南京市郊一次雾过程特征分析

南京市郊一次雾过程特征分析

辐射平流雾物理过程研究现状雾是大量的水和结晶，使水平能见度小于1km。雾对工业、农业、国防、交通运输都有很大的影响,它不仅影响了各类交通,还严重腐蚀建筑物,损害林木和蔬菜生长;同时,雾和空气中的污染物质结合在一起,还会给人的身体健康带来很大的危害。因此,雾作为一种灾害性天气现象受到了越来越广泛的关注。国外在过去的30多年多次对雾进行综合外场观测,揭示了雾的物理化学特性;并加深了对雾生消的动力和热力过程的认识。国内在上海、重庆、南京沪宁高速公路、云南西双版纳、浙江舟山、成都双流机场、广东南岭山地等地也对雾进行过大规模观测试验研究,发现雾与地形、城市热岛效应、严重的大气污染和辐射逆温等因素有关;近几年,大量研究还分析了我国不同地区大雾的气候特征和环流背景,加深了对持续性大雾的认识,提高了预报准确率。在雾的边界层结构及物理特征方面,李子华、赵德山、宋润田等人都对雾在不同发展阶段边界层的温、湿、风结构进行了较详尽的分析,揭示了冬季雾生消物理过程的一些重要特点。然而,以往对雾生消过程的宏观特征的研究大多只是单纯的辐射雾或平流雾,且研究的雾都是持续时间短或者持续时间长但仅着重讨论大雾中某一天的情况,而对于在平流作用下长时间维持的辐射平流雾的宏观物理特征研究很少。近年来,由于城市的扩大和社会经济的迅速发展,使得雾日的持续时间加长,雾中能见距离更小。由于常规探测资料水平和垂直分辨率较粗,为比较细致地研究雾的发生发展物理过程,2006年12月份在南京市郊进行了雾的综合外场观测,观测获得三次雾过程资料。其中12月24至27日出现了持续近4d的罕见浓雾天气,这对交通航运和人体健康都造成极大影响。据南京媒体报道,浓雾之后,省人民医院接诊的急性哮喘病、心血管、呼吸病患者增多,突发性心梗、心律失常和心肌炎的病人比平时多了3倍,心脏科门诊量超过500人次。本文主要根据12月24—27日连续的系留汽艇探测资料和常规气象资料,分析了这次浓雾生消物理过程,以揭示辐射平流雾的一些重要特征,并在此基础上分析了产生这些特征的原因。关于雾水的化学性质分析,有另文发表于本刊同期上。1大气边界层气溶胶的探测2006年11月30日至12月30日在南京市郊进行了雾的综合外场观测试验。观测场地设在南京信息工程大学西苑田径场。观测期间,分别在2006年12月12日、14日、24—27日获得了3次雾的观测资料。本次观测采用芬兰维萨拉(Vaisala)公司生产的DigiCORA系留气球低空探测系统进行大气边界层的探测,其中探空仪可以对气压、温度、湿度、风速、风向、比湿等十几个参数进行监测。飞艇上升过程中每5~10m就有一组数据,探测高度一般掌握在700~1000m,当风速超过10m/s时,飞艇不再升高。一般每3h观测一次,有雾时,加密为1h一次。同时,还利用美国DMT公司生产的FM-100型雾滴谱仪测量雾滴谱和含水量,用雾水采样仪采集不同发展阶段的雾水样本,用美国生产的WPS-1000XP型宽范围粒谱仪对气溶胶进行了监测。此外,还利用自动气象站能见度仪和常规气象仪器,观测了温、压、湿、风、云、能见度和天气现象。2麻黄病浓度和持续时间长这次连续性大雾过程是从2006年12月24日22时左右开始的,一直到27日下午14时左右才消散,大雾持续时间长达64h。江苏省自2006年12月24日起受地面弱高压控制,低层湿度大,夜晚辐射冷却强。从12月25日08时500hPa和850hPa图上可以看出,江苏省上空受沿海槽后西北气流控制,天气晴好,黄淮和江淮地区处于入海高压后部,高压主体已经移至145°E附近,江苏省基本处于均压场。晴空和微风天气为雾的发展提供了有利条件。图1给出了南京地区大雾期间能见度和雾顶高度演变曲线。由图可见,雾从产生到消散前,能见度一直在600m以下。24日22时左右开始有雾产生,能见度在250m左右;在1个多小时内,能见度逐渐增大到500m,雾渐渐变薄;到25日00时左右,贴地层有一层浅雾在地面漂浮,能见度又逐渐降低;41min后,雾爆发性发展,瞬时变浓,能见度降到50m以下,几分钟后能见度降到15m,一直持续到25日13时,能见度才有了一些回升,但仍然在50m以下。从25日00时41分雾爆发性发展一直到26日13时左右,连续约37h维持能见度在50m以下的强浓雾天气,历史罕见。受来自北方一股冷空气东移南下的影响,27日00时左右下起了毛毛雨,能见度有所回升,但雾仍然较浓,形成雾与毛毛雨共存的天气,直至27日中午,从中西伯利亚地区分裂的强冷空气东移南下开始影响南京地区,随后出现大风降温天气,14时左右,这场持续了近4d的大雾过程才结束。这次大雾过程,雾顶较高(见图1b),大多时间都维持在450m以上;雾顶起伏变化较大,最低为270m(25日13时),而最高达到943m(27日07时)。从25日至27日,大雾呈现出一定的日变化特征,每天午夜至早晨,雾加强,雾层较厚;而在中午前后至傍晚,由于气温的升高,雾有所减弱,雾顶呈下降趋势,能见度有所上升。综上所述,可以看出,这次雾持续时间长,尤其是强浓雾天气(能见度<50m)持续时间长;雾层厚,雾顶比较高;根据对这次雾的发展特征分析得出,雾是在辐射降温条件下形成的,而后在暖湿平流的影响下加强维持,属于辐射平流雾。3大洪水的宏观过程3.1近地面和热温高度层内的雾温度变化由图2可见,24日入夜后,地面辐射冷却降温,气温下降较快,从17时到22时,下降了约3.7℃,此时有雾产生。随着雾层光学厚度的增加,地面辐射降温减弱,由于潜热释放,地面温度上升,到23时30分达到7.4℃。在这个阶段,雾也有所变淡。之后,温度又开始下降,而100~200m高度层相对地面来说,降温慢。到25日00时,近地面形成了厚为162m,强度为1.0℃/100m的贴地逆温层(图3a)。此时,肉眼可以看到近地面有一团团白雾出现,且不断向上发展。41min后,雾体爆发性发展,雾瞬时变浓,能见度降到了观测期间的最低值15m,相对湿度在高、低层(700m以下)均达到100%。此时,南京地区已大雾弥漫。3.2大气藏条件下的雾顶和强逆温中心分析雾爆发性发展至25日6时,近地面气温呈下降趋势,达到1.0℃/h(图2)。而在大约100m以上,随高度的上升气温下降越来越缓慢,这使得温度逆温层不断加厚,强度也逐渐加大(图3a),雾体越来越厚。到7时,大雾维持阶段,逆温层抬高到83~370m之间,其中83~118m之间逆温最强,为16.3℃/100m,此时雾顶达到624m。另外,从整个边界层气温廓线图来看,上层温度都比近地面温度高,这种深厚逆温的稳定层结使水汽抑制在边界层里,再加上降温,水汽凝结成雾滴,使得雾相当浓,能见度只有15m。日出以后,随着地面吸收太阳辐射增温,贴地气层气温随时间升高。从7时至10时,逆温层高度变化不大,只是强逆温中心强度减弱,雾顶有所下降。10时之后,强逆温中心略有抬升,到14时最强逆温层底抬升到150m,雾顶继续下降,15时,下降到244m,近地面雾有所减弱,能见度上升到35m。这段时间近地面虽升温,但在200m以上,特别是250~450m之间出现明显升温,且增温幅度与近地面相当(图3b),这使得在雾顶之下150~300m之间仍维持强逆温。另外,在雾顶下面始终存在一个强逆温区,强逆温层之下,雾体内气温随高度分布基本按湿绝热递减率递减,平均为-0.65℃/100m。这一现象从雾爆发后到雾消散前,始终存在。这与以往观测到的雾形成后贴地层逆温抬升到雾顶之上不同,李子华等人分析指出雾顶之上存在明显的辐射冷却逆温,且逆温强中心往往在雾顶或其上几十米处。而这次雾顶之上仅有很弱的逆温,且有时根本不存在逆温(图3)。这是由于暖湿平流造成(将在后面分析)。14—22时,这段时间雾顶相对变化不大,在247~354m之间波动,雾层比较稳定,逆温层底在150m左右,强逆温中心在200m上下。从整个探空曲线来看,整个边界层仍呈一个逆温趋势,即探空所到最高处都比地面温度高出3℃左右。这种结构的存在抑制了对流的发展,为雾的持续存在提供了非常有利的稳定层结条件。26日00时,600m以下气层降温,雾层变厚,雾顶上升,25日22时至26日00时2h内上升了319m。05时,125~600m层气温继续下降,这时,雾顶升至584m(图3c)。同25日一样,26日08时后,随着太阳辐射加强,近地面温度不断上升,到14时左右,升至6.5℃,在高空500m上下也有一定的升温,但升温强度不如地面(图3d);同时,从图3d还可以看到26日08时以后,320m上下出现降温,而且降温区逐渐抬升,14时后更加明显,强逆温区也不断抬升,到27日3时抬升至700m以上;这段时间,随着强逆温抬升,雾总体上是向上发展的,雾顶上升到700m以上(3时),而近地面雾变淡,地面能见度达到200m以上,雾顶气温都比较高,且在强逆温下面,雾体内气温仍按湿绝热递减。3.3符合雾的属性27日07时,在探空高度范围内没有见到明显的逆温层,但在实际观测中,雾仍然很浓,能见度在100m以下,这可能是逆温已抬升到探空高度之上。从27日00时开始,断续下降毛毛雨,形成了毛毛雨与雾共存的现象,相对湿度一直维持在100%。27日12时后,近地面温度在升高,但200m以上,由于冷空气入侵,在大约2h内,降了2.0℃左右,逆温层消失,近地面雾逐渐消散,能见度不断上升,到下午14时14分,地面能见度已经到1029m,雾顶不断抬升,最后变成低云。至此,大雾消散。结合图3和图4可以看出,同一时间,在强逆温处也存在一强逆比湿,且随时间强逆比湿与强逆温所在高度有类似的变化,雾顶基本处在强逆比湿上部。在大雾维持阶段,雾层内,在25日,强逆比湿下面比湿随高度微弱递减,近乎均匀分布;到26日入夜后,强逆比湿下比湿随高度减少较快。在逆比湿上空,比湿递减比较快。雾顶所在高度处或之上几十米比湿往往急剧下降。这与辐射雾比湿在雾区先是向雾顶递减,在雾顶附近达最小后又急剧增大不同。近地面比湿在维持阶段随时间呈增大趋势(在某些时间段变化微弱,如图4c),直到26日午夜左右才开始减小,这为近地层雾的维持准备了充足的水汽。在强逆温之上,相应的比湿仍在缓慢增大,并出现比湿极大值。这又为上层雾的发展准备充足的水汽,使得在强逆温之上仍然有雾产生。到26日20时,整个探空高度上比湿都在减小,且上空减小幅度更大,这也使得逆比湿层不断上升。到27日07时,整个探空高度范围内,没有明显的逆比湿层。综上所述,这次雾起因于夜间的辐射降温、强逆温作用。在雾形成到消散之前,地面大都处于微风或静风(≤2.0m/s)(图9a、b),适当的风速(风力)是雾生成和维持的一个因素,微风使得上下层空气发生交换,雾体变厚。在大雾维持期间,雾层内温度分布的特征是:雾顶之下存在一强逆温层,逆温层底雾层气温按湿绝热递减。在雾顶之上,气温多呈等温或缓慢增加的趋势;比湿在雾顶处或之上几十米急剧下降。中午前后,在太阳的加热作用下,大雾尽管有所减弱,但是由于逆温层继续存在,雾并没有消散,能见度仍然很低。为什么逆温层能长时间存在?为什么日出后甚至在午后地面强增温时逆温层也不消散?这是由于中高空的暖湿平流起了重要作用。下面对此进行详尽的分析。4流畅性对雾的宏观过程的影响4.1地面暖平流存在,引起雾顶下降从气温剖面图上(图5)可以看出,在大雾维持阶段,垂直方向上,上层温度一直高于地面层。25日,最强逆温在100~300m之间变化,而在强逆温之上,温度呈不同程度的上升,在400m上下形成一个高温区,再往上虽然温度下降,但是仍比地面温度要高,这使得整个边界层维持一个深厚的逆温结构。从水平方向看,在200~700m之间,特别是400m左右,气温随时间不断升高,从08时的5.5℃上升到下午16时的9.5℃,形成一个高温中心;500~700m高度层在8—11时也增温较快,并在19时左右形成一个高温中心。可见在200~700m上空有暖平流存在,使得上空一直保持较高的温度,并随时间不断增大。从风向图上看(图9c),这个暖平流主要来自持续的东南风。同样在26日日出后,近地面气温随时间不断上升,在16时出现高温中心。13时之前,上空(350~800m)也存在暖平流,在550m上下,出现强暖平流,升温迅速,使得在中午前后,上空维持在8~10℃的高温。从26日08时925hPa温度场和风场(图6)可见,这种暖平流使得雾区上空出现了暖脊。由此我们不难理解,25、26日太阳出来后,虽然地面在13—14时之前不断升温,但由于上空暖平流的存在,使得逆温层没有破坏,因而地面雾层不能消散;也正是由于在25、26日中午前后,上空不同高度层都出现高温中心(8.0℃以上),不利于水汽凝结成雾滴,不易成雾,使得在靠近中午时,雾顶下降。26日13时之后,上空400m左右开始急剧降温,越往后,强降温区也不断抬升,到27日4—5时已经抬升到800m附近,雾顶也随之抬升。27日由于来自北方的冷空气作用,上空持续降温,中午前后,近地面升温,从而使边界层内逆温层消失,雾层变成低云。4.2上层湿平流—湿平流作用仅有逆温条件还是不够的,雾的发展维持还需要源源不断的水汽。由比湿剖面图上(见图7)可以看到,25日,地面温度上升的同时,近地层比湿也在不断增加,同时在250~500m之间,比湿也随时间不断增大。在图9c中可以看到,存在上下两层湿平流,近地面水汽来自西南气流,上层湿平流来自持续的东南风。16时,在50m和300m附近都出现强比湿中心,而且上空比湿比近地面要高(图7a)。近地面层的水汽平流,解释了为什么午后气温上升而雾不消散,上层湿平流解释了为什么雾发展到强逆温层之上。17时后,湿平流抬升,在400~700m高度层,比湿急剧增大。此时整个雾区水汽充足,地面雾水含量观测达到极大值(1.0g/m3)。25日入夜后到26日上午,高比湿继续维持,26日午后,近地面比湿超过6.0g/kg。而在250~500m之间的强比湿中心随时间不断往上发展,并处在强降温处,使得雾不断往上发展,雾顶不断上升。24日20时,安徽和江苏的西部地区温度露点差相对比较高,由于持续的偏东风影响,水汽不断输送,增大了江苏西部包括南京在内的空气湿度,到25日08时温度露点差已经下降到1.0℃(图8)。4.3东南风高度d分析风向风速图可以看出(图9),在近地面,西南风居多,风速在2.0m/s之下,而在300m以上高空3.0~6.0m/s的东南风居多(有时吹西南风)。可见,近地层水汽主要来自西南气流的水汽输送,而中空的暖湿平流主要来自东南气流。近地面偏南风作用,源源不断地输送暖湿空气。而雾顶的变化与中空风向变化也存在很大的联系,总体上是在东南风向上发展时,雾顶随之抬升,而当东南风高度下降时,雾顶也随之下降(图9c);雾顶大都处在强逆温层上部或之上几十米甚至几百米,可见由于上层东南水汽平流作用,有利于雾体向上发展,使得雾顶冲过了强逆温层。到27日凌晨,由于来自北方一股冷空气的作用,而且伴随着有毛毛雨的出现,近地面风速也增大到3.0m/s以上,从而产生强的乱流运动,上空逐渐降温,逆温层破坏。到27日12时左右,近地面气温有所升高,加上乱流的增强,和高空冷空气的出现,近