庐山过冷雾滴谱分布及积冰增长机制观测研究

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在江西省庐山气象局布设雾滴谱仪、热盘雨量计、现在天气现象仪、超声风速仪、积冰梯度观测架、七要素自动气象站并结合常规气象观测,对发生于2016年1月20日1月25日寒潮天气形成的积冰过程进行了综合观测。本文分析了这次积冰天气过程中庐山雾团持续时间、出现频率及谱分布;研究了雨、雪、过冷雾三种因素对积冰增长的影响;将在两个高度(10m、1.5m)观测的积冰增长及气象条件进行了对比分析,揭示了积冰形成机制。1观测地点与仪器观测站设在江西省庐山气象局(29.58N,115.98E,海拔1164.5m)。庐山地处我国第一大淡水湖鄱阳湖与长江之间,水汽资源丰富,冬季冷空气活动影响时,常会出现雨凇、雾凇和降雪等现象。本文所用数据由FM-100光学雾滴谱仪、TPS-3100热盘雨量计、OWI-430现在天气现象仪、HMP155温湿探头、Model 05103桨叶式风速计、CNR2长短波辐射表等仪器观测得到。2寒潮天气与过冷雾微结构寒潮是本次电线积冰发生的天气背景,极涡分裂变形、横槽旋转南下促使我国南方地区发生冰冻雨雪天气。冷锋过境伴随着风切变、增湿和强降温。积冰发生时900500h Pa温度处于零度以下,没有暖层,属于"单层结构"。本次过程共筛选出227个雾团,持续时间小于5分钟的雾团出现频率(76.2%)最高,持续时间小于、大于10分钟的雾团分别占90.7%、9.3%,雾团频率随持续时间增加快速递减。雾团生消时间间隔010分钟的频率为89.3%,最大时间间隔为435.9分钟,平均时间间隔为9.6分钟。统计分析还表明,雾团持续时间受天气系统控制,与雾滴数浓度、平均直径、含水量等的相关性较低,即雾团多为从山谷移至位于山顶的观测站及地形成。雾团持续时间、频率、时间间隔等统计结论为发展景观气象学提供了有特色的基础资料。雨雪的发生伴随着雾的出现。降雨发生时随降水率增加雾滴谱在215μm和3050μm数浓度增大。降雨较强时蒸发提高了相对湿度,有利于雾滴的增长。同时雨滴的碰撞破碎也使得雾滴数浓度上升。降水率在34mm·h-1时,雾滴谱谱形明显被改变。降雪发生时随降水率增大227μm雾滴数浓度有所下降。冰晶、雾滴共存时冰晶效应使水汽由水滴向冰晶扩散,不利于雾滴增长,冰晶对雾滴的碰并使雾滴数浓度下降。降水率在23mm·h-1时,雾滴谱谱形被明显改变。3三种降水形态下积冰增长分析10m高度积冰过程分为准备期、增长期、维持期、脱落期。10m高度积冰增长期分为三个阶段:降雨阶段主要降水类型为冻雨,积冰增长率最大,为1.3mm·h-1;降雪1阶段降水类型为干雪,积冰增长较缓慢,增长率平均为0.1mm·h-1;降雪2阶段降水类型仍为干雪,但过冷雾的密集出现、较低的温度(平均-7.8℃)以及风速加大(平均4.2m·s-1)使积冰增长率增大(0.5mm·h-1)。雾滴谱各档数浓度增大促进积冰增长率增大。4两个高度积冰增长对比分析两高度积冰差异主要表现在四个方面:一是冰厚差异较大,10m、1.5m两高度最大冰厚分别为20.7mm、1.2mm,后者为前者的5.8%;二是积冰持续时间差异较大,积冰持续时间分别为102h、61h,1.5m积冰只出现在10m积冰的增长期;三是积冰形态差异较大,1.5m处为透明的密度较大的固实冰,10m处为白色的密度较小的海绵状冰;四是积冰增长机制的差异,10m高度积冰增长率与降水率、过冷雾微物理特征等密切相关,1.5m积冰厚度对一天内温度和相对湿度的变化较敏感,有日变化特征。积冰增长期10m、1.5m高度气温均值分别为-6.3℃、-5.2℃,风速均值分别为3.1m·s-1、1.6m·s-1,温度与风速的差异是造成两高度积冰厚度、时长、密度、增长机制差异的主要原因,说明积冰厚度、时间、密度、增长机制与积冰高度关系密切。
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