谷雾的生命周期 第二部分：云雾微物理[1]外文翻译资料

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谷雾的生命周期 第二部分：云雾微物理^[1]

Author: R. J. P, E. J. MACK, W. C. K, W. J. E and C. W. R

（于1973年7月29日收到手稿，1974年10月8日修订）

摘要

在纽约埃尔米拉(Elmira)附近的车蒙河谷(Chemung)，对谷雾的微物理特性进行了广泛的测量。本文讨论了在8个雾夜获得的液滴尺寸分布，水滴浓度，液态水含量以及雾霾云核浓度等数据。

发现微物理变量的行为模式非常一致。浅层地面雾通常发生在深谷雾形成之前。数据显示，地面雾的特征是在半径为1至10mu;m的范围内，每立方厘米雾滴浓度为100至200，平均半径为2至4mu;m。当浓雾在高空形成时，地表附近的雾滴浓度降低至2cm^-3以下，平均半径从6mu;m增加到12mu;m，半径小于3mu;m的雾滴消失。此后，当均值(typical value)分别为在12-25cm^-3和50-150mg m^-3范围内时，雾滴浓度和液态水含量逐渐增加，直至地表的第一个能见度最小值出现。小水滴在最初能见度最小时重新出现。随后，在大约一半的雾中出现双峰雾滴尺寸分布，其中一种模式(峰)半径在2-3mu;m，第二种模式(峰)在6和12mu;m之间。在高空，雾滴尺寸分布变窄，平均半径随着海拔的增加和雾滴年龄（？）的增加而减小。在S = 3.0％处活跃的云核浓度在地表附近通常在800至1000cm^-3，并且在300米处降至500-800 cm^-3。

从数据可以看出，薄地雾的过饱和程度超过了深雾中的过饱和度。深雾中最初的地表遮蔽似乎是由于液滴在高空中形成并通过湍流扩散向下输送到不饱和空气中。显然，在第一次能见度最低之后，表面附近才会产生新的水滴。

1. 介绍

本文描述了从1970年夏天在纽约埃尔米拉附近的车蒙河谷发生的八次谷雾中获得的微物理变量的数据。如第一部分所述，在1970年8月22日和1970年9月2日获得的大雾数据分别用于说明日出前后形成的雾的典型特征。这里提供的数据是在第一部分所描述的塔址（Part I 前一篇文章）上获得的。据我们所知，这次研究中获得的数据构成了对雾在实际形成期间所获得的微物理性质演变的第一次观察，而不是作为测量点上的雾平流。能见度，液态水含量（LWC），液滴尺寸分布和液滴浓度达到地表附近第一次能见度最小值之前的变化的一致性是惊人的。根据液滴尺寸分布的一些一致变化，可以令人信服地认为，薄地雾中存在的过饱和度超过了雾在生命周期后期形成的深雾中的过饱和度。此外，地表附近初始能见度的降低似乎是由于高空形成的液滴的向下运移所引起的，并且直到第一次能见度最小值出现之后地表附近才存在过饱和条件。

2. 雾滴尺寸分布

使用改进的幻灯机将涂有明胶的载玻片暴露于雾状气流中，得到了雾滴尺寸分布的测量值。在操作过程中，空气流中的液滴撞击到处理过的载玻片上，留下永久的，定义明确的“复制品”，可以在显微镜下精确测量。以前的研究已经证实，真正的液滴直径几乎等于明胶中留下的陨石坑状印痕直径的一半。

该装置的构造允许将曝光时间控制在小于0.1秒到几分钟的时间，并在10到70m s^-1之间选择气流速度（通过鼓风机电机上的速度控制）。为了在应用收集效率校正时提供更高的准确性，测量了4毫米宽的载玻片每次曝光的气流速度。派珀阿兹特克(Piper Aztec)的一架飞机的机头也安装了类似的液滴取样器，以便在高空收集液滴样本。

通过相差显微镜对获得的显微照片手动进行数据还原(reduction减少)。在可能的情况下，每种分布至少测量200个液滴。在一些液滴浓度非常低的情况下，载玻片上的所有“复制品”都是通过显微镜直接测量的。总计分析了来自八种雾的约200个地表（1米高）的液滴尺寸分布，对在高空采集的同样数量的样品也进行了分析。

对在Elmira获得的液滴尺寸分布数据检验表明，即使在实验室可以检测到较小的液滴，但在现场也无法检测到半径小于1mu;m的液滴。这些测量中主要的已知误差来源本质上是统计性的，这是由测量每个分布的大量副本所需的时间所造成的。这些误差对于小液滴尺寸（lt;3mu;m半径）特别重要，因为小的收集效率限制了复制液滴的数量，因此收集效率修正值较大（Langmuir和Blodgett，1946）。对于自然浓度较小的大尺寸液滴，也会出现类似的问题。第二类统计误差是由于样本缺乏“代表性”。几十立方千米的雾通常只有几个样本，每个样本的体积从5cm³到10 cm³不等。

虽然给定样品的曝光时间是可控的，但从一个载玻片到另一个载玻片，短曝光时间/曝光倍数（lt;0.5秒）在大约3倍的范围内是不可复制的。因此，可以直接得到标准化的液滴尺寸分布数据，但是根据液滴样本确定绝对液滴浓度是不谨慎的。相反，将从地表（1 m）获得的标准化分布与同时从塔式透射计（在1.2米高度约30米远处）获得的消光系数的测量结果相结合，根据表达式以下获得总的液滴浓度：

其中beta;是测量的消光系数，n是总的液滴浓度， N（r）是标准化的液滴尺寸分布。

许多情况下，在浅地雾中采集到的液滴样品，透射计位于雾顶之上。因此，地面雾中的能见度总是远小于透射计所示。因此，液滴尺寸分布仅以标准化形式呈现。雾生命周期后期的数据以绝对滴径分布（液滴尺寸分布）的形式呈现，由nN(r)给出。

如果使用N(r)的测量值和当地面雾超过透射计高度时测量的典型能见度值来计算n，则得出n的值范围为100-200 cm^-3。观察到的这些值和液滴的总尺寸范围与先前发表公布的数据（Jiusto，1964）非常一致。通常，当首次观察到地面雾时，随机抽取两到三个液滴样本。当开始形成深雾时，通常以5-15分钟的间隔采集样本。然而，在1970年9月2日，温度随高度和时间的实时变化表明即将形成深雾，在能见度发生实质性变化之前，开展了一系列时间间隔紧密的液滴样本采集。因此，在这一天获得了关于谷雾中液滴大小分布演变的最完整的数据。结果如图1所示。

在0632之前获得的液滴尺寸分布（所有时间均为EDT：美国东部夏令时）具有在浅地雾中获得的所有液滴尺寸分布的特征（即，相当大数量的非常小的液滴）。0630时在高处观察到雾的初始形成，并且每隔2分钟进行一次液滴采样。七分钟后，注意到地表能见度的首次下降，同时尽可能将采样间隔缩短至1分钟或30秒。

在0637：30获得的分布具有在所有雾天地表能见度初次降低时的分布特征。从0634到0637的数据显示了从典型的地面雾分布到我们所说的“雾形成分布”的转变。在这一天，雾的形成分布仅持续了几分钟。然而，有一次，即1970年8月26日，在浓雾形成之前，这种分布持续了45分钟。

从0638：30到0650的数据说明了在初始能见度下降和首次达到能见度最小值之间发生的液滴尺寸分布特征的变化。这些变化包括（1）半径小于3或4微米的液滴消失；（2）液滴浓度逐渐增加到最大值；以及（3）最大液滴尺寸增加到整个雾生命周期中观察到的最大值。

在第一次能见度最低之后不久，非常小的液滴不断出现。然而，从那时起，液滴尺寸分布随时间的行为就并不完全一致了。在采样的八个雾中，有三个在第一个最小值后在地表获得的所有分布与1970年9月2日0700和0810之间显示的分布相似。在其他三种情况下，在第一个最小值之后得到的地表液滴尺寸分布主要是双峰的，半径最大值一个在2-3mu;m附近，第二个最大值在6 – 12mu;m之间。这种典型的分布如图2所示（0538之后的时间）。在两种情况下，这两种分布似乎在整个雾的生命周期中随机发生，如图3所示。与雾消散相关的地表液滴尺寸分布的形状没有明显的一致变化。随着能见度的提高，雾滴在各粒径区间的液滴浓度均呈下降趋势。

图1：1970年9月2日的液滴尺寸分布

注：在0637处获得的数据以标准化和绝对形式呈现以供比较。

图2：1970年8月25日的液滴尺寸分布

图3：1970年8月22日的液滴尺寸分布

3.液态水含量

液态水含量(LWC)的数据是通过对每个液滴样本的绝对液滴尺寸分布进行积分得到的

偶尔也会通过使用Gelman^[2]高容量取样器直接测量从8立方米的雾中机械收集水滴来得到。格尔曼采用纤维素过滤器，使液态水被纤维吸收。为了使纤维素从潮湿大气中吸收水蒸气所造成的误差最小化，在第一次重量测量之前，通过从2msup3;雾中收集水来润湿过滤器。利用暴露于另外的8msup3;雾后的重量增加来确定LWC。图4比较了两种方法同时测量LWC的结果。一般来说，这两种方法的结果在plusmn;40 mg m^-sup3;的范围内一致。变化似乎是随机的，这毫无疑问与格尔曼的数据是从7分钟间隔下8msup3;的雾中平均获得的有关，而液滴尺寸分布则基本上是从瞬间收集的几立方厘米的雾中获得的。

图4：用格尔曼大体积采样器测量液态水含量与对绝对液滴尺寸分布积分得到的同期值的比较

地表雾微物理学综述

图5和图6的两个样本雾给出了两种地表雾微物理的时间历程，包括雾滴浓度、液态水含量和雾滴半径平均值、均方和平均体积随时间的变化，每个图上还显示了塔位(tower site?)能见度的变化轨迹。[注意，在图5（1970年9月2日）中，时间尺度已经扩大。]

图5:1970.9.2能见度和微物理数据 图6:1970.8.22能见度和微物理数据

由于地表雾微物理的主要变化发生在雾生命周期的第一个季度(前四分之一阶段)和最后一个季度(最后四分之一阶段)，与雾的总持续时间无关，因此我们还尝试在由雾总持续时间的分数所定义的时间尺度上对微物理数据进行建模。在各自生命周期的每个阶段，计算了来自7个雾的所有可用数据的平均值。数据汇总如图7所示。雾的开始被任意设定为能见度下降到4000米以下的时间；雾的结束被选择在能见度增加到1000米。如数据所示，能见度通常会从4000米迅速下降到最小值，并且随着雾在其生命周期接近尾声时“消散”，能见度会稍微缓慢地上升到1000米。这些图共同说明了大多数埃尔米拉谷雾在整个生命周期中观察到的有关微物理特征， 总结如下：

(1) 在生命周期的第一季度(前四分之一期间)，能见度降至最低，然后缓慢提高。在生命周期的中半部分（成熟的雾），能见度可能保持几乎不变，或经历较大的波动。消散阶段占生命周期的最后四分之一。

(2) 液滴浓度和液态水含量在第一次能见度最小时达到最大值，在成熟阶段与能见度同步波动，在消散阶段急剧下降。

(3) 液滴尺寸分布的半径平均值、均方和平均体积在第一个可观察到的能见度降低和第一次达到能见度最小值之间的大约中间位置增加到接近最大值。然后平均尺寸逐渐减小并在成熟阶段保持接近恒定的值。虽然平均数据表明在消散阶段时平均半径减小，但来自单个雾滴的数据显示，与消散阶段相关的平均液滴尺寸没有一致的变化。

图7：作为生命周期函数的平均雾微物理变量

4. 高空液滴尺寸分布

由于飞行限制，在白天前的浓雾条件下起飞，在第一次达到能见度最小值之前，无法获得高空液滴尺寸分布数据。然而，破晓后获得的数据显示出与高度和时间一致的行为。图8和图9所示的1970年8月22日和1970年9月12日获得的数据说明了这种行为。

由于没有高空能见度数据，所有分布都以标准化的形式呈现。从图中可以看出，在雾天破晓后的所有时间里，在地表或地表附近观察到了最宽的液滴尺寸分布。在最早的探测过程中，随高度的变化，液滴谱的分布宽度只是略有减小，但随着时间的推移，在小尺度范围内，液滴谱在高空的分布越来越峰值化。当雾从地表升起，能见度超过半英里时，在消散阶段接近尾声时的低水平会出现例外情况。在此条件下，有时会得到较地表分布更为典型的高空分布。

图8：1970年8月22日标准化高空液滴尺寸分布

图9：1970年9月12（？2日）日标准化高空液滴尺寸分布

连续探测的平均半径垂直剖面图最能说明随高度和时间的增加，高空液滴变小的总趋势。图10中使用这种格式来表示在四种雾天(1970年8月22日和9月12日，持久性雾天;1970年8月13日，零星斑驳的雾;1971年9月2日，日出后形成的短雾)期间获得的数据，这四种雾天代表采样的所有雾天类型。对所有雾滴的平均雾滴半径数据取平均值，以提供埃尔米拉谷雾的雾滴剖面模型。数据如图11所示，根据雾的生命周期分数(分成几部分，如图7所示)进行汇总，归一化为雾的深度分数(一般为120 m)，数据表明平均半径随高度和时间明显减小。数据进一步表明，雾的早期平均滴径随海拔高度增加的变化相对恒定，但后期滴径随高度的变化明显减小，这可能是由于日出后地表附近最小液滴的沉降和蒸发的综合作用所致。

图11：雾生命周期各阶段平均液滴半径的平均垂直剖面

图10：平均液滴半径随时间和高度的变化

5.云核观察

飞机被用于在雾形成之前在几个选定的高度获得云凝结核(CCN)的测量值。在30米、90米、150米和300米的地表和海拔高度进行了0.3％S的CCN观测。航班通常安排在午夜，0300和0600东部夏令时，如果雾还没有形成。

图12为三次飞行的平均CCN

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