南京冬季一次霧過程宏微觀結構的突變特征及成因分析

陸春松 牛生杰 楊軍 劉新,2 趙麗娟

1南京信息工程大學大氣物理學院,南京 210044

2江蘇省氣象科技服務中心,南京 210009

南京冬季一次霧過程宏微觀結構的突變特征及成因分析

陸春松1牛生杰1楊軍1劉新1,2趙麗娟1

1南京信息工程大學大氣物理學院,南京 210044

2江蘇省氣象科技服務中心,南京 210009

2006年冬,利用系留氣球探測系統(tǒng)、霧滴譜儀、能見度儀等儀器在南京北郊進行了霧的綜合觀測。本文選取2006年12月14日的一次濃霧過程,利用邊界層廓線、霧滴譜、能見度以及NCEP再分析資料,深入研究霧頂和地面霧濃度的突變特征(爆發(fā)性增強和迅速減弱過程)及其成因。結果表明:霧頂?shù)谋l(fā)性發(fā)展是湍流促使水汽向上輸送、在上層逆溫下累積并伴隨大幅降溫引起的;地面霧濃度爆發(fā)性增強時,近地層冷平流降溫導致飽和水汽壓減小,同時上層系統(tǒng)性的下沉增溫引起逆溫增強,水汽得以累積;霧頂?shù)难杆傧陆颠^程中,霧頂部湍流發(fā)展,同時下沉運動引起了氣層增溫、霧體雙層結構和低空急流的出現(xiàn);地面霧的迅速減弱是太陽輻射和動量下傳共同作用的結果;下沉運動對霧生消的作用具有雙重性;霧的雙層結構出現(xiàn)在霧頂大幅下降過程中,并加快了霧頂?shù)南陆邓俣?這與以往研究中雙層結構促使霧頂爆發(fā)性發(fā)展有很大差異。

霧頂 地面霧濃度 突變特征 雙層結構 下沉運動

1 引言

霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng),是近地層空氣中水汽凝結(或凝華)的產(chǎn)物(吳兌等,2004)。近年來,霧作為一種災害性天氣,嚴重影響了交通航運、輸變電線路等的正常運行,并導致空氣質量下降,給國民經(jīng)濟和人民生命財產(chǎn)帶來了巨大的損失(張利娜等,2008;Guo and Zheng,2009)。因此,有必要研究霧的生消機制,進一步提高對霧的預警預報能力。

Croft et al.(1997)和Gultepe et al.(2007)均指出,準確預警預報霧的困難在于對霧中物理過程的認識還不夠,因此霧的探測研究是非常重要的。Taylor(1917)首次用科學的方法研究輻射霧。之后,國內(nèi)外大量科學家開始對霧進行系統(tǒng)性的觀測,研究不同類型霧的生消過程、邊界層結構和微物理特征(Emmons and Montgomery,1947;García-García et al.,2002;張光智等,2005;何立富等,2006;王凱等,2006;鄧雪嬌等,2007;Gultepe and Milbrandt,2007;吳彬貴等,2008;Niu et al.,2010)。許多研究表明,霧頂(Wobrock et al.,1992;李子華等,1999;Li et al.,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)性增強的特征,但對霧的迅速減弱過程關注相對較少,尤其是霧頂?shù)难杆傧陆颠^程。研究前者固然有重要的理論意義和應用價值,但后者也是霧過程的重要組成部分,對兩者同時深入研究能夠加強對霧生消過程的全面認識,不僅有利于對霧準確地做出預警預報,而且對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、能見度以及NCEP再分析資料(水平分辨率1°×1°),詳細分析了2006年12月14日的濃霧過程,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)展和迅速減弱過程),探討了下沉運動、雙層結構、輻射降溫、弱冷平流、湍流、太陽輻射、低空急流等因子對霧生消的作用。

2 觀測場地及儀器介紹

本次觀測采樣點選在南京信息工程大學校內(nèi)田徑場[(32.2°N,118.7°E),海拔22 m](陸春松等,2008;Lu and Niu,2008;Pu et al.,2008)。由于其緊鄰長江,有充足的水汽來源,故霧發(fā)生頻率較高。采用芬蘭Vaisala公司生產(chǎn)的系留氣球探測系統(tǒng)(DigiCORA III)對邊界層進行溫、壓、濕和風的探測,晴天3 h觀測一次,出現(xiàn)霧時加密觀測,間隔1～1.5 h,高度控制在600～1000 m之間。溫度、相對濕度、氣壓、風速、風向傳感器的分辨率分別為0.1℃、0.1%、0.1 hPa、0.1 m/s、1°。霧滴譜觀測利用美國Droplet Measurement Technologies公司生產(chǎn)的霧滴譜儀(FM-100),這是國內(nèi)首次引進的激光前向散射霧滴譜測量儀,采樣頻率1 Hz,粒徑范圍2～50μm,本次觀測中采樣高度為距地面1 m處。能見度觀測采用江蘇省無線電科學研究所有限公司制造的能見度儀(ZQZ-DN)進行自動觀測,能見度小于1000 m時,誤差為±10%,大于1000 m時,誤差為±20%。

3 霧過程概述

2006年12月13日20時(北京時,下同),500 hPa低槽位于110°E附近,南京受槽前西南氣流影響,700 hPa低槽位于115°E附近,西南暖濕氣流強勁,14日08時,700 hPa低槽移至南京上空。在此期間,850 hPa以下南京受西北氣流控制,中、低層天氣形勢穩(wěn)定。地面天氣圖上,13日20時至14日08時南京地區(qū)等壓線稀疏接近于均壓場,風速較小,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,能見度低于1000 m(圖1),霧形成。之后能見度緩慢下降,14日03:30,能見度為463 m,濃霧形成。期間(01:00～03:00),霧體厚度從265 m急劇增至660 m(圖2)。03:00～08:00,霧頂高度維持在600 m左右。之后,08:00～10:00,霧頂從585 m迅速下降至180 m并出現(xiàn)了雙層結構,08:35～08:38能見度從108 m下降至50 m以下并維持,地面霧爆發(fā)性增強,強濃霧形成。10:00之后,霧體進入消散階段。由此可見,本次過程中既存在霧體的爆發(fā)性發(fā)展,也存在迅速減弱過程,下面對其中的物理機制和影響因子進行分析探討。

圖1 2006年12月13～14日霧過程中能見度隨時間的演變Fig.1 Temporal evolution of visibility in the fog event from 13 Dec to 14 Dec 2006.BST:Beijing time

圖2 2006年12月14日不同時次的霧體厚度(灰色區(qū)域)Fig.2 Fog bodies(gray areas)at different time on 14 Dec 2006

4 爆發(fā)性發(fā)展過程

霧的爆發(fā)性發(fā)展包括霧頂高度和地面霧濃度兩個方面。2006年12月14日01:00～03:00,霧頂爆發(fā)性上升,從265 m躍增至660 m(圖2)。由南京市區(qū)氣象觀測站輻射資料計算可知,01:00～03:00地面凈全輻射曝輻量為-0.09～-0.04 MJ/m2(圖3),而霧頂是長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且絕對值大于地面,輻射冷卻作用較強,740 m以下氣層溫度全面下降,降溫最大高度位于霧頂附近,達2℃左右(圖4a);假相當位溫的垂直梯度是判別大氣層結穩(wěn)定性的重要參數(shù)(盧萍等,2009),03:00,640 m以上出現(xiàn)較深厚的逆溫,假相當位溫隨高度增加(?θse/?z=1.3℃/100 m)(圖4b),氣層穩(wěn)定,這都是導致霧頂爆發(fā)性上升的熱力條件。地面至180 m氣層的假相當位溫差從01:00的3.8℃減小到03:00的3.1℃,而200～640 m該位溫差則從0.7℃降至-0.7℃,由此可見,霧體內(nèi)中、低層穩(wěn)定度下降,而且風速及風速切變均有所增大(圖4c),有利于湍流運動的增強及空氣的垂直混合(盛裴軒等,2003),此即為霧頂爆發(fā)性上升的動力條件。正是由于湍流的向上輸送作用,01:00～03:00期間300 m以下比濕減小,水汽在上層逆溫下累積,300～720 m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,在霧頂?shù)谋l(fā)性發(fā)展過程中,中、低層穩(wěn)定度減小且風速及其切變均增大,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,同時伴隨著大幅降溫。本次過程霧頂?shù)谋l(fā)性發(fā)展與何友江等(2003)在重慶的觀測結果類似,但與其他地區(qū)的觀測結果不同,例如,Wobrock et al.(1992)在波河河谷進行了大量的觀測,發(fā)現(xiàn)了霧頂?shù)能S增過程,但邊界層氣象要素分析表明該過程是霧體從別處平流至觀測站引起的;Li et al.(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,由南北兩側山上下泄冷空氣輻合導致霧層抬升引起的;李子華等(1999)研究了南京湯山的濃霧過程,結果表明霧體雙層結構的合并是霧體爆發(fā)性增厚的主要原因。

圖3 2006年12月13～14日霧過程中凈全輻射曝輻量隨時間的演變Fig.3 Temporal evolution of net irradiance in the fog event from 13 Dec to 14 Dec 2006

圖4 2006年12月14日兩個時次的(a)溫度、(b)假相當位溫、(c)風速和(d)比濕廓線圖Fig.4 Profiles of(a)temperature,(b)potential pseudo-equivalent temperature,(c)wind speed,and(d)specific humidity at 0100 BST and 0300 BST 14 Dec 2006

圖5 2006年12月14日地面霧爆發(fā)性發(fā)展前后霧滴譜的對比。D:直徑;n(D):單位直徑間隔內(nèi)的數(shù)濃度Fig.5 Fog spectra before and after ground fog burst development on 14 Dec 2006.D:diameter;n(D):number concentration in a unit diameter bin size

圖6 2006年12月14日兩個時次的(a)風速風向、(b)溫度和(c)假相當位溫廓線圖Fig.6 Profiles of(a)wind speed and direction,(b)temperature,and(c)potential pseudo-equivalent temperature at 0800 BST and 0900 BST 14 Dec 2006

圖7 2006年12月14日08時沿32°N散度(10-5s-1)的經(jīng)度-高度剖面圖Fig.7 Longitude-height cross section of divergence(10-5s-1)along 32°Nat 0800 BST 14 Dec 2006

地面霧濃度的爆發(fā)性發(fā)展發(fā)生于08:35～08:38,能見度由108 m迅速下降到15 m。在此過程中,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,標準差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)前大了一個量級。由此可見,大量凝結核活化凝結成霧滴,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,長波輻射冷卻作用是一個重要的因子(李子華和吳君,1995;黃玉生等,2000)。另外,冷空氣增強和人類活動所產(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)前后的風速始終較小,但由于其風向偏北,存在一定的冷平流作用,導致近地層溫度降低(圖6a、b),飽和水汽壓減小,利于水汽的凝結。其次,NCEP再分析資料表明,南京地區(qū)(118.7°E)400 hPa附近存在散度負中心(-3×10-5s-1),925 hPa至500 hPa之間的氣層散度為正(圖7),故有利于系統(tǒng)性下沉運動的發(fā)展。由于下沉增溫的作用,200～720 m氣層溫度升高(圖6b)。上層的增溫和近地層的降溫相配合,近地層逆溫強度從08:00的1.1℃/100 m增大至09:00的1.6℃/100 m。08:00,從地面到280 m高度層假相當位溫由17.3℃增大至24.4℃,溫差7.1℃;09:00,0～280 m氣層的假相當位溫差為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穩(wěn)定、濃霧維持的現(xiàn)象在1996年南京湯山霧的觀測中也曾發(fā)現(xiàn)過(葛良玉等,1998)。綜上所述,地面霧爆發(fā)性發(fā)展過程中,近地層冷平流和上層系統(tǒng)性下沉運動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逆溫增強水汽累積。

5 迅速減弱過程

圖8 2006年12月14日不同時次溫度(粗實線)、風速(細實線)、假相當位溫(點畫線)、相對濕度(虛線)的廓線圖Fig.8 Profiles of temperature(thick solid lines),wind speed(thin solid lines),potential pseudo-equivalent temperature(dash-dotted lines),and relative humidity(dashed lines)at different time on 14 Dec 2006

霧的迅速減弱過程包括霧頂?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585 m迅速下降至180 m(圖2)。如圖8所示,該時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重要原因。如前所述,08:00以后,下沉增溫作用導致200～720 m氣層溫度逐漸升高,在溫度的極大值區(qū)出現(xiàn)了相對濕度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)域隨時間增大,加速了霧頂?shù)南陆颠^程。在以往的研究中,發(fā)現(xiàn)邊界層內(nèi)的溫度和風速之間存在正反饋,溫度和風速的極大值區(qū)有較好的對應性。一方面逆溫的存在阻擋了動量下傳,使得在逆溫層強中心附近出現(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動導致下沉增溫,逆溫增強(盛裴軒等,2003)。08:00、09:00兩個時次的廓線圖表明,邊界層內(nèi)的風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),260 m的風速極大值(7.1 m/s)遠大于地面的0 m/s和560 m的3.0 m/s[根據(jù)Andreas et al.(2000)、李炬和舒文軍(2008)的定義,低層風速極大值超出上方和下方風速極小值2 m/s以上時即為出現(xiàn)了低空急流]。此時的極大值風速比08:00和09:00大3～4 m/s,近地層逆溫強度達到本次過程的最大值(2.5℃/100 m),空中霧層(實際為低云)完全消散(圖8d)。由此可見,下沉運動在08:00～10:00期間是逐漸增強的,下沉運動引起的氣層增溫、霧體雙層結構和低空急流的出現(xiàn)是空中霧層消散、霧頂大幅下降的另一個重要原因。以往的研究表明,霧體雙層結構是由于水汽在雙層逆溫下累積的結果,出現(xiàn)在霧體的發(fā)展階段(李子華等,1999),并且正是雙層結構促使霧體的爆發(fā)性發(fā)展;而本個例中的雙層結構出現(xiàn)在霧頂?shù)拇蠓陆颠^程中,該結構加快了霧頂?shù)南陆邓俣?。由此可?霧不同階段出現(xiàn)的雙層結構成因不同,其作用也不同。此外,如前所述,08:35～08:38地面水平能見度迅速下降至15 m,并維持至10:00,這與該時段內(nèi)逐漸增強的下沉運動有密切關系。因此,下沉運動對本次霧過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,地面霧進入消散階段,能見度迅速升高(圖1)。這主要是由以下幾個因子造成的。如前所述,10:00,溫度和風速之間由于存在正反饋,急流出現(xiàn)的同時逆溫強度達到本次過程的最大值,但逆溫和急流不會無限制地增強,隨著風速的不斷增大,逆溫上下氣層的風速切變也迅速增大,使得該層梯度理查森數(shù)Ri迅速減小,當減小到0.25以下時,便滿足Kelvin-Helmoholtz切變不穩(wěn)定條件(Drazih,1958),湍流運動增強,動量下傳(趙德山和洪鐘祥,1981;黃建平等,1998)。11:00,地面風速接近3 m/s,與前三個時次的靜風相比,風速明顯增大,說明動量已經(jīng)下傳,同時逆溫抬升,強度減弱至1.5℃/100 m。宋潤田和金永利(2001)利用聲雷達資料也發(fā)現(xiàn)了類似的動量下傳現(xiàn)象,他們分析了一場濃霧過程中風場和溫度場的變化特征:在逆溫的維持階段,逆溫之上風速較大,最大值≥10 m/s,近地層風場很弱;在逆溫的大幅度減弱階段,由于動量下傳,240 m以下風速迅速增大至4 m/s以上。此外,由于太陽輻射的增強,地面凈全輻射曝輻量為0.28～0.65 MJ/m2(圖3),地面溫度在10:00～11:00期間從4.7℃升至7.8℃,近地面霧滴開始蒸發(fā),地面至200 m氣層溫度隨高度幾乎呈直線遞減(圖8e)。12:00,能見度大于1000 m,霧轉化為輕霧(圖1)。12:20,地面溫度繼續(xù)升高,同時逆溫完全消失,邊界層內(nèi)溫度直線遞減率為-0.8℃/100 m,假相當位溫在0～400 m氣層隨高度迅速減小(?θse/?z=-2.9℃/100 m),氣層不穩(wěn)定,湍流發(fā)展旺盛(圖8f)。因此,在太陽輻射和動量下傳的共同作用下,地面溫度風速增大、逆溫減弱消失、湍流發(fā)展,結果導致地面霧濃度的迅速減弱。

6 結論

本文利用邊界層廓線、霧滴譜、能見度以及NCEP再分析資料(水平分辨率1°×1°),分析了一場典型濃霧過程的宏微觀突變特征,并給出了本次霧過程的概念演變模型圖(圖9)。主要結論如下:

(1)在霧頂?shù)谋l(fā)性發(fā)展過程中,中、低層穩(wěn)定度的減小,風速及其切變的增大促使湍流發(fā)展,上層逆溫的出現(xiàn)增大了氣層穩(wěn)定度,中、低層比濕在湍流作用下向上輸送并在上層逆溫下累積,同時伴隨著大幅降溫。

(2)此次霧過程中,霧頂?shù)难杆傧陆岛偷孛骒F的爆發(fā)性增強在同一時段發(fā)生。霧頂處逆溫很弱甚至不存在,穩(wěn)定度小促使湍流發(fā)展,而下沉運動又引起了氣層增溫、霧體雙層結構和低空急流的出現(xiàn),結果導致空中霧層消散,霧頂大幅下降;同時下沉運動的增溫作用促使低層逆溫增強,水汽累積,近地層冷平流作用引起近地層降溫,飽和水汽壓減小,地面霧強度迅速增大。由此可見,下沉運動對霧生消的作用具有雙重性。

圖9 2006年12月13～14日霧過程的概念演變模型圖。粗黑線為霧的邊界Fig.9 Conceptual evolution model of the fog event from 13 Dec to 14 Dec 2006.The thick solid line represents the fog boundary

以往的研究表明,在霧的發(fā)展階段雙層逆溫促使霧體雙層結構出現(xiàn),并觸發(fā)了霧頂?shù)谋l(fā)性上升。而本個例中霧的雙層結構出現(xiàn)在霧頂迅速下降過程中,并加快了霧頂?shù)南陆邓俣?。因?霧不同階段出現(xiàn)的雙層結構成因不同,作用也不同。

(3)地面霧的迅速減弱過程是在太陽輻射和動量下傳的共同作用下,地面溫度風速增大、逆溫減弱消失、湍流發(fā)展的結果。

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Jump Features and Causes of Macro and Microphysical Structures of a Winter Fog in Nanjing

LU Chunsong1,NIU Shengjie1,YANGJun1,LIU Xin1,2,and ZHAO Lijuan1

1School of Atmospheric Physics,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing210044
2Jiangsu Meteorological Science and Technology Service Center,Nanjing210009

A comprehensive fog experiment was carried out in the north suburb of Nanjing,China with many instruments,e.g.,tethered balloon system,fog droplet spectrometer,visibility meter.Using the data of boundary layer profiles,fog droplet spectra,visibility,and NCEP reanalysis,a fog case on 14 December 2006 was chosen to study the jump features(sharp strengthening and weakening)of the fog top and the ground fog's density,and their causes are also discussed in detail.Result shows that the explosive development of the fog top is due to upward turbulent transport of moisture and its accumulation under upper-layer inversion as well as substantial temperature decrease;the sharp strengthening of the ground fog is mainly caused by lower saturation vapor pressure in the near-surface layer under the influence of cold advection,enhancement of inversion owing to upper-layer systematic sinking motion,and moisture accumulation under inversion;during the fog top decline,turbulence happens near the fog top and upper-layer sinking motion causes the occurrence of temperature increase,fog double layer structure,and lowlevel jet;the sharp weakening of the ground fog is the result of solar radiation and downward transport of momentum;sinking motion has dual roles in the fog event;the fog double layer structure occurs during the sharp decline of the fog top and accelerates the fog top decline,which is extremely different from the previous results that the double layer structure causes the fog top development.

fog top,ground fog density,jump features,double layer structure,sinking motion

1006-9895(2010)04-0681-10

P426

A

陸春松,牛生杰,楊軍,等.2010.南京冬季一次霧過程宏微觀結構的突變特征及成因分析[J].大氣科學,34(4):681-690.Lu Chunsong,Niu Shengjie,Yang Jun,et al.2010.Jump features and causes of macro and microphysical structures of a winter fog in Nanjing[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences(in Chinese),34(4):681-690.

2009-08-05,2010-01-25收修定稿

國家自然科學基金資助項目40775012,中國氣象局氣象行業(yè)專項GYHY(QX)2007-6-26,江蘇省高校自然科學重大基礎研究項目06KJA17021、08KJA170002,江蘇省自然科學基金重點項目BK2007727,江蘇省青藍工程云霧降水物理學與氣溶膠研究創(chuàng)新團隊項目,江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目CX09B_226Z

陸春松,男,1982年出生,博士研究生,主要從事云霧物理化學研究。E-mail:luchunsong110@gmail.com