南京冬季雨雾过程的环流分析与宏微观物理过程研究

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雾是我国冬季常见的灾害性天气,研究其形成的环流形势和宏微观物理过程,是提高精确预报水平和防灾减灾的基础。本文针对2007年12月发生在南京的六次雨雾过程,首先利用常规地面气象观测资料、NCEP再分析资料、NCAR 30年的12月月平均资料和NOAA的AO、ENSO指数,分析了2007年12月南京地区大雾天气的天气和气候背景。利用1980-2011年的雾日数资料对多雾日和少雾日的环流形势进行了合成分析,探讨了环流与ENSO指数和AO指数的关系,分析了南京雾过程的水汽来源;然后利用能见度仪、雨滴谱仪、雾滴谱仪等观测资料,分析了雨雾天气的宏观、微观物理结构的演变;最后利用中尺度数值模式WRF,对一次典型的雨雾过程进行了数值模拟试验。通过研究,获得如下主要结果:
  1、本文研究的六次雨雾过程均发生在2007年12月,同时发现,2007年的12月雾日数是南京近30年来12月份雾日数最多的一年。为此,诊断分析2007年12月的气候背景发现:AO(北极涛动)的正异常,使得东亚大槽变弱,不利于冷空气南下,同时长三角地区中层高压异常,有利于大气稳定,La Ni(n)a事件有利于中国南海地区水汽增加,可能为南京雾的发生提供了水汽条件。中国西南地区存在一个气旋性环流,有利于西南气流输送大量的水汽到长江流域。从天气尺度分析发现:中国沿海20°N地区提前两天的水汽增加,为南京大雾提供了水汽源,西南气旋为水汽输送提供输送途径。通过对东亚地表温度和大气可降水量做双变量经验正交分解(EOF)发现:第一模态可以反映出初冬到深冬的季节变化,有利于大尺度的地表温度下降,第二模态反映了一次大范围的暖湿气流北上的过程,伴随副高的增强,使南京地区出现连续多湿天气,造成大雾频发。
  2、利用2007年冬季南京信息工程大学对雾的综合观测资料,包括能见度仪、雨滴谱仪、雾滴谱仪、宽范围颗粒粒径谱仪(WPS),结合地面常规气象观测资料和NCEP再分析资料,分析2007年12月南京六次雨雾过程的宏、微观结构演变特征。结果显示:a、南京2007年12月的六次雨雾过程主要是受天气系统的影响,以雨中雾为主,最低能见度大于250m。雨雾多出现在偏东气流的影响下,南京地区先发生弱降水,空气近饱和,随后受到来自北方的弱冷空气影响,水汽凝结,雾形成。b、常规探空显示900hPa以下,雨雾发生前和过程中,都少有逆温层,雨雾结束后均无逆温结构。但由NCEP资料可以发现雨雾发生前贴地层多有逆温,雨雾过程中T2m-Tsurface由正转为负,逆温消失。雨雾前中低层有云Ac或As及Sc或Fn,低云高0.3-2.5km,雨雾过程中,600hPa以下都是饱和层,多伴有Fn,低云高度明显下降,雨雾过后,近饱和层仍然有可能存在。雨雾前900hPa附近有明显的风切变。c、雨雾形成初期,大粒子(粒子直径D,D≥10μm)和小粒子(1μ-m<D<10μm)数浓度均有明显增加。南京冬季雨雾过程对气溶胶粒子的湿清除,主要是核模态气溶胶粒子的核化过程。气溶胶粒子数浓度的减少程度与风向和风速密切相关,在较大的北风作用下,气溶胶粒子浓度明显减少。
  3、利用中尺度数值模式WRF-ARW V3.5,对2007年12月27日的雨雾过程进行了数值模拟。模拟结果显示:雨雾中的两个弱信号(弱降水及雾),均能被中尺度模式WRF模拟出来。从单站气象要素的模拟可知,城市化模拟的温度和累积雨量更接近实况。但有/无城市化方案,对雨雾的模拟没有重要影响,也就是说下垫面不是此次雨雾形成的主导因子。模拟雨雾过程的起始时间较观测提前了2小时,持续时间均为4小时。模拟的LWC高值区与能见度的低值区有较好的匹配。模拟结果显示3km高度以下均有云。并由LWC、降水、温湿层结的时空演变,可以推断该次雨雾过程是层云降水,导致层云沉降而形成雾。垂直层低空加密的模拟结果显示:雨雾前,贴地面有浅薄的逆温层。日出前,地面有弱的辐射降温。日出后,湍流热交换作用也不显著,温度变化弱。雨雾前大气向地面有水汽输送,雨雾形成以后,地面的水汽转向大气输送,使得大气过饱和而成雾。
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