六盤(pán)山區(qū)霧的宏微觀(guān)特征分析

黨張利，褚永偉，滕 微*

（1.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏人工影響天氣中心，寧夏 銀川 750002）

霧是由大量懸浮在近地層空氣中的微小水滴或冰晶組成的能見(jiàn)度小于1 km 的天氣現(xiàn)象，是近地層空氣中水汽凝結(jié)（或凝華）的產(chǎn)物。持續(xù)的大霧天氣會(huì)嚴(yán)重影響交通安全及物流運(yùn)輸效率，甚至威脅電力供電安全。影響寧夏地區(qū)的霧有2 種：一種是平流霧，主要是由于暖濕空氣流經(jīng)冷的陸面，冷卻降溫而形成的霧；一種是輻射霧，主要是空氣因輻射冷卻，達(dá)到過(guò)飽和而形成的霧。輻射霧發(fā)生在晴朗、微風(fēng)、近地面、水汽比較充分的夜間或早晨，多形成于近地層輻射逆溫層中。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)霧展開(kāi)了多方面的研究，對(duì)不同區(qū)域霧的發(fā)生頻率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[1]，對(duì)不同區(qū)域霧發(fā)生的天氣類(lèi)型進(jìn)行了總結(jié)[2]，利用數(shù)值模擬方法研究了霧的形成機(jī)理[3]，并結(jié)合特種觀(guān)測(cè)資料，對(duì)霧微觀(guān)特征進(jìn)行了分析[4]。針對(duì)高山霧宏、微觀(guān)特征的研究主要集中在廬山、南嶺等地區(qū)[5-6]。寧夏地區(qū)李鳳琴等[7]對(duì)寧夏霧的天氣背景進(jìn)行了分析；納麗等[8]對(duì)寧夏霧的氣候特征進(jìn)行了分析；周翠芳等[9]對(duì)寧夏霧的時(shí)空分布和預(yù)報(bào)方法進(jìn)行了研究；張智等[10]對(duì)寧夏霧霾氣候變化進(jìn)行了研究。隨著六盤(pán)山區(qū)霧滴譜儀設(shè)備的運(yùn)行，筆者也對(duì)六盤(pán)山區(qū)霧宏、微觀(guān)特征展開(kāi)了一些研究[11]，但主要是針對(duì)個(gè)例資料進(jìn)行的分析。

六盤(pán)山氣象站位于寧夏固原市六盤(pán)山地區(qū)，海拔高度為2 842 m，年平均氣溫為1.5 ℃，年平均相對(duì)濕度為69%，年霧日數(shù)可達(dá)153.4 d。為探究六盤(pán)山云霧個(gè)性特征，六盤(pán)山、隆德、涇源氣象觀(guān)測(cè)站（以下簡(jiǎn)稱(chēng)六盤(pán)山站、隆德站、涇源站）安裝了前向散射能見(jiàn)度儀。2019 年基于六盤(pán)山地形云野外科學(xué)試驗(yàn)基地的建設(shè)，六盤(pán)山站院內(nèi)布設(shè)了一臺(tái)FM-120 霧滴譜儀，該設(shè)備可以對(duì)霧的微物理特征量進(jìn)行連續(xù)觀(guān)測(cè)。本文利用2014—2018 年六盤(pán)山站、隆德站、涇源站能見(jiàn)度儀觀(guān)測(cè)資料，對(duì)六盤(pán)山區(qū)霧發(fā)生的宏觀(guān)特征進(jìn)行分析；同時(shí)利用2019—2020 年六盤(pán)山站霧滴譜儀，對(duì)云霧滴譜微觀(guān)特征量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以期為今后人工消霧和云霧降水提供理論依據(jù)。

1 儀器簡(jiǎn)介

前向散射能見(jiàn)度儀是基于大氣顆粒物的前向散射原理設(shè)計(jì)而成的，其通過(guò)HY-V 35 能見(jiàn)度傳感器測(cè)量小體積空氣對(duì)光的散射系數(shù)，得到采樣氣體的消光系數(shù)，從而獲得氣象光學(xué)能見(jiàn)度。FM-120 霧滴譜儀由美國(guó)DMT 公司生產(chǎn)，可觀(guān)測(cè)粒徑為2～50 μm，采樣面積為0.24 mm2，采樣頻率為1 Hz，核心部件為固態(tài)激光二極管。霧滴譜儀是通過(guò)激光前向散射技術(shù)測(cè)量云霧粒徑分布的光學(xué)儀器，能夠?qū)崟r(shí)運(yùn)算并顯示粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、有效直徑和中值體積直徑等測(cè)量參數(shù)。粒子數(shù)濃度是單位體積內(nèi)某粒子的個(gè)數(shù)；液體水質(zhì)量濃度是單位體積的空氣中所含有液態(tài)水的質(zhì)量；將取樣霧滴按體積大小順序進(jìn)行累積，中值體積直徑是指累積值為取樣霧滴體積總和的50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的霧滴直徑；當(dāng)顆粒的某一物理特性與同質(zhì)球形顆粒相同或相近時(shí)，用該球形顆粒的直徑代表這個(gè)實(shí)際顆粒的直徑，該球形顆粒的直徑即為有效直徑。霧滴譜儀的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 FM-120 霧滴譜儀技術(shù)參數(shù)表

2 資料與方法

本文根據(jù)能見(jiàn)度儀和雨量計(jì)觀(guān)測(cè)結(jié)果，將六盤(pán)山站1 年的天氣過(guò)程分為無(wú)霧過(guò)程、有霧有降水過(guò)程和有霧無(wú)降水過(guò)程，能見(jiàn)度≤1.0 km 記為霧過(guò)程，降水量≥0.1 mm 記為降水過(guò)程，霧過(guò)程挑選標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)3 h 分鐘能見(jiàn)度≤1.0 km，無(wú)霧過(guò)程是連續(xù)3 h 能見(jiàn)度＞1.0 km。在發(fā)生霧過(guò)程期間，只要出現(xiàn)降水，就將該過(guò)程確定為有霧有降水過(guò)程?；陟F和降水過(guò)程的挑選方法，本文對(duì)隆德站、涇源站、六盤(pán)山站2014—2018 年能見(jiàn)度資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析六盤(pán)山區(qū)霧年、月、日變化特征，同時(shí)對(duì)六盤(pán)山站2019 年12 月1 日至2020 年11 月30 日能見(jiàn)度資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，確定無(wú)霧過(guò)程、有霧有降水過(guò)程和降水過(guò)程，分析不同能見(jiàn)度和降水過(guò)程云的霧滴譜特征。

3 霧的宏觀(guān)統(tǒng)計(jì)特征

2014—2018 年六盤(pán)山區(qū)霧具有明顯的年、月、季、日變化特征，如圖1 所示。六盤(pán)山站霧日數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于隆德站和涇源站。六盤(pán)山區(qū)年平均霧日數(shù)為53.7 d；六盤(pán)山站5 年累計(jì)霧日數(shù)為667 d，涇源站為131 d，隆德站為7 d（圖1a）。六盤(pán)山站在2018 年出現(xiàn)霧日數(shù)最多，高達(dá)158 d；2016 年出現(xiàn)霧日數(shù)最少，為105 d。涇源站在2015 年出現(xiàn)霧日數(shù)最多，為30 d；2016 年出現(xiàn)霧日數(shù)最少，為22 d。隆德站年累計(jì)出現(xiàn)霧日數(shù)為7 d，2017 年未出現(xiàn)霧天，2014—2016 年出現(xiàn)霧日數(shù)均為2 d。六盤(pán)山區(qū)的霧過(guò)程具有明顯的月變化，2014—2018 年月平均累計(jì)出現(xiàn)霧日數(shù)為62.1 d。六盤(pán)山站月平均累計(jì)出現(xiàn)霧日數(shù)為55.6 d，涇源站為10.9 d，隆德站為0.6 d（圖1b）。六盤(pán)山站9 月平均累計(jì)出現(xiàn)霧日數(shù)最多，為87 d；涇源站10 月平均累計(jì)出現(xiàn)霧日數(shù)最多，為28 d；隆德站11 月平均累計(jì)出現(xiàn)霧日數(shù)最多，為3 d。此外，六盤(pán)山區(qū)霧具有明顯的季節(jié)變化。六盤(pán)山站、隆德站、涇源站秋季出現(xiàn)霧日數(shù)的頻率最高。其中，六盤(pán)山站秋季出現(xiàn)霧日數(shù)為43.6 d，涇源站為12.6 d，隆德站不到1 d。六盤(pán)山站冬季出現(xiàn)霧日數(shù)最低，涇源站和隆德站夏季出現(xiàn)霧日數(shù)最低。另外，霧的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)易受值班人員的影響，白天數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高，08:00—20:00 以外的觀(guān)測(cè)次數(shù)明顯減少。隆德站、涇源站、六盤(pán)山站在08:00出現(xiàn)霧的頻次最高。六盤(pán)山站08:00 平均出現(xiàn)霧日數(shù)為88 d，14:00—15:00 平均出現(xiàn)霧日數(shù)最少，為69.6 d；涇源站平均出現(xiàn)霧日數(shù)最多的時(shí)刻也是08:00，為19.2 d，13:00—14:00 平均出現(xiàn)霧日數(shù)最少，為6.6 d；隆德站僅在08:00—11:00 出現(xiàn)霧，其中08:00 也是出現(xiàn)霧次數(shù)最多的時(shí)刻（圖1c）。

圖1 2014—2018 年六盤(pán)山區(qū)霧的年、月、日變化

綜上所述，六盤(pán)山區(qū)秋季霧變化最多，六盤(pán)山站霧最少日數(shù)出現(xiàn)在冬季，隆德站和涇源站霧最少日數(shù)出現(xiàn)在夏季。在08:00—20:00 時(shí)段，08:00 是六盤(pán)山區(qū)霧日數(shù)最多的時(shí)刻，午后出現(xiàn)霧日數(shù)最少，隆德站以輻射霧為主。

4 霧的微觀(guān)統(tǒng)計(jì)特征

本文基于六盤(pán)山站DNQ 1 前向散射能見(jiàn)度儀和FM-120 霧滴譜儀觀(guān)測(cè)結(jié)果，對(duì)2019 年12 月1日至2020 年11 月30 日六盤(pán)山站50 次低能見(jiàn)度云霧天氣過(guò)程（30 次有霧有降水過(guò)程，20 次有霧無(wú)降水過(guò)程）和124 次非霧過(guò)程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

六盤(pán)山站霧滴譜儀年平均粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、中值體積直徑、有效直徑分別為37.74 個(gè)/cm3，0.01 g/m3，3.40 μm，3.18 μm。有霧期間平均粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、中值體積直徑、有效直徑分別為138.65 個(gè)/cm3，0.03 g/m3，7.03 μm，6.57 μm；無(wú)霧期間以上各物理量分別為0.38 個(gè)/cm3，0 g/m3，1.55 μm，1.50 μm；有霧無(wú)降水期間粒子數(shù)濃度為10.29～234.80 個(gè)/cm3，液態(tài)水質(zhì)量濃度為0～0.03 g/m3，中值體積直徑為2.26～8.61 μm，有效直徑為2.10～7.81 μm；有霧有降水期間粒子數(shù)濃度為75.08～471.81 個(gè)/cm3，液態(tài)水質(zhì)量濃度為0.01～0.14 g/m3，中值體積直徑為5.56～16.05 μm，有效直徑為5.38～14.42 μm。

由此可見(jiàn)，有霧階段霧滴粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、中值體積直徑、有效直徑均大于無(wú)霧階段，霧滴譜各個(gè)微物理特征量的變化情況與有霧階段一致，也表明有霧階段的微物理特征量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)霧階段。六盤(pán)山站霧滴譜的月變化情況如圖2 所示。由圖2 可知，六盤(pán)山站霧滴粒子數(shù)濃度較大的月份為8—12 月，粒子數(shù)濃度最大的月份是11 月，為100.93 個(gè)/cm3；液態(tài)水質(zhì)量濃度最大的月份是9 月，為0.08 g/m3；有效直徑和中值體積直徑最大的月份也是9 月，為8.5～9.5 μm。有霧階段粒子數(shù)濃度最大的月份是11 月，為342.15 個(gè)/cm3；液態(tài)水質(zhì)量濃度最大的月份是8 月，為0.09 g/m3；有效直徑和中值體積直徑最大的月份是8—10 月，為9.5～10.7 μm。無(wú)霧階段粒子數(shù)濃度的量級(jí)基本為100個(gè)/cm3，液態(tài)水質(zhì)量濃度的量級(jí)為10-5～10-6g/m3，有效直徑和中值體積直徑為0.2～3.5 μm。

圖2 六盤(pán)山站霧滴譜的月變化

六盤(pán)山站霧滴譜的日變化情況如圖3 所示。由圖3 可知，有霧階段霧滴粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、中值體積直徑、有效直徑均大于無(wú)霧階段?？傮w情況：粒子數(shù)濃度夜間較大，其值最大的時(shí)段是01:00—04:00 和18:00—22:00，為60～70 個(gè)/cm3；液態(tài)水質(zhì)量濃度最大的時(shí)段是18:00—19:00，為0.04～0.05 g/m3；有效直徑和中值體積直徑變化較平穩(wěn)，其值最大的時(shí)段是06:00—07:00，為4～6 μm。有霧階段各物理量的變化與總體情況一致，但量值明顯要大，其中粒子數(shù)濃度最大值為136.80 個(gè)/cm3（03:00），液態(tài)水質(zhì)量濃度最大值為0.09 g/m3（19:00），有效直徑和中值體積直徑最大值分別為11.83 μm，10.83 μm（07:00）。

圖3 六盤(pán)山站霧滴譜的日變化

六盤(pán)山站云霧譜分布情況如圖4 所示。由圖4可知，云滴譜呈單峰分布，與之前的分析結(jié)果一致，有霧期間粒子數(shù)濃度的量級(jí)是無(wú)霧期間的102倍。有霧階段粒徑峰值為6 μm，對(duì)應(yīng)的霧滴數(shù)濃度為33.64 cm-3·μm-1；非降水時(shí)，云霧滴譜的峰值粒徑為5 μm，對(duì)應(yīng)的霧滴數(shù)濃度為0.11 cm-3·μm-1。在峰值粒徑2～7 μm 處，有降水和無(wú)降水時(shí)的霧滴譜完全吻合；隨著粒徑的增大，兩者的粒子數(shù)濃度差值越來(lái)越大，在20 μm 處達(dá)到最大值。

圖4 六盤(pán)山站云霧譜分布

5 結(jié)論

（1）六盤(pán)山區(qū)霧具有明顯的年、季、月、日變化特征。2014—2018 年六盤(pán)山區(qū)年平均出現(xiàn)霧日數(shù)為53.7 d，月平均出現(xiàn)霧日數(shù)為22.4 d，秋季出現(xiàn)霧日數(shù)最多，08:00 出現(xiàn)霧日數(shù)頻次最高，08:00 —20:00出現(xiàn)霧日數(shù)頻次最少。六盤(pán)山站年霧日數(shù)最高為158 d，9 月霧出現(xiàn)日數(shù)最多，為87 d；隆德站僅在08:00—11:00 出現(xiàn)霧，由能見(jiàn)度觀(guān)測(cè)資料可知，隆德站霧是由于輻射冷卻形成的。

（2）六盤(pán)山站有霧階段的粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無(wú)霧階段，2 個(gè)階段的粒子數(shù)濃度相差102個(gè)量級(jí)，液態(tài)水質(zhì)量濃度相差103個(gè)量級(jí)。粒徑雖然都在小滴范圍，但有霧階段的粒徑為5～6 μm，而無(wú)霧階段的粒徑為0.1～3.5 μm。

（3）六盤(pán)山站霧滴譜具有明顯的月、日變化特征。霧滴粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度以及粒徑高值月份為8—10 月，粒子數(shù)濃度和液態(tài)水質(zhì)量濃度日高值時(shí)段為18:00—20:00，粒徑高值時(shí)段為06:00—07:00。霧滴譜呈單峰分布，無(wú)霧階段的峰值粒徑小于霧發(fā)生時(shí)的霧滴粒徑，有霧有降水時(shí)的中滴和大滴粒子數(shù)濃度高于有霧無(wú)降水時(shí)。