南京地區(qū)冬季霧微物理特征剖析：基于多維度觀測與分析一、引言1.1研究背景與意義霧是一種常見的天氣現(xiàn)象，其形成涉及到復(fù)雜的物理過程。在南京地區(qū)，冬季是霧的高發(fā)季節(jié)，頻繁出現(xiàn)的霧天氣給當?shù)氐纳a(chǎn)生活帶來了諸多不利影響。從交通方面來看，冬季霧天對南京的公路、鐵路、航空和水運等交通方式均造成了嚴重干擾。公路上，低能見度使得駕駛員視線受阻，難以準確判斷路況，極易引發(fā)追尾、碰撞等交通事故。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在南京，因霧天導(dǎo)致的交通事故發(fā)生率在冬季顯著上升，嚴重威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。例如，在某些大霧天氣下，高速公路不得不采取限速、封閉等交通管制措施，這不僅導(dǎo)致車輛擁堵，還延誤了人們的出行時間。鐵路運輸方面，霧天可能影響列車的正常運行速度和調(diào)度，造成列車晚點，給旅客的出行帶來極大不便。航空領(lǐng)域，大霧會使機場能見度降低，影響飛機的起降安全，導(dǎo)致航班延誤或取消。南京祿口國際機場在冬季霧天期間，經(jīng)常出現(xiàn)大量航班延誤的情況，給旅客和航空公司都帶來了巨大的經(jīng)濟損失。水運方面，霧天會限制船舶的航行，增加船舶碰撞的風險，影響港口的正常運營。對人體健康而言，冬季霧中往往含有大量的有害物質(zhì)，如二氧化硫、氮氧化物、顆粒物等，這些污染物會隨著呼吸進入人體，對呼吸道、心血管系統(tǒng)等造成損害。長期暴露在霧天環(huán)境中，會增加人們患呼吸道疾?。ㄈ缰夤苎?、哮喘等）、心血管疾?。ㄈ绺哐獕?、冠心病等）的風險。特別是對于老人、兒童和患有慢性疾病的人群，霧天的危害更為嚴重。研究表明，在南京冬季霧天期間，醫(yī)院呼吸道疾病和心血管疾病的門診量明顯增加。在經(jīng)濟層面，霧天對南京的農(nóng)業(yè)、工業(yè)和旅游業(yè)等產(chǎn)業(yè)都產(chǎn)生了負面影響。農(nóng)業(yè)上，霧天會影響農(nóng)作物的光合作用和呼吸作用，導(dǎo)致農(nóng)作物生長發(fā)育受阻，產(chǎn)量下降。例如，大霧天氣可能使蔬菜的品質(zhì)下降，水果的甜度降低。工業(yè)生產(chǎn)中，霧天可能導(dǎo)致供電系統(tǒng)故障，影響工廠的正常生產(chǎn)，增加企業(yè)的生產(chǎn)成本。旅游業(yè)方面，霧天會降低旅游景點的觀賞性，減少游客數(shù)量，給旅游企業(yè)帶來經(jīng)濟損失。南京作為歷史文化名城，擁有眾多著名的旅游景點，如中山陵、夫子廟等，霧天會使這些景點的吸引力大打折扣。霧的微物理特征包括霧滴數(shù)密度、含水量、譜分布等，這些特征直接影響著霧的發(fā)展、維持和消散過程，同時也是決定霧對能見度影響程度的關(guān)鍵因素。深入研究南京地區(qū)冬季霧的微物理特征，有助于我們更好地理解霧的形成機制和演變規(guī)律。通過對霧滴數(shù)密度的研究，可以了解霧中粒子的濃度分布情況，從而推斷霧的發(fā)展階段；對含水量的分析，能夠掌握霧中水分的含量，為研究霧的維持和消散提供依據(jù)；而霧滴譜分布的研究，則可以揭示霧滴大小的分布規(guī)律，進一步認識霧的微觀結(jié)構(gòu)。準確的霧預(yù)報對于交通、農(nóng)業(yè)、能源等多個領(lǐng)域的安全運行和生產(chǎn)活動至關(guān)重要。通過對霧微物理特征的研究，可以為霧預(yù)報模型提供更準確的初始條件和參數(shù)化方案，提高霧預(yù)報的準確性和時效性。這有助于相關(guān)部門提前采取措施，如交通管制、農(nóng)業(yè)防護等，減少霧天帶來的不利影響。例如，在交通領(lǐng)域，準確的霧預(yù)報可以讓交通管理部門提前做好應(yīng)急預(yù)案，合理安排警力，保障道路交通安全；在農(nóng)業(yè)方面，農(nóng)民可以根據(jù)霧預(yù)報提前采取防護措施，如覆蓋保溫膜、加強通風等，減少農(nóng)作物的損失。針對霧天對人體健康和生產(chǎn)生活的危害，研究霧的微物理特征可以為制定有效的防護措施提供科學(xué)依據(jù)。例如，根據(jù)霧中污染物的濃度和粒徑分布，研發(fā)更有效的防護口罩，減少人們對有害物質(zhì)的吸入；根據(jù)霧的發(fā)展和消散規(guī)律，合理安排戶外活動時間，降低霧天對人體健康的影響。綜上所述，研究南京地區(qū)冬季霧的微物理特征具有重要的現(xiàn)實意義和科學(xué)價值，它不僅能夠為霧的預(yù)報和防護提供科學(xué)支持，還有助于我們更好地應(yīng)對霧天帶來的各種挑戰(zhàn)，保障南京地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展和人民的生命健康。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國外，霧微物理特征的研究開展較早，積累了豐富的成果。早在20世紀初，國外學(xué)者就開始關(guān)注霧的形成機制和微物理過程。隨著科技的不斷進步，先進的觀測儀器和研究方法被廣泛應(yīng)用于霧研究領(lǐng)域。例如，利用激光雷達、微波輻射計等設(shè)備對霧的垂直結(jié)構(gòu)和微物理參數(shù)進行高分辨率觀測，通過數(shù)值模擬方法深入研究霧的形成、發(fā)展和消散過程。在霧滴譜分布的研究方面，國外學(xué)者提出了多種理論模型，如Gamma分布、Log-Normal分布等，用于描述霧滴大小的分布規(guī)律，這些模型在一定程度上能夠解釋霧滴譜的變化特征。在國內(nèi)，霧微物理特征的研究也取得了顯著進展。眾多學(xué)者針對不同地區(qū)的霧開展了大量的觀測和分析工作。在北方地區(qū)，對北京、天津等地的霧研究發(fā)現(xiàn)，這些地區(qū)的霧多受城市污染和地形影響，霧滴數(shù)密度和含水量與污染物濃度密切相關(guān)。在南方地區(qū)，對廣州、深圳等城市的霧研究表明，海洋氣流和城市熱島效應(yīng)在霧的形成和發(fā)展中起到重要作用。在山區(qū)，對黃山、廬山等地的霧研究揭示了地形對霧微物理特征的獨特影響，如山谷地形容易導(dǎo)致霧滴的聚集和增長。對于南京地區(qū)霧的研究，過往也有一些成果。有研究利用美國DMT公司生產(chǎn)的FM-100型霧滴譜儀觀測資料，結(jié)合天氣形勢、自動氣象站及能見度資料，綜合分析了2006年12月24-27日南京市區(qū)及其周邊地區(qū)的罕見濃霧過程，指出該霧過程屬于較為典型的平流霧，霧滴譜在不同階段具有不同特征，在生成發(fā)展階段，譜型由單峰逐步向雙峰、三峰轉(zhuǎn)化；在維持階段，霧滴譜存在周期性振蕩，且霧滴譜的演變具有明顯的日變化特征。還有研究利用2007年的多次霧過程觀測資料，研究了濃霧天氣下大霧的形成機制及各微物理參量對能見度的影響，發(fā)現(xiàn)不同類型霧中消光系數(shù)與各微物理參量的相關(guān)性存在差異。然而，目前針對南京地區(qū)冬季霧的微物理特征研究仍存在一些不足?，F(xiàn)有研究在觀測資料的時間連續(xù)性和空間覆蓋范圍上存在局限性，難以全面準確地反映南京地區(qū)冬季霧的整體特征和變化規(guī)律。對南京地區(qū)冬季霧微物理特征與氣象條件、污染物排放等因素之間的復(fù)雜相互作用關(guān)系研究不夠深入，尚未建立起完善的物理模型來定量描述這些關(guān)系。在霧的分類研究中，對于南京地區(qū)冬季不同類型霧（如輻射霧、平流霧等）的微物理特征差異及其形成機制的對比分析還不夠系統(tǒng)?；谝陨涎芯楷F(xiàn)狀和不足，本文將以南京地區(qū)冬季霧為研究對象，利用多源觀測數(shù)據(jù)，全面深入地研究其微物理特征，包括霧滴數(shù)密度、含水量、譜分布等參數(shù)的變化規(guī)律，分析其與氣象條件、污染物排放等因素的相互關(guān)系，旨在填補南京地區(qū)冬季霧微物理特征研究的部分空白，為南京地區(qū)霧的預(yù)報、防護以及城市環(huán)境治理提供更科學(xué)的依據(jù)。1.3研究目標與內(nèi)容本研究旨在全面、深入地探究南京地區(qū)冬季霧的微物理特征，具體研究目標包括：精確獲取南京地區(qū)冬季霧的微物理參數(shù)，如霧滴數(shù)密度、含水量、譜分布等，并分析其時空變化規(guī)律；明確南京地區(qū)冬季霧微物理特征與氣象條件（如溫度、濕度、風速、氣壓等）、污染物排放等因素之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示霧的形成和演變機制；基于研究結(jié)果，為南京地區(qū)霧的預(yù)報模型提供更精準的參數(shù)和更可靠的理論依據(jù)，提升霧預(yù)報的準確性和可靠性。在研究內(nèi)容方面，將從以下幾個關(guān)鍵角度展開：霧滴譜特征分析：利用先進的霧滴譜儀，對南京地區(qū)冬季霧的霧滴譜進行高分辨率觀測，獲取不同霧過程中霧滴粒徑的分布數(shù)據(jù)。分析霧滴譜在霧的生成、發(fā)展、維持和消散等各個階段的變化規(guī)律，探究霧滴譜的日變化和年際變化特征。通過對比不同類型霧（輻射霧、平流霧等）的霧滴譜差異，揭示霧滴譜與霧形成機制之間的關(guān)系。含水量特征研究：運用高精度的測量儀器，精確測量南京地區(qū)冬季霧的含水量，研究其在霧過程中的演變規(guī)律。分析含水量與霧滴數(shù)密度、粒徑大小之間的相關(guān)性，探討含水量對霧的發(fā)展和消散過程的影響。同時，研究含水量與氣象條件（如相對濕度、水汽壓等）之間的關(guān)系，揭示含水量變化的物理機制。數(shù)密度特征探究：通過觀測和數(shù)據(jù)分析，深入研究南京地區(qū)冬季霧的數(shù)密度特征，包括數(shù)密度的時空分布規(guī)律、不同霧類型下的數(shù)密度差異等。分析數(shù)密度與能見度之間的關(guān)系，明確數(shù)密度在影響霧天能見度方面的作用。探討數(shù)密度與污染物排放、氣象條件之間的相互作用，揭示數(shù)密度變化的影響因素。與氣象要素關(guān)系分析：收集南京地區(qū)冬季的氣象數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度、風速、氣壓等，結(jié)合霧的微物理特征數(shù)據(jù)，運用統(tǒng)計分析方法和數(shù)值模擬技術(shù)，研究霧微物理特征與氣象要素之間的定量關(guān)系。建立霧微物理特征與氣象要素的耦合模型，深入探討氣象條件對霧的形成、發(fā)展和消散過程的影響機制，為霧的預(yù)報和預(yù)警提供科學(xué)依據(jù)。二、研究方法與數(shù)據(jù)來源2.1觀測站點與儀器本研究在南京地區(qū)設(shè)立了多個觀測站點，這些站點分布于南京市區(qū)及周邊郊區(qū)，旨在全面獲取不同地理環(huán)境下的霧觀測數(shù)據(jù)。其中，市區(qū)站點位于南京信息工程大學(xué)內(nèi)，具體位置為北緯32°05′，東經(jīng)118°48′，該區(qū)域周邊為高校建筑及少量商業(yè)設(shè)施，人口密度相對較大，受城市活動影響較為明顯，能夠較好地代表城市環(huán)境下的霧情狀況。郊區(qū)站點則選在六合區(qū)的一處開闊農(nóng)田附近，經(jīng)緯度為北緯32°22′，東經(jīng)118°50′，這里地勢平坦，植被覆蓋以農(nóng)作物為主，遠離大型工業(yè)污染源和城市熱島效應(yīng)中心，主要反映郊區(qū)自然環(huán)境中的霧的特征。為準確測量霧的微物理特征，研究中使用了多種先進儀器。美國DMT公司生產(chǎn)的FM-100型霧滴譜儀是核心觀測設(shè)備之一，其測量范圍為2-50μm，可對霧滴粒徑進行高分辨率的測量。該儀器基于光散射原理，通過分析霧滴對激光的散射特性來確定霧滴大小和數(shù)密度，采樣頻率高達1Hz，能夠?qū)崟r捕捉霧滴譜的動態(tài)變化。在觀測過程中，霧滴譜儀被安置在距離地面1.5米高度的特制支架上，避免了地面干擾，確保測量數(shù)據(jù)的準確性。自動氣象站選用芬蘭Vaisala公司的產(chǎn)品，能夠?qū)崟r監(jiān)測多種氣象要素，包括溫度、濕度、風速、風向、氣壓等。其中，溫度傳感器的測量精度可達±0.2℃，濕度傳感器的精度為±2%RH，風速測量范圍為0-60m/s，精度為±0.1m/s，風向測量精度為±3°，氣壓測量精度為±0.3hPa。自動氣象站的數(shù)據(jù)采集頻率為每分鐘一次，通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)實時發(fā)送至數(shù)據(jù)接收中心，為分析霧與氣象條件的關(guān)系提供了豐富的數(shù)據(jù)支持。能見度儀采用德國OTT公司的產(chǎn)品，其基于前向散射原理，測量范圍為0-10km，測量精度在0-1km范圍內(nèi)為±5m，1-10km范圍內(nèi)為測量值的±5%。能見度儀安裝在開闊、無遮擋的位置，與霧滴譜儀和自動氣象站保持適當距離，以確保測量結(jié)果不受其他儀器的影響，準確反映霧天的能見度狀況。此外，研究中還配備了氣溶膠監(jiān)測儀，用于測量大氣中的氣溶膠濃度和粒徑分布。該儀器采用激光粒徑分析技術(shù)，可測量的粒徑范圍為0.01-10μm，能夠分析不同粒徑段的氣溶膠粒子數(shù)濃度和質(zhì)量濃度。通過對氣溶膠數(shù)據(jù)的分析，有助于了解氣溶膠對霧的形成和發(fā)展的影響，進一步揭示霧微物理特征與大氣污染物之間的關(guān)系。2.2觀測時間與頻次本研究的觀測時間跨度為2020-2022年的冬季，即每年的12月至次年2月。這一時間段涵蓋了南京地區(qū)冬季霧的高發(fā)期，能夠獲取較為豐富的霧觀測數(shù)據(jù)，從而更全面地分析冬季霧的微物理特征。在這三年的冬季里，對南京地區(qū)的霧進行了持續(xù)監(jiān)測，共獲取了多個霧過程的觀測資料，為研究提供了充足的數(shù)據(jù)樣本。不同儀器的觀測頻次有所差異。FM-100型霧滴譜儀以1Hz的采樣頻率不間斷地工作，每秒記錄一次數(shù)據(jù)。如此高的采樣頻率能夠精確捕捉霧滴粒徑和數(shù)密度的瞬間變化，為分析霧滴譜在短時間內(nèi)的動態(tài)演變提供了詳細的數(shù)據(jù)支持。例如，在霧的生成階段，通過霧滴譜儀的高頻觀測，可以清晰地看到霧滴數(shù)密度如何迅速增加，以及霧滴粒徑的分布如何隨著時間的推移而發(fā)生變化。自動氣象站的數(shù)據(jù)采集頻率為每分鐘一次，實時監(jiān)測溫度、濕度、風速、風向、氣壓等氣象要素。這一采集頻率能夠較好地反映氣象要素在分鐘尺度上的變化情況，有助于分析氣象條件對霧的形成、發(fā)展和消散過程的影響。在霧的發(fā)展過程中，自動氣象站的數(shù)據(jù)可以幫助我們了解溫度的下降、濕度的上升以及風速和風向的變化如何與霧的微物理特征變化相互關(guān)聯(lián)。能見度儀同樣以每分鐘一次的頻率測量能見度，及時準確地記錄霧天能見度的變化。能見度的變化是霧對交通和環(huán)境影響的重要指標之一，通過與霧滴譜儀和自動氣象站的數(shù)據(jù)相結(jié)合，可以深入研究霧微物理特征與能見度之間的關(guān)系。在霧滴數(shù)密度增加、粒徑變化時，能見度如何相應(yīng)地降低，通過這些數(shù)據(jù)的綜合分析可以得出更準確的結(jié)論。氣溶膠監(jiān)測儀每10分鐘測量一次大氣中的氣溶膠濃度和粒徑分布，這一觀測頻次能夠滿足對氣溶膠長期變化趨勢的監(jiān)測需求，同時也能捕捉到氣溶膠在霧形成和發(fā)展過程中的關(guān)鍵變化。氣溶膠作為霧形成的凝結(jié)核，其濃度和粒徑分布對霧的微物理特征有著重要影響。通過氣溶膠監(jiān)測儀的觀測數(shù)據(jù)，可以分析不同粒徑的氣溶膠粒子如何參與霧滴的形成，以及氣溶膠濃度的變化如何影響霧滴數(shù)密度和含水量等微物理參數(shù)。2.3數(shù)據(jù)處理與分析方法在獲取南京地區(qū)冬季霧的觀測數(shù)據(jù)后，首先進行數(shù)據(jù)清洗工作。由于觀測過程中可能受到儀器故障、環(huán)境干擾等因素影響，原始數(shù)據(jù)中存在噪聲、異常值以及缺失值等問題。對于重復(fù)數(shù)據(jù)，通過編寫Python程序進行識別和刪除，確保每條數(shù)據(jù)的唯一性。在處理錯誤數(shù)據(jù)時，依據(jù)儀器的測量原理和物理規(guī)律，對明顯不符合實際情況的數(shù)據(jù)進行修正或剔除。例如，當霧滴譜儀測量的霧滴粒徑出現(xiàn)小于儀器可測下限或大于上限的值時，判定為錯誤數(shù)據(jù)并予以處理。對于缺失值，采用線性插值法進行補充，即根據(jù)相鄰時間點的數(shù)據(jù)，按照線性關(guān)系估算缺失值。如對于自動氣象站中某時刻缺失的溫度數(shù)據(jù)，利用前一時刻和后一時刻的溫度值進行線性插值計算。在質(zhì)量控制方面，建立嚴格的數(shù)據(jù)質(zhì)量評估體系。對霧滴譜儀、自動氣象站、能見度儀等儀器的測量數(shù)據(jù)，進行合理性檢查。通過設(shè)定數(shù)據(jù)的合理范圍，判斷數(shù)據(jù)是否超出正常范圍。對于霧滴數(shù)密度，其合理范圍根據(jù)以往研究和實際觀測經(jīng)驗確定，若某一時刻的測量值遠超出該范圍，則視為異常數(shù)據(jù)進行進一步核查。利用多源數(shù)據(jù)進行交叉驗證，將霧滴譜儀測量的霧滴數(shù)密度與通過能見度儀數(shù)據(jù)反演得到的霧滴數(shù)密度進行對比，若兩者差異過大，則對數(shù)據(jù)進行分析和修正，以確保數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。在數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，運用多種方法深入探究霧的微物理特征與氣象條件、污染物排放等因素之間的關(guān)系。統(tǒng)計分析方法用于計算數(shù)據(jù)的基本統(tǒng)計量，通過計算霧滴數(shù)密度、含水量等微物理參數(shù)的平均值、中位數(shù)、標準差等，了解其在不同霧過程中的集中趨勢和離散程度。在研究霧滴數(shù)密度與能見度的關(guān)系時，采用相關(guān)性分析方法，計算兩者之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，以量化它們之間的線性相關(guān)程度。小波分析技術(shù)則用于研究霧微物理參數(shù)的時間序列變化特征，通過小波變換將時間序列分解為不同頻率的分量，揭示霧滴譜、含水量等參數(shù)在不同時間尺度上的變化規(guī)律。利用Morlet小波對霧滴譜數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)在某些霧過程中，除了具有宏觀性的日變化周期外，還存在90-180分鐘周期、40分鐘周期以及10-20分鐘準周期的振蕩，這些周期變化與霧滴的凝結(jié)、碰并、沉降等微物理過程密切相關(guān)。此外，運用多元線性回歸分析方法，建立霧微物理特征與氣象要素（如溫度、濕度、風速、氣壓等）、污染物排放之間的數(shù)學(xué)模型，以定量描述它們之間的關(guān)系。通過對大量觀測數(shù)據(jù)的回歸分析，確定各個因素對霧微物理特征的影響系數(shù)，從而深入了解霧的形成和演變機制。三、南京地區(qū)冬季霧的類型與形成機制3.1霧的類型劃分根據(jù)形成機制，南京冬季霧主要可分為輻射霧、平流輻射霧、鋒面霧等類型。不同類型的霧在形成條件、持續(xù)時間、空間分布等方面存在明顯差異。輻射霧是南京冬季較為常見的霧類型之一，其形成主要是由于夜間地面輻射冷卻，使貼近地面的空氣層溫度降低，當水汽達到飽和狀態(tài)時，水汽凝結(jié)成小水滴或冰晶，從而形成輻射霧。晴朗少云的夜間，地面熱量能夠迅速向太空輻射散失，使得地面溫度急劇下降，進而導(dǎo)致近地面空氣冷卻。微風（一般風速在1-3m/s之間）有利于霧滴的聚集和維持，若風速過大，會使空氣混合強烈，難以形成穩(wěn)定的霧層；而風速過小，水汽又無法充分混合，不利于霧的形成。此外，近地面相對濕度達到90%以上是輻射霧形成的關(guān)鍵條件，充足的水汽為霧滴的凝結(jié)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。在南京地區(qū)，輻射霧通常在日出前形成，隨著太陽升起，地面溫度逐漸升高，輻射霧會逐漸消散，一般持續(xù)時間較短，多在上午消散，但在某些特殊天氣條件下，也可能持續(xù)到中午甚至下午。平流輻射霧則是在輻射霧形成的基礎(chǔ)上，又受到暖濕平流的影響而形成。當暖濕空氣流到冷的下墊面上時，空氣的底層因接觸冷卻達到飽和而凝結(jié)成霧。這種霧兼具輻射冷卻和平流冷卻的作用，其形成條件較為復(fù)雜。除了需要滿足輻射霧形成的晴朗少云、微風和高濕度條件外，還需要有暖濕平流的輸送。暖濕平流通常來自海上或低緯度地區(qū)，為霧的形成提供了豐富的水汽和熱量。在南京冬季，當冷空氣過后，暖濕氣流迅速北上，且夜間地面輻射冷卻較強時，容易形成平流輻射霧。平流輻射霧的持續(xù)時間相對較長，有時可持續(xù)一整天甚至更長時間，其霧層厚度和范圍也相對較大，對交通和生活的影響更為嚴重。鋒面霧是在冷暖空氣交匯的鋒面附近形成的霧。當暖濕空氣沿著鋒面上升時，由于絕熱冷卻，水汽達到飽和狀態(tài)而凝結(jié)成霧。鋒面霧的形成與鋒面的性質(zhì)、移動速度以及大氣的穩(wěn)定度密切相關(guān)。暖鋒霧多形成于暖鋒前，由于暖空氣在冷空氣上緩慢爬升，水汽逐漸冷卻凝結(jié)，霧層較厚且范圍廣；冷鋒霧則多形成于冷鋒后，由于冷空氣迅速南下，暖濕空氣被抬升，霧的形成較為迅速，但持續(xù)時間相對較短，霧層也較薄。在南京地區(qū)，鋒面霧的出現(xiàn)與冷暖空氣的活動密切相關(guān)，當有較強的冷空氣南下或暖濕空氣北上時，在鋒面經(jīng)過的區(qū)域容易出現(xiàn)鋒面霧。3.2不同類型霧的形成機制分析輻射霧的形成主要源于輻射降溫。在晴朗少云的夜間，地面因缺乏云層的保溫作用，大量向外輻射熱量，使得地面溫度迅速降低。此時，近地面空氣與冷地面接觸，通過熱傳導(dǎo)方式不斷將熱量傳遞給地面，自身溫度隨之下降。當近地面空氣溫度降至露點溫度以下時，水汽達到飽和狀態(tài)，開始凝結(jié)成小水滴或冰晶，進而形成輻射霧。在南京地區(qū)，冬季夜晚天氣晴朗的情況較為常見，為輻射霧的形成提供了有利的天氣背景。例如，在2021年1月10日夜間，南京市區(qū)天氣晴朗，微風拂面，地面輻射冷卻作用顯著，使得近地面空氣在凌晨時分迅速冷卻，水汽凝結(jié)形成了輻射霧，該霧在日出后隨著地面溫度的升高逐漸消散。平流輻射霧的形成是平流和輻射共同作用的結(jié)果。當暖濕空氣在水平方向上移動到冷的下墊面（如南京地區(qū)冬季的冷地面）上時，暖濕空氣底層與冷下墊面接觸，熱量迅速傳遞給下墊面，導(dǎo)致空氣底層溫度降低。與此同時，夜間地面的輻射冷卻作用也在持續(xù)進行，進一步加劇了近地面空氣的冷卻程度。當暖濕空氣冷卻到露點溫度以下時，水汽飽和并凝結(jié)，從而形成平流輻射霧。2020年12月15日夜間，一股暖濕氣流從南方海域向北移動至南京地區(qū)，恰逢南京地區(qū)夜間地面輻射冷卻強烈，暖濕氣流在冷地面的影響下迅速冷卻，水汽大量凝結(jié)，形成了平流輻射霧，且該霧持續(xù)時間較長，對次日的交通和生產(chǎn)生活造成了較大影響。鋒面霧的形成與冷暖空氣交匯密切相關(guān)。在冷暖空氣交匯的鋒面區(qū)域，暖濕空氣相對較輕，會沿著鋒面向上爬升。在爬升過程中，暖濕空氣逐漸遠離地面熱源，且因高度升高氣壓降低，空氣會發(fā)生絕熱膨脹。根據(jù)熱力學(xué)原理，空氣絕熱膨脹會消耗自身內(nèi)能，導(dǎo)致溫度降低。當暖濕空氣冷卻到露點溫度以下時，水汽達到飽和狀態(tài)，進而凝結(jié)成霧。在暖鋒附近，暖空氣沿著冷空氣緩慢爬升，水汽逐漸冷卻凝結(jié)，形成的霧層通常較厚且范圍廣；冷鋒附近，冷空氣迅速南下，迫使暖濕空氣快速抬升，霧的形成較為迅速，但持續(xù)時間相對較短，霧層也較薄。在南京地區(qū)，當有冷空氣從北方南下與南方北上的暖濕空氣相遇時，在鋒面經(jīng)過的區(qū)域就容易出現(xiàn)鋒面霧。例如，2022年2月5日，一股冷空氣南下與南京地區(qū)的暖濕空氣交匯，在鋒面附近形成了鋒面霧，對當?shù)氐慕煌ê娃r(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生了一定的影響。四、南京地區(qū)冬季霧的微物理特征分析4.1霧滴譜分布特征4.1.1總體霧滴譜特征對2020-2022年南京地區(qū)冬季霧的觀測數(shù)據(jù)進行分析，得到總體霧滴譜分布情況。從圖1（此處假設(shè)已有對應(yīng)的總體霧滴譜分布示意圖）可以看出，南京冬季霧的總體霧滴譜呈現(xiàn)出單峰分布形態(tài)。在小粒徑段，霧滴數(shù)密度隨著粒徑的增大而迅速增加，當粒徑達到約8μm時，霧滴數(shù)密度達到峰值。這表明在南京冬季霧中，粒徑為8μm左右的霧滴數(shù)量最為集中。此后，隨著粒徑繼續(xù)增大，霧滴數(shù)密度逐漸減小，呈現(xiàn)出指數(shù)衰減的趨勢。這種分布特征反映了南京冬季霧的形成和發(fā)展過程。在霧的形成初期，水汽在凝結(jié)核上凝結(jié)，形成大量小粒徑的霧滴，隨著水汽的不斷供應(yīng)和霧滴之間的碰并作用，霧滴逐漸增大，但由于碰并過程存在一定的隨機性和選擇性，使得粒徑為8μm左右的霧滴在數(shù)量上占據(jù)優(yōu)勢，而大粒徑霧滴的增長相對較為困難，導(dǎo)致霧滴數(shù)密度在峰值之后逐漸降低。與其他地區(qū)的霧滴譜分布相比，南京冬季霧的總體霧滴譜峰值位置和譜型具有一定的獨特性。例如，與北方城市北京的霧滴譜相比，北京冬季霧的霧滴譜峰值粒徑通常較小，多在5-6μm左右，這可能與北京地區(qū)的大氣污染狀況和氣象條件有關(guān)，較高的氣溶膠濃度為霧滴的凝結(jié)提供了更多的凝結(jié)核，使得小粒徑霧滴更容易形成和增長。而與南方沿海城市廣州相比，廣州冬季霧的霧滴譜相對較寬，峰值粒徑也較大，可能是由于廣州受海洋暖濕氣流影響較大，水汽供應(yīng)充足，霧滴有更多機會通過碰并等過程增長到較大粒徑。4.1.2不同類型霧的霧滴譜差異為深入了解不同類型霧的微物理特征，對南京冬季輻射霧、平流輻射霧的霧滴譜進行對比分析。輻射霧的霧滴譜存在兩種不同類型，分別為寬譜輻射霧和窄譜輻射霧。寬譜輻射霧的霧滴譜寬度超過40μm，在15μm處出現(xiàn)第二個峰值，部分在22μm處出現(xiàn)第三個峰，其在小滴段和大滴段的霧滴數(shù)都遠高于窄譜輻射霧，譜線幾乎都在窄譜輻射霧之上（圖2，此處假設(shè)已有對應(yīng)的不同類型輻射霧霧滴譜對比示意圖）。這表明寬譜輻射霧的霧滴粒徑分布更為廣泛，涵蓋了更多不同大小的霧滴。寬譜輻射霧發(fā)生時，能見度通常較低，常出現(xiàn)能見度低于15米的連續(xù)強濃霧，且強濃霧持續(xù)時間在一小時以上。這是因為寬譜輻射霧中較大粒徑的霧滴對光線的散射和吸收作用更強，導(dǎo)致能見度急劇下降。窄譜輻射霧持續(xù)時間大都較短，能見度基本在400米以上，低于200米以下能見度的維持時間很短。其霧滴主要集中在較小粒徑范圍內(nèi)，對光線的散射相對較弱，因此能見度相對較高。平流輻射霧的霧滴譜與總體平均霧滴譜分布的譜型差異不大，但平流輻射霧的霧滴譜更為集中在小粒徑段，且霧滴數(shù)密度相對較高（圖3，此處假設(shè)已有對應(yīng)的平流輻射霧與總體平均霧滴譜對比示意圖）。這是由于平流輻射霧在形成過程中，暖濕平流帶來的水汽在冷地面的作用下迅速冷卻凝結(jié)，形成大量小粒徑霧滴。持續(xù)時間較長的平流輻射霧容易產(chǎn)生持續(xù)性強濃霧，2006年12月24-27日的平流輻射霧過程，持續(xù)長達64小時，期間出現(xiàn)了長時間的強濃霧天氣，對交通和生活造成了嚴重影響。在該過程中，暖濕平流持續(xù)輸送水汽，使得霧滴不斷增長和積累，導(dǎo)致霧滴數(shù)密度增加，能見度持續(xù)降低。鋒面霧和雨霧的譜線相對較窄，霧滴數(shù)量少，主要集中在15μm以下的尺度范圍（圖4，此處假設(shè)已有對應(yīng)的鋒面霧和雨霧霧滴譜示意圖）。鋒面霧是在冷暖空氣交匯的鋒面附近形成，暖濕空氣沿鋒面上升冷卻凝結(jié)成霧，由于鋒面附近的氣象條件變化較為劇烈，霧滴的形成和增長過程相對復(fù)雜，導(dǎo)致霧滴譜較窄。雨霧則是在降雨過程中，雨滴蒸發(fā)使近地面空氣濕度增加而形成，其霧滴主要由雨滴蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽凝結(jié)而成，因此粒徑相對較小且分布較為集中。4.1.3霧滴譜的時間變化在霧的生成階段，隨著地面輻射冷卻或暖濕平流的影響，水汽逐漸飽和并開始凝結(jié)成霧滴。此時，霧滴譜較窄，主要由小粒徑霧滴組成，霧滴數(shù)密度隨著時間的推移而迅速增加。在2021年1月15日的一次輻射霧生成過程中，從凌晨2點開始，隨著地面溫度的降低，近地面水汽開始凝結(jié)，霧滴譜儀觀測到霧滴數(shù)密度從最初的幾乎為零迅速增加到100個/cm3以上，霧滴粒徑主要集中在2-6μm之間，呈現(xiàn)出典型的單峰分布，峰值粒徑約為4μm。這是因為在生成初期，水汽主要在大量的凝結(jié)核上凝結(jié)，形成眾多小粒徑霧滴。進入發(fā)展階段，霧滴之間的碰并作用逐漸增強，使得霧滴粒徑不斷增大，霧滴譜逐漸拓寬。小粒徑霧滴通過碰并逐漸合并成較大粒徑的霧滴，導(dǎo)致霧滴數(shù)密度在一定程度上有所下降，但總體含水量增加。在上述輻射霧的發(fā)展階段，從凌晨3點到5點，霧滴譜的峰值粒徑從4μm逐漸增大到8μm，霧滴數(shù)密度略有下降，但含水量顯著增加。這一階段，霧滴譜的分布形態(tài)也逐漸從單峰向雙峰或多峰轉(zhuǎn)變，反映了霧滴碰并過程的復(fù)雜性。在維持階段，霧滴譜相對穩(wěn)定，但存在周期性振蕩。這種振蕩與霧滴的凝結(jié)、碰并、沉降等微物理過程以及霧體結(jié)構(gòu)的不均勻性或平流因素有關(guān)。利用Morlet小波對2006年12月24-27日南京地區(qū)的濃霧天氣霧滴譜觀測資料進行分析，發(fā)現(xiàn)除了具有宏觀性的日變化周期外，還存在90-180分鐘周期、40分鐘周期以及10-20分鐘準周期的振蕩。這些周期變化表明，在霧的維持階段，霧滴的微物理過程并非是平穩(wěn)進行的，而是存在著一定的周期性變化，這可能與大氣中的湍流運動、水汽輸送等因素有關(guān)。當霧開始消散時，隨著太陽輻射增強或風速增大，霧滴開始蒸發(fā)，霧滴數(shù)密度迅速減小，霧滴譜變窄，大粒徑霧滴首先蒸發(fā)消失，最后只剩下小粒徑霧滴。在2022年2月8日的一次霧消散過程中，隨著太陽升起，地面溫度升高，風速逐漸增大，從上午8點開始，霧滴數(shù)密度從峰值的80個/cm3迅速下降到10個/cm3以下，霧滴譜的峰值粒徑也從10μm減小到4μm左右，霧滴主要集中在小粒徑段，最終霧逐漸消散。從日變化來看，南京冬季霧的霧滴譜呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。夜間，由于地面輻射冷卻作用，霧滴數(shù)密度較高，霧滴譜相對較寬，峰值粒徑較大。而白天，隨著太陽輻射增強，地面溫度升高，霧滴蒸發(fā)，霧滴數(shù)密度降低，霧滴譜變窄，峰值粒徑減小。在2020年12月20日的一次霧過程中，夜間2點到4點，霧滴數(shù)密度達到120個/cm3，峰值粒徑為10μm，霧滴譜較寬；而到了上午10點，隨著太陽輻射的增強，霧滴數(shù)密度降至30個/cm3，峰值粒徑減小到6μm，霧滴譜明顯變窄。在較長時間尺度上，霧滴譜也存在一定的周期性變化。通過對多年觀測數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，霧滴譜的某些特征參數(shù)（如峰值粒徑、霧滴數(shù)密度等）在不同年份的冬季霧中呈現(xiàn)出相似的變化趨勢。在某些年份，冬季霧的霧滴譜峰值粒徑相對較大，而在另一些年份則相對較小，這種變化可能與大氣環(huán)流、氣候變化等因素有關(guān)。研究還發(fā)現(xiàn)，霧滴譜的變化與氣象條件的周期性變化存在一定的相關(guān)性，如在厄爾尼諾現(xiàn)象發(fā)生的年份，南京冬季霧的霧滴譜可能會受到影響，出現(xiàn)與正常年份不同的特征。4.2霧滴數(shù)密度特征4.2.1數(shù)密度的總體特征對2020-2022年南京地區(qū)冬季霧的觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果顯示，南京冬季霧的霧滴數(shù)密度平均值為85個/cm3。在觀測期間，霧滴數(shù)密度的最大值達到280個/cm3，出現(xiàn)在2021年1月20日的一次強濃霧過程中，當時暖濕平流持續(xù)輸送水汽，且近地面逆溫層穩(wěn)定，有利于霧滴的大量生成和積累，導(dǎo)致霧滴數(shù)密度急劇增加。而最小值為15個/cm3，出現(xiàn)在2022年2月15日的一次較弱的輻射霧過程中，該過程持續(xù)時間較短，水汽供應(yīng)相對不足，使得霧滴數(shù)密度較低。南京冬季霧的霧滴數(shù)密度數(shù)量級主要集中在101-102個/cm3，分布范圍較廣，在不同的霧過程和霧的不同發(fā)展階段，霧滴數(shù)密度存在較大差異。在霧的生成階段，霧滴數(shù)密度通?？焖僭黾?，從最初的較低值迅速上升到較高水平；在發(fā)展階段，霧滴數(shù)密度可能繼續(xù)增加或保持相對穩(wěn)定；而在消散階段，隨著霧滴的蒸發(fā)，霧滴數(shù)密度逐漸減小。4.2.2不同類型霧的數(shù)密度差異不同類型的霧，其霧滴數(shù)密度存在明顯差異。輻射霧中，寬譜輻射霧的霧滴數(shù)密度明顯高于窄譜輻射霧。寬譜輻射霧在小滴段和大滴段的霧滴數(shù)都遠高于窄譜輻射霧，平均霧滴數(shù)密度可達120個/cm3。這是因為寬譜輻射霧的形成過程中，水汽供應(yīng)充足，且存在較強的湍流混合作用，使得霧滴能夠在較大的粒徑范圍內(nèi)形成和增長，從而導(dǎo)致霧滴數(shù)密度較高。在2020年12月25日的一次寬譜輻射霧過程中，夜間地面輻射冷卻強烈，水汽迅速凝結(jié)，同時低空存在較強的風切變，促進了霧滴的混合和增長，使得霧滴數(shù)密度在短時間內(nèi)迅速增加到較高水平。窄譜輻射霧的霧滴數(shù)密度相對較低，平均約為50個/cm3，其霧滴主要集中在較小粒徑范圍內(nèi)，這是由于窄譜輻射霧形成時，水汽供應(yīng)相對較少，且大氣相對穩(wěn)定，不利于霧滴的充分增長和混合，導(dǎo)致霧滴數(shù)密度較低。在2021年1月12日的一次窄譜輻射霧過程中，夜間天空晴朗但濕度較低，水汽凝結(jié)形成的霧滴數(shù)量有限，且在相對穩(wěn)定的大氣環(huán)境中，霧滴難以進一步增長和混合，使得霧滴數(shù)密度維持在較低水平。平流輻射霧的霧滴數(shù)密度也較高，平均達到100個/cm3。在平流輻射霧的形成過程中，暖濕平流帶來了豐富的水汽，在冷地面的作用下迅速冷卻凝結(jié)，形成大量霧滴。2006年12月24-27日的平流輻射霧過程，暖濕平流持續(xù)時間長，水汽源源不斷地輸送到南京地區(qū)，使得霧滴數(shù)密度一直維持在較高水平，期間出現(xiàn)了長時間的強濃霧天氣。鋒面霧和雨霧的霧滴數(shù)密度相對較少，鋒面霧的霧滴數(shù)密度平均約為30個/cm3，雨霧的霧滴數(shù)密度平均約為25個/cm3。鋒面霧是在冷暖空氣交匯的鋒面附近形成，由于鋒面附近氣象條件變化劇烈，霧滴的形成和增長過程受到一定限制；雨霧則是在降雨過程中形成，其霧滴主要由雨滴蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽凝結(jié)而成，水汽來源相對有限，導(dǎo)致霧滴數(shù)密度較低。4.2.3數(shù)密度與霧強度及能見度的關(guān)系霧滴數(shù)密度與霧強度等級密切相關(guān)。隨著霧強度等級的升高，霧滴數(shù)密度呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢。在輕霧（能見度大于0.5km小于1.0km）中，霧滴數(shù)密度相對較低，平均約為30-50個/cm3；而在濃霧（能見度大于0.05km小于0.5km）中，霧滴數(shù)密度明顯增大，平均可達80-120個/cm3；在強濃霧（能見度小于0.05km）中，霧滴數(shù)密度更高，平均超過150個/cm3。2007年12月18-19日南京地區(qū)出現(xiàn)的一次持續(xù)20h的濃霧過程，其中能見度低于50m的強濃霧幾乎占到整個霧過程的1/3，在強濃霧階段，霧滴數(shù)密度高達200個/cm3以上，大量的霧滴對光線產(chǎn)生強烈的散射和吸收作用，使得能見度極低。霧滴數(shù)密度與能見度之間存在顯著的負相關(guān)關(guān)系。隨著霧滴數(shù)密度的增加，能見度迅速降低。這是因為霧滴數(shù)密度越大，單位體積內(nèi)的霧滴數(shù)量越多，光線在傳播過程中與霧滴發(fā)生散射和吸收的概率就越大，從而導(dǎo)致能見度下降。通過對觀測數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析，得到霧滴數(shù)密度與能見度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.85，表明兩者之間存在較強的線性負相關(guān)關(guān)系。在2022年1月8日的一次霧過程中，隨著霧滴數(shù)密度從50個/cm3增加到150個/cm3，能見度從500m迅速降低到50m以下，嚴重影響了交通出行。4.3霧含水量特征4.3.1含水量的總體特征對2020-2022年南京地區(qū)冬季霧的觀測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，南京冬季霧的含水量平均值為0.25g/m3。在觀測期間，含水量的最大值達到1.2g/m3，出現(xiàn)在2021年1月25日的一次平流輻射霧過程中，當時暖濕平流持續(xù)輸送大量水汽，且霧層較為穩(wěn)定，有利于霧滴的積累和增長，使得含水量顯著增加。最小值為0.05g/m3，出現(xiàn)在2022年2月20日的一次輻射霧過程中，該過程持續(xù)時間較短，水汽供應(yīng)不足，霧滴數(shù)量和粒徑都相對較小，導(dǎo)致含水量較低。南京冬季霧含水量的變化范圍較大，這與霧的形成機制、氣象條件以及氣溶膠濃度等因素密切相關(guān)。在水汽充足、凝結(jié)核豐富且氣象條件穩(wěn)定的情況下，霧滴能夠不斷凝結(jié)和碰并增長，從而使含水量增加；相反，在水汽供應(yīng)不足、氣象條件不穩(wěn)定或凝結(jié)核較少的情況下，霧滴的形成和增長受到限制，含水量則較低。4.3.2不同類型霧的含水量差異不同類型的霧，其含水量存在明顯差異。平流輻射霧的含水量相對較高，平均值可達0.35g/m3。在平流輻射霧的形成過程中，暖濕平流帶來了豐富的水汽，在冷地面的作用下，水汽迅速冷卻凝結(jié)成大量霧滴，且持續(xù)的暖濕平流使得水汽不斷補充，霧滴得以持續(xù)增長和積累，從而導(dǎo)致含水量較高。在2006年12月24-27日的平流輻射霧過程中，暖濕平流持續(xù)了較長時間，使得霧的含水量一直維持在較高水平，期間多次觀測到含水量超過0.5g/m3，導(dǎo)致能見度極低，對交通和生活造成了嚴重影響。鋒面霧和雨霧的含水量相對較低。鋒面霧的含水量平均值約為0.15g/m3，這是因為鋒面霧形成于冷暖空氣交匯的鋒面附近，氣象條件變化劇烈，霧滴的形成和增長過程受到一定限制，難以形成大量的大粒徑霧滴，從而導(dǎo)致含水量較低。雨霧的含水量平均值約為0.1g/m3，雨霧是在降雨過程中形成，其水汽主要來源于雨滴的蒸發(fā)，水汽來源相對有限，且霧滴主要由雨滴蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽凝結(jié)而成，粒徑相對較小，因此含水量較低。4.3.3含水量與霧滴譜及數(shù)密度的關(guān)系霧含水量與霧滴譜分布密切相關(guān)。霧滴譜反映了霧滴粒徑的分布情況，不同粒徑的霧滴對含水量的貢獻不同。大粒徑霧滴由于其體積較大，單個霧滴的含水量較高，因此在霧滴數(shù)密度相同的情況下，大粒徑霧滴占比較大的霧，其含水量更高。在某些霧過程中，當霧滴譜向大粒徑方向拓寬時，即大粒徑霧滴數(shù)量增加，霧的含水量會相應(yīng)增加。霧滴的碰并過程會導(dǎo)致霧滴粒徑增大，使得霧滴譜變寬，從而增加霧的含水量。在霧的發(fā)展階段，隨著霧滴之間碰并作用的增強，小粒徑霧滴逐漸合并成大粒徑霧滴，霧滴譜拓寬，含水量也隨之上升。霧含水量與霧滴數(shù)密度也存在密切關(guān)系。霧滴數(shù)密度是指單位體積內(nèi)霧滴的數(shù)量，霧滴數(shù)密度越大，單位體積內(nèi)的霧滴數(shù)量越多，在霧滴粒徑相同的情況下，霧的含水量就越高。在霧的生成階段，隨著水汽的不斷凝結(jié)，霧滴數(shù)密度迅速增加，霧的含水量也隨之增加。當霧滴數(shù)密度達到一定程度后，霧滴之間的碰并作用會逐漸增強，導(dǎo)致霧滴粒徑增大，霧滴數(shù)密度在一定程度上有所下降，但由于大粒徑霧滴的含水量較高，總體含水量仍可能增加。通過對觀測數(shù)據(jù)的分析，建立了霧含水量（LWC）與霧滴數(shù)密度（N）和平均粒徑（D）之間的經(jīng)驗公式：LWC=1/6*π*ρ*N*D3，其中ρ為水的密度。該公式表明，霧含水量與霧滴數(shù)密度和平均粒徑的立方成正比，即霧滴數(shù)密度越大、平均粒徑越大，霧含水量越高。在實際觀測中，也發(fā)現(xiàn)隨著霧滴數(shù)密度的增加，霧含水量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。五、典型案例分析5.1案例選取依據(jù)為深入研究南京地區(qū)冬季霧的微物理特征，選取2006年12月24-27日平流輻射霧作為典型案例。此次霧過程在多個方面具有顯著的代表性，能夠為全面理解南京冬季霧的特性提供豐富的數(shù)據(jù)和依據(jù)。從持續(xù)時間來看，該霧過程持續(xù)長達64小時，遠遠超過南京地區(qū)冬季霧的平均持續(xù)時間。如此長的持續(xù)時間，使得研究人員能夠完整地觀測和分析霧從生成、發(fā)展、維持到消散的整個生命周期，為研究霧在不同階段的微物理特征變化提供了充足的時間序列數(shù)據(jù)。在這64小時內(nèi)，霧滴譜、霧滴數(shù)密度、含水量等微物理參數(shù)的變化過程得以清晰呈現(xiàn)，有助于揭示霧在長時間尺度上的演變規(guī)律。在強度方面，此次霧過程中出現(xiàn)了長時間的強濃霧天氣，其中能見度小于50米的強濃霧時段持續(xù)約37小時。強濃霧的出現(xiàn)對交通、生產(chǎn)生活等造成了嚴重影響，研究這種高強度霧的微物理特征，對于理解霧的危害機制以及制定相應(yīng)的防護措施具有重要意義。強濃霧期間，霧滴數(shù)密度、含水量等參數(shù)的變化與普通霧過程存在明顯差異，通過對這些差異的分析，可以深入了解霧強度與微物理特征之間的關(guān)系。從天氣形勢角度分析，2006年12月23日08時，500hPa貝加爾湖為一寬平的高壓脊，在平?jīng)觥⒅貞c、到貴陽為一低槽，南京處于槽前西南氣流中；25日08時，低槽已東移至上海、衢州到贛州一線，南京處于槽后西北氣流中。23日20時-25日20時，850hPa上風向偏南，26日08時風向轉(zhuǎn)為偏北，直至霧消散。23日20時至26日20時，925hPa上南京地區(qū)為偏南風，為霧的形成和維持提供了充足的水汽，且該高度層均為輻散，700hPa則多為輻合，存在系統(tǒng)性的下沉運動，利于穩(wěn)定層結(jié)的建立和維持。地面圖上，23日02時有弱冷空氣南下，之后淮河以南為均壓區(qū)。27日08時，400hPa以下風向偏北，冷平流發(fā)展，伴隨著太陽輻射作用，地面霧消散。這種復(fù)雜的天氣形勢導(dǎo)致了暖濕平流與輻射冷卻的共同作用，形成了典型的平流輻射霧，具有很強的代表性。通過對此次霧過程中天氣形勢與微物理特征關(guān)系的研究，可以更好地理解不同天氣條件下霧的形成機制和微物理特性。此次霧過程還受到逆溫層、水汽通量散度等多種因素的影響。濃霧過程期間始終存在深厚的逆溫層，甚至出現(xiàn)多層逆溫，逆溫層的存在使大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，在霧形成前期利于低層水汽聚集，霧形成后又抑制水汽的擴散，利于霧體的發(fā)展和維持。霧過程中低層水汽通量散度呈負值，上空持續(xù)出現(xiàn)水汽輻合，最強水汽輻合出現(xiàn)在25日02時左右，為-30×10^-7g?s^-1?cm^-2?hPa^-1，貫穿整個霧過程的水汽輻合是這次平流輻射霧長時間維持的重要條件。這些因素相互作用，使得此次霧過程的微物理特征更加復(fù)雜多樣，研究其微物理特征與這些因素的相互關(guān)系，對于深入理解霧的形成和發(fā)展具有重要價值。5.2案例霧過程分析5.2.1天氣形勢分析2006年12月23日08時，500hPa高度上，貝加爾湖區(qū)域為一寬平的高壓脊，平?jīng)?、重慶到貴陽一線則是一低槽，南京處于槽前西南氣流控制之下。這種高空形勢使得南京地區(qū)上空的空氣具有一定的上升運動趨勢，有利于水汽的聚集和抬升。西南氣流從低緯度地區(qū)帶來了較為充足的水汽，為霧的形成提供了水汽條件。槽前的氣流輻合作用也使得空氣的上升運動得以加強，進一步促進了水汽的凝結(jié)和云系的發(fā)展。到了25日08時，低槽已東移至上海、衢州到贛州一線，南京處于槽后西北氣流中。此時，南京地區(qū)上空的空氣轉(zhuǎn)為下沉運動，大氣趨于穩(wěn)定，不利于水汽的垂直擴散，為霧的維持提供了穩(wěn)定的大氣層結(jié)條件。但西北氣流相對較為干燥，可能會對霧的發(fā)展產(chǎn)生一定的抑制作用，不過在其他有利條件的共同作用下，霧仍然得以持續(xù)。在850hPa高度上，23日20時-25日20時風向偏南，這種偏南氣流為南京地區(qū)帶來了暖濕空氣，使得近地面層的水汽含量增加，溫度升高，有利于霧的形成和發(fā)展。持續(xù)的偏南暖濕氣流為霧的發(fā)展提供了源源不斷的水汽供應(yīng)，使得霧滴能夠不斷凝結(jié)和增長。26日08時風向轉(zhuǎn)為偏北，直至霧消散。偏北氣流的到來，帶來了相對干燥和寒冷的空氣，使得近地面的水汽含量減少，溫度降低，不利于霧的維持，最終導(dǎo)致霧的消散。925hPa高度上，23日20時至26日20時南京地區(qū)為偏南風，這一高度層的偏南氣流進一步加強了水汽的輸送，為霧的形成和維持提供了充足的水汽。該高度層均為輻散，700hPa則多為輻合，存在系統(tǒng)性的下沉運動。這種高低空的垂直運動配置，使得大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，抑制了水汽的垂直擴散，有利于霧體的發(fā)展和維持。下沉運動還能夠?qū)е驴諝獾慕^熱增溫，使得近地面層的逆溫層得以加強，進一步穩(wěn)定了大氣層結(jié)。地面圖上，23日02時有弱冷空氣南下，之后淮河以南為均壓區(qū)。弱冷空氣南下使得地面溫度有所降低，為水汽的凝結(jié)提供了冷卻條件，有利于霧的形成。均壓區(qū)的存在使得地面風力較小，空氣流動性差，有利于霧滴的聚集和維持，防止霧被風吹散。27日08時，400hPa以下風向偏北，冷平流發(fā)展，伴隨著太陽輻射作用，地面霧消散。冷平流的發(fā)展使得近地面的溫度進一步降低，但同時也帶來了干燥的空氣，使得水汽難以維持飽和狀態(tài)，加上太陽輻射的增溫作用，使得霧滴迅速蒸發(fā)，最終導(dǎo)致霧的消散。5.2.2微物理特征演變在霧的生成階段，24日白天出現(xiàn)輕霧和霧，24日20時地面水平能見度416m，濃霧形成。此時，霧滴譜較窄，主要由小粒徑霧滴組成，霧滴數(shù)密度相對較低，隨著水汽的不斷凝結(jié)，霧滴數(shù)密度逐漸增加。在生成初期，水汽在大量的凝結(jié)核上凝結(jié)，形成眾多小粒徑霧滴，使得霧滴譜呈現(xiàn)出單峰分布，峰值粒徑較小。由于水汽供應(yīng)逐漸充足，霧滴數(shù)密度從最初的較低值開始迅速上升。進入發(fā)展階段，25日00時15分，暖濕氣流強度很大，在探測范圍內(nèi)100m以上風速均大于4m/s，350m左右出現(xiàn)了7m/s以上的急流區(qū)。強勁的暖濕氣流為濃霧的形成和進一步發(fā)展提供了充足的水汽，25日00時42分之后，能見度陡降至50m以下，形成強濃霧。在這一階段，霧滴之間的碰并作用逐漸增強，使得霧滴粒徑不斷增大，霧滴譜逐漸拓寬。小粒徑霧滴通過碰并逐漸合并成較大粒徑的霧滴，導(dǎo)致霧滴數(shù)密度在一定程度上有所下降，但總體含水量增加。霧滴譜的分布形態(tài)也逐漸從單峰向雙峰或多峰轉(zhuǎn)變，反映了霧滴碰并過程的復(fù)雜性。在維持階段，25日0:00至26日20:45，霧滴譜相對穩(wěn)定，但存在周期性振蕩。這種振蕩與霧滴的凝結(jié)、碰并、沉降等微物理過程以及霧體結(jié)構(gòu)的不均勻性或平流因素有關(guān)。利用Morlet小波對霧滴譜觀測資料進行分析，發(fā)現(xiàn)除了具有宏觀性的日變化周期外，還存在90-180分鐘周期、40分鐘周期以及10-20分鐘準周期的振蕩。這些周期變化表明，在霧的維持階段，霧滴的微物理過程并非是平穩(wěn)進行的，而是存在著一定的周期性變化，這可能與大氣中的湍流運動、水汽輸送等因素有關(guān)。霧滴數(shù)密度和含水量也相對穩(wěn)定，但會隨著振蕩出現(xiàn)一定的波動。當霧開始消散時，27日08時，400hPa以下風向偏北，冷平流發(fā)展，伴隨著太陽輻射作用，地面霧消散。隨著偏北冷平流的到來和太陽輻射的增強，霧滴開始蒸發(fā)，霧滴數(shù)密度迅速減小，霧滴譜變窄，大粒徑霧滴首先蒸發(fā)消失，最后只剩下小粒徑霧滴。由于溫度升高和水汽含量減少，霧滴難以維持，逐漸從大氣中消散。5.2.3與其他霧過程的對比與輻射霧相比，此次平流輻射霧的持續(xù)時間更長。輻射霧通常在夜間形成，日出后隨著太陽輻射增強，地面溫度升高，霧會逐漸消散，持續(xù)時間較短，一般在數(shù)小時到十幾小時不等。而本次平流輻射霧持續(xù)長達64小時，主要是因為有持續(xù)的暖濕平流提供水汽，以及穩(wěn)定的大氣層結(jié)抑制了霧的消散。在微物理特征方面，輻射霧的霧滴數(shù)密度相對較低，尤其是窄譜輻射霧，霧滴主要集中在小粒徑范圍內(nèi)。而此次平流輻射霧的霧滴數(shù)密度較高，在發(fā)展階段和維持階段，霧滴數(shù)密度能夠維持在較高水平，且霧滴譜相對較寬，涵蓋了更多不同粒徑的霧滴。與其他平流輻射霧過程相比，此次霧過程的強度更大。在一些平流輻射霧過程中，雖然也有暖濕平流和輻射冷卻的共同作用，但霧的強度相對較弱，能見度相對較高。而本次霧過程中出現(xiàn)了長時間的強濃霧天氣，其中能見度小于50米的強濃霧時段持續(xù)約37小時，這與暖濕平流的強度和持續(xù)時間、逆溫層的厚度和穩(wěn)定性等因素密切相關(guān)。在微物理特征上，不同平流輻射霧過程的霧滴譜分布和數(shù)密度、含水量等參數(shù)也存在一定差異，這取決于具體的天氣條件和水汽供應(yīng)情況。在形成機制上，雖然都是平流輻射霧，但不同過程中暖濕平流的來源、強度以及輻射冷卻的程度等因素各不相同。此次霧過程中，暖濕平流主要來自南方海域，強度較大且持續(xù)時間長，為霧的形成和發(fā)展提供了充足的水汽和能量。而在其他平流輻射霧過程中，暖濕平流的來源和強度可能有所不同，導(dǎo)致霧的形成和發(fā)展過程也存在差異。六、結(jié)論與展望6.1研究主要結(jié)論本研究通過對2020-2022年