辐射计廓线数据及常规气象和卫星观测资料分析研究了华北地区13次大雾天气过程的类型、垂直结构特征及其产生的物理成因。最后针对2011年12月1-7日发生的一次比较罕见的持续性低能见度重度雾-霾天气,研究分析了雾-霾天气过程中气溶胶、云凝结核(CCN)、雾滴谱、含水量等微物理特征及大气能见度、边界层垂直结构特征,探讨了雾-霾天气的产生、演变与转化特征及机理。在对比晴空MonoRTM模拟亮温和微波辐射计观测亮温的基础上,用多种数据检验了雾个例的MWRP反演的温湿度廓线数据。与探空数据的比较表明,两者的温度(乃数据的相关系数均在0.98以上,水汽密度(ρ)的相关系数在0.95以上,但相对湿度(RH)的相关较弱,只有0.67左右。总样本误差分析中MWRP反演的T比探空偏低3℃左右,ρ的均方根误差(E)在1 g m-3以内,RH在1-7 km高度偏大,总样本RH垂直平均E在18%左右,雾天时的RH垂直平均E在23%左右。与系留汽艇观测数据比较表明,MWRP反演的T也偏低,但两种探测方式的T和RH在指示雾的发展演变过程中具有很好的一致性。CloudSat云雷达数据验证了MWRP反演显示中高层出现高RH区与云的存在有关。按照雾产生的基本条件,将华北地区13次大雾天气主要划为平流雾和蒸发雾两类,各占69%和31%。平流雾主要是由来自西南和东南的暖湿平流移经华北地区冷下垫面后冷却降温过程产生,强逆温的形成有利于雾的持续发展。而蒸发雾是由本地区降水蒸发冷却形成,或是冷平流移经暖湿下垫面形成。平流雾的平均雾顶高度不超过1.0 km,而蒸发雾的平均雾顶高度在0.5~1.5 km之间。按照微波辐射计连续观测雾的宏微观垂直结构特征,将13次大雾天气过程又划分为单一雾结构和云雾共存结构,单一雾结构仅占15%,而云雾共存结构占近85%,且持续三天以上的大雾天气基本具有云雾共存结构。采用卫星和地面气象观测数据对部分典型雾个例进行了比较验证研究,由此说明华北地区持续性大雾天气主要是由暖湿平流过程和降水蒸发冷却过程造成,与天气过程的异常密切相关。在2011年12月1~7日持续一周的雾-霾天气过程的个例研究中发现,该过程发生在高压天气系统和静风条件下,暖平流和辐射降温形成的稳定逆温边界层结构有利于污染气溶胶的积累和雾-霾的形成和发展,尤其是来自南方持续不断的湿平流使雾-霾天气得以长时间持续和发展。整个雾-霾天气期间能见度均小于2 km,最低能见度达到56 m,液态水含量在10-3g m-3量级,最大达到0.16gm-3,气溶胶数浓度均在10000 cm-3以上,质量浓度范围为50~160μgm-3。进一步的研究表明,此次长达一周的雾-霾天气发生了三次强弱不同的霾气溶胶积累、霾-雾转化和混合及减弱三个主要阶段。霾气溶胶积累阶段先后有爱根核和积聚模态气溶胶数浓度的积累和增加。霾向雾转化和混合阶段中,雾滴凝结释放的潜热和高浓度气溶胶环境使布朗碰并加剧,导致气溶胶尺度向粒径大的方向转移,从而提供了大量可形成云凝结核的气溶胶粒子,促进了雾的爆发性增强,浓雾过程中气溶胶向CCN活化率可达17%,而CCN向雾滴的转化效率可高达100%,此期间雾滴谱具有爆发性拓宽的特征。冷锋系统过境或辐射加热增强导致了雾-霾过程的减弱和消散。
【学位授予单位】:南京信息工程大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2015
【分类号】:X513;P426.4

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