南京地區(qū)霧的時空分布特征及環(huán)境意義

南京地區(qū)霧的時空分布特征及環(huán)境意義

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，霧的危害越來越明顯。由于霧中能見度低，水、土、空運(yùn)輸和航空運(yùn)輸?shù)闹卮笫鹿释鶗煌獠科茐?。霧日霧常霧，停車聲爆炸。霧和霧日的逆溫不僅使污染物積聚，而且還產(chǎn)生了污染物在霧中的物理反應(yīng)，形成比原污染物更多的新物質(zhì)，從而加劇了污染污染的破壞。例如，蕭氧化與霧滴結(jié)合形成硫酸-凝膠，毒性可提高10倍以上。最大的破壞是它不僅造成和惡化呼吸器官病，而且損害心臟。因此，作為一種破壞自然的疾病，霧在國外被廣泛使用。[3.6]。它顯示了霧的物理特性，加深了對霧生態(tài)銀行浪費(fèi)規(guī)律的理解。自20世紀(jì)80年代以來，中國進(jìn)行了多次綜合觀測試驗[7.15]，揭示了城市輻射霧、海霧和地表徑流霧的一些重要特征和消耗率。為了研究大氣成分(污染物)對霧的影響,江蘇省氣象臺和南京信息工程大學(xué)聯(lián)合于2006年12月在南京市北郊南京信息工程大學(xué)(原南京氣象學(xué)院)院內(nèi)西苑田徑場開展了為期一個月的霧的綜合觀測試驗觀測項目包括:利用芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的DigiCORA系留氣球低空探測系統(tǒng)進(jìn)行大氣邊界層溫、壓、濕和風(fēng)的探測,利用美國DMT公司生產(chǎn)的FM-100型霧滴譜儀測量霧的微物理結(jié)構(gòu),采用自制的主動式霧水采樣儀采集霧水樣本,利用美國MSP公司生產(chǎn)的WPS-100XP型粒譜儀對氣溶膠進(jìn)行監(jiān)測此外,還有能見度儀和自動氣象站常規(guī)氣象儀器.有霧過程時,各儀器都是連續(xù)工作的.系留氣球每1~2h觀測1次,每上升5~10m就有一組數(shù)據(jù),探測高度一般掌握在700~1000m.霧滴譜和粒譜儀都是不間斷工作的,一般每秒鐘出一組數(shù)據(jù).霧水采樣一般每10mL左右作為一個樣本,當(dāng)樣本量足夠多時,立即換瓶,收取下一個樣本.若有降雨,還連續(xù)收集雨水樣本.觀測期間共獲得3次濃霧過程資料,即12月12日、14日和24~27日霧過程資料.在12月24~27日霧過程中,發(fā)現(xiàn)一些罕見的、國內(nèi)外對城市霧觀測中從未發(fā)現(xiàn)過的一些特征,如強(qiáng)濃霧(能見距離小于50m)連續(xù)時間長達(dá)40余小時,霧頂多維持在450m以上,最高達(dá)到943m;霧水酸,呈醬油色,離子濃度高;發(fā)生發(fā)展過程中,爆發(fā)性增強(qiáng).這次濃霧過程給江蘇帶來特別大的危害.當(dāng)霧爆發(fā)性增強(qiáng)時,寧靖鹽高速公路興泰段上8輛車發(fā)生嚴(yán)重追尾翻車事故,造成7人死亡5人受傷.兩艘4000t船在長江南京段相撞,造成“宣城貨3859”沉沒,4人落水.南京所有高速公路全線封閉,長江南京段實施雙向全轄段禁航,約3000余艘船舶在長江南京段拋錨扎霧.受濃霧影響,南京祿口機(jī)場被迫停航長達(dá)38h.持續(xù)的濃霧不僅造成交通擁堵,也讓南京各大醫(yī)院“暴棚”.據(jù)12月27日揚(yáng)子晚報報道,濃霧之后,因哮喘、支氣管炎、鼻炎而就診患者明顯增多.省人民醫(yī)院接診的突發(fā)性心梗、心律失常和心肌炎的病人比平常多了3倍,心臟科門診量超過500人次.因此,本文將分析12月24~27日濃霧過程,揭示這些罕見的特征,并探討其成因.這不僅有學(xué)術(shù)價值,而且對濃霧預(yù)警和安全運(yùn)輸有現(xiàn)實意義.資料分析表明,這是一次平流輻射霧過程.1均壓區(qū)和我國的對比12月24日08時地面天氣圖上,我國東北到朝鮮半島及新疆北部到貝加爾湖以西各有一個高壓系統(tǒng),兩高之間有一個低壓系統(tǒng)位于貝加爾湖以南地區(qū).100°E以東的大半個中國是一個大的均壓區(qū),大部分地方為小風(fēng)或靜風(fēng),長江中下游和華南已出現(xiàn)大片輕霧和霧區(qū).12月25日長江下游地區(qū)仍位于鞍型場的均壓區(qū)內(nèi),安徽、江蘇、河南出現(xiàn)大范圍霧區(qū),直到12月27日,蒙古高壓東移,冷空氣南下,霧才消散.1.1霧的產(chǎn)生和爆發(fā)性南京12月24日晚,晴空無云,微風(fēng).地面輻射冷卻,氣溫下降較快,從17時到22時,下降了約3.7℃(圖1),此時有霧產(chǎn)生.由于潛熱釋放,隨后氣溫上升.23時30分后,氣溫又急劇下降.此時,目測可以看到貼地層有一團(tuán)團(tuán)白霧出現(xiàn),并緩慢漂移,能見度在400~500m之間.25日00時39分后,霧瞬時變濃,能見度驟降到15m,含水量由小于0.1g/m3驟增到0.7g/m3,霧體爆發(fā)性發(fā)展(圖2).因此,霧的產(chǎn)生和爆發(fā)性增強(qiáng)與夜晚晴空、地面輻射降溫具有密切的關(guān)系.1.2日至27日濃霧演變爆發(fā)性增強(qiáng)后,霧體起伏變化,但能見度始終在15m左右.如圖2所示,日出以后,霧含水量呈下降趨勢,一直到13時左右,含水量降到0.1g/m3,能見度也有了一些回升,但仍在50m以下.14時以后,含水量又逐漸增大,午夜達(dá)最大值(W>0.7g/m3),26日日出后又呈減小趨勢,13時開始,能見距離明顯增大但仍在400m以下.26日入夜以后,霧又加濃,能見度又回到50m以下,但由于北方冷空氣東移南下影響,27日00時左右開始,陸續(xù)下毛毛雨,能見度上升直到27日14時濃霧過程結(jié)束.由以上霧的演變情況可以看到:(1)濃霧持續(xù)時間長達(dá)64h,其中強(qiáng)濃霧(能見距離小于50m)連續(xù)近37h(25日00:39至26日13時),如果加上26日剛?cè)胍购蟮膹?qiáng)濃霧,則達(dá)到41h;(2)霧含水量大,全過程(包括消散階段)平均含水量為0.20g/m3,最大時段達(dá)到1.07g/m3;(3)霧是在夜晚輻射降溫后形成的,從含水量變化曲線看,它具有明顯的日變化,因而本次霧過程具有輻射霧的特征;(4)但這次霧過程午后沒有消散,能見距離仍維持在50m以下,而且在25日14時后含水量和數(shù)密度還明顯增大,這一點(diǎn)又不同于輻射霧.1.3濃霧過程及其溫度指標(biāo)以上僅是地面霧的一些特征.為了揭示這次霧過程垂直發(fā)展情況,我們做了相對濕度時間-高度剖面圖(圖3).飛艇的溫、濕度傳感器(試驗前經(jīng)過江蘇省氣象儀器檢定所檢定)觀測,在霧區(qū)相對濕度為100%.由圖3可以看出,這次濃霧過程的又一個特征是,垂直發(fā)展旺盛,霧頂很高,最低為270m,最高則達(dá)到943m.這樣厚的霧層,在過去的觀測試驗中未曾發(fā)現(xiàn).查閱國外文獻(xiàn),也未見到.霧頂雖很高,但霧頂溫度并不低.由圖1可以看出,在27日冷空氣來臨之前,霧頂溫度在4~9℃之間變化,比地面氣溫約高2~3℃,27日冷空氣到達(dá)之后,霧頂溫度比地面氣溫低,但仍在0℃之上.由此可見,整個霧層都是暖性霧,屬暖霧過程.1.4南京市霧水化學(xué)成分在這次霧過程中,我們連續(xù)采集了13個霧水樣本,均呈醬油色(圖4).其中前4個樣本的pH值大于5.6,12月25日14時30分以后采集的9個樣本(除個例外)霧水均呈酸性,pH值在5.4以下,最低為4.2.全部樣本pH平均值為5.63.就霧的全過程來看,霧發(fā)展的初期,霧水呈堿性,中后期霧水變酸(圖5).大氣中硫氧化物、氮氧化物和氯化物是霧水中的重要致酸成分.它們進(jìn)入霧水并經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)后,主要以SO42-,NO3-和Cl-形式存在.此次霧水樣品中SO42-/NO3-=3.6,SO42-/Cl-=5.7,可見,南京霧水以硫酸型為主,其次是硝酸和鹽酸.表1給出了這次過程霧水的化學(xué)組成.為比較起見,表中還列出了同時期的雨水化學(xué)組成.由表1可見,南京市霧水離子濃度相當(dāng)高,總離子濃度已達(dá)22821μmol/L.南京市霧水主要陽離子是NH4+,Ca2+和Na+,比K+和Mg2+的濃度平均要高1個量級;主要陰離子是SO42-和NO3-,其次是Cl-,F-的濃度較低.本文作者之一,李子華等曾用同樣方法研究過重慶和西雙版納濃霧霧水化學(xué)組分.如表1所示南京本次霧水離子總濃度已與20世紀(jì)80年代的重慶霧水相當(dāng),約比生態(tài)環(huán)境比較好的西雙版納高出4倍與同時期雨水相比,pH值大于雨水,電導(dǎo)率是雨水的13.8倍,離子總濃度要比雨水大1個量級,這與其他地方的結(jié)果是一致的.霧水的化學(xué)組成是各種污染物物理化學(xué)過程的產(chǎn)物.這次霧過程中,大氣層結(jié)特別穩(wěn)定,長時間存在強(qiáng)逆溫層,因而貼地氣層積聚了大量污染顆粒物和氣體,它們被霧水吸收后,經(jīng)過化學(xué)反應(yīng),形成了比較高的離子濃度.圖6給出了霧水離子濃度與同時觀測的污染氣體SO2,NO2與可吸入顆粒物PM10的變化圖.由圖6可見,霧水中總離子濃度與空氣污染物濃度的變化趨勢基本一致,這反映了霧水中離子主要來源于近地層空氣污染物.比較SO2與SO42-,NO2與NO3-的變化曲線發(fā)現(xiàn),污染氣體都在日出后逐漸增大,午后至傍晚達(dá)極大值,而SO42-和NO3-具有類似的變化特征,污染氣體達(dá)峰值后,相應(yīng)的離子隨之達(dá)極大值.例如污染氣體在25日13:00至19:00有一個峰值,離子濃度則在14:30至23:00之間出現(xiàn)峰值隨后污染氣體和離子濃度都逐漸降低,到26日早晨又開始升高,且離子濃度的變化較污染氣體略顯滯后,這是因為大氣中污染氣體溶于霧水并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)形成SO42-和NO3-需要一個過程.總的來講,這次霧過程的特征是,霧體特別濃強(qiáng)濃霧持續(xù)時間特別長,霧頂特別高,霧水酸,離子濃度大,是一次暖霧過程,具有輻射霧的基本特征但又不同于輻射霧.下面將對這些特征進(jìn)行比較深入的探討.2濃霧中上層氣溫的變化本次過程濃霧為什么能持續(xù)64個小時,特別是強(qiáng)濃霧(能見距離小于50m)為什么能持續(xù)不斷的維持37個小時?這是需要研究的一個重要問題.先從邊界層的熱力結(jié)構(gòu)來討論這個問題.圖7給出了12月25日和26日白天幾次溫度廓線.圖中“—”線表示相對濕度100%所達(dá)到的高度,即霧頂高度.由圖7可以看出,近地層霧內(nèi)溫度大體隨高度濕絕熱遞減,但其上有一個厚度為幾十到一百多米的特強(qiáng)逆溫層,逆溫強(qiáng)度最大時達(dá)到16.3℃/100m.霧頂在這個強(qiáng)逆溫層上部,有時沖過了這個強(qiáng)逆溫層這一點(diǎn)與重慶、西雙版納輻射霧是不同的.圖7中還可以看到,從早晨至午后受太陽輻射影響,從地面至強(qiáng)逆溫層,氣溫上升,特別是貼地氣層,氣溫增高明顯.但強(qiáng)逆溫層之上,氣溫同樣上升,因而強(qiáng)逆溫層不能消失.而在重慶、西雙版納的輻射霧中,隨著近地層氣溫升高,霧頂逆溫層消失,霧層消散.這次霧內(nèi)強(qiáng)逆溫層的存在,使得霧體層結(jié)穩(wěn)定.直到27日12時,隨著冷空氣南下,邊界層內(nèi)的強(qiáng)逆溫層消失,隨后地面霧層消散.可見,這個強(qiáng)逆溫層長時間維持是濃霧持續(xù)的重要條件.就整個邊界層來說,在圖7中可以清楚看到,大氣邊界層中上部氣溫遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于近地面氣層,例如25日10時,300m以上氣層比100m以下高出3~4℃,因而整個邊界層層結(jié)特別穩(wěn)定.邊界層中上層氣溫為什么不斷上升?由于它遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于近地層氣溫,顯然不是近地層向上輸送的.邊界層中上層的暖平流起了重要作用.25日20時,霧區(qū)溫度平流達(dá)8.2×10-5℃/S,換算成每小時升溫值為3×10-1℃/h,即每小時溫度平流項使得溫度升高約0.3℃.為研究邊界層中上層氣溫高的緣由,我們做了氣溫時間-高度剖面圖(圖8(a)).由圖可見,從早上7時開始,地面還在降溫時,200m以上氣層已不斷升溫,特別是400m上下高度層升溫快,15~16時,已形成9.5℃以上的高溫中心,比地面高出4℃多.結(jié)合圖8和9可以看到,12月25日200m以上氣層以東南風(fēng)為主,持續(xù)的東南暖平流,使邊界層不斷升溫.因此,這次濃霧過程,具有明顯的平流霧的特征.12月26日情況與25日類似,這里不再分析.當(dāng)然,平流作用不僅輸送暖空氣,還源源不斷帶來了充分的水汽,它不僅使地面霧層在中午氣溫上升時不能消散,而且還使霧頂伸到邊界層中上層.這一點(diǎn)將在下面分析.3g/ml高濕中心重慶和西雙版納的輻射霧,一般隨著氣溫的升高,中午前后都是要消散的.而這次霧過程,在中午前后含水量雖明顯減小,但能見距離仍維持在50m左右.霧體沒有消散,仍然維持強(qiáng)濃霧或濃霧水平.甚至在25日14時之后,霧體濃度進(jìn)一步增強(qiáng).除了上述熱力條件外,還有一個重要原因,就是水汽源源不斷向霧區(qū)輸送.這一點(diǎn)在圖8中可以清楚地看到在150m以下近地層,比濕隨時間不斷增大,15~16時,出現(xiàn)了大于5.5g/kg的高濕中心.這段時間雖然近地面氣溫升高,但比濕也明顯升高,所以地面霧不能消散.圖8(b)中300~400m高度層比濕也是隨時間增大的,午后出現(xiàn)了大于7.0g/kg的高濕中心.對照圖9可以發(fā)現(xiàn),近地層濕度的增大是西南風(fēng)造成的中上層比濕的增大,是東南風(fēng)造成的,也就是說存在兩層很明顯的水汽平流,底層是西南氣流,300~400m高度層,是東南風(fēng)暖濕氣流.底層濕平流,加大了地面霧含水量,使霧變濃,即使午后溫度上升也不能消散.上層水汽平流,有利于霧體向上發(fā)展,前面講到的霧頂很高,沖過了強(qiáng)逆溫層,正是由于上面有充分的水汽供應(yīng).12月26日上下層水汽平流繼續(xù)存在,不同的是在東南風(fēng)之上,又出現(xiàn)了西南風(fēng)暖濕平流,因而濕中心由15時的400m高度逐漸抬升到24時的800m高度層,霧頂高度也隨之抬升到大約800m的高度層(圖3).由于情況類似,不再作重復(fù)分析.我們將25日各時次霧頂高度和中上層?xùn)|南風(fēng)所達(dá)到高度點(diǎn)在同一張圖上(圖1