一次南京一次濃霧過(guò)程的成因分析

一次南京一次濃霧過(guò)程的成因分析

1激光霧中物理過(guò)程的研究霧是由含有大量微浮生物和冰晶的氣溶膠系統(tǒng)組成的氣溶膠系統(tǒng)。這是由于附近土層中的水（或凝華）冰凍（或華）。近年來(lái),霧作為一種災(zāi)害性天氣,嚴(yán)重影響了交通航運(yùn)、輸變電線路等的正常運(yùn)行,并導(dǎo)致空氣質(zhì)量下降,給國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了巨大的損失(張利娜等,2008;GuoandZheng,2009)。因此,有必要研究霧的生消機(jī)制,進(jìn)一步提高對(duì)霧的預(yù)警預(yù)報(bào)能力。Croftetal.(1997)和Gultepeetal.(2007)均指出,準(zhǔn)確預(yù)警預(yù)報(bào)霧的困難在于對(duì)霧中物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)還不夠,因此霧的探測(cè)研究是非常重要的。Taylor(1917)首次用科學(xué)的方法研究輻射霧。之后,國(guó)內(nèi)外大量科學(xué)家開(kāi)始對(duì)霧進(jìn)行系統(tǒng)性的觀測(cè),研究不同類(lèi)型霧的生消過(guò)程、邊界層結(jié)構(gòu)和微物理特征(EmmonsandMontgomery,1947;García-Garcíaetal.,2002;張光智等,2005;何立富等,2006;王凱等,2006;鄧雪嬌等,2007;GultepeandMilbrandt,2007;吳彬貴等,2008;Niuetal.,2010)。許多研究表明,霧頂(Wobrocketal.,1992;李子華等,1999;Lietal.,1999;何友江等,2003)和地面霧(李子華和吳君,1995;黃玉生等,2000;濮梅娟等,2008)均具有爆發(fā)性增強(qiáng)的特征,但對(duì)霧的迅速減弱過(guò)程關(guān)注相對(duì)較少,尤其是霧頂?shù)难杆傧陆颠^(guò)程。研究前者固然有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值,但后者也是霧過(guò)程的重要組成部分,對(duì)兩者同時(shí)深入研究能夠加強(qiáng)對(duì)霧生消過(guò)程的全面認(rèn)識(shí),不僅有利于對(duì)霧準(zhǔn)確地做出預(yù)警預(yù)報(bào),而且對(duì)人工消霧有一定的啟示作用。鑒于此,本文利用邊界層廓線、霧滴譜、能見(jiàn)度以及NCEP再分析資料(水平分辨率1°×1°),詳細(xì)分析了2006年12月14日的濃霧過(guò)程,較為系統(tǒng)地闡述了霧頂和地面霧濃度的突變特征(包括爆發(fā)性發(fā)展和迅速減弱過(guò)程),探討了下沉運(yùn)動(dòng)、雙層結(jié)構(gòu)、輻射降溫、弱冷平流、湍流、太陽(yáng)輻射、低空急流等因子對(duì)霧生消的作用。2溫度、壓、濕和風(fēng)觀測(cè)本次觀測(cè)采樣點(diǎn)選在南京信息工程大學(xué)校內(nèi)田徑場(chǎng)[(32.2°N,118.7°E),海拔22m](陸春松等,2008;LuandNiu,2008;Puetal.,2008)。由于其緊鄰長(zhǎng)江,有充足的水汽來(lái)源,故霧發(fā)生頻率較高。采用芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的系留氣球探測(cè)系統(tǒng)(DigiCORAIII)對(duì)邊界層進(jìn)行溫、壓、濕和風(fēng)的探測(cè),晴天3h觀測(cè)一次,出現(xiàn)霧時(shí)加密觀測(cè),間隔1～1.5h,高度控制在600～1000m之間。溫度、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向傳感器的分辨率分別為0.1℃、0.1%、0.1hPa、0.1m/s、1°。霧滴譜觀測(cè)利用美國(guó)DropletMeasurementTechnologies公司生產(chǎn)的霧滴譜儀(FM-100),這是國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)的激光前向散射霧滴譜測(cè)量?jī)x,采樣頻率1Hz,粒徑范圍2～50μm,本次觀測(cè)中采樣高度為距地面1m處。能見(jiàn)度觀測(cè)采用江蘇省無(wú)線電科學(xué)研究所有限公司制造的能見(jiàn)度儀(ZQZ-DN)進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè),能見(jiàn)度小于1000m時(shí),誤差為±10%,大于1000m時(shí),誤差為±20%。3地面天氣圖及霧形特征2006年12月13日20時(shí)(北京時(shí),下同),500hPa低槽位于110°E附近,南京受槽前西南氣流影響,700hPa低槽位于115°E附近,西南暖濕氣流強(qiáng)勁,14日08時(shí),700hPa低槽移至南京上空。在此期間,850hPa以下南京受西北氣流控制,中、低層天氣形勢(shì)穩(wěn)定。地面天氣圖上,13日20時(shí)至14日08時(shí)南京地區(qū)等壓線稀疏接近于均壓場(chǎng),風(fēng)速較小,有利于霧的形成。12月12日夜間到13日凌晨受東移冷鋒的影響,南京出現(xiàn)了小雨,地表潮濕。13日南京地區(qū)低層濕度較大,輕霧出現(xiàn)并維持。由于夜間輻射降溫及弱冷空氣的共同作用,13日22:12,能見(jiàn)度低于1000m(圖1),霧形成。之后能見(jiàn)度緩慢下降,14日03:30,能見(jiàn)度為463m,濃霧形成。期間(01:00～03:00),霧體厚度從265m急劇增至660m(圖2)。03:00～08:00,霧頂高度維持在600m左右。之后,08:00～10:00,霧頂從585m迅速下降至180m并出現(xiàn)了雙層結(jié)構(gòu),08:35～08:38能見(jiàn)度從108m下降至50m以下并維持,地面霧爆發(fā)性增強(qiáng),強(qiáng)濃霧形成。10:00之后,霧體進(jìn)入消散階段。由此可見(jiàn),本次過(guò)程中既存在霧體的爆發(fā)性發(fā)展,也存在迅速減弱過(guò)程,下面對(duì)其中的物理機(jī)制和影響因子進(jìn)行分析探討。4地面霧東緣期2002年7月霧的爆發(fā)性發(fā)展包括霧頂高度和地面霧濃度兩個(gè)方面。2006年12月14日01:00～03:00,霧頂爆發(fā)性上升,從265m躍增至660m(圖2)。由南京市區(qū)氣象觀測(cè)站輻射資料計(jì)算可知,01:00～03:00地面凈全輻射曝輻量為-0.09～-0.04MJ/m2(圖3),而霧頂是長(zhǎng)波輻射冷卻的極大值區(qū)(周斌斌,1987),由此推知,霧頂凈全輻射曝輻量為負(fù)且絕對(duì)值大于地面,輻射冷卻作用較強(qiáng),740m以下氣層溫度全面下降,降溫最大高度位于霧頂附近,達(dá)2℃左右(圖4a);假相當(dāng)位溫的垂直梯度是判別大氣層結(jié)穩(wěn)定性的重要參數(shù)(盧萍等,2009),03:00,640m以上出現(xiàn)較深厚的逆溫,假相當(dāng)位溫隨高度增加(uf8f5?傕θse/uf8f5?傕z=1.3℃/100m)(圖4b),氣層穩(wěn)定,這都是導(dǎo)致霧頂爆發(fā)性上升的熱力條件。地面至180m氣層的假相當(dāng)位溫差從01:00的3.8℃減小到03:00的3.1℃,而200～640m該位溫差則從0.7℃降至-0.7℃,由此可見(jiàn),霧體內(nèi)中、低層穩(wěn)定度下降,而且風(fēng)速及風(fēng)速切變均有所增大(圖4c),有利于湍流運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)及空氣的垂直混合(盛裴軒等,2003),此即為霧頂爆發(fā)性上升的動(dòng)力條件。正是由于湍流的向上輸送作用,01:00～03:00期間300m以下比濕減小,水汽在上層逆溫下累積,300～720m氣層比濕增大(圖4d),為爆發(fā)性發(fā)展提供了水汽條件。由此可見(jiàn),在霧頂?shù)谋l(fā)性發(fā)展過(guò)程中,中、低層穩(wěn)定度減小且風(fēng)速及其切變均增大,湍流發(fā)展,而上層逆溫出現(xiàn)、穩(wěn)定度增大,中、低層比濕在湍流作用下向上輸送并在上層逆溫下累積,同時(shí)伴隨著大幅降溫。本次過(guò)程霧頂?shù)谋l(fā)性發(fā)展與何友江等(2003)在重慶的觀測(cè)結(jié)果類(lèi)似,但與其他地區(qū)的觀測(cè)結(jié)果不同,例如,Wobrocketal.(1992)在波河河谷進(jìn)行了大量的觀測(cè),發(fā)現(xiàn)了霧頂?shù)能S增過(guò)程,但邊界層氣象要素分析表明該過(guò)程是霧體從別處平流至觀測(cè)站引起的;Lietal.(1999)指出西雙版納霧層在垂直方向爆發(fā)性發(fā)展是在霧層穩(wěn)定度減小時(shí),由南北兩側(cè)山上下泄冷空氣輻合導(dǎo)致霧層抬升引起的;李子華等(1999)研究了南京湯山的濃霧過(guò)程,結(jié)果表明霧體雙層結(jié)構(gòu)的合并是霧體爆發(fā)性增厚的主要原因。地面霧濃度的爆發(fā)性發(fā)展發(fā)生于08:35～08:38,能見(jiàn)度由108m迅速下降到15m。在此過(guò)程中,霧滴譜在爆發(fā)前后均呈現(xiàn)雙峰分布(圖5),爆發(fā)后譜明顯上抬、加寬,標(biāo)準(zhǔn)差SD增大。數(shù)濃度N增大到爆發(fā)前的3.6倍,平均半徑ra、體積平均半徑rv和有效半徑re增幅在20%～80%之間,增幅最大的是含水量LWC,幾乎比爆發(fā)前大了一個(gè)量級(jí)。由此可見(jiàn),大量凝結(jié)核活化凝結(jié)成霧滴,大滴出現(xiàn)后碰并作用發(fā)展旺盛,地面霧爆發(fā)性發(fā)展(濮梅娟等,2008)。但很多研究均表明地面霧的爆發(fā)性發(fā)展往往發(fā)生在夜間或者凌晨,長(zhǎng)波輻射冷卻作用是一個(gè)重要的因子(李子華和吳君,1995;黃玉生等,2000)。另外,冷空氣增強(qiáng)和人類(lèi)活動(dòng)所產(chǎn)生的氣溶膠濃度增大是重慶霧二次爆發(fā)性發(fā)展的重要原因(李子華和吳君,1995)。本次霧過(guò)程在日出(06:58)后的爆發(fā)性發(fā)展是什么原因引起的?首先,雖然爆發(fā)前后的風(fēng)速始終較小,但由于其風(fēng)向偏北,存在一定的冷平流作用,導(dǎo)致近地層溫度降低(圖6a、b),飽和水汽壓減小,利于水汽的凝結(jié)。其次,NCEP再分析資料表明,南京地區(qū)(118.7°E)400hPa附近存在散度負(fù)中心(-3×10-5s-1),925hPa至500hPa之間的氣層散度為正(圖7),故有利于系統(tǒng)性下沉運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。由于下沉增溫的作用,200～720m氣層溫度升高(圖6b)。上層的增溫和近地層的降溫相配合,近地層逆溫強(qiáng)度從08:00的1.1℃/100m增大至09:00的1.6℃/100m。08:00,從地面到280m高度層假相當(dāng)位溫由17.3℃增大至24.4℃,溫差7.1℃;09:00,0～280m氣層的假相當(dāng)位溫差為9.0℃,更加穩(wěn)定,有利于水汽的累積(圖6c)。下沉增溫促使近地層層結(jié)穩(wěn)定、濃霧維持的現(xiàn)象在1996年南京湯山霧的觀測(cè)中也曾發(fā)現(xiàn)過(guò)(葛良玉等,1998)。綜上所述,地面霧爆發(fā)性發(fā)展過(guò)程中,近地層冷平流和上層系統(tǒng)性下沉運(yùn)動(dòng)的共同作用促使近地層降溫,上層增溫,近地層飽和水汽壓減小同時(shí)逆溫增強(qiáng)水汽累積。5下沉運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的特征霧的迅速減弱過(guò)程包括霧頂?shù)难杆傧陆狄约暗孛骒F的迅速消散。14日08:00～10:00,霧頂從585m迅速下降至180m(圖2)。如圖8所示,該時(shí)段霧頂處逆溫很弱甚至不存在,整體而言霧頂之上θse隨高度減小,氣層不穩(wěn)定促使霧頂附近湍流發(fā)展,由于偏北氣流的濕度小,霧體與外界空氣混合后霧滴蒸發(fā),這是霧頂迅速下降的一個(gè)重要原因。如前所述,08:00以后,下沉增溫作用導(dǎo)致200～720m氣層溫度逐漸升高,在溫度的極大值區(qū)出現(xiàn)了相對(duì)濕度RH小于100%的區(qū)域,霧體在垂直方向上分層,并且RH<100%的區(qū)域隨時(shí)間增大,加速了霧頂?shù)南陆颠^(guò)程。在以往的研究中,發(fā)現(xiàn)邊界層內(nèi)的溫度和風(fēng)速之間存在正反饋,溫度和風(fēng)速的極大值區(qū)有較好的對(duì)應(yīng)性。一方面逆溫的存在阻擋了動(dòng)量下傳,使得在逆溫層強(qiáng)中心附近出現(xiàn)急流(趙德山和洪鐘祥,1981;黃建平等,1998),另一方面急流伴隨下沉運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致下沉增溫,逆溫增強(qiáng)(盛裴軒等,2003)。08:00、09:00兩個(gè)時(shí)次的廓線圖表明,邊界層內(nèi)的風(fēng)速及其隨高度變化的幅度均較小,直到10:00,低空急流才出現(xiàn),260m的風(fēng)速極大值(7.1m/s)遠(yuǎn)大于地面的0m/s和560m的3.0m/s[根據(jù)Andreasetal.(2000)、李炬和舒文軍(2008)的定義,低層風(fēng)速極大值超出上方和下方風(fēng)速極小值2m/s以上時(shí)即為出現(xiàn)了低空急流]。此時(shí)的極大值風(fēng)速比08:00和09:00大3～4m/s,近地層逆溫強(qiáng)度達(dá)到本次過(guò)程的最大值(2.5℃/100m),空中霧層(實(shí)際為低云)完全消散(圖8d)。由此可見(jiàn),下沉運(yùn)動(dòng)在08:00～10:00期間是逐漸增強(qiáng)的,下沉運(yùn)動(dòng)引起的氣層增溫、霧體雙層結(jié)構(gòu)和低空急流的出現(xiàn)是空中霧層消散、霧頂大幅下降的另一個(gè)重要原因。以往的研究表明,霧體雙層結(jié)構(gòu)是由于水汽在雙層逆溫下累積的結(jié)果,出現(xiàn)在霧體的發(fā)展階段(李子華等,1999),并且正是雙層結(jié)構(gòu)促使霧體的爆發(fā)性發(fā)展;而本個(gè)例中的雙層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在霧頂?shù)拇蠓陆颠^(guò)程中,該結(jié)構(gòu)加快了霧頂?shù)南陆邓俣取Ｓ纱丝梢?jiàn),霧不同階段出現(xiàn)的雙層結(jié)構(gòu)成因不同,其作用也不同。此外,如前所述,08:35～08:38地面水平能見(jiàn)度迅速下降至15m,并維持至10:00,這與該時(shí)段內(nèi)逐漸增強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)有密切關(guān)系。因此,下沉運(yùn)動(dòng)對(duì)本次霧過(guò)程的影響具有雙重性,一方面促使空中霧層消散,霧頂迅速下降;另一方面使得近地層更加穩(wěn)定,利于地面霧的爆發(fā)性發(fā)展和維持。14日10:00之后,地面霧進(jìn)入消散階段,能見(jiàn)度迅速升高(圖1)。這主要是由以下幾個(gè)因子造成的。如前所述,10:00,溫度和風(fēng)速之間由于存在正反饋,急流出現(xiàn)的同時(shí)逆溫強(qiáng)度達(dá)到本次過(guò)程的最大值,但逆溫和急流不會(huì)無(wú)限制地增強(qiáng),隨著風(fēng)速的不斷增大,逆溫上下氣層的風(fēng)速切變也迅速增大,使得該層梯度理查森數(shù)Ri迅速減小,當(dāng)減小到0.25以下時(shí),便滿足Kelvin-Helmoholtz切變不穩(wěn)定條件(Drazih,1958),湍流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),動(dòng)量下傳(趙德山和洪鐘祥,1981;黃建平等,1998)。11:00,地面風(fēng)速接近3m/s,與前三個(gè)時(shí)次的靜風(fēng)相比,風(fēng)速明顯增大,說(shuō)明動(dòng)量已經(jīng)下傳,同時(shí)逆溫抬升,強(qiáng)度減弱至1.5℃/100m。宋潤(rùn)田和金永利(2001)利用聲雷達(dá)資料也發(fā)現(xiàn)了類(lèi)似的動(dòng)量下傳現(xiàn)象,他們分析了一場(chǎng)濃霧過(guò)程中風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的變化特征:在逆溫的維持階段,逆溫之上風(fēng)速較大,最大值≥10m/s,近地層風(fēng)場(chǎng)很弱;在逆溫的大幅度減弱階段,由于動(dòng)量下傳,240m以下風(fēng)速迅速增大至4m/s以上。此外,由于太陽(yáng)輻射的增強(qiáng),地面凈全輻射曝輻量為0.28～0.65MJ/m2(圖3),地面溫度在10:00～11:00期間從4.7℃升至7.8℃,近地面霧滴開(kāi)始蒸發(fā),地面至200m氣層溫度隨高度幾乎呈直線遞減(圖8e)。12:00,能見(jiàn)度大于1000m,霧轉(zhuǎn)化為輕霧(圖1)。12:20,地面溫度繼續(xù)升高,同時(shí)逆溫完全消失,邊界層內(nèi)溫度直線遞減率為-0.8℃/100m,假相當(dāng)位溫在0～400m氣層隨高度迅速減小(uf8f5?傕θse/uf8f5?傕z=-2.9℃/100m),氣層不穩(wěn)定,湍流發(fā)展旺盛(