【摘 要】
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低能见度天气会造成交通事故,危害人身健康。对低能见度天气的研究具有重要的经济意义和社会意义。本文利用多地基遥感设备对雾、霾和沙尘暴等低能见度天气进行了长时间联合探测;通过分析各气象要素的结构特征,总结了雾和霾的概念模型和形成机制,研究了毫米波雷达探测沙尘粒子在理论和应用上的关键问题。为了得到雾、霾天气更精细的时空演变特征和大气垂直结构,本文选择了在西安咸阳国际机场为探测地点,利用微波辐射计、风廓线
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（41775030）“基于毫米波雷达的沙尘暴定量探测研究”；
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低能见度天气会造成交通事故,危害人身健康。对低能见度天气的研究具有重要的经济意义和社会意义。本文利用多地基遥感设备对雾、霾和沙尘暴等低能见度天气进行了长时间联合探测;通过分析各气象要素的结构特征,总结了雾和霾的概念模型和形成机制,研究了毫米波雷达探测沙尘粒子在理论和应用上的关键问题。为了得到雾、霾天气更精细的时空演变特征和大气垂直结构,本文选择了在西安咸阳国际机场为探测地点,利用微波辐射计、风廓线雷达、大气透射仪和地面自动站在2015年1月到2017年12月对影响航空飞行的雾和霾进行了连续探测。首先利用泾河气象站的探空数据与微波辐射计探测的气温和相对湿度进行了对比,两种数据的相关性都大于0.8,并且差值在合理范围;对风廓线雷达探测数据进行了质量控制,有效地提高了风数据的连续性和准确性。然后对37场大雾过程和3场能见度在1km-1.5km霾过程进行分析得到:咸阳机场的稳定边界层高度在500m-600m,混合层高度最大达到1200m左右。雾基本上属于辐射雾,发生在21:00-10:00,此时段低空为稳定边界层,且9月和10月的雾基本为雨后雾,11月、12月和1月的雾基本为雨前雾;能见度在1km-1.5km霾多发生1月份的10:00-18:00,此时段低空出现混合层。在雾和霾期间,低空水平风速小于3m/s,都有微弱的下沉气流。雨后雾的逆温层高度约为200m,雨前雾的逆温层高度大于500m,霾的逆温层高度小于100m,霾的逆温差值远小于雾的逆温差;从地面升高到1000m时,雾的温差小于1.5℃,而霾的平均差值为4.91℃,雾比霾的大气结构更稳定。雾低空的平均相对湿度大于80%,而霾的平均相对湿度约为40%。当逆温层增厚同时低空相对湿度增大时,霾会转化成雾,当人类工业活动导致空中颗粒物增多,逆温层降低且相对湿度减小时,雾会转化成霾。为了实时定量监测沙尘暴,本研究是国内首次利用连续波毫米波雷达对塔克拉玛干沙漠的沙尘暴和云进行长时间、连续的探测,并联合铁塔资料、激光粒子分析仪、Grimm180和地面观测资料对沙尘谱和沙尘质量浓度进行了反演。首先对功率谱进行谱平均,有效提高了信号的信噪比;然后对毫米波雷达气象方程中沙尘粒子的介电常数和复折射指数进行了理论可行性分析,利用探测的功率谱数据计算并分析了沙尘反射率因子的特征。在2018年4月1日-6月30日,3次沙尘暴发生在13:00-17:00,热力结构不稳定,风速大于8m/s;38次扬沙主要发生在10:00—22:00,风速在6m/s-8m/s;两种天气相对湿度都在15%-30%。在沙尘暴和扬沙发生期间,由于沙尘粒子悬浮空中,会增多云结核,此时段云的平均出现时间（每小时大于15min）、平均云厚度（大于1.5km）、平均反射率因子（约5d BZ）和液态水含量(约10-0.5gm3)都比其它时间段大。在沙尘暴过程中,沙尘概率密度分布符合对数正态分布,反射率因子取值在-25d BZ～20d BZ。在浮尘阶段有效的探测高度一般小于300m,功率谱的峰值小于0.2mw,在200m高度,沙尘质量浓度小于101μg.m-3。扬沙阶段有效的探测高度小于600m,功率谱的峰值为1mw,在200m高度时,沙尘质量浓度小于102μg.m-3。沙尘暴阶段有效的探测高度大于1000m小于2000m,功率谱的峰值功率为10mw;当高度为100m时,沙尘质量浓度在1220μg·m-3-42146μg·m-3,平均值为9287μg·m-3;当高度为1200m时,沙尘质量浓度在2μg·m-3 and 820μg·m-3,平均值为24μg·m-3。建立反射率因子Z和沙尘质量浓度M的关系为:Z=651.6M0.796。对比Grimm180探测数据本文反演的沙尘质量浓度基本正确,为实时定量监测沙尘暴提供了新的手段。
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