基于220m升降吊篮的浓雾微物理垂直结构观测与演变机理研究

Fog is the result of water substance evolution in the atmosphere with distinctive vertical structure. Especially, the evolution of fog layer is depended on the vertical profiles of microphysical parameters, such as number concentration, size distribution and fog water content, which are the scientific basics and knowledge gaps of numerical modeling, forecasting and remote sensing of fog. Unfortunately, existing observations and theories of fog microphysics have been limited to the ground, or the bottom layers, the fog vertical structure is also limited understanding of the atmospheric boundary layer. There is only little data concerning the vertical distribution of fog microphysics. The 255-meter meteorological tower, having instruments of 15-level wind direction, wind speed, temperature, humidity and 5-level flux of radiation and water vapor, and 220-meter electric lift basket mounted with fog monitor and dual hot-wire liquid water flux probe are used as a platform for in situ measurements of the vertical variations of number concentration, size distribution and liquid water content of fog particles. The observational facts will increase the scientific understanding of fog vertical characteristics during the different life cycle stages and improve the conceptual model of the vertical structure of fog microphysics. The interaction mechanism between the vertical variation of turbulence, cooling and droplet gravitational settling and the vertical variation of microphysics of fog droplets will be revealed. These developments provide theoretical support for the parameterization of fog microphysics, operational forecasting and remote sensing of fog and low clouds.

雾是具有垂直结构特征的大气水物质演变过程，雾滴尺度谱分布及含水量等微物理性质的垂直分布决定了整个雾层的生消演变规律，是雾数值模型开发、预报、遥感等应用研究的科学基础和当前面临的瓶颈。长期以来，雾滴微物理特征的直接观测及理论讨论仅局限于地面（即雾层的底部），对雾层垂直结构的认识亦仅限于边界层结构，缺少对微物理垂直结构的认识。本研究拟以天津255m大气边界层气象观测塔及其220m电动升降吊篮为观测平台，在已有15层风、温、湿和5层辐射及水汽通量基础上，增加雾滴谱仪及双热线雾含水量仪的垂直升降和固定高度探测，揭示浓雾生消过程不同阶段雾滴尺度谱及液水含量等微物理特征的垂直分布及演变规律，探讨湍流、冷却、重力沉降垂直变化与雾微物理垂直结构演变的相互作用机制，完善浓雾微物理过程的理论模型，为雾的微物理过程参数化、业务预报、雾与低云的遥感识别提供理论支撑。

雾的传统科学认知，特别是在微物理特征和规律方面，主要通过在地面开展的观测试验获得，所得到的是对雾底层的认识。但雾具有一定的厚度，受多种物理机制的共同作用，雾层内不同高度具有不同的微物理特征和演变规律，并且不同高度层之间亦存在相互作用。本项目主要研究内容包括：雾微物理垂直结构特征观测试验方法；仪器设备研发；雾滴尺度谱分布及相关微物理特征量的垂直分布规律；边界层宏观结构与浓雾微物理垂直结构之间的相互作用机制；雾层垂直发展的物理机制；地面雾发展与垂直结构演变的关系。.项目执行期间研发了主动式云雾水采集器、系留气球边界层探测系统、系留式光学摄影雾滴谱仪、双热线雾含水量仪，其中主动式云雾水采集器、系留气球边界层探测系统均已用于项目观测试验，主动式云雾水采集器已定型形成产品，系留式光学摄影雾滴谱仪和双热线雾含水量仪完成原型机系统测试。通过在天津和安徽寿县组织实施3期综合外场观测试验，形成了成套的雾垂直结构外场观测试验方法，获得了不同高度雾微物理特征、大气边界层结构、地面气象要素、大气成分等原始观测数据。.通过观测资料分析和数值模拟试验，建立了雾发展阶段客观划分方法和基于边界层湍流特征的辐射雾厚度计算方法。揭示了浓雾生消过程不同垂直高度、不同阶段雾滴尺度谱及液水含量等微物理特征及其演变规律，探讨大气边界层湍流、冷却、雾滴重力沉降的垂直变化与雾微物理垂直结构演变的相互作用机制、雾微物理特征与大气细颗粒物的相互关系，完善了浓雾微物理过程的理论模型，为雾数值模型开发、业务预报、雾与低云的遥感识别提供了基本科学事实和基础理论支撑。.