劉霖蔚，牛生杰，劉端陽，陸春松

(南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044)

南京冬季濃霧的演變特征及爆發(fā)性增強(qiáng)研究

劉霖蔚，牛生杰，劉端陽，陸春松

(南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044)

2007年12月18—19日，南京地區(qū)出現(xiàn)了一次持續(xù)20 h的濃霧過程，其中能見度低于50 m的強(qiáng)濃霧幾乎占到整個(gè)霧過程的1/3。利用同期在南京市北郊的外場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合NCEP再分析資料，分析了該次霧的演變過程、微物理結(jié)構(gòu)及邊界層特征，探討了地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)的成因。結(jié)果表明:本次霧在西南平流的增濕作用下觸發(fā)生成;日出后，平流輸送和地表蒸發(fā)提供了充足水汽來源，貼地層逆溫因高空下沉增溫而向上抬升且穩(wěn)定存在，因此大霧得以維持;整個(gè)霧過程中霧滴數(shù)濃度、平均直徑、含水量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，平均譜曲線均呈指數(shù)下降分布，霧滴集中在小滴端;兩次地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)均發(fā)生在夜間，其特征為各微物理參量明顯增大，滴譜上抬拓寬;爆發(fā)性增強(qiáng)的原因是地表氣溫陡降、貼地層逆溫增強(qiáng)及可充當(dāng)霧滴凝結(jié)核的氣溶膠大粒子數(shù)增多。

濃霧;平流輸送;逆溫;爆發(fā)性增強(qiáng);南京

0 引言

霧是貼地層空氣中懸浮著大量水滴或冰晶微粒而使水平能見距離低于1 km以下的天氣現(xiàn)象(李子華等，2008)1。根據(jù)能見度距離可將霧劃分為3個(gè)等級(jí)(中國氣象局，2003):能見度大于0.5 km小于1.0 km為霧，大于0.05 km小于0.5 km為濃霧，小于0.05 km為強(qiáng)濃霧。濃霧直接影響著交通安全(劉聰?shù)龋?009)，會(huì)造成航班延誤、高速封路、輪渡停航，甚至導(dǎo)致重大交通事故發(fā)生。霧發(fā)生時(shí)伴隨的逆溫結(jié)構(gòu)加劇近地層空氣污染，危害人體健康，且酸霧會(huì)對(duì)建筑物、農(nóng)作物造成損害。此外，電網(wǎng)霧閃引起的供電中斷也給人們生活帶來極大不便。因此，霧作為一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象受到了越來越廣泛的關(guān)注。

為了研究霧的生消機(jī)制、物理化學(xué)過程及評(píng)估霧模式效果，國外在過去數(shù)十年間組織了多次觀測(cè)實(shí)驗(yàn):如美國加州西海岸的Cooperative Experiment in West Coast Oceanography and Meteorology項(xiàng)目(Leipper，1994)，使用了可以涵蓋海陸網(wǎng)中微尺度氣象過程的多種儀器進(jìn)行探測(cè)，并采用數(shù)值模擬進(jìn)行補(bǔ)充研究;Fuzzi et al.(1992)在意大利北部波河河谷霧實(shí)驗(yàn)中研究了多相霧系統(tǒng)的物理化學(xué)特性;Gultepe et al.(2009)結(jié)合地表觀測(cè)、衛(wèi)星遙感和預(yù)報(bào)模式在加拿大開展了Fog Remote Sensing and Modeling項(xiàng)目，以提高霧預(yù)報(bào)及臨近預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。國內(nèi)在各地也相繼開展了多個(gè)外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)(李子華，2001;Niu et al.，2010)，許多學(xué)者從氣候特征(童堯青等，2009;周偉燦和魏煒，2010)、物理生消機(jī)制(嚴(yán)文蓮等，2009)、霧水化學(xué)(封洋等，2009)、衛(wèi)星遙感(孫涵等，2004)以及數(shù)值模擬(周梅等，2008;萬小雁等，2010)等方面進(jìn)行了研究。李子華和吳君(1995)發(fā)現(xiàn)，空氣嚴(yán)重污染地區(qū)存在霧滴數(shù)密度大、尺度小的特征，氣溶膠粒子會(huì)影響霧微物理結(jié)構(gòu);黃玉生等(2000)認(rèn)為，研究霧要將宏微觀物理過程結(jié)合起來;黃建平等(1998)指出，逆溫層對(duì)霧形成及維持起著重要作用，而霧的出現(xiàn)又反過來對(duì)大氣邊界層氣象要素的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。但是霧過程的復(fù)雜性在于它受到了跨越多種時(shí)空尺度的不同因素的共同影響，包括霧滴微物理過程、氣溶膠化學(xué)、輻射、湍流混合、大小尺度動(dòng)力過程、下墊面狀況等(Gultepe et al.，2007)，至今這些因素間復(fù)雜的相互作用都未被完全了解，仍需進(jìn)一步研究。

霧爆發(fā)性增強(qiáng)，是指在很短時(shí)間內(nèi)(一般小于30 min)霧突變?yōu)闈忪F(能見度小于500 m)，或濃霧躍增為強(qiáng)濃霧(能見度小于50 m)(李子華等，2008)47。它所引發(fā)的能見度急速下降極易造成汽車追尾、船舶相撞等交通事故。因此，分析研究地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)的物理化學(xué)過程及成因，有助于更加準(zhǔn)確地判斷能見度惡化的趨勢(shì)、及時(shí)發(fā)布預(yù)警信號(hào)，具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。國內(nèi)學(xué)者做過這方面的研究，如:濮梅娟等(2001，2008)指出霧體爆發(fā)性增強(qiáng)，本質(zhì)上是霧滴爆發(fā)性增多、增大，含水量也隨之增大，滴譜變寬，核化、凝結(jié)、碰并作用活躍;陸春松等(2010)分析發(fā)現(xiàn)，下沉運(yùn)動(dòng)的增溫作用促使低層逆溫增強(qiáng)，水汽累積，加上近地層冷平流作用引發(fā)降溫，共同導(dǎo)致了地面霧迅速增強(qiáng);Liu et al.(2011)研究發(fā)現(xiàn)，日出后近地層氣溫迅速降低，地表蒸發(fā)水汽供應(yīng)充足，同時(shí)湍流作用增強(qiáng)，造成滴譜加寬，地面霧爆發(fā)性發(fā)展。以上研究雖取得了豐碩成果，但總體來說，對(duì)地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)的特征及成因并未充分了解，其理論有待進(jìn)一步豐富。

基于上述分析，本文擬對(duì)南京地區(qū)2007年12月18—19日濃霧的物理演變過程和地面霧兩次爆發(fā)性增強(qiáng)現(xiàn)象進(jìn)行綜合分析，以揭示霧生成、維持的機(jī)理，并對(duì)霧爆發(fā)性增強(qiáng)的特征與成因有所了解。

1 外場(chǎng)觀測(cè)概況與資料選取

2007年11月15日至12月29日，在江蘇省南京市北郊的南京信息工程大學(xué)西苑田徑場(chǎng)(118.7°E，32.2°N)進(jìn)行了霧的綜合外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，觀測(cè)點(diǎn)附近有石化廠、鋼鐵廠、熱電廠、在建樓房及氮肥加工廠等潛在污染排放源。表1列出了觀測(cè)期間使用的主要儀器設(shè)備。水平能見度觀測(cè)采用的是ZQZ-DN型能見度儀，該儀器是江蘇無線電科學(xué)研究所根據(jù)世界氣象組織發(fā)布的“儀器與觀測(cè)方法指南”，利用測(cè)量前向散射角33°的散射光強(qiáng)度經(jīng)處理后轉(zhuǎn)換成能見度值的原理研制而成。霧微物理結(jié)構(gòu)探測(cè)使用的是FM-100型霧滴譜儀，該儀器基于前向光散射原理來測(cè)量霧滴尺度和數(shù)濃度，能夠測(cè)得的霧滴直徑范圍是2～50 μm。本文對(duì)霧滴譜資料進(jìn)行了1 min平均處理，以期消除儀器噪音對(duì)數(shù)據(jù)的可能影響，共得到1 227組樣本。地面常規(guī)氣象要素由自動(dòng)氣象站獲得。邊界層探測(cè)采用的是DigiCORA系留氣艇探測(cè)系統(tǒng)，在天氣條件允許的情況下(如風(fēng)速≤8 m/s)，無霧時(shí)一般每3 h觀測(cè)一次，有霧時(shí)加密為1～1.5 h觀測(cè)一次，最大探測(cè)高度能達(dá)到1 200 m左右。本文以相對(duì)濕度100%作為霧頂?shù)慕缍?biāo)準(zhǔn)。另外還使用了寬范圍粒子譜儀(WPS-1000XP)監(jiān)測(cè)10 nm～10 μm范圍的大氣氣溶膠粒子。

表1 觀測(cè)儀器概況Table 1 The instrument and measurement

2007年12月18—19日，南京地區(qū)經(jīng)歷了入冬以來強(qiáng)度最大的一場(chǎng)霧，歷時(shí)20 h，其中低于50 m的強(qiáng)濃霧過程持續(xù)了6.5 h，幾乎占到整個(gè)霧過程1/3的時(shí)長(zhǎng)(表2)。江蘇省氣象臺(tái)在19日清晨2 h內(nèi)相繼發(fā)布了4次預(yù)警，最高為大霧紅色預(yù)警。這次大霧對(duì)全市人民的生活出行造成了嚴(yán)重影響，南京周邊各大高速相繼封閉，長(zhǎng)江南京段禁航，機(jī)場(chǎng)航班停開，多條公交線路被迫停駛或緩行。本文利用外場(chǎng)觀測(cè)資料、Micaps天氣圖資料及NCEP(1°×1°)FNL數(shù)據(jù)對(duì)該次濃霧過程進(jìn)行研究。文中所用時(shí)間均為北京時(shí)間。

表2 2007年12月18—19日霧過程的地面能見度與氣象要素Table 2 The horizontal visibility and meteorological elements at surface during the fog event occurred on Demcember 18—19，2007

2 霧過程

2007年12月16—17日南京地區(qū)出現(xiàn)了降水過程，土壤含水量較大。18日凌晨曾出現(xiàn)輻射霧，持續(xù)到上午消散，繼而在近地面轉(zhuǎn)化為霾。高空天氣圖上，18日08時(shí)，500 hPa日本海上空有一低槽，槽底伸至32°N附近，南京受槽后西北氣流控制，850 hPa上受東北氣流影響。于18日16:06南京地區(qū)開始出現(xiàn)霧。18日20時(shí)500 hPa上南京位于商丘、荊州、常德一帶低槽的槽前西南暖濕氣流中，850 hPa上也為弱西南風(fēng)，至21:20地面能見度低于500 m，濃霧形成。19日08時(shí)，500 hPa上低槽東移至鹽城、宣城、景德鎮(zhèn)一帶，南京地區(qū)位于槽后，500 hPa、700 hPa及850 hPa均為一致的西北氣流，冷平流有所發(fā)展，天氣形勢(shì)穩(wěn)定，地表接受太陽輻射升溫明顯，至12:32大霧消散。地面天氣圖上，18—19日南京一直處于均壓場(chǎng)或等壓線稀疏接近于均壓場(chǎng)的區(qū)域中，風(fēng)力十分微弱。

2.1 地面霧生消過程

根據(jù)能見度、相對(duì)濕度及含水量的變化，將本次霧過程劃分為4個(gè)階段。圖1a—e給出了能見度、相對(duì)濕度、氣溫、風(fēng)速風(fēng)向隨時(shí)間的演變曲線，可以看到:

1)生成階段(18日16:06—17:22)。18日16:06水平能見度降至1 000 m以下。由于較低的環(huán)境相對(duì)濕度(＜95%)，所以初期的低能見度可能是因霾所致(吳兌，2006)。隨著地面氣溫持續(xù)下降，且風(fēng)向轉(zhuǎn)為穩(wěn)定的南風(fēng)，環(huán)境相對(duì)濕度逐漸升高，而風(fēng)速較小，湍流較弱，懸浮于空氣中的大量霾粒子不易消散，于是吸濕成為霧滴群。

2)發(fā)展階段(18日17:23—19日01:46)。霧形成后的數(shù)小時(shí)內(nèi)，能見度在500～825 m之間起伏變化，總體呈下降趨勢(shì)。21:20相對(duì)濕度達(dá)100%，能見度降至500 m以下，濃霧彌漫。19日01:41起地面平均降溫率顯著增大，同時(shí)能見度由01:42的197 m驟降至01:46的15 m，霧第一次爆發(fā)性增強(qiáng)。

3)成熟階段(19日01:47—11:22)。03:20之前地面基本穩(wěn)定維持著15 m的低能見度。03:20至04:40，因霧層增厚(圖1f)導(dǎo)致的向下長(zhǎng)波輻射增強(qiáng)及偏南暖氣流(圖1e、圖2)共同影響，地面氣溫振蕩回升，能見度隨之好轉(zhuǎn)。04:46能見度再次降至50 m以內(nèi)，地面霧經(jīng)歷了第二次爆發(fā)性增強(qiáng)。直到19日09:08，該強(qiáng)濃霧期才結(jié)束。

4)消散階段(19日11:23—12:32)。隨著下墊面接受太陽輻射，地面霧層溫度持續(xù)上升，湍流運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，霧滴蒸發(fā)，能見度迅速升高，至12:32地面水平能見度達(dá)到1 km，霧消散。

由表2可見，本次霧過程地面風(fēng)向多為偏南，這有利于水汽輸送，使?jié)穸纫恢本S持在較高水平。平均風(fēng)速只有0.3 m/s，微風(fēng)利于霧的形成及維持(Taylor，1917;Niu et al.，2010)。

圖1 2007年12月18—19日霧過程中地面氣象要素隨時(shí)間的變化(a.能見度;b.相對(duì)濕度;c.氣溫;d.風(fēng)速;e.風(fēng)向)及不同時(shí)次探測(cè)到的霧頂高度(f)Fig.1 The temporal variations of meteorological elements at surface(a.horizontal visibility;b.relative humidity;c.temperature;d.wind speed;e.wind direction)and(f)thickness of fog bodies detected at different time during the fog event occurred on December 18—19，2007

圖2 2007年12月18—19日霧過程中探測(cè)到的風(fēng)矢量的時(shí)間—高度剖面(箭矢代表風(fēng)向，線段長(zhǎng)短代表風(fēng)速大小)Fig.2 Time-height cross-section of wind vector during the fog event occurred on December 18—19，2007(arrowhead denotes wind direction and length of line denotes wind speed)

2.2 地面霧的微物理結(jié)構(gòu)

如前所述，本次霧過程中能見度約1/3時(shí)間低于50 m，而霧滴含水量、數(shù)濃度是影響能見度的重要因子(Gultepe et al.，2006)。霧中含水量主要依賴于霧滴譜的分布，霧滴譜被認(rèn)為是反映霧微物理特征的重要參數(shù)之一(王庚辰，1981)，平均霧滴譜則反映出霧微物理結(jié)構(gòu)的總體特征(黃玉生等，2000)。根據(jù)前面劃分的4個(gè)階段，圖3a—c給出了各微物理參量隨時(shí)間的變化，圖3d給出了各階段平均譜分布和整個(gè)霧過程平均譜分布，可見:

1)形成階段，由于空氣中絕大多數(shù)為霾粒子或尺度較小的霧滴，平均直徑較小，均值為3.1 μm，含水量值僅為10－4g/m3數(shù)量級(jí)，滴譜也較窄，最大直徑僅為17.4 μm。

2)發(fā)展階段，隨著地面氣溫緩慢下降，數(shù)濃度、含水量振蕩上升，19日01:41起氣溫急劇下降，各微物理參量迅速增大，核化、凝結(jié)物理過程十分活躍，地面霧第一次爆發(fā)性增強(qiáng)，能見度跌至50 m以下。滴譜整體上抬，譜寬增寬至25.0 μm。

3)成熟階段，存在2個(gè)非常顯著的起伏變化。第1個(gè)起伏變化中(01:47—04:38)，在前面霧爆發(fā)性增長(zhǎng)基礎(chǔ)上，各微物理參量先是在較高水平小幅度起伏振蕩，同時(shí)能見度維持低值，隨后地面氣溫振蕩回升，導(dǎo)致霧滴蒸發(fā)，平均直徑變小，核化過程減弱，數(shù)濃度降低，含水量隨之減少，能見度振蕩轉(zhuǎn)好。第2個(gè)起伏變化中(04:39—11:22)，霧再次爆發(fā)性增強(qiáng)，能見度急降至50 m以內(nèi)。日出前地面因夜間強(qiáng)烈的長(zhǎng)波輻射冷卻，氣溫大多維持在1℃以下，空氣的過飽和度相對(duì)較高，利于霧滴凝結(jié)增長(zhǎng)，數(shù)濃度、平均直徑及含水量分別在380 cm－3、6.1 μm、0.210 g/m3附近振蕩維持;日出后雖地面氣溫升高(圖1c)且風(fēng)速顯著增大(圖1d)，但因地面及低空強(qiáng)勁的暖濕平流作用(圖1e、圖2)，各微物理參量并未急劇減少，而是相對(duì)較緩地下降，能見度也維持著低值。成熟時(shí)期各檔霧滴數(shù)均增長(zhǎng)至最大，譜寬拓寬至47.0 μm，譜線向大滴方向移動(dòng)，說明此階段霧中除了核化、凝結(jié)增長(zhǎng)過程，還通過碰并作用產(chǎn)生了大滴。值得注意的是，雖碰并作用消耗了小滴，但小滴數(shù)目不減反增，這與王庚辰(1981)、劉端陽等(2009)觀測(cè)到的因碰并造成大滴增長(zhǎng)、小滴減少的現(xiàn)象有所不同，但與Niu et al.(2010)的研究發(fā)現(xiàn)一樣，其原因是此時(shí)期水汽供應(yīng)與凝結(jié)核數(shù)量均十分充足，強(qiáng)盛的核化、凝結(jié)作用所產(chǎn)生的新霧滴不僅補(bǔ)償了碰并過程所造成的霧滴損耗，還有盈余使得霧滴總數(shù)目增長(zhǎng)。

4)消散階段，隨著溫度持續(xù)升高，霧滴蒸發(fā)，各微物理參量均顯著減小，滴譜迅速下降變窄，譜寬僅為14.7 μm，能見度迅速轉(zhuǎn)好。

整體而言，霧滴總數(shù)濃度、平均直徑、含水量三者變化趨勢(shì)基本一致。霧滴數(shù)濃度范圍為1～1 222 cm－3，平均為133 cm－3，平均直徑范圍為2.9～7.4 μm，平均值僅為3.9 μm，含水量范圍為0.000 1～0.496 0 g/m3，均值為0.042 0 g/m3。各階段的平均譜曲線均偏向小滴一端，成熟階段雖滴譜最寬，但大于25.0 μm的大滴數(shù)密度依然較小。

2.3 邊界層演變特征

圖1f是系留氣艇測(cè)得的霧頂高度隨時(shí)間的變化，圖2和圖4a分別是邊界層風(fēng)矢量和氣溫的時(shí)空演變圖，可以看到:

圖3 2007年12月18—19日霧過程中各微物理參量隨時(shí)間的演變(a.數(shù)濃度;b.平均直徑;c.含水量)與各階段譜分布及平均譜分布(d)Fig.3 The temporal evolutions of microphysical parameters(a.number concentration;b.average diameter;c.liquid water content)and(d)droplet spectrum distributions in various phases and average spectrum of the whole fog process on December 18—19，2007

1)形成階段，1 020 m高度以內(nèi)無逆溫出現(xiàn)，而中低空(200～500 m)西南氣流卻在不斷向地面發(fā)展，與之配合，同樣高度出現(xiàn)了一個(gè)約為4 m/s的大值風(fēng)速區(qū)，帶來了大量水汽，其強(qiáng)烈的增濕作用對(duì)觸發(fā)霧的生成提供了有利條件。值得注意的是，形成期霧頂就很高，最高達(dá)到了590 m，這很可能是由于18日凌晨到19日上午的輻射霧消散后，雖地面水平能見度轉(zhuǎn)好，但由于高空約600 m處強(qiáng)逆溫的存在(圖略)，使得地面霧抬升成為低云，這樣19日下午因暖濕平流作用在低空形成的霧與其上的低云聯(lián)成一體成為霧區(qū)，造成此時(shí)期高霧頂?shù)某霈F(xiàn)，而后霧區(qū)向下延伸及地。這種霧在低空形成而后及地的現(xiàn)象在西雙版納地區(qū)也觀測(cè)到過(黃玉生等，2000)。

2)發(fā)展階段，18日20:00邊界層內(nèi)為一致的東北風(fēng)，但氣溫顯著上升，結(jié)合NECP的1°×1°FNL數(shù)據(jù)畫出沿南京地區(qū)所在緯度的散度剖面(圖4b)，發(fā)現(xiàn)觀測(cè)點(diǎn)(118.7°E)上空600～825 hPa為散度的負(fù)值區(qū)，有輻合，近地面為正值區(qū)，有弱輻散，這樣的配置有利于東北氣流下沉運(yùn)動(dòng)的發(fā)展。由于下沉增溫作用造成整個(gè)邊界層溫度增加，而夜間地表長(zhǎng)波輻射卻讓地表氣溫一直下降，所以貼地逆溫層逐漸形成。19日00:00—01:30地面至探測(cè)頂高均為深厚一致的西南風(fēng)，其中霧層內(nèi)距地面200～300 m處存在一個(gè)約為4.5 m/s的風(fēng)速大值區(qū)。由于西南氣流的平流增溫作用，170 m以下氣溫較之前有所上升，但到02:00時(shí)160 m以下氣溫全線下降，尤以貼地層因地面長(zhǎng)波輻射冷卻降得最為迅猛，此期間地面霧第一次爆發(fā)性增強(qiáng)。

圖4 2007年12月18—19日霧過程中溫度(℃)的時(shí)間—高度剖面(a)以及2007年12月18日20:00散度(10－5s－1)沿32.2°N的經(jīng)度—高度剖面(b)Fig.4 (a)Time-height cross-section of temperature(℃)during the fog event on December 18—19，2007，and(b)the longitude-height cross-section of divergence(10－5s－1)along 32.2°N at 20:00 BST 18 December 2007

3)成熟期間，01:10—03:10霧頂較低，基本維持在390～420 m，04:20—05:10霧頂躍增至550 m以上，其間地面霧再次出現(xiàn)爆發(fā)性增強(qiáng)。至05:10，探測(cè)范圍內(nèi)為一致的西北風(fēng)，風(fēng)速隨高度增加，370 m以下氣層降溫明顯，利于霧滴凝結(jié)增長(zhǎng)，加之隨后06:00—07:00的300 m以下低空再次盛行西南或偏南暖濕氣流，共同造成了地面霧的第二次發(fā)展(圖3a—c)，霧滴平均直徑及含水量顯著增長(zhǎng)。09:00后，近地層400 m以下仍為強(qiáng)勁的西南氣流，地面盛行南風(fēng)。由于16—17日出現(xiàn)降水過程，下墊面濕含量較大，19日日出后地面增溫，地表蒸發(fā)向空中補(bǔ)給水汽。平流輸送和地表蒸發(fā)的共同作用使得近地層水汽來源充足。另外，雖日出后地面吸收太陽輻射增溫，熱量上傳使得近地層氣溫有所升高，相應(yīng)地面霧體變淡，維持了6.5 h的強(qiáng)濃霧時(shí)期結(jié)束，但400 m以上高空由于西北氣流下沉而增溫幅度更大(圖略)，因此逆溫層未被破壞，而是抬升至100～600 m。水汽供應(yīng)充足且上空逆溫層穩(wěn)定存在就是19日上午大霧一直維持的原因。

總體來看，暖濕氣流輸送對(duì)于本次霧的發(fā)生、發(fā)展及維持起到了重要作用，霧發(fā)展及成熟階段一直伴隨著較強(qiáng)貼地層逆溫。同以往一些觀測(cè)(李子華等，1999;陸春松等，2010)，霧體曾出現(xiàn)雙層結(jié)構(gòu)(圖1f)。但地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)后霧體未隨之爆發(fā)性增厚，可見地面微物理過程的迅猛發(fā)展并未導(dǎo)致宏觀上霧頂垂直向上發(fā)展，這與黃玉生等(2000)觀測(cè)到的情形有所不同。其主要原因是本過程中貼地強(qiáng)逆溫層位于霧體底部，抑制了地表水汽和動(dòng)量的垂直向上輸送。這種宏觀上霧頂變化與地面霧微物理結(jié)構(gòu)演變相關(guān)性不大的現(xiàn)象在以往研究中也有發(fā)現(xiàn)(徐杰等，2009)。

3 地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)

3.1 地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)特征

本次霧過程存在兩個(gè)明顯的爆發(fā)性增強(qiáng)階段，即能見度從19日01:42的197 m驟降至01:46的15 m和從04:39的342 m急降至04:46的46 m，均由濃霧迅速發(fā)展為強(qiáng)濃霧。

圖5給出了19日這兩次地面霧爆發(fā)前后能見度、各微物理參量及霧滴譜的變化?？梢?，隨著能見度下降各微物理參量均顯著上升。其中第一次爆發(fā)霧滴總數(shù)濃度由73 cm－3增大到688 cm－3，第二次爆發(fā)由11 cm－3增大到331 cm－3，表明大量凝結(jié)核核化。兩次爆發(fā)后的平均直徑都為爆發(fā)前的1.5倍，含水量均比爆發(fā)前大兩個(gè)量級(jí)，可見凝結(jié)過程十分活躍。爆發(fā)前后霧滴譜都基本呈指數(shù)遞減分布，表明小滴較多、大滴較小，但通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，直徑大于10 μm的大滴在第一次和第二次爆發(fā)后雖然分別只占到總霧滴數(shù)的8.2%和7.9%，但對(duì)含水量的貢獻(xiàn)率卻分別達(dá)到66.3%和80.9%，可見大滴數(shù)目不多卻對(duì)含水量的貢獻(xiàn)較大。隨著爆發(fā)性發(fā)展，兩次過程的滴譜均明顯地上抬拓寬，其間譜線有時(shí)不連續(xù)，零星地出現(xiàn)了33 μm以上的大滴，說明除凝結(jié)增長(zhǎng)外，碰并作用也已出現(xiàn)，共同產(chǎn)生了對(duì)含水量有主要貢獻(xiàn)的大滴。高濃度的霧滴數(shù)目及驟增的含水量造成了能見度的急降(Gultepe et al.，2006)。

3.2 地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)成因探討

干粒子吸濕成為霾滴的核化過程和霾滴吸濕增長(zhǎng)為霧滴的活化過程，與過飽和度值息息相關(guān)，即必須有足夠的過飽和度，能夠越過柯拉曲線的過飽和駝峰，霾滴才能超過臨界半徑而形成霧滴(吳兌，2006)。當(dāng)然在過飽和度值一定的情況下，能否越過駝峰與干粒子自身的直徑、化學(xué)組分、吸濕性等有關(guān)。而在霧滴的凝結(jié)增長(zhǎng)過程中，在鹽核上的凝結(jié)速率和增長(zhǎng)時(shí)間也取決于環(huán)境場(chǎng)中水汽的過飽和度。但過飽和度是變化的，依賴于空氣冷卻率，凝結(jié)核的大小、濃度和分布，以及各種輸送和混合過程(黃美元等，1999)。

圖5 2007年12月19日地面霧第一次(01:42—01:46;a，b)和第二次(04:39—04:46;c，d)爆發(fā)性增強(qiáng)前后各氣象要素的變化(a，c;粗實(shí)線表示能見度、虛線表示霧滴總數(shù)濃度、點(diǎn)畫線表示平均直徑、細(xì)實(shí)線表示含水量))及霧滴譜的演變過程(b，d)Fig.5 (a，c)The variations of meteorological elements(the thick solid line，dashed line，dash-dotted line and thin solid line denotes the horizontal visibility，total fog-droplet number concentration，average diameter and liquid water content in fig.a and fig.c，respectively)，and(b，d)the evolutions of spectrum distribution around the burst reinforcement of ground fog for(a，b)the first time(01:42—01:46)and(c，d)the second time(04:39—04:46)on December 19，2007

對(duì)于19日地面霧的第一次爆發(fā)性增強(qiáng)過程(01:42—01:46)，根據(jù)自動(dòng)氣象站資料(圖6a)可見，從01:41起地面空氣冷卻率顯著增大，至01:50在10 min內(nèi)降低了1.2℃，同時(shí)發(fā)現(xiàn)01:27—01:56期間地面風(fēng)向穩(wěn)定偏北，因而地面存在著一定的冷空氣平流作用，加速了地表氣溫的降低，從而使飽和水汽壓快速減小，過飽和度增大，利于凝結(jié)核核化及水汽凝結(jié)。這種地面霧爆發(fā)前地表風(fēng)向轉(zhuǎn)北的現(xiàn)象，在南京以往觀測(cè)到的霧事件中也有發(fā)現(xiàn)(陸春松等，2010;Liu et al.，2011)。另外據(jù)探空資料，此時(shí)的霧頂高度(圖1f)相對(duì)整個(gè)霧時(shí)期來說比較低，當(dāng)霧層發(fā)展得不太厚時(shí)，地表向上的長(zhǎng)波輻射冷卻不易被其上覆蓋的霧層所削弱(Bott，1991)，也利于地面氣溫的快速降低。

地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)前，探測(cè)高度范圍內(nèi)幾乎為一致的西南氣流(圖2)，為霧的爆發(fā)性發(fā)展提供了良好的水汽條件。由爆發(fā)性增強(qiáng)前后的溫度探空廓線(圖6b)可以看到，整個(gè)霧層內(nèi)氣溫全面下降，受地面急速降溫影響尤以貼地層氣溫降低最為顯著，由01:10的7.3℃迅速下降到了02:15的3.9℃。同時(shí)貼地逆溫層頂由65 m升高至125 m，逆溫強(qiáng)度也由3.23℃/hm增大到3.98℃/hm。將霧層視為飽和氣塊，霧層外視為未飽和氣塊，計(jì)算了假相當(dāng)位溫廓線(圖6c)來輔助判斷大氣穩(wěn)定度(陸春松等，2010)，?θse/?z＞0時(shí)大氣層結(jié)絕對(duì)穩(wěn)定(盛裴軒等，2003)。01:10，從近地面到150 m高度的假相當(dāng)位溫由21.3℃增大到26.4℃，隨高度增加了5.1℃，02:15，離地同等高度的氣層內(nèi)，假相當(dāng)位溫由15.1℃增大到25.3℃，增大了10.2℃，可見近地層層結(jié)愈發(fā)穩(wěn)定。其結(jié)果是一方面利于水汽積累，為霧滴生長(zhǎng)提供充足的水汽環(huán)境，另一方面凝出的大量霧滴積聚在近地面，不易通過垂直湍流作用向上傳輸，因而在視程上霧滴的米散射消光作用顯著增強(qiáng)，強(qiáng)濃霧也得以繼續(xù)發(fā)展和維持。同時(shí)還注意到，在這兩個(gè)時(shí)刻，約300 m至霧頂高度的氣層內(nèi)?θse/?z＜0，表明層結(jié)條件性不穩(wěn)定(盛裴軒等，2003)，湍流運(yùn)動(dòng)可能較強(qiáng)，易使霧滴與上層干空氣混合以致蒸發(fā)，因而此期間霧頂高度維持在一個(gè)相對(duì)較低的水平。

為了說明可作為凝結(jié)核的氣溶膠粒子的變化情況，圖6d給出了寬范圍粒徑譜儀(WPS-1000XP)探測(cè)到的直徑小于2 μm的氣溶膠細(xì)粒子尺度分布曲線，因?yàn)椴煌椒秶鷾y(cè)量原理不相同，故0.5 μm處譜線不連續(xù)。由于夜間人類活動(dòng)大為減少，總的氣溶膠粒子數(shù)持續(xù)下降(圖略)，但霧爆發(fā)前其譜分布卻發(fā)生了顯著變化。由圖6d可以看到，在霧爆發(fā)前約0.5 h，即01:17氣溶膠細(xì)粒子呈單峰分布，峰值直徑位于0.023 μm處，說明以小粒子居多。隨后小粒子端逐步下降，至01:32大于0.065 μm的大粒子端上抬發(fā)展，譜線呈雙峰分布，主峰位于0.03 μm，第二峰位于0.1 μm處。01:42地面霧開始爆發(fā)性發(fā)展，氣溶膠粒子譜較之前出現(xiàn)明顯差異，主峰已位于0.11 μm處的大粒子端，第二峰在0.03 μm處，表明此時(shí)優(yōu)勢(shì)粒子的尺度范圍已向大粒子端偏移。而粒子尺度越大，越易吸濕凝結(jié)，氣溶膠細(xì)粒子譜向大粒子端的發(fā)展偏移使得可充當(dāng)霧滴凝結(jié)核的粒子數(shù)大大增加，為核化作用的迅猛發(fā)展提供了充足的凝結(jié)核條件。

對(duì)于19日地面霧的第二次爆發(fā)性增強(qiáng)過程(04:39—04:46)，由圖6e可見，地面風(fēng)向在04:40由西南風(fēng)轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，氣溫也在隨后的10 min內(nèi)下降了1.3℃。同步觀測(cè)的邊界層風(fēng)資料表明(圖2)，爆發(fā)性增強(qiáng)前后探測(cè)高度內(nèi)均為較冷偏北氣流。同時(shí)據(jù)地面天氣圖記錄，此時(shí)期南京地區(qū)上空云量銳減，利于地面有效長(zhǎng)波輻射增強(qiáng)，氣溫下降。分析溫度探空廓線(圖6f)發(fā)現(xiàn)，爆發(fā)后370 m以下層氣溫迅速減小，貼地層降溫最明顯，近地層由爆發(fā)前的雙層逆溫轉(zhuǎn)變?yōu)閱螌幽鏈?，但?qiáng)度顯著增大。結(jié)合假相當(dāng)位溫廓線(圖6g)看到，200 m以下氣層的假相當(dāng)位溫差由爆發(fā)前的6.3℃增大至11.3℃，層結(jié)更加穩(wěn)定。同前次爆發(fā)性增強(qiáng)前后一樣，氣溶膠細(xì)粒子譜(圖6h)也經(jīng)歷了由單峰到雙峰的變化，表現(xiàn)為小粒子端逐漸減少而大粒子端數(shù)量增加，主峰值、次峰值分別位于0.1 μm和0.03 μm附近，仍表現(xiàn)出了優(yōu)勢(shì)粒子尺度范圍向大粒子端偏移的過程。

綜上所述，氣溫急劇下降、貼地層逆溫增強(qiáng)以及可充當(dāng)霧滴凝結(jié)核的氣溶膠較大粒子數(shù)增多，最終導(dǎo)致19日出現(xiàn)兩次地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)。所不同的是:第一次是地面冷空氣平流、夜間地表向上長(zhǎng)波輻射、相對(duì)較薄的霧層共同導(dǎo)致了較大的地表空氣冷卻率，并且除降溫外還通過西南氣流輸送達(dá)到了增濕的目的，因而霧驟然加濃;第二次則是由于地面、高空的冷平流作用以及云量減少導(dǎo)致地表有效輻射增強(qiáng)，共同使得地面氣溫急速下降，從而引發(fā)霧出現(xiàn)爆發(fā)性增強(qiáng)。

4 結(jié)論

通過對(duì)2007年12月18—19日濃霧過程的分析，得到以下主要結(jié)論:

圖6 2007年12月19日霧爆發(fā)性增強(qiáng)前后地面氣象要素變化(a、e;粗實(shí)線代表風(fēng)向，細(xì)實(shí)線代表氣溫)、邊界層溫度廓線(b、f)、假相當(dāng)位溫廓線(c、g)及地面氣溶膠細(xì)粒子譜(d、h)(圖a—d表示第一次爆發(fā)性增強(qiáng);圖e—h表示第二次爆發(fā)性增強(qiáng))Fig.6 (a，e)The temporal variations of surface meteorological elements(wind direction is represented by thick solid line，and temperature is represented by thin solid line)，and the profiles of(b，f)temperature and(c，g)potential pseudo-equivalent temperature，and(d，h)the evolutions of size distributions of fine aerosol particle number concentration around(a—d)the first and(e—h)the second burst reinforcement of ground fog on December 19，2007

1)西南氣流強(qiáng)烈的增濕作用觸發(fā)了本次霧的生成，且為霧爆發(fā)性發(fā)展提供了充沛的水汽條件。在整個(gè)霧過程中，地面以偏南風(fēng)為主，使得地表一直維持在較高濕度水平?？梢娕瘽駳饬鞯妮斔蛯?duì)于本次霧的發(fā)生、發(fā)展及維持起到了重要作用。

2)此次霧過程的霧滴總數(shù)濃度變化范圍為1～1 222 cm－3，平均直徑變化范圍為2.9～7.4 μm，含水量變化范圍為0.000 1～0.496 0 g/m3，三者隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致，其中在成熟階段各微物理參量存在兩個(gè)非常顯著的起伏變化。平均譜曲線均偏向小滴一端，呈指數(shù)遞減分布。

3)霧的發(fā)展及成熟期一直伴隨著逆溫，水汽得以在逆溫層底積累。夜間貼地逆溫在地表長(zhǎng)波輻射冷卻、下沉增溫或平流增溫作用下形成并維持。日出后，高空西北氣流下沉增溫率超過了貼地氣層因太陽輻射而引起的升溫率，使得貼地逆溫層抬升且穩(wěn)定存在，加之平流輸送和地表蒸發(fā)共同導(dǎo)致近地層水汽來源充足，因而大霧仍長(zhǎng)時(shí)間維持。

4)地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)期間，各微物理參量顯著增大，滴譜上抬拓寬，核化、凝結(jié)過程活躍，碰并過程發(fā)展。造成兩次地面霧爆發(fā)性增強(qiáng)的共同原因，一是地面氣溫急劇下降，過飽和度增大，利于核化凝結(jié)過程發(fā)展，二是貼地層逆溫強(qiáng)度增大，層結(jié)更加穩(wěn)定，水汽及霧滴得以在逆溫層底累積，三是可充當(dāng)霧滴凝結(jié)核的氣溶膠較大粒子數(shù)明顯增多。其中第一次爆發(fā)性增強(qiáng)時(shí)地面氣溫下降是因?yàn)橐归g地表長(zhǎng)波輻射冷卻、貼地層偏北冷空氣平流作用、霧層相對(duì)較薄保溫效應(yīng)差，此外近地層西南暖濕平流的穩(wěn)定維持保證了充足的水汽供應(yīng)。第二次爆發(fā)性增強(qiáng)時(shí)氣溫急降是由于地面、高空一致的偏北冷平流作用以及天頂云量銳減造成地表向上有效輻射加強(qiáng)。

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Evolution characteristics and burst reinforcement of winter dense fog in Nanjing

LIU Lin-wei，NIU Sheng-jie，LIU Duan-yang，LU Chun-song

(School of Atmospheric Physics，NUIST，Nanjing 210044，China)

A heavy fog event occurred in Nanjing area on 18—19 December 2007，lasting for 20 h，in which almost 1/3 time period was occupied by the super dense fog with visibility lower than 50 m.By using the field observational data in the north suburb of Nanjing during the fog event and NCEP reanalysis data，the evolution process，microphysical structure and boundary layer characteristics in the fog event are analyzed，and the causes of burst reinforcement of the ground fog are also discussed.Results show that the formation of fog is due to increasing moisture by southwest air current.Sufficient vapor is supplied by the advection transport and surface evaporation，and the inversion near bottom atmosphere uplifts and exists stably owing to warming effect of upper-layer air sinking，therefore the heavy fog can persist after sunrise.In the whole fog event，the temporal evolutions of fog droplet number concentration，average diameter and liquid water content are in agreement with each other，the average droplet spectrums all obey exponential decreased distribution，and fog droplets mainly concentrat in the section of smaller diameter.The two burst reinforcements of ground fog occur at nighttime，with all microphysical parameters increasing obviously and the droplet spectrum uplifting and broader.The burst reinforcements are mainly caused by sharp decline of temperature near surface，enhancement of inversion near bottom atmosphere，and increase of large aerosol particles which may act as condensation nuclei of fog droplets.

dense fog;advection transport;inversion;burst reinforcement;Nanjing

P426

A

1674-7097(2012)01-0103-10

2010-12-17;改回日期:2011-03-23

江蘇省青藍(lán)工程云霧降水物理學(xué)與氣溶膠研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目

劉霖蔚(1985—)，女，四川達(dá)州人，碩士，研究方向?yàn)樵旗F降水物理，liulw_08@nuist.edu.cn.

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