粤西海雾湍流和雾水沉降特征观测研究

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湍流运动和重力沉降通过影响雾滴数浓度和雾水等的输送,进而影响海雾的形成、发展和消散。本文根据2017年2-3月在粤西地区开展的海雾外场综合观测试验,利用雾滴谱仪、涡动协方差通量观测系统(超声风速仪、CO2/H2O分析仪)、自动气象站等资料,对12次海雾过程的概况进行了分析,并深入研究了3月10-14日连续海雾过程的宏微观特征、湍流特征以及雾水沉降特征,探讨了湍流运动和重力沉降对雾滴数浓度和雾水的输送特征,及其对海雾生消过程的影响。结果表明:(1)海雾的宏微观特征:粤西海雾有连续性,东风将暖湿空气输送至冷海面,形成一次或多次平流雾,再因冷空气南下与暖湿气流交汇形成锋面雾,最后随着冷锋过境而消散。在一次连续海雾过程中,形成阶段出现雾爆发性增强现象,含水量、体积平均直径和自动转换阈值函数达到最大值。(2)海雾的湍流特征:在连续海雾过程形成前大气层结不稳定。湍流强度、水平风速、摩擦速度和湍流动能在海雾的形成阶段都减小到最小值,后在成熟阶段逐渐增大;在消散阶段,水平风速、摩擦速度和湍流动能快速增大。雾中湍流会将上层暖湿气流的热量输送到地面,使平流雾二次发展。计算雾滴数浓度湍流通量和雾水湍流通量后,发现湍流对雾滴数浓度和雾水的输送是双向的;且输送方向基本一致,在成熟阶段前期向上输送,在成熟阶段后期向下沉降,在消散阶段向上输送。湍流对雾滴数浓度的输送主要表现在直径12μm以下的小滴,对雾水的输送则主要表现在5-15μm的小滴和22-37μm的中大滴。雾滴数浓度和雾水湍流通量与数浓度的线性相关性为0.8,数浓度越大,湍流对雾滴数浓度和雾水的输送越强。(3)海雾的雾水沉降特征:雾水重力沉降在成熟阶段后期比较大。对雾水重力沉降有主要贡献的是直径15μm以上的雾滴,重力沉降最大值位于29μm处。雾水重力通量与含水量、体积平均直径和自动转换阈值函数线性相关性大于0.9;含水量越大,雾滴尺度越大,碰并过程越强,雾水重力沉降越大。能见度越小,雾水重力通量和湍流通量越大,可用幂函数较好地描述。当湍流较弱时,雾水重力沉降大于湍流沉降;当湍流较强时,湍流对雾滴数浓度和雾水的输送也较强,雾水重力沉降则相对较弱。
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