南京市郊一次霧過程特征分析

南京市郊一次霧過程特征分析

輻射平流霧物理過程研究現(xiàn)狀霧是大量的水和結晶，使水平能見度小于1km。霧對工業(yè)、農業(yè)、國防、交通運輸都有很大的影響,它不僅影響了各類交通,還嚴重腐蝕建筑物,損害林木和蔬菜生長;同時,霧和空氣中的污染物質結合在一起,還會給人的身體健康帶來很大的危害。因此,霧作為一種災害性天氣現(xiàn)象受到了越來越廣泛的關注。國外在過去的30多年多次對霧進行綜合外場觀測,揭示了霧的物理化學特性;并加深了對霧生消的動力和熱力過程的認識。國內在上海、重慶、南京滬寧高速公路、云南西雙版納、浙江舟山、成都雙流機場、廣東南嶺山地等地也對霧進行過大規(guī)模觀測試驗研究,發(fā)現(xiàn)霧與地形、城市熱島效應、嚴重的大氣污染和輻射逆溫等因素有關;近幾年,大量研究還分析了我國不同地區(qū)大霧的氣候特征和環(huán)流背景,加深了對持續(xù)性大霧的認識,提高了預報準確率。在霧的邊界層結構及物理特征方面,李子華、趙德山、宋潤田等人都對霧在不同發(fā)展階段邊界層的溫、濕、風結構進行了較詳盡的分析,揭示了冬季霧生消物理過程的一些重要特點。然而,以往對霧生消過程的宏觀特征的研究大多只是單純的輻射霧或平流霧,且研究的霧都是持續(xù)時間短或者持續(xù)時間長但僅著重討論大霧中某一天的情況,而對于在平流作用下長時間維持的輻射平流霧的宏觀物理特征研究很少。近年來,由于城市的擴大和社會經濟的迅速發(fā)展,使得霧日的持續(xù)時間加長,霧中能見距離更小。由于常規(guī)探測資料水平和垂直分辨率較粗,為比較細致地研究霧的發(fā)生發(fā)展物理過程,2006年12月份在南京市郊進行了霧的綜合外場觀測,觀測獲得三次霧過程資料。其中12月24至27日出現(xiàn)了持續(xù)近4d的罕見濃霧天氣,這對交通航運和人體健康都造成極大影響。據南京媒體報道,濃霧之后,省人民醫(yī)院接診的急性哮喘病、心血管、呼吸病患者增多,突發(fā)性心梗、心律失常和心肌炎的病人比平時多了3倍,心臟科門診量超過500人次。本文主要根據12月24—27日連續(xù)的系留汽艇探測資料和常規(guī)氣象資料,分析了這次濃霧生消物理過程,以揭示輻射平流霧的一些重要特征,并在此基礎上分析了產生這些特征的原因。關于霧水的化學性質分析,有另文發(fā)表于本刊同期上。1大氣邊界層氣溶膠的探測2006年11月30日至12月30日在南京市郊進行了霧的綜合外場觀測試驗。觀測場地設在南京信息工程大學西苑田徑場。觀測期間,分別在2006年12月12日、14日、24—27日獲得了3次霧的觀測資料。本次觀測采用芬蘭維薩拉(Vaisala)公司生產的DigiCORA系留氣球低空探測系統(tǒng)進行大氣邊界層的探測,其中探空儀可以對氣壓、溫度、濕度、風速、風向、比濕等十幾個參數進行監(jiān)測。飛艇上升過程中每5~10m就有一組數據,探測高度一般掌握在700~1000m,當風速超過10m/s時,飛艇不再升高。一般每3h觀測一次,有霧時,加密為1h一次。同時,還利用美國DMT公司生產的FM-100型霧滴譜儀測量霧滴譜和含水量,用霧水采樣儀采集不同發(fā)展階段的霧水樣本,用美國生產的WPS-1000XP型寬范圍粒譜儀對氣溶膠進行了監(jiān)測。此外,還利用自動氣象站能見度儀和常規(guī)氣象儀器,觀測了溫、壓、濕、風、云、能見度和天氣現(xiàn)象。2麻黃病濃度和持續(xù)時間長這次連續(xù)性大霧過程是從2006年12月24日22時左右開始的,一直到27日下午14時左右才消散,大霧持續(xù)時間長達64h。江蘇省自2006年12月24日起受地面弱高壓控制,低層濕度大,夜晚輻射冷卻強。從12月25日08時500hPa和850hPa圖上可以看出,江蘇省上空受沿海槽后西北氣流控制,天氣晴好,黃淮和江淮地區(qū)處于入海高壓后部,高壓主體已經移至145°E附近,江蘇省基本處于均壓場。晴空和微風天氣為霧的發(fā)展提供了有利條件。圖1給出了南京地區(qū)大霧期間能見度和霧頂高度演變曲線。由圖可見,霧從產生到消散前,能見度一直在600m以下。24日22時左右開始有霧產生,能見度在250m左右;在1個多小時內,能見度逐漸增大到500m,霧漸漸變薄;到25日00時左右,貼地層有一層淺霧在地面漂浮,能見度又逐漸降低;41min后,霧爆發(fā)性發(fā)展,瞬時變濃,能見度降到50m以下,幾分鐘后能見度降到15m,一直持續(xù)到25日13時,能見度才有了一些回升,但仍然在50m以下。從25日00時41分霧爆發(fā)性發(fā)展一直到26日13時左右,連續(xù)約37h維持能見度在50m以下的強濃霧天氣,歷史罕見。受來自北方一股冷空氣東移南下的影響,27日00時左右下起了毛毛雨,能見度有所回升,但霧仍然較濃,形成霧與毛毛雨共存的天氣,直至27日中午,從中西伯利亞地區(qū)分裂的強冷空氣東移南下開始影響南京地區(qū),隨后出現(xiàn)大風降溫天氣,14時左右,這場持續(xù)了近4d的大霧過程才結束。這次大霧過程,霧頂較高(見圖1b),大多時間都維持在450m以上;霧頂起伏變化較大,最低為270m(25日13時),而最高達到943m(27日07時)。從25日至27日,大霧呈現(xiàn)出一定的日變化特征,每天午夜至早晨,霧加強,霧層較厚;而在中午前后至傍晚,由于氣溫的升高,霧有所減弱,霧頂呈下降趨勢,能見度有所上升。綜上所述,可以看出,這次霧持續(xù)時間長,尤其是強濃霧天氣(能見度<50m)持續(xù)時間長;霧層厚,霧頂比較高;根據對這次霧的發(fā)展特征分析得出,霧是在輻射降溫條件下形成的,而后在暖濕平流的影響下加強維持,屬于輻射平流霧。3大洪水的宏觀過程3.1近地面和熱溫高度層內的霧溫度變化由圖2可見,24日入夜后,地面輻射冷卻降溫,氣溫下降較快,從17時到22時,下降了約3.7℃,此時有霧產生。隨著霧層光學厚度的增加,地面輻射降溫減弱,由于潛熱釋放,地面溫度上升,到23時30分達到7.4℃。在這個階段,霧也有所變淡。之后,溫度又開始下降,而100~200m高度層相對地面來說,降溫慢。到25日00時,近地面形成了厚為162m,強度為1.0℃/100m的貼地逆溫層(圖3a)。此時,肉眼可以看到近地面有一團團白霧出現(xiàn),且不斷向上發(fā)展。41min后,霧體爆發(fā)性發(fā)展,霧瞬時變濃,能見度降到了觀測期間的最低值15m,相對濕度在高、低層(700m以下)均達到100%。此時,南京地區(qū)已大霧彌漫。3.2大氣藏條件下的霧頂和強逆溫中心分析霧爆發(fā)性發(fā)展至25日6時,近地面氣溫呈下降趨勢,達到1.0℃/h(圖2)。而在大約100m以上,隨高度的上升氣溫下降越來越緩慢,這使得溫度逆溫層不斷加厚,強度也逐漸加大(圖3a),霧體越來越厚。到7時,大霧維持階段,逆溫層抬高到83~370m之間,其中83~118m之間逆溫最強,為16.3℃/100m,此時霧頂達到624m。另外,從整個邊界層氣溫廓線圖來看,上層溫度都比近地面溫度高,這種深厚逆溫的穩(wěn)定層結使水汽抑制在邊界層里,再加上降溫,水汽凝結成霧滴,使得霧相當濃,能見度只有15m。日出以后,隨著地面吸收太陽輻射增溫,貼地氣層氣溫隨時間升高。從7時至10時,逆溫層高度變化不大,只是強逆溫中心強度減弱,霧頂有所下降。10時之后,強逆溫中心略有抬升,到14時最強逆溫層底抬升到150m,霧頂繼續(xù)下降,15時,下降到244m,近地面霧有所減弱,能見度上升到35m。這段時間近地面雖升溫,但在200m以上,特別是250~450m之間出現(xiàn)明顯升溫,且增溫幅度與近地面相當(圖3b),這使得在霧頂之下150~300m之間仍維持強逆溫。另外,在霧頂下面始終存在一個強逆溫區(qū),強逆溫層之下,霧體內氣溫隨高度分布基本按濕絕熱遞減率遞減,平均為-0.65℃/100m。這一現(xiàn)象從霧爆發(fā)后到霧消散前,始終存在。這與以往觀測到的霧形成后貼地層逆溫抬升到霧頂之上不同,李子華等人分析指出霧頂之上存在明顯的輻射冷卻逆溫,且逆溫強中心往往在霧頂或其上幾十米處。而這次霧頂之上僅有很弱的逆溫,且有時根本不存在逆溫(圖3)。這是由于暖濕平流造成(將在后面分析)。14—22時,這段時間霧頂相對變化不大,在247~354m之間波動,霧層比較穩(wěn)定,逆溫層底在150m左右,強逆溫中心在200m上下。從整個探空曲線來看,整個邊界層仍呈一個逆溫趨勢,即探空所到最高處都比地面溫度高出3℃左右。這種結構的存在抑制了對流的發(fā)展,為霧的持續(xù)存在提供了非常有利的穩(wěn)定層結條件。26日00時,600m以下氣層降溫,霧層變厚,霧頂上升,25日22時至26日00時2h內上升了319m。05時,125~600m層氣溫繼續(xù)下降,這時,霧頂升至584m(圖3c)。同25日一樣,26日08時后,隨著太陽輻射加強,近地面溫度不斷上升,到14時左右,升至6.5℃,在高空500m上下也有一定的升溫,但升溫強度不如地面(圖3d);同時,從圖3d還可以看到26日08時以后,320m上下出現(xiàn)降溫,而且降溫區(qū)逐漸抬升,14時后更加明顯,強逆溫區(qū)也不斷抬升,到27日3時抬升至700m以上;這段時間,隨著強逆溫抬升,霧總體上是向上發(fā)展的,霧頂上升到700m以上(3時),而近地面霧變淡,地面能見度達到200m以上,霧頂氣溫都比較高,且在強逆溫下面,霧體內氣溫仍按濕絕熱遞減。3.3符合霧的屬性27日07時,在探空高度范圍內沒有見到明顯的逆溫層,但在實際觀測中,霧仍然很濃,能見度在100m以下,這可能是逆溫已抬升到探空高度之上。從27日00時開始,斷續(xù)下降毛毛雨,形成了毛毛雨與霧共存的現(xiàn)象,相對濕度一直維持在100%。27日12時后,近地面溫度在升高,但200m以上,由于冷空氣入侵,在大約2h內,降了2.0℃左右,逆溫層消失,近地面霧逐漸消散,能見度不斷上升,到下午14時14分,地面能見度已經到1029m,霧頂不斷抬升,最后變成低云。至此,大霧消散。結合圖3和圖4可以看出,同一時間,在強逆溫處也存在一強逆比濕,且隨時間強逆比濕與強逆溫所在高度有類似的變化,霧頂基本處在強逆比濕上部。在大霧維持階段,霧層內,在25日,強逆比濕下面比濕隨高度微弱遞減,近乎均勻分布;到26日入夜后,強逆比濕下比濕隨高度減少較快。在逆比濕上空,比濕遞減比較快。霧頂所在高度處或之上幾十米比濕往往急劇下降。這與輻射霧比濕在霧區(qū)先是向霧頂遞減,在霧頂附近達最小后又急劇增大不同。近地面比濕在維持階段隨時間呈增大趨勢(在某些時間段變化微弱,如圖4c),直到26日午夜左右才開始減小,這為近地層霧的維持準備了充足的水汽。在強逆溫之上,相應的比濕仍在緩慢增大,并出現(xiàn)比濕極大值。這又為上層霧的發(fā)展準備充足的水汽,使得在強逆溫之上仍然有霧產生。到26日20時,整個探空高度上比濕都在減小,且上空減小幅度更大,這也使得逆比濕層不斷上升。到27日07時,整個探空高度范圍內,沒有明顯的逆比濕層。綜上所述,這次霧起因于夜間的輻射降溫、強逆溫作用。在霧形成到消散之前,地面大都處于微風或靜風(≤2.0m/s)(圖9a、b),適當的風速(風力)是霧生成和維持的一個因素,微風使得上下層空氣發(fā)生交換,霧體變厚。在大霧維持期間,霧層內溫度分布的特征是:霧頂之下存在一強逆溫層,逆溫層底霧層氣溫按濕絕熱遞減。在霧頂之上,氣溫多呈等溫或緩慢增加的趨勢;比濕在霧頂處或之上幾十米急劇下降。中午前后,在太陽的加熱作用下,大霧盡管有所減弱,但是由于逆溫層繼續(xù)存在,霧并沒有消散,能見度仍然很低。為什么逆溫層能長時間存在?為什么日出后甚至在午后地面強增溫時逆溫層也不消散?這是由于中高空的暖濕平流起了重要作用。下面對此進行詳盡的分析。4流暢性對霧的宏觀過程的影響4.1地面暖平流存在,引起霧頂下降從氣溫剖面圖上(圖5)可以看出,在大霧維持階段,垂直方向上,上層溫度一直高于地面層。25日,最強逆溫在100~300m之間變化,而在強逆溫之上,溫度呈不同程度的上升,在400m上下形成一個高溫區(qū),再往上雖然溫度下降,但是仍比地面溫度要高,這使得整個邊界層維持一個深厚的逆溫結構。從水平方向看,在200~700m之間,特別是400m左右,氣溫隨時間不斷升高,從08時的5.5℃上升到下午16時的9.5℃,形成一個高溫中心;500~700m高度層在8—11時也增溫較快,并在19時左右形成一個高溫中心?？梢娫?00~700m上空有暖平流存在,使得上空一直保持較高的溫度,并隨時間不斷增大。從風向圖上看(圖9c),這個暖平流主要來自持續(xù)的東南風。同樣在26日日出后,近地面氣溫隨時間不斷上升,在16時出現(xiàn)高溫中心。13時之前,上空(350~800m)也存在暖平流,在550m上下,出現(xiàn)強暖平流,升溫迅速,使得在中午前后,上空維持在8~10℃的高溫。從26日08時925hPa溫度場和風場(圖6)可見,這種暖平流使得霧區(qū)上空出現(xiàn)了暖脊。由此我們不難理解,25、26日太陽出來后,雖然地面在13—14時之前不斷升溫,但由于上空暖平流的存在,使得逆溫層沒有破壞,因而地面霧層不能消散;也正是由于在25、26日中午前后,上空不同高度層都出現(xiàn)高溫中心(8.0℃以上),不利于水汽凝結成霧滴,不易成霧,使得在靠近中午時,霧頂下降。26日13時之后,上空400m左右開始急劇降溫,越往后,強降溫區(qū)也不斷抬升,到27日4—5時已經抬升到800m附近,霧頂也隨之抬升。27日由于來自北方的冷空氣作用,上空持續(xù)降溫,中午前后,近地面升溫,從而使邊界層內逆溫層消失,霧層變成低云。4.2上層濕平流—濕平流作用僅有逆溫條件還是不夠的,霧的發(fā)展維持還需要源源不斷的水汽。由比濕剖面圖上(見圖7)可以看到,25日,地面溫度上升的同時,近地層比濕也在不斷增加,同時在250~500m之間,比濕也隨時間不斷增大。在圖9c中可以看到,存在上下兩層濕平流,近地面水汽來自西南氣流,上層濕平流來自持續(xù)的東南風。16時,在50m和300m附近都出現(xiàn)強比濕中心,而且上空比濕比近地面要高(圖7a)。近地面層的水汽平流,解釋了為什么午后氣溫上升而霧不消散,上層濕平流解釋了為什么霧發(fā)展到強逆溫層之上。17時后,濕平流抬升,在400~700m高度層,比濕急劇增大。此時整個霧區(qū)水汽充足,地面霧水含量觀測達到極大值(1.0g/m3)。25日入夜后到26日上午,高比濕繼續(xù)維持,26日午后,近地面比濕超過6.0g/kg。而在250~500m之間的強比濕中心隨時間不斷往上發(fā)展,并處在強降溫處,使得霧不斷往上發(fā)展,霧頂不斷上升。24日20時,安徽和江蘇的西部地區(qū)溫度露點差相對比較高,由于持續(xù)的偏東風影響,水汽不斷輸送,增大了江蘇西部包括南京在內的空氣濕度,到25日08時溫度露點差已經下降到1.0℃(圖8)。4.3東南風高度d分析風向風速圖可以看出(圖9),在近地面,西南風居多,風速在2.0m/s之下,而在300m以上高空3.0~6.0m/s的東南風居多(有時吹西南風)?？梢?近地層水汽主要來自西南氣流的水汽輸送,而中空的暖濕平流主要來自東南氣流。近地面偏南風作用,源源不斷地輸送暖濕空氣。而霧頂的變化與中空風向變化也存在很大的聯(lián)系,總體上是在東南風向上發(fā)展時,霧頂隨之抬升,而當東南風高度下降時,霧頂也隨之下降(圖9c);霧頂大都處在強逆溫層上部或之上幾十米甚至幾百米,可見由于上層東南水汽平流作用,有利于霧體向上發(fā)展,使得霧頂沖過了強逆溫層。到27日凌晨,由于來自北方一股冷空氣的作用,而且伴隨著有毛毛雨的出現(xiàn),近地面風速也增大到3.0m/s以上,從而產生強的亂流運動,上空逐漸降溫,逆溫層破壞。到27日12時左右,近地面氣溫有所升高,加上亂流的增強,和高空冷空氣的出現(xiàn),近