一种雾发展阶段客观划分方法的发展与应用外文翻译资料

 2022-12-02 19:42:00

英语原文共 17 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

一种雾发展阶段客观划分方法的发展与应用

FRANK MAIER * JRG BENDIX BORIS THIES

德国马尔堡大学地理学院，（原稿于2012年10月25日收到;定稿2013年5月15日）

摘要: 基于可靠标准在辐射雾生命史不同发展阶段的客观划分对于各种应用是必要的，例如用于数值雾模拟和雾预测。到现在为止，只有用于区分辐射雾中不同发展阶段的定性方法。通过用于液滴测量技术的光学粒子计数器测量结果与水平能见度（VIS）进行统计分析，以确定辐射雾的各个发展阶段微物理性质。提出的三阶段划分方法通过VIS、液水含量、液滴浓度和液滴平均半径的双曲线变化点统计分析得到。结果表明，无论是否考虑VIS或微物理性质，三次辐射雾过程均可划分成从形成到消散的三个连续阶段。因为具有与辐射雾一致的微物理特征，可以认为各次雾过程的三个分离发展阶段的均可归类于辐射雾。虽然这种分类在统计学上是可靠的，但是仍然需要更多资料将该方法扩展到雾过程发展阶段的一般性认识。

关键词：辐射雾，双曲线分析，辐射雾生命史，辐射雾发展阶段

1.简介

雾的现象是指水平能见度（VIS）低于1公里的现象（WMO，1992）。雾天的低VIS对人类生活和社会有着具有巨大的影响，比如会影响航空、航海、道路交通等，根据Gultepe分析（2007年，2009年），因为雾导致的总经济损失与龙卷风相当，甚至在某些情况下的飓风或冬季风暴相当。

雾形成于特定天气情况下， 雾形成、演化及其结构与地形条件有关，如地形和生态环境等。许多因素都可以影响雾的形成和持续时间，例如辐射冷却、空气质量平流和降水。基于影响雾形成、成熟和消散的主要因素，Gultepe（2007）将雾分类为辐射雾，高逆温雾，平流-辐射雾，平流雾和蒸汽雾。

研究最多的雾型是与辐射冷却有关。当地面温度降低到露点以下时，由于地球表面和湍流通量的夜间长波发射，辐射雾形成。它通常形成于高压天气晴朗且风速不大的天气条件下（Gultepe，et al，2007）。然而，辐射雾的形成、发展和消散的机制非常复杂，并且已经通过一系列数值模拟和包括原位测量的综合观测程序的研究（Meyer，et al，1986；Fitzjarrald和Lala，1989; Fuzzi，et al，1992，1998；Gultepe，et al，2007； Zhou 和Ferrier，2008；Liu，et al， ，2011；Dupont，et al，2012）。最近，在中国北京和南京（Liu，et al，2011），加拿大（Gultepel，et al，2009）和法国巴黎（Haeffelin，et al，2010； Dupont，et al，2012）进行了关于雾过程的动态变化，热力学变化，微物理特征和期间辐射过程的研究实验。

辐射冷却和湍流混合之间的平衡似乎是辐射雾发展的主要因素（Roach，et al，1976；Nakanishi，2000；Terradellas和Bergot，2008）。除了辐射冷却作为主要机制之外，向上的土壤热通量，以及温室效应和通过湍流混合导致的水分损失，都很大程度上影响着辐射雾的形成和结构（Lala et al，1975; Pilie et al，1975b; Brown和 Roach，1976；Roach et al，1976；Findlater，1985； Turton和Brown，1987；Fitzjarrald和Lala，1989；Bergot和Guedalia，1994；Duynkerke，1999）。

因为辐射雾的形成机制的复杂，其发展和消散时的性质会根据天气情况，形成模式和地理条件有着极大地不同。这些多样的因素导致目前辐射雾的发生和严重性的预测精度不够。技术上的欠缺是影响研究辐射雾的发展过程的限制性因素。

辐射雾有着显着的昼夜变化。它主要在日落或午夜形成，并在日出或中午后消散。辐射雾的发展通常作为研究具有连续性发展阶段的雾的典型（Lala，1982； Stewart和Essenwanger，1982；Juisto和Lala，1983）。辐射雾微物理特性的变化与辐射雾发展各个阶段的划分有关。 Gultepe et al（2007）将雾的发展分为三个不同的发展阶段：形成阶段的特征在于液态水含量（LWC），液滴浓度（Nt）和平均液滴尺寸（rmean）的增加；在成熟期LWC和Nt保持接近恒定，rmean逐渐减少；当雾消散所有三个微物理参数减少。 Pilie（1972，1975a，1975b）通过分析雾发展阶段的VIS，Nt，LWC和rmean的变化，将雾发展过程区分成四个独立的阶段：预检阶段开始于VIS lt;4公里，到第一次VISlt;1公里时结束；开始阶段是持续到VIS的第一个最小值， Nt和LWC同时增加到最大值，r mean增加到第一可观察VIS减小和第一最小值之间的接近最大值的时候；成熟阶段，VIS保持几乎恒定，Nt和LWC、VIS同步波动，rmean从开始阶段达到最大值后开始逐渐减少，在成熟期几乎保持恒定。在消散阶段，VIS逐渐增加，Nt和LWC急剧下降。就整个发展过程而言，rmean在消散时也降低。

针对南京的一次辐射雾过程的研究，Liu et al（2011）将其分为四个发展阶段:形成、发展、成熟和消散阶段，阶段划分取决于微观结构和VIS。

Wendisch et al（1998）通过在Po Valley（意大利北部）的CHEMDROP实验期间观察到的雾过程的两个特征阶段：第一阶段即初始阶段的特征在于小液滴数量的强烈增加；在第二阶段，大液滴急剧增加，而小液滴几乎不变，该阶段也被称为“水质量传递阶段”。 Price（2011）分析了英国Cardington的几个雾过程的液滴谱，结合Wendisch et al（1998）的研究发现，他确定了具有小液滴尺寸的初始阶段和具有更大液滴尺寸的外观的成熟阶段。

现有关于辐射雾发展的研究都表明，在雾过程期间存在明显的阶段划分。然而各阶段在数量和表征方面都有所不同，这可能是由于雾发生的条件不同。另一个重要方面在阶段划分缺少定量标准以及分析的参数中缺少统一的标准，这将导致雾从初始到消散阶段划分过程会有所重复，所以，通过定量划分可以作为雾过程进行阶段划分的客观分类方法。

雾发展的不同阶段的物理变化过程的研究是必要的。对应阶段的微物理特性可以用作数值建模的检验标准，并且有助于提高雾预测的准确性。现有的微物理模型方案不考虑在辐射雾发展过程微物理特性的演变，研究不同阶段物理变化过程可以帮助改善模型中的微物理参数化。

因此，本研究的目的是引入基于时间序列的变化点（CP）分析的统计方法，对辐射雾发展过程进行阶段划分。此次研究采用2011年10月和11月期间的三个辐射雾过程的微物理性质，LWC，每cm 3的总液滴数（即N t）以及平均和众数半径（即r mean和rc）以及VIS等数据。

假设所测量的微物理参数的时间序列显示从起始到消散这段时间过程，将它分为不同发展阶段。进一步假设时间序列的统计CP分析允许对过程进行定量的阶段划分，并且雾过程所划分的各个阶段之间存在一致性，特别是关于微物理特性。

本文的结构如下：在第2节中介绍了测量地点、测量设备以及当前的天气情况，接下来是对统计方法的描述，以检测辐射雾发展过程以定量标准划分的各个阶段，分析结果在第3节中给出，第4节中给出了结果的讨论，以及来自文献的现有结果，本文在第5节得出结论。

2.材料和方法

2.1测量现场和设备

2011年秋天在Marburg地面观测站和分析站（50.533048N / 8.685358E，172m a.s.l）进行。测量地点位于卢克河 - 巴克溪的洪泛平原，周围都是小山丘延伸到250米a.s.l。由于位于中纬度和温和中雨的气候影响，研究区在秋季以雾发的高频率而闻名（Schulze-Neuhoff，1976; Bendix，1998，2002）。 Marburg地面观测站和分析站包括的测量仪器如表1所示。

在2米处测量的VIS是发生雾的标准（lt;1公里）（WMO，1992）。雾特定的液滴尺寸分布导致可见光消光，雾滴的消光系数是LWC和Nt的函数。光的减少可以通过光学测量装置检测（Gultepe等人，2006）。雾的顶部高度数据源自94 GHz FMCW，PVM雷达的雷达反射率（Huggard，2008; Bennett等人，2009）。在起雾层的情况下，云底高度由云高仪检测。现场测量的核心仪器是来自液滴测量技术（DMT）的光学粒子计数器（OPC），该装置允许在30个尺寸箱中在1秒周期对逐个粒子进行测量，检测的液滴尺寸光谱在2至50mm的范围内（DMT，2012）。微物理参数LWC，Nt，rmean和rc数据源自单独的30个尺寸箱每cm 3 体积校正计数。雾微物理测量在地面上2m处进行。

对于分析，从气象仪器和微物理仪器收集的原始数据在每隔1分钟同步一次，时间序列是减少到雾过程的时间范围，当VIS第一次低于1公里，并在消散阶段超过1公里。

表1 Marburg地面真理和分析站上的应用仪器

仪器

实测参数

时间间隔

制造厂家

94 GHz FMCW雷达

云顶高度

10秒

Rutherford Appleton实验室，英国

云高仪（CL31）

云低高度

20秒

维萨拉公司，芬兰

光学粒子计数器（带PbP的CDP）

液滴尺寸a

1秒

液滴测量技术公司，美国

气象站

温度b

降水a

气压a

相对湿度b

风向c

风速b

5分钟

坎贝尔科技，美国

续表1

仪器

实测参数

时间间隔

制造厂家

天气传感器（HSS VPF-730）

水平能见度b

20秒

贝莱尔，英国

a表示测量高度为2米

b表示测量高度为2米和10米

c表示测量高度为10米

2.2 在雾过程期间的天气情况

本文分析的三次雾过程发生在2011年10月26日至27日，2011年11月31日至11月1日和2011年11月13日至14日。德国气象局（DWD，2011）记录了欧洲和东北大西洋当前天气情况，指的是Hess和Brezowsky（1977）的分类。 一般天气情况总结在图1，图 1是根据詹姆斯（2007）的一般分类。

第一次雾过程（2011年10月25日至27日）发生在气旋性天气情况下，伴随着在俄罗斯和中欧的强大的高压区，气流向东南方移动。由于寒冷，海洋极地较干空气侵入，研究区数据显示当前温度与季节平均值相比较冷，且降水异常。

第二次雾过程的特点是位于中欧（2011年10月28日至31日）的脊线发展成为反气旋（2011年1月11日〜2011年5月11日），在这个过程中，在亚速尔群岛和俄罗斯大陆高地之间的一个高压脊消失了，并被一个锋区所替代，位于脊的西北部。这样使得更暖和更潮湿的空气团沿经线流动输送到中欧。

第三次雾过程（2011年11月13日至16日）的天气情况是在中欧和冰岛高原有一个高压脊，这期间的温度和降水量均低于该季的平均水平。

2.3 雾发展阶段的检测

为了研究雾发展过程的阶段划分，专家们开发了一种基于研究分析洪水流量的双和曲线分析统计方法（AKKLIWA，2002）。 双和曲线的分析是用于发现时间序列中的不均匀性的一种方法（Hansel和Schafer，1970）。 图2揭示了在微物理参数的时间序列和三次雾过程期间的VIS记录必须进行的用于检测潜在CP的三个步骤。 统计方法的详细解释见附录。

图1 参考Hess和Brezowsky（1977）和James（2007）（DWD，2011）的三次雾过程期间的天气天气状况:（a）第一雾过程:2011年10月26日至27日; （b）第二次雾过程:2011年10月31日至2011年11月1日; （c）第三雾过程:2011年11月13日至14日。左栏:500hPa水平，右栏:表面压力水平。<!--

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[25531]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word

原文和译文剩余内容已隐藏，您需要先支付 30元 才能查看原文和译文全部内容！立即支付

以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。

您可能感兴趣的文章