輻射霧微結構精細化觀測研究

摘要 為研究FM－120霧滴譜儀不同采樣頻率（5 Hz、1 Hz） 對輻射霧微結構觀測的影響，2020年冬季在連云港東海縣開展了為期58 d的霧外場精細化觀測。在2020年12月28日一次輻射霧過程中使用5 Hz和1 Hz兩臺不同頻率的霧滴譜儀開展輻射霧精細化觀測研究。研究發現，相較于1 Hz的觀測結果，5 Hz更容易觀測到霧的微物理量的極值。從整個霧過程來看，5 Hz霧滴譜儀平均成1 Hz后的結果在霧的形成和消散階段與1 Hz霧滴譜儀的原始結果的相似度較低，但在霧的成熟和發展階段相似度較高。從譜型來看，5 Hz和1 Hz觀測到的譜型基本類似，主要差別出現在峰值。5 Hz和1 Hz均能反映此次霧過程中不同階段微物理之間的關系，主要差別出現在霧的形成階段，這可能是5 Hz在此階段觀測到的活化并凝結增長的新霧滴相對較少所導致。

關鍵詞輻射霧;霧微結構;精細化觀測;爆發性增長;采樣頻率

霧是由大量懸浮在近地層空氣中的氣溶膠粒子、微小水滴（或冰晶）組成的氣溶膠系統（牛生杰等，2016）。霧的分類有很多種，Gultepe（2007） 根據物理過程將霧分為輻射霧、高逆溫霧、平流輻射霧、平流霧和蒸發霧。其中輻射霧是陸地上最常見的霧，它嚴重地降低了地面能見度，直接地危害交通運輸特別是航空業（銀燕等，2021;劉旗洋等，2022）。

天氣條件和環流形勢是輻射霧能否產生的先決條件。輻射霧大多出現在陸地，一般是在天氣形勢穩定，夜間為無云或少云，風速較小的天氣，因為強輻射冷卻作用，近地面氣溫下降，水汽達到飽和時而形成。林建等（2008）根據1971—2005年714個站點的霧資料，統計了我國霧的時空分布特征和環流形勢，結果表明我國的霧大多數屬于輻射霧，持續時間不超過10 h，地面均壓場是大范圍輻射霧出現的一個共同特征，四川盆地、重慶、云南南部、湖南和江南東部是出現大霧最多的地區。

早在20世紀40年代，我國就有學者通過觀測能見度、氣溫、風向風速等氣象要素來從宏觀上對霧過程進行研究分析（歐陽楚豪，1943）。到20世紀60年代初，三用滴譜儀開始逐漸應用于云霧微物理的觀測試驗（楊中秋等，1989;王東海等，2014）。三用滴譜儀采用接觸收集技術，主要根據慣性原理，使霧滴沉降在涂有油層的玻璃片上，人工測量霧滴大小和數目（李曉娜等，2010）。但三用滴譜儀的分檔較為粗糙，難以獲得較小霧滴的數據，且采樣頻率低不適于連續觀測，只能獲得少量的、間斷的霧滴譜數據。牛生杰研究團隊于 2006 年 12月在南京北郊開展濃霧觀測時（陸春松等，2008），在國內首次使用了由美國 DMT 公司生產的 FM－100 型霧滴譜儀，對霧的微物理結構特征進行了連續觀測（黃輝軍等，2010）。FM－100型霧滴譜儀使用非接觸收集技術，利用激光測量霧滴，根據大小不同的霧滴對激光散射強度的不同，對霧滴進行分檔、計數，分別計算出每一檔內的霧滴數量，其采用了內部加熱的方式，避免水汽在設備凝結而造成的影響，獲取相對準確的數據，同時可以進行連續觀測。此后國內開始廣泛使用 FM－100 型霧滴譜儀先后在南京、廈門、廬山、西雙版納等地開展觀測，取得了系列研究成果（陸春松等，2011;趙麗娟和牛生杰，2012;Wang et al.，2019;王元等，2019，2021）。近年來，又有學者使用美國DMT公司生產的FM－120型霧滴譜儀開展霧觀測試驗（祖繁等，2020;楊軍等，2021），FM－120型霧滴譜儀是在FM－100型霧滴譜儀基礎上加以改進的新一代產品（Spiegel et al.，2012），與FM－100型霧滴譜儀相比，FM－120型霧滴譜儀測量的粒徑范圍由0～50 μm變為2～50 μm，在小粒徑端的分檔更為精細，同時也消除了FM－100型第一檔起始范圍不確定帶來的影響（李子華等，2011）。

先前霧觀測試驗使用的觀測儀器的頻率一般為1 Hz，少有使用高頻率進行觀測，相較于頻率為1 Hz的常規觀測，高頻率觀測結果理應更加精細準確。為進一步深入研究輻射霧的微觀特征，2020年冬季，研究團隊在連云港市東海縣開展輻射霧精細觀測試驗。試驗采用兩臺FM－120型霧滴譜儀對霧的微結構開展同步觀測，并設置高分辨率的5 Hz采樣頻率與常規的1 Hz采樣頻率進行對照試驗，目的為探究二者在觀測輻射霧微結構方面的異同點，從而深化對輻射霧的認識。

1 觀測及方法

1．1 觀測時間、地點及儀器

2020年11月19 日至2021年1月15日在江蘇省連云港市東海國家氣象觀測站（118．7°E、34．54°N，海拔32．9 m）觀測場開展了為期58 d的外場綜合觀測試驗，觀測地點如圖1a所示。東海國家氣象觀測站位于東海縣城西側3 km外的城郊，周圍地勢平坦，無建筑物遮擋。

在觀測過程中，溫度、濕度、風速、風向等地面氣象要素數據由江蘇省無線電科學研究所生產的DZZ4型自動氣象站收集，能見度數據由洛陽凱邁環測有限公司生產的CJY－1G型前向散射能見度儀收集，霧的微物理量采用美國DMT公司生產的FM－120型霧滴譜儀測量。FM－120型霧滴譜儀共30檔，每檔的上邊界詳見（祖繁等，2020）。在開展精細化觀測研究時，我們選用兩臺FM－120霧滴譜儀，采樣頻率分別設置為1 Hz和5 Hz，兩臺儀器并排間隔1．5 m放置，霧滴譜采樣方向與起霧時盛行風向一致（圖1b），以研究不同頻率霧滴譜儀在觀測輻射霧微結構上的異同點。此外，在觀測前使用單分散的直徑為30．1 μm，折射率為1．51的標準玻璃粒子標定這兩臺FM－120，通過調節光路，令定標后的峰值均出現在26 μm，進而保證霧滴譜測量結果的可靠性（Spiegel et al.，2012）。

1．2 數據處理方法

根據FM－120型霧滴譜儀測量得到的霧滴譜（N（D）），可以通過公式計算得出霧滴數濃度（N），算術平均直徑（MD），體積平均直徑（DV），液態含水量（LWC），滴譜標準差（SD） 以及離散度（ε），公式詳見王元等（2021）。

2 結果分析

2．1 輻射霧生消機理

為探究霧過程中不同頻率霧滴譜儀觀測的微物理量的異同點，選取2020年12月28日02：30—12：50（北京時，下同）的一次典型輻射霧過程進行深入分析。2020年12月27日20時至2020年12月28日08時，從500 hPa高度場（圖略，下同）上來看，華東地區受緯向環流控制，沒有明顯的冷平流，低空925 hPa高度場上在南風的影響下形成暖脊，有利于建立“上暖下冷”逆溫層。地面圖上由于冷空氣即將南下，形勢場較弱。地面相對濕度較大，夜間隨著輻射降溫，一方面逐漸達到飽和后形成霧滴，另一方面降溫也有利于加強逆溫層。此次霧過程是一次典型的輻射霧過程。

圖2給出了此次霧過程中各氣象要素及霧的微物理量隨時間變化，為了與氣象要素時間匹配，對1 Hz和5 Hz霧滴譜儀的觀測數據均做了1 min平均。根據能見度及霧滴譜的變化情況，將此次霧過程分為以下幾個階段：

1）形成階段（階段Ⅰ，28日02時30分—28日02時57分） 在此階段中，能見度呈波動下降趨勢，地面相對濕度在95％左右，此時的低能見度可能是因霾所致，地面氣溫持續下降，風向為穩定的北風，且風速較小，湍流較弱，較低的風速有利于霧的形成（Niu et al.，2010），湍流較弱會導致懸浮于空氣中的大量霾粒子不易消散，吸濕增長成為霧滴。在這一階段霧滴數濃度和含水量都非常小。

2）發展階段（階段Ⅱ，28日02時58分—28日03時06分） 在此階段中，能見度在9 min之內由1 200 m迅速下降到50 m以內，相對濕度達到100％，風向為穩定的北風，弱冷平流使氣溫持續下降，霧體出現了爆發性增強。霧的爆發性增強是霧過程中一種典型現象，在爆發性增強期間，霧滴譜在短時間內抬升、拓寬，霧滴數量增多，平均直徑增大（Niu et al.，2012）。在此階段，霧滴標準數濃度和標準液態含水量都呈現出明顯的增長。

3）成熟階段（階段Ⅲ，28日03時07分—28日09時39分） 在此階段中，能見度維持在10 m左右，霧滴標準數濃度和標準液態含水量都保持著相對的高值，風向總體上為北風和東北風，這一風向既可以起到冷平流作用，導致近地層溫度維持在一個較低的溫度，使得飽和水汽壓減小，利于水汽的凝結（陸春松等，2010），又可以將黃海的水汽輸送過來，為霧的發展和維持提供充足的水汽條件。在此過程中，霧的微物理量在05時左右存在一個明顯的起伏變化，這可能是因為風向由北向南突變所致。日出后，雖然地面氣溫受太陽短波輻射影響開始回升，且風速明顯增大，但霧的微物理量的值未出現明顯降低，仍維持在較高水平，能見度也未出現明顯回升。這可能是因為日出后風向仍為北風或東北風，冷平流抑制了氣溫升高的速度。

4）消散階段（階段Ⅳ，28日09時40分—28日12時50分） 在此階段中，氣溫持續升高，風速和風向存在明顯的波動，這可能是因為逆溫減弱階段的動量下傳、湍流發展所導致（陸春松等，2010）。在溫度升高和湍流發展的共同作用下，各微物理量參量均顯著減小，能見度也逐漸好轉，達到2 000 m左右。

2．2 輻射霧微物理量統計分析

圖3為在霧觀測期間，5 Hz滴譜儀和1 Hz滴譜儀測得的霧的基本微物理量（standard N、standard LWC、MD、DV、ε） 概率密度分布（Probability Density Function，PDF） 圖。其中，PDF的統計方式為數據在取值范圍內分為100檔，每檔的樣本數除以總樣本數即為該檔的PDF大小。由圖可知，5 Hz霧滴譜儀和1 Hz霧滴譜儀所觀測到的微物理量總體來說比較相似，但也存在一定差異：標準數濃度基本集中在-1．6～2，5 Hz的PDF峰值出現在-1．55處附近，峰值大約為8％，而1 Hz的PDF峰值出現在-1．4處附近，峰值大約為15％，約為5 Hz的兩倍。兩臺霧滴譜儀在其他數值的標準數濃度的PDF都比較少，均不超過2％。標準液態含水量的PDF分布主要集中在-1．2～2，5 Hz的PDF峰值和1 Hz的峰值位置較為相似，但是1 Hz的峰值要比5 Hz高約5％。5 Hz的PDF分布形態與1 Hz的存在明顯不同，5 Hz的PDF分布從-1到2近似直角三角形，其值從5％開始逐漸遞減至0，而1 Hz的PDF分布在-1～2之間則較為不規則，在-0．8附近有一個小的峰值后一直呈近似帶狀分布，其值比較低，均不超過2％。5 Hz和1 Hz的平均直徑和體積直徑的PDF分布比較相似，呈雙峰分布。其中5 Hz和1 Hz平均直徑的PDF最大的峰值均處于6．8 μm附近，5 Hz和1 Hz的MD的平均值分別為6．76 μm和6．54 μm，5 Hz體積直徑最大的PDF峰值處于11 μm附近，而1 Hz則處于12μm處附近。5 Hz和1 Hz的ε的PDF分布也較為一致，二者的PDF峰值都為5％左右。它們之間存在細小的差別：5 Hz的PDF分布主要集中在0．5～1，而1 Hz的PDF分布主要集中在0．5～1．2。

圖4為5 Hz霧滴譜儀和1 Hz霧滴譜儀在霧過程的不同階段的微物理量對比，由圖可知，五種微物理平均值的大小關系都存在階段Ⅲgt;階段Ⅱgt;階段Ⅳgt;階段Ⅰ。在各階段中，5 Hz和1 Hz的各微物理量的平均值和最小值相差不大，其中在階段Ⅰ，階段Ⅱ和階段Ⅳ中，5 Hz和1 Hz的平均直徑、體積直徑和離散度的最小值均相同，這說明二者都可以很好地捕捉到小霧滴的情況，但是從5 Hz的平均直徑和體積直徑來看，5 Hz的最大值要比1 Hz大，5 Hz平均直徑的最大值在階段Ⅰ、Ⅱ和Ⅳ甚至要比1 Hz高10 μm以上。這說明相較于1 Hz，5 Hz由于觀測頻率的增加，在捕捉大霧滴方面的能力要比1 Hz強。

為了進一步研究5Hz和1 Hz霧滴譜儀在觀測時的差異，將5 Hz霧滴譜儀采樣的數據平均成1 Hz與1 Hz霧滴譜儀的原始數據對比，圖5為5 Hz霧滴譜儀平均成1 Hz后與1 Hz霧滴譜儀原始數據的相關系數（R）、均方根誤差（RMSE）、平均偏差（MBE） 的對比。從總過程的統計量來看，5 Hz霧滴譜儀平均成1 Hz后的結果與1 Hz的原始結果有著較高的相似性，各微物理量之間的相關系數都超過了0．6，均通過了置信度為99％的顯著性檢驗。其中二者離散度的相關系數最高，達到了0．87，標準數濃度、標準含水量、體積直徑的相關系數也均超過了0．8，平均直徑的相關系數相對較小，但也達到了0．62。結合RMSE和MBE來看，二者之間還是存在一定的差異。從每個階段分析來看，在階段Ⅰ中，各微物理量之間的相關系數都非常低，這可能是由于該階段中，空氣中的霧滴個數比較少，且分布不均勻，兩臺儀器在一定空間內采集到的霧滴存在差異而導致。在階段Ⅰ后，經過霧的爆發性增長，隨著霧滴的數濃度和含水量的大幅度提高，在階段Ⅱ和階段Ⅲ中，各微物理之間的相關系數也有了大幅度的提高，說明在高數濃度的情況下，5 Hz霧滴譜儀和1 Hz霧滴譜儀的結果是比較接近的。其中二者平均直徑的相關系數相較于其他物理量較低，這可能是因為霧滴的生長是由凝結核活化，凝結增長后再通過碰并其他液滴繼續增長而形成的（Devenish et al.，2012），同時在霧滴譜儀采樣的一定空間內，霧滴的分布是不均勻的，由于5 Hz和1 Hz的采樣頻率差異，可能會造成它們采樣到的霧滴分布的檔位不一致，從而導致平均直徑的不同。四個階段中，各微物理量的RMSE和MBE在階段Ⅳ中相對較大，這是因為在霧消散過程中，太陽輻射增強，地面溫度風速增大，湍流運動較強，動量下傳（趙德山和洪鐘祥，1981）導致霧滴蒸發，各微物理迅速減小。由于觀測頻率不同，使得采集到的每一檔霧滴個數不同從而導致產生較大的RMSE和MBE。在階段Ⅰ中也存在類似的情形，但由于在霧的形成階段，各微物理量的值比較小，從而導致該階段的RMSE和MBE不大。

2．3 輻射霧相對霧滴譜對比

圖6為整個霧過程5 Hz霧滴譜儀和1 Hz霧滴譜儀的平均相對霧滴譜。由圖6可知這兩臺儀器的平均霧滴譜都具有單峰分布的特征，但它們Q值的峰值大小不同。5 Hz的峰值在第二檔，其值約為0．29，1 Hz的峰值也同樣在第二檔，但它的值要比5 Hz的要小，約為0．24，同時在第三檔處的值也僅比第二檔的峰值略小。5 Hz在第一檔、第三檔的值要比1 Hz小約0．04。二者在第四檔到第八檔之間的Q值較為一致，在第九檔至第十四檔的范圍內，5 Hz的Q值要比1 Hz略高。從第十五檔開始，兩者的Q值又繼續保持一致，并且從第二十檔開始，兩者的Q值均趨于0，這說明本次霧過程中，霧滴的平均直徑主要分布在2～30 μm。由于整個霧過程的平均相對霧滴譜只能反映整體霧滴分布情況，不能體現霧在不同發展過程中的霧滴分布狀況。圖7為5 Hz霧滴譜儀和1 Hz霧滴譜儀各階段平均相對霧滴譜。由圖7可知，四個階段的相對霧滴譜分布均為單峰分布。

形成階段：5 Hz和1 Hz的相對霧滴譜譜寬均很窄，5 Hz的最大直徑處在第18檔的24～26 μm處，1 Hz的最大直徑在第19檔的26～28 μm處，但二者大于10 μm粒徑的Q值均非常小。兩個霧滴譜的Q值最大峰值均在第二檔，但5 Hz的Q值峰值要比1 Hz高約0．07，且5 Hz前四檔的Q值之和要比1 Hz高約0．05，這表明5 Hz可以比1 Hz捕捉到更多的小霧滴。

發展階段：由于碰并作用使得大霧滴增多，5 Hz和1 Hz的Q值在小滴端相較于形成階段有了減小，在大滴端出現增加，5 Hz的Q值在大滴端要稍高于1 Hz，同時它們的相對霧滴譜均有了明顯拓寬。二者Q值的峰值位置有所不同，5 Hz出現在第二檔，1 Hz則出現在第三檔，但Q值的峰值大小依舊是5 Hz要高于1 Hz，高約0．05。

成熟階段：與上一階段相比，5 Hz和1 Hz的Q值在小滴端繼續減小，Q值在大滴端繼續增加。二者的Q值峰值都出現在了第二檔，Q值峰值依舊是5 Hz要高出1 Hz約0．05。二者最大的區別是在第一檔處，5 Hz的Q值要比1 Hz低約0．06。這可能是由于觀測的頻率不同，5 Hz觀測到了碰并作用占主導，更多的小霧滴消耗和大霧滴生成，而1 Hz則觀測到的活化作用占主導，凝結核活化的小霧滴來補償碰并消耗的大霧滴。

消散階段：在這個階段，5 Hz和1 Hz的Q值的峰值位置又出現了不同，5 Hz出現在第二檔，1 Hz出現在第三檔，但它們的峰值大小比較接近，5 Hz僅比1 Hz高出約0．015，而且它們前四檔的Q值之和也比較接近，差值約為0．01，這說明兩臺儀器在此階段的差別較小。

濮梅娟等（2008） 研究表明，霧體爆發性發展，本質就是霧滴爆發性增多增大，使霧滴譜拓寬。圖6、7分別比較了整個霧過程和各階段5 Hz和1 Hz平均相對霧滴譜的差異，但平均相對霧滴譜只能反映一段時間內霧滴譜的總體變化，并不能反映短時間內霧滴譜的連續變化，因此通過比較霧爆發性增強過程中逐分鐘霧滴譜來探究5 Hz和1 Hz霧滴譜儀的差異。

圖8為霧爆發性增強過程中5 Hz和1 Hz相對霧滴譜的逐分鐘連續變化情況。從02：58—03：06，5 Hz和1 Hz的Q值在小滴端逐漸減小，在大滴端逐漸增大，同時譜寬也有了明顯的拓寬，從圖2也可以看出在此過程期間，標準數濃度也呈一直上升趨勢。霧滴標準數濃度的增多是凝結核活化導致，Q值在小滴端的減少，在大滴端的增大是凝結增長的結果。從02：58開始，相對霧滴譜開始拓寬，在03：00時開始出現了個別大于20 μm以上的大滴，1 min后相對霧滴譜整體譜寬已經基本達到了20 μm以上，到03：03時，大于10 μm處的Q值有了明顯的提高，譜寬持續拓寬，直到03：06時達到了40 μm左右。總體來看，此次霧的爆發性增強過程在9 min內，譜寬由不到15 μm拓寬到40 μm以上，霧滴標準數密度和含水量都有了大幅度上升。細分起來，此次霧的爆發性增強過程也可以分為三個階段。02：58—03：00為拓寬的初期，以核化、凝結過程為主，Q值的峰值逐漸減小，峰值左邊相鄰的檔位的Q值逐漸增加，但相對霧滴譜尚未有明顯的拓寬。03：01—03：03為拓寬中期，同時存在碰并、凝結和活化過程，大于10 μm霧滴的Q值明顯增加，譜寬也拓寬到了30 μm左右。03：04—03：06為拓寬后期，類似中期的過程繼續出現，譜寬繼續拓寬至40 μm以上，但在小滴端的Q值減小較緩，10～25 μm間的Q值明顯增大，這可能表明相對于活化凝結作用，碰并作用更占主導。此外，本次霧滴譜的拓寬先是在個別檔位出現大滴，而后大滴增多，并與譜分布曲線相連。個別大滴的產生可能是湍流碰并的結果（李子華等，2011）。在本次爆發性過程中，5 Hz和1 Hz的相對滴譜整體譜型較為一致，差別主要有兩點，一是二者的Q值峰值所在位置不同，5 Hz處在第二檔，1 Hz則是在第三檔。二是二者的Q值峰值數值大小不同，5 Hz的Q值峰值在02：58比1 Hz高約0．15，隨著時間推移二者的差值逐步減小，到03：06，1 Hz的Q值峰值反而高處5 Hz約0．03。在二者Q值的差值逐漸縮小的同時，5 Hz在5～20μm處的Q值比1 Hz要越來越高，這可能是因為5 Hz的觀測頻率要高于1 Hz，所以其更容易反映出在爆發性增強初期由于凝結核活化生成小霧滴從而導致5 Hz比1 Hz在小滴端的Q值更高，以及在爆發性增強中后期小霧滴之間由于碰并作用生成大霧滴從而導致5 Hz比1 Hz在大滴端的Q值更高。

2．4 霧的微物理參量關系對比及霧過程分析

為討論在不同階段5 Hz和1 Hz霧滴譜儀的微物理參量關系有何異同，結合圖9和圖10，對5 Hz和1 Hz在不同階段標準數濃度與液態含水量以及滴譜標準差之間的相關關系進行分析。

在形成階段，由于標準液態含水量較低，霧滴數濃度的尺度分布也相對較窄，5 Hz和1 Hz的標準數濃度與液態含水量以及滴譜標準差之間的相關性并不高，這可能是因為在此過程中出現了凝結核活化并凝結增長，但是由于可凝結的水汽有限，存在大量未活化的霾粒子或是未達到霧滴譜儀檢測下限的小液滴，活化并凝結增長的新霧滴會使得總體的滴譜標準差降低。在此階段，5 Hz霧滴譜儀標準數濃度與液態含水量的相關性要小于1 Hz，但標準數濃度與滴譜標準差的相關性5 Hz要大于1 Hz，這可能是因為5 Hz的觀測頻率要高于1 Hz，導致5 Hz觀測到的活化并凝結增長的新霧滴相對較少，由于有限的水汽會抑制活化凝結過程的發展，霧滴標準數濃度的升高會導致滴譜標準差的降低，會使得標準數濃度與滴譜標準差的相關性降低，從而導致5 Hz中標準數濃度與滴譜標準差的相關性要高于1 Hz。同時由于此階段是霧的形成階段，5 Hz相較1 Hz觀測到的霧滴分布更為零散從而導致其標準數濃度與液態含水量的相關性比1 Hz要低。在發展階段前期，霧的微物理量相較于前一階段有了飛速增長，5 Hz和1 Hz標準數濃度與標準含水量以及滴譜標準差的相關性都有了大幅度提升，呈現出良好的正相關關系，且5 Hz和1 Hz的相關系數差別不大。

在這一階段，標準數濃度和標準含水量呈同步飛速增長，說明凝結核活化并凝結增長仍是主要過程，但此階段中，水汽含量充足，使得霧滴在凝結增長的同時，凝結核也在持續活化生成小霧滴從而鞏固該過程。但由于液滴凝結增長速率是與其尺度成反比（Hammer et al.，2014），僅靠凝結很難實現大霧滴的快速增長，此過程中滴譜的拓寬可能是因為湍流混合或隨機碰并。而到了發展階段后期，隨著霧滴標準數濃度的逐漸增大，碰并過程也開始逐漸增強并占據主導，從而導致標準數濃度與滴譜標準差之間的相關關系由原先的正相關關系轉為負相關關系。在成熟階段，霧滴標準數濃度在較高的數值上起伏變化，5 Hz和1 Hz的標準數濃度與標準含水量和滴譜標準差的相關性較低，特別是1 Hz的標準數濃度與滴譜標準差的相關系數僅有0．1，這可能是因為在此階段碰并過程顯著，大滴的形成消耗了小滴，導致破壞了標準數濃度與滴譜標準差之間良好的正相關。到了消散階段，隨著日出后湍流混合增強，霧滴的蒸發過程逐漸顯著，霧滴的標準數濃度與標準含水量以及滴譜標準差的相關性有了較大的提高。總的來看，除發展階段中5 Hz和1 Hz標準數濃度與滴譜標準差在低值區呈正相關，高值區呈負相關外，在其余階段，5 Hz和1 Hz的標準數濃度與標準含水量和滴譜標準差均呈正相關且通過99％的顯著性檢驗。除形成階段外，在其他三個階段5 Hz和1 Hz的標準數濃度與標準含水量和滴譜標準差的相關性均較為一致。

3 結論與討論

使用5 Hz和1 Hz兩臺不同頻率的FM－120霧滴譜儀于2020年12月28日在東海縣開展一次輻射霧過程的精細化觀測，結論如下：

1）由于觀測頻率的增加，相較于1 Hz的觀測結果，5 Hz更容易觀測到極值，5 Hz平均直徑和體積直徑的最大值都要大于1 Hz。從整個霧過程來看，5 Hz霧滴譜儀平均成1 Hz后的結果與1 Hz霧滴譜儀的原始結果有著較高的相似性，各微物理量之間的相關系數都超過了0．6，且均通過了99％的顯著性檢驗。分階段來看，5 Hz霧滴譜儀平均成1 Hz后的結果在霧的形成和消散階段與1 Hz的原始結果的相似度較低，在霧的成熟和發展階段相似度較高。

2）從整個霧過程的相對譜和各階段的相對譜來看，5 Hz和1 Hz的譜型基本類似，但5 Hz滴譜的Q值峰值和在大滴端的Q值要高于1 Hz;從霧的爆發性增長過程的分鐘平均譜來看，在爆發性增長初期5 Hz的Q值峰值要高于1 Hz約0．15，隨著爆發性增長過程的持續進行，5 Hz和1 Hz的Q值峰值之差縮小直至1 Hz高于5 Hz。

3）5 Hz和1 Hz均能反映此次霧過程中不同階段微物理量之間的關系。在霧的形成初期，有限的水汽使霧滴標準數濃度與標準含水量和滴譜標準差的相關系數較低，在爆發性增長階段前期，充足的水汽使霧滴標準數濃度與標準含水量和滴譜標準差的相關系數迅速提高。而到了爆發性增長后期以及霧的成熟階段，碰并過程效果顯著，破壞了霧滴標準數濃度與標準含水量和滴譜標準差良好的正相關關系，但隨著日出后霧滴蒸發作用增強，它們之間的相關系數再次提高。除了在霧的形成階段，5 Hz和1 Hz各自的霧滴標準數濃度與標準含水量和滴譜標準差之間的相關系數相差較大外，其他三個階段，二者霧滴標準數濃度與標準含水量和滴譜標準差的相關系數均比較接近。因此在開展霧的常規觀測時，設置霧滴譜儀的采樣頻率為1 Hz可以基本滿足研究需要。

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·ARTICLE·

High－resolution observation of radiation fog microstructure

WU Haopeng1，NIU Shengjie1，2，LJingjing1，WANG Yuan1，LIU Duanyang3，ZU Fan3，WANG Lingling4，SHAO Naifu1，WANG Xinyi1，GE Panyan1，LU Haining5

Abstract To study the differences and similarities between high－resolution and conventional observations of fog microstructure，we conducted an extensive 58－day field observation of fog during the winter of 2020 in Donghai，Lianyungang.Two fog monitors operating at different frequencies （5 Hz and 1 Hz） were employed simultaneously to measure radiation fog on December 28，2020.Our observations revealed that the 5 Hz measurements exhibited a greater range of extreme values compared to the 1 Hz data.Over the entire fog process，the 5 Hz fog droplet spectrometer measurements，when averaged to 1 Hz，demonstrated less similarity to the original 1 Hz results during the fog＇s generation and dissipation stages，while showing more similarity during the maturation and development stages.Concerning spectral patterns，both 5 Hz and 1 Hz measurements exhibited similarities，with notable differences occurring at the peaks.Both 5 Hz and 1 Hz measurements effectively depicted the relationship between microphysics at different stages of the fog process，with primary differences emerging during the fog generation stage.This divergence may be attributed to the relatively limited activation and condensation growth of new fog droplets observed by the 5 Hz instrument during this stage.

Keywords radiation fog;microstructure;high resolution observation;explosive growth;sample frequency

doi：10．13878／j.cnki.dqkxxb.20211229001

（責任編輯：劉菲）

2021－12－29收稿，2022－02－25接受

國家自然科學基金資助項目（41775134;42075063;42075066）;廣西重點研發計劃項目（桂科AB20159013）