雨霧、雪霧共生天氣氣象要素分析

李宏宇 胡朝霞 魏香

1北京市人工影響天氣辦公室,北京 100089

2中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京 100029

3空軍氣象中心,北京 100843

雨霧、雪霧共生天氣氣象要素分析

李宏宇1胡朝霞2魏香3

1北京市人工影響天氣辦公室,北京 100089

2中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所,北京 100029

3空軍氣象中心,北京 100843

利用多通道微波輻射計(jì)、邊界層風(fēng)廓線儀及自動(dòng)/人工氣象站等觀測(cè)資料,分析了2007年秋冬季北京地區(qū)雨霧和雪霧兩次共生天氣形成與維持過程中地面和高空氣象要素伴隨降雨、降雪過程的變化。結(jié)果顯示:(1)高濕和小風(fēng)是雨霧、雪霧生成并造成地面低能見度的主要?dú)庀髼l件。大霧形成與維持過程中,地面水平能見度與相對(duì)濕度的反相關(guān)關(guān)系非常顯著。能見度越低時(shí),霧的含水量也越高。(2)較弱的降雨和降雪可以促使霧含水量減少,提高能見度,但降雨或降雪蒸發(fā)增濕又利于霧的維持。(3)雨霧在降雨過程中高層氣溫經(jīng)歷大幅增降,除可能受天氣系統(tǒng)影響外,與云層中水汽凝結(jié)釋放的大量潛熱和含水量大幅度增加也有關(guān)系。雪霧在降雪過程中高層溫度總體隨著時(shí)間趨于降低且變化幅度較小。(4)在降雨、降雪過程中雨霧和雪霧低層一直存在水汽飽和層,且飽和層的頂部隨降雨和降雪強(qiáng)度的加大而抬升,厚度不斷加大,造成地面水平能見度進(jìn)一步下降。結(jié)合催化劑人工消霧與共生霧降水(降雨或降雪)相似的原理,個(gè)例分析結(jié)果初步表明較弱的降雨或降雪過程對(duì)消除暖霧、冷霧的影響有限,對(duì)改善地面水平能見度并不顯著,這對(duì)人工消霧技術(shù)研究具有一定的啟發(fā)作用。

雨霧/雪霧共生 氣象要素 人工消霧

1 引言

我國(guó)北方每年秋冬時(shí)節(jié)易出現(xiàn)大范圍的大霧天氣。濃密持久的大霧使得近地面層能見度很低,加上霧滴中常溶有許多有害物質(zhì),給現(xiàn)代化交通運(yùn)輸、輸電和大氣環(huán)境都帶來嚴(yán)重的影響,也為人們生產(chǎn)生活和身體健康帶來嚴(yán)重危害(徐懷剛等,2002)。

目前,國(guó)內(nèi)外針對(duì)霧的天氣與氣候?qū)W特征、霧的邊界層特征及其生消機(jī)制、霧的宏微觀結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)特性等研究較多(Roach et al.,1976;Fuzzi et al.,1992;許紹祖和尹球,1988;李子華,2001),針對(duì)不同類型霧的大量觀測(cè)實(shí)驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)了很多新的觀測(cè)事實(shí),對(duì)霧的認(rèn)識(shí)有了很大提高。在對(duì)霧的能見度變化規(guī)律及其影響因子統(tǒng)計(jì)分析中,地面水平能見度與地面的相對(duì)濕度、空氣污染物濃度等存在呈很好的相關(guān)關(guān)系,地面風(fēng)速與降水等則對(duì)霧的形成、維持以及能見度的影響較為復(fù)雜(閆敬華和徐建平,2001;王淑英等,2003;馬雁軍等,2005)。

結(jié)合觀測(cè)試驗(yàn),利用建立的二維、三維霧模式,國(guó)內(nèi)外學(xué)者也開展了許多關(guān)于霧的預(yù)報(bào)方法與霧的生消、演變規(guī)律的數(shù)值研究(Brown and Roach,1976;Musson-Genon,1987;Duynkerke,1999;黃建平等,2000;周小剛等,2004;董劍希等,2006;何暉等,2009),通過模擬分析湍流、長(zhǎng)短波輻射、凝結(jié)、蒸發(fā)、重力沉降以及地表植被類型、氣溶膠成分與輻射效應(yīng)等對(duì)霧生消的影響,在霧的產(chǎn)生、發(fā)展機(jī)制以及各種影響因素的作用方面得出了許多有益的結(jié)論,也加深了對(duì)不同類型霧的形成與演變過程的認(rèn)識(shí)。

此外,為減輕霧的危害,人們還一直在探索控制霧的生成、減弱以及人工消散霧的方法,開展了很多有益的探索和實(shí)踐,在人工消霧試驗(yàn)研究、新型催化劑研制以及播撒裝置等方面取得了一些新的進(jìn)展(Fukuta,1996;M?ller et al.,2003;Bankova et al.,2003;郭恩銘等,1990;濮江平等,2001;王偉民等,2002;黃庚等,2006;高建秋等,2008)。

降水對(duì)霧的形成、維持以及能見度變化存在重要影響。鑒于已有霧的觀測(cè)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究對(duì)象大多為純霧天氣,對(duì)霧和降水等共生天氣少有研究,降雨、降雪和霧共存時(shí)氣象要素的變化情況尚不清楚;另一方面,催化劑消霧的思路和自然降水及人工增雨的原理較為相似(Bankova et al.,2003;Jean,2005),均主要通過激發(fā)碰并或加速冰—水轉(zhuǎn)化過程來增加大粒子,減少小滴濃度與尺寸,本文選取2007年10月26日～28日和12月26日～28日北京地區(qū)與降雨、降雪兩次共生霧天氣,通過利用多通道微波輻射計(jì)、邊界層風(fēng)廓線儀及自動(dòng)/人工氣象站等觀測(cè)資料,詳細(xì)分析了伴隨降雨或降雪過程地面及高空氣象要素的變化,并初步探討了采用催化劑消除暖霧、冷霧可能存在的局限性。

2 探測(cè)設(shè)備與資料簡(jiǎn)介

文中分別從地面觀測(cè)的水平能見度、降雨(雪)量、相對(duì)濕度、(10分鐘平均)風(fēng)速和高空觀測(cè)的云液水、相對(duì)濕度、水平與垂直風(fēng)速等幾個(gè)氣象要素的變化對(duì)霧過程進(jìn)行分析。受探測(cè)設(shè)備所處位置和對(duì)降雪觀測(cè)計(jì)量限制,地面相對(duì)濕度和高空的相對(duì)濕度、云液水廓線資料分別取自TP/WVP-3000微波輻射計(jì)內(nèi)置氣象傳感器觀測(cè)和遙測(cè),該微波輻射計(jì)位處海淀區(qū)車道溝北京市氣象局業(yè)務(wù)樓頂;地面風(fēng)速和高空風(fēng)速廓線資料分別來自自動(dòng)氣象站觀測(cè)和CFL-03B邊界層風(fēng)廓線儀遙測(cè),觀測(cè)設(shè)備均位于海淀區(qū)海淀公園;地面降雨量觀測(cè)來自車道溝自動(dòng)氣象站,而降雪融雪測(cè)量則主要參考附近的海淀氣象站。地面水平能見度的觀測(cè)位置介于微波輻射計(jì)和風(fēng)廓線儀中間。各種觀測(cè)設(shè)備相對(duì)位置參見圖1。

2.1 微波輻射計(jì)

架設(shè)在海淀區(qū)車道溝的十二通道TP/WVP-3000微波輻射計(jì)系統(tǒng)(北京市氣象局業(yè)務(wù)樓頂)從美國(guó)Radiometrics公司引進(jìn),2006年5月納入氣象業(yè)務(wù)運(yùn)行,24小時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)大氣溫度、濕度、水汽和云液水的演變(Solheim et al.,1998)。該系統(tǒng)是一種便攜式被動(dòng)式大氣遙感的超光譜輻射儀,可在晴朗或多云時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)地面至高空10 km共47個(gè)高度層(1 km以下間隔100 m,1 km以上間隔250 m)的溫度,水汽、云液態(tài)水廓線以及積分水汽和云液水量,每分鐘一個(gè)數(shù)據(jù)。儀器包含一個(gè)降雨影響減弱系統(tǒng),擁有風(fēng)干器和防雨罩,可減少輻射計(jì)天線屏蔽器上液態(tài)水累積,并將水膜造成的影響減至最小,滿足幾乎所有天氣條件下觀測(cè)需要。內(nèi)置的氣象傳感器還可測(cè)量地面氣溫、相對(duì)濕度、大氣壓以及降水。

2.2 邊界層風(fēng)廓線儀

CFL-03型邊界層風(fēng)廓線儀由中國(guó)航天科工集團(tuán)公司二院23所研制,2005年6月安裝在北京市海淀區(qū)海淀公園內(nèi),為業(yè)務(wù)運(yùn)行每日24小時(shí)提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。采用全固態(tài)發(fā)射機(jī)、數(shù)字中頻接收機(jī)等先進(jìn)技術(shù),能夠連續(xù)地獲取從距地面100 m到3600 m高度范圍每60 m高度層上的風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)通過與無線電聲探測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合,還可以獲得100～1500 m高度范圍內(nèi)的大氣溫度數(shù)據(jù),用于氣象預(yù)報(bào)、監(jiān)測(cè)大氣污染擴(kuò)散以及機(jī)場(chǎng)飛行氣象保障等。作為一種先進(jìn)的氣象探測(cè)系統(tǒng),風(fēng)廓線儀通過獲得大范圍內(nèi)的低空急流和降水前的風(fēng)場(chǎng)信息,對(duì)改善中小尺度天氣,預(yù)報(bào)雷暴的發(fā)展和移動(dòng)等有重要作用,可明顯提高短期和短時(shí)天氣預(yù)報(bào)能力(王欣等,2005)。

圖1 觀測(cè)設(shè)備基本情況示意圖Fig.1 Sketch map of the observation devices and their locations

3 雨霧共生天氣個(gè)例氣象要素分析

2007年10月26日,受高空槽和地面冷鋒共同影響,一條近東西向的冷鋒云系逐漸東移,其后部冷空氣向南擴(kuò)散,影響我國(guó)北方大部分地區(qū)。清晨北京、河北中東部、天津、遼寧、渤海灣、遼東灣、山東、安徽、江蘇、浙江北部地區(qū)出現(xiàn)大霧天氣,這也是入秋以來衛(wèi)星監(jiān)測(cè)到的范圍最大、影響最為嚴(yán)重的大霧天氣事件[圖2(見文后彩圖)]。

3.1 地面氣象要素變化

10月26日白天,京津冀、蘇皖地區(qū)許多地方的水平能見度不足百米。從圖3a地面逐小時(shí)水平能見度變化易看出,26日06時(shí)前后大霧最為嚴(yán)重,能見度只有80 m。到了27日10時(shí)以后,能見度迅速好轉(zhuǎn),大霧也隨之快速消散。

空氣濕度是霧形成與維持最重要影響因子之一。圖3a中能見度與相對(duì)濕度呈明顯的反相關(guān)且非常顯著,由

計(jì)算的相關(guān)系數(shù)超過0.8。低能見度的生成與相對(duì)濕度和相對(duì)濕度的變化趨勢(shì)都密切相關(guān)。雖然能見度與地面風(fēng)速間的關(guān)系比較復(fù)雜,二者相關(guān)系數(shù)不到0.3,但大霧形成時(shí)地面風(fēng)速通常都較弱,基本上都小于2.0 m/s或?yàn)殪o風(fēng)(圖3b)。

微波輻射計(jì)測(cè)量(第一層,海拔75 m)的近地面層含水量也與能見度的關(guān)系較密切。含水量越多,水平能見度往往也越差。二者相關(guān)系數(shù)約0.6。此次,大霧維持時(shí)低層含水量一般都低于0.2 g/m3。至于27日07:20后液水含量出現(xiàn)的短時(shí)的躍增(最大達(dá)1.4 g/m3),與該時(shí)段降雨有關(guān)。

10月26日夜間至27日白天,受東移云帶影響北京地區(qū)天氣轉(zhuǎn)陰,上空云量較多并伴有零星小雨,部分地區(qū)水平能見度依然較差。TP/WVP-3000微波輻射計(jì)的雨水感應(yīng)器監(jiān)測(cè)顯示,27日05:44～08:18和夜間分別監(jiān)測(cè)到明顯的降水物。自25日00時(shí)～27日20時(shí),車道溝自動(dòng)氣象站也僅在27日06時(shí)～08時(shí)和12時(shí)分別觀測(cè)到0.1～0.6 mm的6分鐘雨量(圖4),其中07:18～07:30時(shí)之間雨量最多,6分鐘雨量最大0.6 mm,等效于最大降雨強(qiáng)度6 mm/h。從地面水平能見度和降雨量變化的時(shí)間配置分析,27日06時(shí)地面水平能見度約800 m,弱降雨發(fā)生后,07時(shí)能見度觀測(cè)下降至600 m并一直維持到09時(shí)。由此可見,在霧的維持過程中,零星的弱降雨對(duì)改善能見度沒有顯著作用。

圖3 2007年10月25～27日地面相對(duì)濕度與水平能見度變化(a)和地面的風(fēng)速、含水量變化(b)Fig.3 Time series of(a)surface relative humidity,horizontal visibility,and(b)surface velocity,liquid water content from 0000 LST 25 Oct to 1200 LST 27 Oct 2007

圖4 2007年10月27日車道溝自動(dòng)氣象站6分鐘降雨量變化Fig.4 Time series of the 6-min rainfall at AWS(automatic weather station)Chedaogou on 27 Oct 2007

10月27日夜間,冷空氣補(bǔ)充南下,晚21時(shí)起京城還普降了雷雨,能見度逐漸好轉(zhuǎn),大霧減弱。

3.2 高空氣象要素變化

風(fēng)廓線儀探測(cè)的垂直速度還與降水強(qiáng)度存在一定的關(guān)系(Ecklund et al.,1995;阮征等,2002)。在有降水時(shí),風(fēng)廓線儀探測(cè)的朝向風(fēng)廓線儀垂直速度(為正值)越大,降水往往越強(qiáng)。以4 m/s的垂直速度作為判斷降水的閾值(楊引明和陶祖鈺,2003),從風(fēng)廓線儀探測(cè)的垂直速度廓線隨時(shí)間變化可見[圖5a(見文后彩圖)],07:18時(shí)之后,2.0 km以下垂直速度開始增大,07:30時(shí)以后均大于4 m/s,說明低層出現(xiàn)明顯的降雨。而在地面降雨發(fā)生前,07:18時(shí)高層的垂直速度向上逐漸增大,這是降水粒子增長(zhǎng)下落的結(jié)果。降雨強(qiáng)度在07:30時(shí)前后最大,700 m附近最大垂直速度近7 m/s。此后,高低層垂直速度迅速減小,至08:06時(shí)整個(gè)探測(cè)范圍垂直速度均小于4 m/s,明顯的降雨過程基本結(jié)束。風(fēng)廓線儀探測(cè)顯示的降雨量變化時(shí)間與車道溝自動(dòng)氣象站觀測(cè)基本一致。

比較風(fēng)廓線儀探測(cè)的垂直速度(降雨),從圖5b(見文后彩圖)微波輻射計(jì)遙測(cè)的液水含水量廓線可以看出,在沒有降雨發(fā)生時(shí),霧含水量較大,例如,07:06時(shí)霧含水量在1.5 km以下接近0.6 g/m3;此后霧上方云層液水含量逐漸增多,6.0 km以下范圍液水含量普遍高于0.5 g/m3,最大含量位于4.75 km高度,為1.6 g/m3。07:18～07:30時(shí)這段時(shí)間,2.0 km以下風(fēng)廓線儀探測(cè)垂直速度逐步增大,意味著地面降雨逐步臨近,至07:30時(shí)已經(jīng)產(chǎn)生降水,此時(shí)段低層1.5 km以下范圍液水含量不斷減小,從0.4 g/m3減小到接近0;降雨出現(xiàn)后,高層液水含量也迅速減小,在降雨最強(qiáng)時(shí)最大含水量只有0.5 g/m3;至降雨基本結(jié)束時(shí),6.0 km以下范圍各層液水含量大小接近,僅約0.1 g/m3。也就是說,在沒有產(chǎn)生地面降雨時(shí)霧含水量達(dá)到了接近0.6 g/m3的較高值,而降雨發(fā)生期間霧含水量明顯減少。這也表明了降雨對(duì)霧確有沖刷作用。

2007年10月26日～28日雨霧共生天氣中,在觀測(cè)到有明顯降雨時(shí)段,圖6a(見文后彩圖)位于2.5 km高度以下微波輻射計(jì)遙測(cè)的氣溫都高于0℃。另外,在600～900 m附近還存在逆溫層。由此可見,本次共生霧主要是暖霧。從10月27日溫度廓線的時(shí)間變化還可以看出,07:06至07:42時(shí)段,大約2 km高度以上,氣溫經(jīng)歷了整層升高和降低的過程。07:18時(shí)整層氣溫最高,同一高度上的氣溫變化最大近20℃,例如在6 km高度上,07:06時(shí)溫度約為-21.8℃,07:18時(shí)上升到-1.7℃,溫度大幅升高。07:30時(shí)整層氣溫降低,到07:42時(shí)整層氣溫與07:06時(shí)差不多。整層氣溫的一升一降與降水過程有關(guān)。從圖5b微波輻射計(jì)遙測(cè)的液水含量垂直分布看,07:06～07:18時(shí),2 km以上高空含水量明顯增加,極大值大約位至3～7 km高度間,尤其是07:18時(shí)云內(nèi)含水量極大值達(dá)到1.6 g/m3,云層高達(dá)10 km,而此時(shí)整層氣溫也最高。可以認(rèn)為氣溫的整層升高,除與天氣系統(tǒng)有關(guān)外,由于云層中含水量有大幅增加,應(yīng)該說與降水粒子形成增長(zhǎng)過程中釋放大量潛熱使空氣增溫也有一定關(guān)系。降雨出現(xiàn)時(shí),整層氣溫從最高值開始回落,伴隨降水高層含水量也開始減小,云和降水形成微物理過程趨于減弱,整層氣溫迅速降低。

從圖6b(見文后彩圖)微波輻射計(jì)遙測(cè)的相對(duì)濕度廓線來看,在07:06～07:42時(shí)段,相對(duì)濕度的垂直分布發(fā)生了明顯變化:在1.5～4.5 km高度層,明顯降水發(fā)生前,07:06時(shí)前后4.5 km以下整層空氣濕度高于90%,接近飽和,但云中含水量并不高;07:18時(shí),云層中相對(duì)濕度大幅降低,降至60%～80%,但含水量達(dá)到了極大值,從0.1 g/m3增加到1.6 g/m3,同時(shí)云層也發(fā)生了顯著增溫現(xiàn)象。水汽、溫度和相對(duì)濕度相互影響。從含水量、溫度和相對(duì)濕度的變化看,云層中水汽發(fā)生了大量凝結(jié),凝結(jié)過程釋放的潛熱增加了氣溫,消耗的水汽和增溫又降低了相對(duì)濕度。在1.5 km高度以下,基本上一直維持著100%的濕度,加上地面風(fēng)速小,霧故此非常濃厚。

此外,地面降雨發(fā)生后,高層空氣濕度仍然比開始時(shí)(07:06時(shí))低。而從最強(qiáng)降雨出現(xiàn)到明顯降雨基本結(jié)束時(shí),2.5 km高度以下氣層中一直存在空氣濕度達(dá)到了飽和(100%)的氣層,且飽和層上界高度隨著降雨的加強(qiáng)有所抬高,即飽和層的厚度加大,這可能是降水粒子在地面附近氣層蒸發(fā)的影響。近地面層大霧內(nèi)維持著很高的空氣濕度,這也使得地面水平能見度無法得以改善。降水對(duì)霧一方面有沖刷作用,另一方面降水蒸發(fā)所增加的濕度又有利于霧的維持。

4 雪霧共生天氣個(gè)例氣象要素分析

2007年12月26日,我國(guó)華北和東北地區(qū)南部由于冷空氣勢(shì)力較弱,加之低層大氣水汽充分,出現(xiàn)了持續(xù)性大霧天氣。連續(xù)的大霧也造成了北京市2007年入冬以來首次重度污染天氣。27日北京部分地區(qū)大霧能見度不足百米。隨著蒙古氣旋云系東移,受冷暖空氣共同影響,28日凌晨02時(shí)開始,北京大霧天氣中同時(shí)出現(xiàn)了降雪現(xiàn)象,05時(shí)左右降雪強(qiáng)度加大,降雪開始密集,08時(shí)前后陸續(xù)停止。上午09時(shí),隨著強(qiáng)冷空氣主體到來,大霧很快也全部被吹散。

根據(jù)融雪測(cè)站統(tǒng)計(jì),本次雪霧天氣最大降雪量出現(xiàn)在懷柔,達(dá)2.5 mm。北京城區(qū)則是小雪,降雪量多在0.5～1.0 mm。其中,海淀氣象站至28日08時(shí)降雪結(jié)束時(shí)累計(jì)降雪量1.2 mm,而車道溝自動(dòng)氣象站因非融雪測(cè)站降雪無法計(jì)量。TP/WVP-3000微波輻射計(jì)雨水感應(yīng)器在28日03:15～08:34時(shí)段也一直監(jiān)測(cè)到有明顯的降水物落下。

4.1 地面氣象要素變化

圖7a顯示,12月26日09～10時(shí)地面觀測(cè)水平能見度已減為1000 m,隨后緩慢增加,至16時(shí)改善至1500 m。而此后能見度又逐漸降低,到了27日09時(shí)形成大霧并長(zhǎng)時(shí)間地維持。大霧維持期間,在28日06時(shí)前后能見度有所提高,但很快又變差,即04～08時(shí)水平能見度經(jīng)歷了先增又減的過程。09時(shí)之后,隨著冷空氣主體到來,能見度陡增到3500 m,大霧隨之很快消散殆盡。

與前述雨霧共生例相同,高濕和小風(fēng)仍然是造成雪霧和低能見度的主要?dú)庀髼l件。圖7a地面相對(duì)濕度與能見度反相關(guān)比較顯著,二者相關(guān)系數(shù)近0.9。從12月27日09時(shí)開始,在大霧發(fā)展、能見度逐漸減小期間,相對(duì)濕度不斷增加,一直達(dá)到飽和;地面風(fēng)速較小,大多小于2.0 m/s(圖7b),但到了09時(shí)以后,風(fēng)速增強(qiáng)很快。近地面層的含水量與能見度之間也存在很好的反相關(guān),相關(guān)系數(shù)約0.9,在能見度降低大霧發(fā)展時(shí),含水量也在不斷增大。

比較地面降雪和水平能見度變化的時(shí)間可以發(fā)現(xiàn),在降雪相對(duì)密集的時(shí)段,即28日05時(shí)之后,地面能見度從500 m增加到06時(shí)的700 m,提高了200 m,再之后能見度又迅速減小,08時(shí)降至400 m。由于地面水平能見度的增加在時(shí)間上與降雪相對(duì)應(yīng),降雪過程對(duì)霧的沖刷可能提高了能見度。

圖7 2007年12月26～28日地面相對(duì)濕度與水平能見度變化(a)和地面的風(fēng)速、含水量變化(b)Fig.7 Time series of(a)surface relative humidity,horizontal visibility,and(b)surface velocity,liquid water content from 0300 LST 26 Dec to 1200 LST 28 Dec 2007

4.2 高空氣象要素變化

從圖8a風(fēng)廓線儀探測(cè)的垂直速度廓線變化看,12月28日降雪主要時(shí)段是05～08時(shí),從04時(shí)開始降雪強(qiáng)度在不斷加大。04時(shí)邊界層內(nèi)主要存在微弱的上升運(yùn)動(dòng),降水粒子下落不明顯。而05時(shí),3300 m高度以下基本上都存在明顯的下沉運(yùn)動(dòng),1200～3300 m下沉速度隨高度呈拋物線分布,最大下沉速度位于約2400 m高度,約為0.8 m/s,表明有明顯的降水粒子下落;從06時(shí)垂直速度廓線看,此時(shí)之前降雪強(qiáng)度又經(jīng)歷了加大的過程,06～07時(shí)前后垂直速度最強(qiáng),1700 m以下下沉速度都達(dá)到了1.0 m/s以上,反映出此時(shí)段地面降雪也相對(duì)較強(qiáng)。

對(duì)應(yīng)風(fēng)廓線儀探測(cè)的垂直速度,微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)的空中液水含量變化也顯示,隨著降雪臨近,6 km以下液水含量逐漸增多,04時(shí)到05時(shí)降雪明顯發(fā)生時(shí),整層含水量大幅度增加,同時(shí)極大值都位于近地面層。在300 m、700 m、1500 m和3000 m高度分別監(jiān)測(cè)到0.4 g/m3、0.5 g/m3、0.3 g/m3和0.1 g/m3四個(gè)峰值,低層液水含量較大。伴隨降雪加強(qiáng),低層液水含量隨之也迅速減少。至08時(shí),僅300 m高度以下還監(jiān)測(cè)有明顯液水,最大含量?jī)H0.1 g/m3。若將近地層液水含量視作霧的含水量,可見降雪對(duì)霧的沖刷作用促使了霧含水量有所降低。

從微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)的不同時(shí)次溫度廓線變化來看(圖9a),本次雪霧共生例地面至高空整層氣溫都低于0℃,屬冷霧;700 m高度以下位于冷霧層,氣溫變化不明顯,層結(jié)穩(wěn)定。同時(shí)也可以看到,高層溫度總體隨時(shí)間趨于降低,變化幅度較小,不似前述雨霧共生例高層溫度存在的大幅增降過程。

圖9b相對(duì)濕度廓線變化表明,在5 km以下高度,相對(duì)濕度在降雪過程中經(jīng)歷了先增加后降低的過程。04時(shí),接近50%的最小相對(duì)濕度位于4 km附近。隨著降雪強(qiáng)度加大;到了05時(shí),5 km以下整層相對(duì)濕度明顯增加;06～07時(shí)降雪又持續(xù)加強(qiáng),4 km高度以下相對(duì)濕度又有所增大;08時(shí)前后降雪結(jié)束,5 km高度以下相對(duì)濕度開始大幅度降低,最小值不到40%,這是中層干冷空氣侵入的結(jié)果。而不管降雪強(qiáng)度高低,2.5 km高度以下一直存在飽和層,且飽和層的頂部隨降雪過程變化。自04時(shí)至07時(shí),隨著降雪強(qiáng)度的加大,飽和層頂部不斷抬高,亦即相對(duì)濕度為100%的氣層厚度在不斷加大。從04時(shí)約1500 m抬升到07時(shí)的2500 m以上,也就是飽和層的厚度增加超過1000 m。而08時(shí)后降雪結(jié)束時(shí),水汽飽和層的頂部又回落到比原來頂高稍高的位置。

5 結(jié)論和討論

本文通過對(duì)2007年秋冬季雨霧、雪霧兩次共生霧天氣的地面和高空氣象要素變化分析,獲得如下結(jié)果:

圖8 2007年12月28日風(fēng)廓線儀探測(cè)垂直速度廓線(a)與微波輻射計(jì)遙測(cè)液水含量廓線(b)隨時(shí)間變化Fig.8 Changes of(a)vertical velocity observed from the wind profiler and(b)the liquid water content derived from the radiometer at different time on 28 Dec 2007

圖9 2007年12月28日微波輻射計(jì)遙測(cè)的溫度廓線(a)和相對(duì)濕度廓線(b)隨時(shí)間變化Fig.9 Profiles of(a)temperature and(b)relative humidity detected from the radiometer at different time on 28 Dec 2007

(1)高濕、小風(fēng)是雨霧和雪霧生成并造成地面低能見度的主要?dú)庀髼l件。大霧形成與維持過程中,地面水平能見度與相對(duì)濕度的反相關(guān)關(guān)系非常顯著;能見度越低時(shí),霧含水量也越高,也呈顯著的反相關(guān)關(guān)系;大霧形成時(shí),地面風(fēng)速通常都較弱。

(2)降雨或降雪過程對(duì)霧確有沖刷作用。較弱的降雨和降雪可以促使霧含水量減少,提高能見度,但降雨或降雪蒸發(fā)所增加的濕度又有利于霧的維持,對(duì)改善近地面層霧能見度不能起到顯著的作用。

(3)雨霧個(gè)例在降雨過程中,微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)到高層氣溫經(jīng)歷了大幅增降現(xiàn)象。除與天氣系統(tǒng)有關(guān)外,其與云層中水汽凝結(jié)釋放的大量潛熱和含水量大幅度增加也有關(guān)系。雪霧個(gè)例在降雪過程中,高層溫度總體隨著時(shí)間趨于降低,且變化幅度較小。

(4)雨霧和雪霧在降雨、降雪過程中低層一直存在水汽飽和層,且飽和層頂部伴隨降雨和降雪強(qiáng)度的加大而抬升,厚度不斷加大,造成地面水平能見度進(jìn)一步下降。這可能是降水蒸發(fā)增加空氣濕度的結(jié)果。

基于以上分析結(jié)果,較弱的降雨或降雪過程對(duì)消除暖霧、冷霧的影響有限,對(duì)改善地面水平能見度的作用并不顯著。這意味著采用播撒催化劑(吸濕劑或成冰劑等)的方法消霧,激發(fā)出的降水和碰并沖刷過程必須達(dá)到一定強(qiáng)度。催化劑的播撒劑量、形成的降水強(qiáng)度和造成的沖并作用可以用數(shù)值試驗(yàn)的方法做進(jìn)一步研究。此外,干冷空氣驅(qū)散大霧的快速且作用顯著,這也表明人工消除暖霧或冷霧實(shí)踐中可以綜合考慮動(dòng)力和熱力效應(yīng)。

致謝感謝北京市氣候中心軒春怡和北京市氣象臺(tái)魏東提供的相關(guān)地面自動(dòng)/人工氣象站觀測(cè)資料。

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圖2 2007年10月26日10:27(北京時(shí),下同)氣象衛(wèi)星霧的監(jiān)測(cè)Fig.2 Fog monitoring from the satellite NOAA-17 at 1027 LST 26 Oct 2007

圖5 2007年10月27日風(fēng)廓線儀探測(cè)垂直速度廓線(a)與微波輻射計(jì)遙測(cè)液水含量廓線(b)隨時(shí)間變化Fig.5 Changes of(a)vertical velocity observed from the wind profiler and(b)the liquid water content derived from the radiometer at different time on 27 Oct 2007

圖6 2007年10月27日微波輻射計(jì)遙測(cè)的溫度廓線(a)和相對(duì)濕度廓線(b)隨時(shí)間變化Fig.6 Profiles of(a)temperature and(b)relative humidity detected from the radiometer at different time on 27 Oct 2007

Analysis of Meteorological Elements in Rain/Snow-Mixed Fogs

LI Hongyu1,HU Zhaoxia2,and WEI Xiang3

1Beijing Weather Modif ication Of f ice,Beijing100089
2Institute of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences,Beijing100029
3Air Force Meteorological Center,Beijing100843

Data analysis from the multi-channel microwave radiometer,boundary layer wind profiler,and auto/artificial weather station observation in Beijing region,displays those changes of surface and upper-level meteorological elements accompanied with raining or snowing processes during the formation and maintenance of two rain/snow mixed events that occurred in the autumn and the winter of 2007,respectively.The results indicate that high humidity and light wind are the main meteorological conditions in favor of fog occurrence and causing low visibility too.During the fog formation and maintenance there is a distinct inverse correlation between the horizontal visibility and surface relative humidity.The lower the visibility is,the more abundant liquid water the fog contains.Lighter rain or snow could diminish the water content and then increase the visibility within the fog.On the other hand,rain or snow evaporates and subsequently the humidification will further benefit the maintenance of the fog.In the rainmixed fog,a significant increase/decline of the upper air temperature during the rain process is related to the re-leased latent heat of water vapor condensation and substantial increase of water content besides the possible influence of weather systems.While in the snow-mixed fog,the upper air temperature generally declines with the time in a quite small change range.A vapor-saturated layer during the raining or snowing processes is always observed in the low layer in both the fog cases.As precipitating gets stronger,the top of the saturated layer rises higher and the layer also gets thicker,with surface horizontal visibility reduced.In regard to alike mechanism between fog dispersal and precipitation stimulation,these cases results reveal that weaker rain or snow processes have only limited effects on the dissipation of warm fogs or cold fogs,in another word,it is less conducive to increasing the surface horizontal visibility.The analysis offers some enlightenment on the effects and techniques of fog dispersal with seeding agent.

fog mixed with rain/snow,meteorological elements,fog dispersal

1006-9895(2010)04-0843-10

P426

A

李宏宇,胡朝霞,魏香.2010.雨霧、雪霧共生天氣氣象要素分析[J].大氣科學(xué),34(4):843-852.Li Hongyu,Hu Zhaoxia,Wei Xiang.2010.Analysis of meteorological elements in rain/snow-mixed fogs[J].Chinese Journal of Atmospheric Sciences(in Chinese),34(4):843-852.

2009-08-28,2010-02-04收修定稿

國(guó)家科技支撐計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目2006BAC12B07、2006BAC12B04

李宏宇,男,1975年出生,博士,高級(jí)工程師,主要從事云和降水物理學(xué)研究。E-mail:lihy@bjmb.gov.cn