（大气物理学与大气环境专业论文）南京冬季雾水沉降特征研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其他人或其他机构 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息工程大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研究所做的贡献均已在论文 中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名： 鏊圣蝗堑签字日期：趁丛鱼! 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、中国科学 技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，并通过 网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除 在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论 文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究生 院办理。 口公开口保密( 年月)( 保密的学位论文在解密后应遵 守此协议) 学位论文作者签名：鏊2 呸拉签字日期：塑f 2 ：鱼：三 指导教师签名：箍旺签字日期：j 丝如生l 目录 摘要i a b s t r a c t 。i i 第一章绪论l 1 1 研究目的和意义l 1 2 研究进展3 1 2 1 国外研究进展3 1 2 2 国内研究进展5 1 3 本文研究的内容6 第二章观测与资料处理7 2 1 观测地点。7 2 2 观测仪器。7 2 3 雾水沉降计算方法比较1 0 2 4 资料质量控制1 l 2 4 1 质量控制的必要性1 l 2 4 2 本文质量控制方法12 2 5 雾水通量计算方法l3 2 6 本章小结1 4 第三章南京冬季雾水沉降特征15 3 1 南京冬季雾一般特征1 5 3 2 雾液态水含量与能见度及雾滴尺度关系1 8 3 3 南京冬季雾水沉降特征2 0 3 3 1 南京冬季雾水沉降量2 0 3 3 2 南京冬季雾水沉降日变化特征2 l 3 3 3 南京冬季雾水沉降的尺度谱分布特征2 2 3 3 4 辐射雾与辐射平流雾雾水沉降特征差异2 4 3 4 本章小结2 7 第四章雾水沉降影响因子2 9 4 1 雾水沉降与雾持续时间的关系2 9 4 2 雾水通量与液态水含量关系3 0 4 3 雾水通量与能见度及风速关系3 0 4 4 本章小结3 2 第五章研究结论、特色及展望3 3 5 1 主要结论3 3 5 2 本文特色3 4 5 3 不足及展望3 5 参考文献3 6 硕士研究生期间发表论文、学术交流及参加科研情况。4 l j i 受谢4 ：1 摘要 摘要： 2 0 0 7 年冬在南京市郊开展了雾外场综合观测试验，利用2 0 0 7 年1 1 月1 5 日至1 2 月 2 9 日验所获取的雾滴谱、三维风资料，根据涡度协方差法，分析了南京冬季雾过程中的雾水沉降 特征，并探讨了辐射雾与平流雾雾水沉降特征的差异。结果表明：雾水沉降集中在5 点至l o 点 之间，雾水沉降主要发生在雾的成熟阶段，雾成熟阶段的沉降量占总雾水沉降量的9 0 以上，该 阶段能见度一般低于2 0 0m 。2 0i lm 以上的大雾滴通过重力沉降机制对总沉降量起主要贡献，重 力沉降量约占总沉降量的8 2 ，其中直径2 3um 左右的雾滴造成的沉降量最大。观测到的雾以辐 射雾为主，发生辐射雾时大气一般较稳定，观测地点下垫面为稀疏草地，造成雾水湍流沉降对总 沉降量的贡献较小。直径7i im 以下与4 0i lm 以上的雾滴对沉降几乎无贡献。其原因是较小的 雾滴小落末速度小，且在湍流作用下一般向雾层上方输送，而较大雾滴粒子数浓度较小。雾持续 时间越长一般造成的沉降量也越大，由于雾水沉降主要发生在雾成熟阶段，故雾过程成熟阶段的 维持时间对雾水沉降量的大小有着更直接的影响。雾的液态水含量可以直接影响雾水沉降量，拟 合发现雾液态水含量与雾水沉降通量线性相关，可见雾液态水含量对雾水沉降量有直接的影响。 能见度2 0 0m 以上时，雾水沉降较低，2 0 0m 以下能见度与雾水沉降通量存在指数关系，且雾水 沉降集中在能见度5 0m 以下的强浓雾阶段。一定的风速是雾生成、发展的有利因素。虽然风速 过大可使大气中乱流加强，但不利于雾的发展，本文所研究雾过程中雾水沉降主要发生在风速0 2 至2 5 m s q 之间。辐射雾与辐射一平流雾过程中雾水沉降特征主要在发展阶段存在差异。辐射雾 爆发性发展阶段湍流扩散运动将近地面形成的雾滴向上输送，而且向上雾水通量表现出l o 分钟 的周期性起落特征。而辐射一平流雾上层湿平流是主要水汽来源，雾水由雾的上层向下层输送， 故雾水通量谱并无振荡现象。由于观测到的辐射雾的谱宽小于辐射一平流雾的谱宽，辐射雾中对 雾水沉降起主要贡献的粒子尺度比辐射平流雾中的要小。 关键词：雾：雾水沉降；雾水通量；涡度协方差；南京 a b s t r a c t i n t e n s i v ef i e l do b s e r v a t i o n sw e r ec o n d u c t e di nt h en o r t h e r ns u b u r bo f n a n j i n gd u r i n gn o v e m b e r1 5 t od e c e m b e r2 9o f2 0 0 7 w eu s e da nu l t r a s o n i ca n e m o m e t e r - - t h e r m o m e t e ri nc o m b i n a t i o nw i t ha s i z e - r e s o l v i n gc l o u dd r o p l e ts p e c t r o m e t e rc a p a b l eo f p r o v i d i n gn u m b e rc o u n t si n2 0d r o p l e ts i z ec l a s s e s o u rs t u d yf o c u s e so nt h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ff o ga n dq u a n t i f i e st h ef o gd e p o s i t i o nf l u xu s i n g d i r e c te d d yc o v a r i a n c ef l u xm e a s u r e m e n t s ，a sw e l la st h ef o g w a t e rd e p o s i t i o nd i f f e r e n c e sb e t w e e n r a d i a t i o na n dr a d i a t i o n a d v e c t i o nf o g t h ef i n d i n ga r ea sf o l l o w s ：f o g w a t e rd e p o s i t i o nc o n c e n t r a t i o n b e t w e e n 5a ma n d1 0a m f o gw a t e rd e p o s i t i o nf l u xf l u c t u a t e di n t e n s i t yd u r i n gm a t u r es t a g eo ff o g , t h e f o g w a t e rd e p o s i t o nd u r i n gt h i sp e r i o dc a nb e9 0 o ft h ew h o l ef o g , t h ev i s i b i l i t yd u r i n gt h i sp e r i o d o f t e nb e l o w2 0 0 m ；b e c a u s ed r o p l e ts i z e sa b o v e2 0 p mc o n t r i b u t em o s t l yt ot h ef o gd e p o s i t i o n ，t h e c o n t r i b u t i o no fg r a v i t yd e p o s i t i o nt ot h et o t a lf o g w a t e rd e p o s i t i o ni s8 2 a n dt h eb i gd r o p l e t sm o s t l y i n f l u e n c e db yg r a v i t ys e t t l e m e n tm e c h a n i s m r a d i a t i o nf o gi st h em o s tc o m m o nf o gi nn a n j i n g , w h e n r a d i a t i o nf o gh a p p e n st h ea t m o s p h e r i ci si nas t a b l es t a t , a n dt h eu n d e r l a y i n gs u r f a c ei sg r a s s ，s om a n y r e a s o n sc a u s et h et u r b u l e n td e p o s i t i o ns m a l l e rt h a ng r a v i t yd e p o s i t i o n d r o p l e ts i z e sb e l o w7 岬a n d a b o v e4 0 1 a mn o tc o n t r i b u t et ot h eo v e r a l lf l u x ，t h er e a s o ni ss m a l ld r o p l e t sh a v es m a l lf a l lt e r m i n a l v e l o c i t ya n dt h e ya l w a y sb ec o n v e y e dt ot h eu p p e rl a y e rb yt u r b u l e n c em o t i o n , a n dt h el a r g ed r o p l e t s h a v es m a l lp a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n t h el o n g e rt h ed u r a t i o no ff o g , t h ef o gd e p o s i t i o nc a nb em o r e ，b e c a u s e t h ed e p o s i t i o ni sh a p p e n i n gm a i n l yi nm a t u r es t a g eo ff o g ，s ot h ed u r a t i o no f m a t u r es t a g eo ff o gh a sa m o r ei m m e d i a t ee f f e c tt of o g w a t e rd e p o s i t i o n t h ef o g w a t e rf l u xd e p e n d e dl i n e a r l yo nl i q u i dw a t e r c o n t e n t t h ev i s i b i l i t yb e l o w2 0 0 ms h o w i n ga l li n d e xr e l a t i o n s h i pt of o g w a t e rf l u x ，a n dt h ep e r i o dt h a t v i s i b i l i t yb e l o w5 0 mh a v et h em o s t l yf o g w a t e rd e p o s i t i o n c e a a i nw i n ds p e e di sf a v o r a b l et of o g g e n e r a t i o na n dd e v e l o p m e n to f ，b u ti fw i n ds p e e di st o ol a r g et h a tc a ns t r e n g t hm i x e df l o w , t h a ti sh a r m f o rf o gd e v e l o p m e n t , t h i ss t u d yf o u n dt h a tf o g w a t e rd e p o s i t i o nh a p p e n sm a i n l yw h e nt h ew i n ds p e e d b e t w e e n0 2a n d2 5m s 1 1 1 1 ed i f f e r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ff o g w a t e rf l u xb e t w e e nr a d i a t i o nf o ga n d r a d i a t i o n a d v e c t i o nf o gi si nt h ed e v e l o p m e n ts t a g e i nt h ed e v e l o p m e n ts t a g eo fr a d i a t i o nf o g , s m a l lf o g d r o p l e t sb e e nc o n v e y e dt ot h eu p p e rl a y e rb yt h et u r b u l e n td i f f u s i o n , s ot h e r ea r es u r g e si nt h e d e v e l o p m e n ts t a g eo fr a d i a t i o nf o gd u et oi n t e n s i t yt u r b d e n c e ，t h eu p p e rl a y e rm o i s t u r ea d v e c t i o ni st h e m a i nw a t e rs o u r c eo f r a d i a t i o n - a d v e c t i o nf o g ，s or a d i a t i o n f o gh a s n tt h i sp h e n o m e n o n k e y w o r d s ：f o g ；f o g w a t e rd e p o s i t i o n ；f o g w a t e rf l u x ；e d d ye o v a r i a n c e ；n a n j i n g i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 雾是贴地层空气中悬浮着大量水滴或冰晶微粒而使水平能见距离降到一千米以 内的天气现象【。雾是在特定的天气气候背景之下形成的，并具有高度的局域性。研 究表明，导致雾的形成主要有3 种物理过程：空气冷却到露点温度，在空气中增加水 或者不同温度的湿空气块在垂直方向的混合。实际上，对于某个特定个例，其形成的 物理过程一般上述3 种过程的组合，只是其中某一种物理过程起主导作用。根据应用 目的不同，雾的分类不尽相同。雾按不同的形成机制可以分为：辐射雾、平流雾、雨 雾、蒸发雾、锋面雾、混合雾等。也会出现多种机制共同作用形成的雾，比如辐射 平流雾。在我国，根据雾发生时的能见度大小，业务观测中把雾分成轻雾( 能见度 1 o k r a l o k m ) ，雾( 能见度0 5 k m 一1 o h n ) ，浓雾( 能见度o 0 5 k m 0 5 h n ) ，强浓雾( 能见度 小于o 0 5 k m ) 2 1 。 雾是灾害性天气现象之一，其有几大危害。首先：雾滴对可见光具有强散射效果， 导致能见度降低，因而严重降低交通效率，危害交通安全。大雾对航空、航海、高速 公路等都是危害性极大的天气。大雾造成的交通事故不胜枚举，如：2 0 0 5 年1 0 月1 2 日年浙江杭金衢高速公路上2 1 辆车连环相撞事件，以及2 0 1 0 年1 0 月8 日河南省许 平南高速公路叶县境内两起汽车追尾，造成3 0 多辆大型货车连环相撞，8 人当场死 亡，几十名司乘人员受伤。其次：雾与污染物，有毒化学成分、病菌等结合直接危害 人类健康以及生态环境。污染严重的城市易形成酸雾，酸雾腐蚀力强、毒性大，不仅 危及人民的身体健康，造成生产和生活的损失，而且还会对农作物及其他动植 物的生存带来不良影响，造成对建筑物、文物古迹等的损坏等。雾也是流感、麻 疹、非典型肺炎等靠空气中飞沫传染疾病的媒介，大雾时相对湿度较大，可能会影响 人体内分泌腺的正常分泌，使人感到疲劳，情绪烦闷抑郁，脾气也易变得焦躁。研究 表明，大雾对许多慢性病病人，均有不良影响。作为一种自然现象，雾也有不少“可 爱”之处：大雾形成后，地面水分不易蒸发，雾所含的水汽也滋润了土地，给作物生长 带来必要的水分。冬季雾还有保温作用，减少地面热量散发，作物不致受冻害【3 】。喜 塑室堡星三墨奎堂堡主堂垡堡茎 温湿的经济作物，如茶叶、咖啡等在多雾的地方生长繁茂。大雾还把空中大量有益的 矿物质带给地面的植物。由于雾常给国民经济和社会生活带来重大损失，因此，引起 了各国政府及科学界的高度重视。近年来研究发现，雾与生态环境关系密切，故研究 雾的理化特征，对于防止雾灾和保护生态环境具有重要意义，其中雾水沉降作为湿沉 降的一种，受到越来越多的重视。 大气气溶胶可以按干沉降或湿沉降的方式进入地表。干湿沉降是以水分的有无来 分。在没有降水的条件下，通过重力下落、湍流输送或两者的共同作用下将大气微量 成分直接送到地球表面而使其从大气中消失的过程称为干沉降过程。而通过降水粒子 ( 雨滴、雪片等) 把大气微量成分带到地面使其从大气中消失的过程称为湿沉降过程 4 1 。雾水沉降是指雾滴在重力、风或其他动力作用下通过表面接触聚集而移出大气的 过程。通常将雾水沉降定义为湿沉降的一种。但雾水沉降又具有特殊性，可以将雾水 沉降分为两种沉降方式，雾滴及其包含或拦截的大气成分在湍流作用下冲撞吸附到物 体表面的过程，称为雾水湍流沉降。雾滴在重力影响下自然沉降到地表的过程称为雾 水重力沉降【5 】。这两种雾水沉降方式几乎是同时存在。 雾水沉降是生物圈水循环的重要环节，沉降到地表的雾水量在总沉降量中占一定 的比例。某些地区雾水沉降带来的降水量相当可观，一些雾频发的地区，雾过程降水 量甚至超过了雨雪造成的降水量。而在一些干旱但多雾的地区，雾水沉降带来的降水 量则可适当缓解旱情【l 】。雾水沉降对污染物有湿清除效果，可以将空气中的污染物转 移到地面，污染物质在雾水中的浓缩程度远远超过了雨水，雾水中酸、氮、硫以及其 他离子化合物的浓度较高【7 - 1 0 l 。污染严重时沉降的雾水不仅危及人体健康，腐蚀器 械，造成生产和生活的损失，而且还会对农作物及其他动植物的生存带来不良 影响，造成对建筑物、文物古迹等的损坏等。不过在较清洁的地区，沉降的雾水 对植被则具有积极的意义，例如云南省南部的雾对生产高质量的茶叶及发展橡胶林十 分有利【l 】。通过研究雾水沉降，可以进一步揭示雾对生态环境的影响，研究雾水沉降 特征及其机制，对保护生态环境，造福人民有着重大意义。 南京市位于长江下游，属北亚热带季风气候，年均雾b 2 6 天，雾日主要集中在深 秋和冬春季，尤其以1 1 月、1 2 月最多。南京是中国重要的综合性工业生产基地、国 家综合交通枢纽。如今工业化、城市化、交通运输现代化的迅速发展，煤、石油、 2 墨二兰堑堡 天然气等矿物燃料消耗量，化工企业排放的废气都大大增加了。环境的变化，污染物 的增多导致南京雾的特征发生了变化。目前南京的酸雾危害比较严重，南京雾中所含 各种无机化合物对生态环境的影响日益凸显。研究南京雾水沉降可以为保护生态环境 提供科学依据。 1 2 研究进展 1 - 2 1 国外研究进展 由于森林地区雾的频发，很多雾水沉降的研究都在森林地区开展。m a r l o t h 1 1 】早 在1 9 0 6 年就提出了雾水是是森林地区的重要水源。d o l l a r d 等【1 2 】研究得出在森林和丘 陵地区的雾水可以为生态系统提供大量水量。沉降的雾水量很可能达到或者超过了降 雨量，一些个例中雾水沉降量甚至达到了4 m m h 1 。之后不少学者【1 3 。1 5 1 研究了一些云 雾森林的雾水沉降后也得到类似结论，普遍认为雾水沉降对于云雾森林总水分的贡献 很大。w r z e s i n s k y 等【1 6 】对夏季欧洲中部山区的雾进行了研究，指出雾水沉降对于森 林的水分平衡具有重要作用。p a h l 【1 7 】在8 0 年代至9 0 年代期间对德国山区的雾进行研 究后发现该地3 0 的时间都被雾笼罩，其雾水沉降量与降雨量相差无几。之后不少学 者都对其本国多雾地区的雾水沉降量进行了估算，比如h e r c k e s 1 8 】估算了法国v o s g e s 山区的年雾水沉降量，结果得出该地区年雾水沉降量约为5 51 1 1 1 1 1 ，占雨水的4 。p a h l 等【1 9 】在德国k l e i n e rf e l d b e r g 发现该地区年雾水沉降量约为18 0m i l l ，占雨水量的1 7 。 v o g e l m a n n 等【2 0 1 较早通过估算沉降在植物体表面的离子量或雾水量来计算输入 到系统中的雾水总量。随后t r a u t n e r , h o l w e r d a 和f o w l e r 等口1 五3 1 都利用植物称重法估 算了一些地区的雾水的沉降量。e l i a s 等【2 4 】利用人造树干在可控条件( 如风速、雾滴 大小等等) 下，根据收集雾水的效率来推算了雾水沉降量。l i n d b e r g 等 2 5 1 在树下收 集穿过树冠层的水，以及沿着树干流下来的水。将收集水的总量再减去降雨量，用以 估算云雾沉降量。l o v e t t 2 8 1 通过推论雾水沉降量与相关参数之间的关系，将实际的 系统条件化成可运算的参数，将这些参数依照理论作假设、模拟，建立模式，用来计 算雾水沉降量。b e s w i c k 、v o n g 、v e r m e u l e n 2 9 。3 1 】等利用涡度协方差方法对雾的沉降通 量进行了直接测量。k l e m m 等【3 2 】在德国南部云杉林进行了为期一年的观测，利用涡 度协方差方法计算了该地区的雾水沉降量，得出该地区每年的雾水沉降量是雨水的 南京信息工程大学硕士学位论文 9 4 ，不过该地区排放最多的离子铵，通过雾水沉降的量却比雨水多出4 6 ，且发 现1 5 t t m 左右的雾滴对沉降的贡献最大。b u r k a r d 等【3 3 - 3 5 】在波多黎各的云雾林的进行 了观测研究，也利用涡度协方差方法来计算雾水沉降，得出当地雾水日均沉降量达到 4 3 6 m m ，而同时期的日均降雨量为2 8 m m 。k l e m m1 3 6 j 在德国巴伐利亚地区利用涡度 斜方差法计算了1 年的雾水沉降量。与降雨量进行了比较，发现雾水沉降量在同一地 区明显高于利用模式估算出来的量。t h a l m a n n 3 7 】利用涡度斜方差法计算了农地及森 林两种下垫面的雾水沉降量。农地一般以辐射雾为主，而森林地区以平流雾为主，通 过化学分析发现，农地每日沉降的雾水中硫和铵离子占总湿沉降量的5 ，而森林地 区雾水中硫和铵离子的沉降与总湿沉降量相差无几。 s l i n n 6 1 指出雾水沉降主要有两种方式。因雾滴尺度较小易受湍流扩散运动影响， 雾滴及其包含或拦截的大气成分在湍流作用下冲撞吸附到物体表面的过程，称为雾水 湍流沉降。雾滴在重力影响下自然沉降到地表的过程称为雾水重力沉降。这两种过程 在总沉降量中的比重大小取决于雾滴的尺度。v e r m e u l e n 等【3 8 】在研究荷兰针叶森林的 雾水沉降时就发现该地雾水湍流沉降量是重力沉降量的3 倍，该地区雾滴在平均在 1 5 1 x m 以下。v e r m e u l e n 【3 9 】利用涡度协方差法计算瑞士森林地区的雾水沉降时发现， 由于大雾滴较多，该地雾水重力沉降量明显高于湍流沉降量。k l e m m 等【加】指出因辐 射降温形成的雾，因大气比较稳定，湍流影响比较小，重力沉降的影响就大些。e u g s t e r 等 4 1 1 在研究瑞士农业地区的雾水沉降特征时也发现在雾滴直径大到2 5 9 i n 时，雾水 的湍流沉降相对于重力沉降量小到可以忽略不计，且该地区也以雾水重力沉降为主。 早期时候n a g e l 【4 2 】指出了大气中的污染物质可以通过雾滴或云滴传输到地表。到 8 0 年代初，w a l d m a n 4 3 1 发现南加利福利亚当地的雾水比雨水酸1 0 0 倍。随后许多国 家的学者纷纷对本国的雾水化学组成进行了研究。f u h r e r 、m u n g e r 、f u z z i 等 4 4 - 5 0 】指 出污染物在雾水中的浓缩程度普遍超过了雨水，雾水中酸、氮、硫等离子含量很高。 氮和硫是植物生长的必需养分【5 l 】，如果过量的话，则会破坏营养的循环，对生态系统 反而有害【5 2 1 。雾水中沉降的离子即可能是对植被有利的养分，也可能是污染，故雾水 沉降是水、养分、污染物循环的重要环节。s i g g 5 3 】发现一些强酸性物质如h 2 s 0 4 和 h n 0 3 可以将雾水p h 值降低至1 8 。p a h l 等【1 1 7 】研究发现被树叶拦截的雾滴会在叶面 上停留4 小时以上才会增大至滴落，由于雾滴可以在植物体表面停留相当长的时间， 4 璺二兰堑笙 所以雾水中的离子化学成分对植物影响很大。s a x e n a 5 4 1 甚至认为雾水沉降对森林的 减少也有部分影响。 1 - 2 2 国内研究进展 中国自1 9 5 8 年以来一直重视人工消雾试验和雾的物理学研究。我国自建国以来曾 有过几次较大规模的雾的观测研究项目。1 9 6 8 、1 9 6 9 两年，对南方各省作过一次雾的 普查，对云、贵、川、皖、浙、闽、粤等省雾的微结构做过初步观测。2 0 世纪8 0 年代 以来，随着国民经济的发展，雾害愈来愈突出。雾害的研究受到了国家科委及有关省 市的特别重视，雾的观测得到了很大发展。比较大的计划有成都双流机场雾的观测、 浙江舟山海雾研究、西双版纳辐射雾探测、上海城市雾研究、重庆雾害及沪宁高速公 路雾的研究【5 5 枷】。 黄玉生、李子华【6 1 1 研究西双版纳辐射雾时，发现雾的微结构起伏变化，含水量和 数密度都有明显的周期为2 0 至3 0 分钟的振荡现象。他们指出这种现象主要是因为雾滴 重力沉降的起伏引起的；李子华等【l 】研究景洪的雾时，指出其年均雾日由2 0 世纪5 0 年 代的1 6 6 天到9 0 年代变为仅为5 0 天。雾含水量也明显减少，5 0 年代景洪平均年降雾量 1 7 5 m m ，n 8 0 年代不足l m m 。重庆等别的地区也有类似情况。雾减少的主要原因， 一是城市扩大，工矿企业发展，二是森林覆盖率下降。可见雾水沉降与生态环境之间 是紧密联系的。朱彬、李子华等回研究西双版纳地区雾水后指出十年来景洪雾水离子 浓度增加十分明显，其原因为城市的发展、人类活动的增多以及生态环境的变化，造 成城市大气污染的加剧，从而直接导致雾水离子浓度的增加，且城市雾水离子浓度明 显大于郊区。 长江三角洲地区是我国雾的多发地区之一，加之城市化进程的加快，大气环境负 荷较重。已观测到雾水中总离子浓度或者电导率远高于世界上其他地区的平均结果， 而这些高浓度雾水通过沉降过程必然造成对当地生态系统的化学强迫。总的来看，国 内在雾水沉降方面的研究工作十分有限，而且由于外场试验条件的限制，已有的研究 中没能对湍流沉降机制进行考虑，而在一些森林地区该机制的作用可大于重力沉降。 南京信息工程大学硕士学位论文 1 3 本文研究的内容 国内在雾水沉降方面的研究工作十分有限，而且由于外场试验条件的限制，已有 的研究中没能对湍流沉降机制进行考虑。本文利用涡动系斜方差来计算雾水通量。因 雾本身就是局地性的天气现象，而涡度协方差法适合测量小尺度内的通量，可以描述 出细致的微气候变化，所以利用涡度协方差法来计算雾水通量是较合适的，且涡度斜 方差法具有坚实的理论基础，适用范围广，与其他计算方法相比更加精确和可靠。 ( 1 ) 首先分析雾过程中的雾水沉降通量日变化、谱分布特征。 ( 2 ) 研究影响雾水沉降的主要因子，本文分析了雾持续时间、液态水含量对雾 水沉降量的影响。另外还探讨了能见度、风速与雾水沉降量的关系。 ( 3 ) 研究不同类型雾雾水沉降特征的差异。本文选取2 0 0 7 年1 2 月1 3 1 4 日雾 过程为辐射雾典型。2 0 0 7 年1 2 月2 0 2 1 日雾过程为辐射平流雾典型来研究这两种雾 雾水沉降特征的差异。 6 第二章观测与资料处理 第二章观测与资料处理 2 1 观测地点 2 0 0 7 年的1 1 月1 5 日一1 2 月2 9 日在南京北郊开展的雾的综合外场试验，观测点 设于南京信息工程大学校内平坦开阔草地( 3 2 0 1 2 2 2 ”e ，1 1 8 0 4 2 1 8 ”n ，海拔高度2 5m ) ， 东距宁六一级公路1 1 3k m ，东北距南京江北工业区5 - - 8 k m ，工业区内有石化、钢铁、 热电厂等污染较严重的企业。北距南京长江大桥1 0 k m 。图2 1 给出了观测点的具体 位置及周边环境。 图2 1 观测点的具体位置以及其周边环境 2 2 观测仪器 2 0 0 7 年在南京冬季雾综合探测研究，内容包括雾的宏、微观物理结构、雾液态 水含量的观测、能见度观测、雾水通量观测等方面。其中使用的部分探测手段在国内 较为先进，如f m 1 0 0 型雾滴谱仪、c s a t 3 型三维超声风速仪等( 图2 2 ，表2 2 ) 。表 2 1 给出了观测使用的仪器设备概况。 7 数据采集器 雾滴谱仪 c l 玛0 0 0 f m 1 0 0 散射式能见度仪 z q z d n 一 ( u 、v 、 w0 5 r a m w ) | 数据采 雾含水量 雾滴谱 数密度 能见度 自动气象站 i c ti n t e r n a t i o n a l 温度 1 6 b i t 0 0 0 0 0 01g m 3 2 5 0 u m 1 1 0 4 个 1 0 0 0 m 士2 0 i - 0 1 0 c 1 0h z 1h z lh z lh z 1 0 m i n 3 0 m i n 墨三兰婴塑皇壅塾丝里 过发送声波脉冲，根据接收端的时间或频率( 多普勒变换) 的差别来计算风速和 风向。通过超声波风速传感器的合理布置，不仅可以测得精确的风速信息，而 且可以同时测得精确的风向信息。该涡度协方差开路系统包括三维超声风速仪 ( c s a t 3 ，c a m p b e l l ) ，h 2 0 c 0 2 红外分析仪( l i 7 5 0 0 ，l i c o r ) 等。数据采集器为 c r s 0 0 0 ( c a m p b e l l ) ，采集频率为1 0 h z 。本实验使用的三维超声风速仪能够以1 0 h z 以上的高频率测定风速的三矢量u ( 水平风速x 轴) 、v ( 水平风速- y 轴) 、w ( 垂直风 速z 轴) 。 计 图2 3 超声风速仪简要示意图 使用美国d m t 公司的f m - 1 0 0 型激光前向散射雾滴谱仪来测量雾滴谱。雾滴谱 仪根据前向散射原理来测量单个云雾滴的数量和大小，因粒子散射光的亮度正比于粒 子的大小、成分和形状，其根据大小不同的雾滴对激光散射强度的不同，对雾滴进行 分档、计数，分别计算出每一档内的雾滴数量，并实时记录相应的空气流速、气压、 温度等。可在地面和气象塔上连续测量雾和低云粒子数浓度尺度谱分布。可测粒径范 围为2 - 5 0 岬，最大数密度为1 0 4 个e m - 3 ，观测连续进行，每秒钟产生一组数据。雾滴谱 观测仪器离地高度约l 米，抽气泵放在地上，周围无高大建筑及树木，受人为活动干 扰少。 能见度观测采用江苏省无线电科学研究所有限公司制造的能见度仪( z o z d n ) 进 9 塑室堡星三堡查堂堡主堂垡堡塞 行自动观测，每隔1 5 秒探测并记录一次数据。该仪器根据世界气象组织w m o 发布 的“仪器与观测方法指南”，利用测量前向散射角3 3 0 的散射光强度，进而转换成能见 度值的原理研制而成。发射器发射强度稳定的近红外脉冲( 波长9 3 0 r i m ) ，接收器与之 相对，且两者均向下倾斜1 3 0 ，向外倾斜1 0 0 。能见度在1 0 0 0 m 之内时，误差为1 0 ， 大于1 0 0 0 m 时，误差为2 0 。 地面常规气象要素的观测采用i c t 国际有限公司生产的环境气象站，每个传感器 都有1 6 位的分辨率和1 - 3 的精度。可以根据用户需要设置传感器采集时间间隔，最 小为1 s ，最大为1 h ，本次探测中每隔3 0 m i n 获得地表气温、相对湿度、风速、风向 等要素值。 2 3 雾水沉降计算方法比较 估算雾水的沉降量已经出现了许多种间接或直接的方法。估算雾水沉降量的方法 笙三兰翌塑皇塑整竺墨 这些都会对估算的雾水沉降量以及沉降离子量造成影响，此外雾水与植物体之间的化 学作用也会影响估算总量及分析。 总水量平衡法：以一个地区为单位，在输出等于输入的前提下，求出整个集水区 输出的水量，减去可以求得的输入系统的水量( 如降雨量) ，可以求得拦截沉降量和 干沉降的总和。此方法时间及空间尺度比较大，适合地区不宜选择，且操作的仪器相 当昂贵，不适合精确测量雾水沉降量。 模式推论法：将风速、液水含量、雾滴谱分布、各种植被指数等进行参数化可以 建立雾水沉降模式，通过输入各种参数来计算雾水沉降量。可以用来预测一些改变将 会造成的变化，对于不同区域的估算也可以借由相同的模式估算后，加以比较，并找 出关键的因子。该方法被广泛用于计算森林地区的雾水沉降。不过模式的建立比较复 杂，各个参数之间环环相扣，必须经过不断地测试来验证其效用，而且其有效性很难 适合所有范围及各种情形由于参数( 液态水含量、雾滴谱分布、雾持续时间、离子浓 度、湍流) 具有太多的可变性，模式存在许多不确定因素，所以参数化或者模式不能 得到高质量的结果。 涡度协方差法：通过计算风速脉动与某标量脉动的协方差，直接计算一定时段的 通量。其在观测和求算通量的过程中几乎没有假设，具有坚实地理论基础，适用范围 广，不受平流条件限制，是较精密而可靠的方法。它在雾水通量测量方面的应用是比 较新的，可以测量由雾沉降引起的离子和痕量元素的沉降上。利用该方法可以计算出 雾水湍流通量或是重力沉降通量，以此来判断该地区的雾水沉降机制、蒸发作用以及 风速等因子在植物体与大气之间的作用与水文收支上的影响。且涡度协方差法测量的 空间尺度比较小，有利于描述细致的微气候变化。 2 4 资料质量控制 2 4 1 质量控制的必要性 涡度相关概念的提出已有百年历史。但其发展和应用实际上从1 9 5 0 年代热线风 温计的发明特别是1 9 6 0 年代中超声风温计的发明开始，至今约5 0 年历史。曾经是研 究级别的涡度相关通量观测系统，随着传感器和计算技术的发展，已成为地气间动量、 热量、水汽、c 0 2 等通量观测的主要手段。涡度协方差法测量的空间尺度比较小，适 堕塞堡昼三堡奎兰堡主堂垡堡茎 合短期测量，不适合长期比如季度、年度通量的测量。对于植物分布或是地形较为复 杂、空间变化比较大的区域，寻找具有代表性的时间或是测量地点通常也比较困难。 此外下垫面的复杂性不可避免，长时间的运转，必然会遇到种种不利气象条件【溺5 1 。 故涡度资料的质量控制，尤为重要。 国内关于涡度系统资料的质量控制已经有了不少成果，比如孙晓敏等f 删利用 c h i n a f l u x 资料研究了平均周期和采样频率对通量的影响。吴家兵等【6 7 】利用长白山森 林站数据，定量分析了超声风速仪倾斜、频率响应和平流损失修订对通量估算的影 响。张军辉等【6 8 1 提出强风条件下摩擦风速的修正方法。朱治林等【6 9 1 对不同坐标旋转 方法在c h i n a f l u x 典型生态系统的应用效果进行了比较分析。陈家宜等【7 0 】研究了不稳 定条件下涡动相关法测算通量的低估程度与风速和观测高度的关系。 2 4 2 本文质量控制方法 ( 1 ) 涡动数据异常值处理。首先对原始资料进行质量控制。雨、雪、尘粒等对 传感器声光程的干扰，瞬间断电、电源不稳定等都会造成原始资料出现野点，野点可 能对方差、协方差值产生明显影响。一般c s a t 3 或l i 7 5 0 0 出现异常标志( d i a g - 0 ) ， 可直接排除【7 l 】。摩擦风速小于o 1 m s 1 的点也均予以删除。对3 0 分钟资料，一般野 点数要少于1 0 - 1 0 0 ，野点过多时，剔除该时次。最后将野点用其前后相邻二点测 值线性内插取代。 ( 2 ) 3 0 分钟平均周期统计。在实际应用中，由于观测数据受观测技术和采样频 率的制约，获取的得数据较离散。理论上采样频率越高，平均周期越长，其结果越接 近真值。然而如果平均周期太长，一方面通量所包含的一些细节变化过程可能会被遗 漏或掩盖，另一方面由于长平均周期的平均值中包含有长时间的非定常性或趋势，而 这种趋势对通量的计算会产生影响，平均周期越长这种影响就越大。所以平均周期的 选取要足够的短，以保证有稳定的时间系列不受任何趋势的影响，同时又要求平均周 期足够的长，以包含湍流中最慢的涨落。本文选取目前实际应用中通常采用的3 0 分 钟作为平均周期，这是用累积频率分布方法分析通量的低频损失后得到的基本结论。 ( 3 ) 涡动数据订正。本文采用平面拟合法进行坐标轴旋转。将涡动观测资料， 通过数学和统计方法找到( 拟合) 一个新平面，在该平面上，平均垂直风速可以表达 为径向和纬向水平风速的函数，并且新的垂直风速平均值为零，计算出的通量和三个 墨三! 翌塑兰墼翌竺翌 方向上的协方差为一个固定的函数关系【7 1 1 。 ( 4 ) 雾滴谱原始资料处理。雾滴谱资料都分为了2 0 档。由于第一档的起始范围 不确定( 小于2 ，并且该档中干气溶胶粒子占多数，影响了雾滴的测量，本文在资 料分析中去除了该档。去除第一档后的分析结果与未去除前的进行了对比，除数密度 减小较大外，含水量变化不大，平均直径增大较多。 2 5 雾水通量计算方法 液态水含量利用雾滴谱资料求得，根据雾滴粒径把平均直径2 - 5 0 1 a n 的雾滴分 为2 0 个档，将雾滴看做是规则的几何球体，可求出某档的液态水含量见d ( d ) 。将各 档的液态水含量求和则得出该时刻的液态水含量l w c 即： 凡= 凡，d ( d ) 。 湍流通量为： 兄，= w 7 j d 三 上式中：w = w i ，w 为垂直方向风速；w 为采样时间段内的平均垂直风速。 p 。= p 。一万，p 。为液态水含量；见为采样时间段内平均液态水含量。液态水的湍 流通量为垂直风速和液态水含量的协方差的平均值。横线表示取时间平均，本文的通 量采取3 0