南京地区雾的时空分布特征及环境意义

南京地区雾的时空分布特征及环境意义

随着社会经济的发展，雾的危害越来越明显。由于雾中能见度低，水、土、空运输和航空运输的重大事故往往会被外部破坏。雾日雾常雾，停车声爆炸。雾和雾日的逆温不仅使污染物积聚，而且还产生了污染物在雾中的物理反应，形成比原污染物更多的新物质，从而加剧了污染污染的破坏。例如，萧氧化与雾滴结合形成硫酸-凝胶，毒性可提高10倍以上。最大的破坏是它不仅造成和恶化呼吸器官病，而且损害心脏。因此，作为一种破坏自然的疾病，雾在国外被广泛使用。[3.6]。它显示了雾的物理特性，加深了对雾生态银行浪费规律的理解。自20世纪80年代以来，中国进行了多次综合观测试验[7.15]，揭示了城市辐射雾、海雾和地表径流雾的一些重要特征和消耗率。为了研究大气成分(污染物)对雾的影响,江苏省气象台和南京信息工程大学联合于2006年12月在南京市北郊南京信息工程大学(原南京气象学院)院内西苑田径场开展了为期一个月的雾的综合观测试验观测项目包括:利用芬兰Vaisala公司生产的DigiCORA系留气球低空探测系统进行大气边界层温、压、湿和风的探测,利用美国DMT公司生产的FM-100型雾滴谱仪测量雾的微物理结构,采用自制的主动式雾水采样仪采集雾水样本,利用美国MSP公司生产的WPS-100XP型粒谱仪对气溶胶进行监测此外,还有能见度仪和自动气象站常规气象仪器.有雾过程时,各仪器都是连续工作的.系留气球每1~2h观测1次,每上升5~10m就有一组数据,探测高度一般掌握在700~1000m.雾滴谱和粒谱仪都是不间断工作的,一般每秒钟出一组数据.雾水采样一般每10mL左右作为一个样本,当样本量足够多时,立即换瓶,收取下一个样本.若有降雨,还连续收集雨水样本.观测期间共获得3次浓雾过程资料,即12月12日、14日和24~27日雾过程资料.在12月24~27日雾过程中,发现一些罕见的、国内外对城市雾观测中从未发现过的一些特征,如强浓雾(能见距离小于50m)连续时间长达40余小时,雾顶多维持在450m以上,最高达到943m;雾水酸,呈酱油色,离子浓度高;发生发展过程中,爆发性增强.这次浓雾过程给江苏带来特别大的危害.当雾爆发性增强时,宁靖盐高速公路兴泰段上8辆车发生严重追尾翻车事故,造成7人死亡5人受伤.两艘4000t船在长江南京段相撞,造成“宣城货3859”沉没,4人落水.南京所有高速公路全线封闭,长江南京段实施双向全辖段禁航,约3000余艘船舶在长江南京段抛锚扎雾.受浓雾影响,南京禄口机场被迫停航长达38h.持续的浓雾不仅造成交通拥堵,也让南京各大医院“暴棚”.据12月27日扬子晚报报道,浓雾之后,因哮喘、支气管炎、鼻炎而就诊患者明显增多.省人民医院接诊的突发性心梗、心律失常和心肌炎的病人比平常多了3倍,心脏科门诊量超过500人次.因此,本文将分析12月24~27日浓雾过程,揭示这些罕见的特征,并探讨其成因.这不仅有学术价值,而且对浓雾预警和安全运输有现实意义.资料分析表明,这是一次平流辐射雾过程.1均压区和我国的对比12月24日08时地面天气图上,我国东北到朝鲜半岛及新疆北部到贝加尔湖以西各有一个高压系统,两高之间有一个低压系统位于贝加尔湖以南地区.100°E以东的大半个中国是一个大的均压区,大部分地方为小风或静风,长江中下游和华南已出现大片轻雾和雾区.12月25日长江下游地区仍位于鞍型场的均压区内,安徽、江苏、河南出现大范围雾区,直到12月27日,蒙古高压东移,冷空气南下,雾才消散.1.1雾的产生和爆发性南京12月24日晚,晴空无云,微风.地面辐射冷却,气温下降较快,从17时到22时,下降了约3.7℃(图1),此时有雾产生.由于潜热释放,随后气温上升.23时30分后,气温又急剧下降.此时,目测可以看到贴地层有一团团白雾出现,并缓慢漂移,能见度在400~500m之间.25日00时39分后,雾瞬时变浓,能见度骤降到15m,含水量由小于0.1g/m3骤增到0.7g/m3,雾体爆发性发展(图2).因此,雾的产生和爆发性增强与夜晚晴空、地面辐射降温具有密切的关系.1.2日至27日浓雾演变爆发性增强后,雾体起伏变化,但能见度始终在15m左右.如图2所示,日出以后,雾含水量呈下降趋势,一直到13时左右,含水量降到0.1g/m3,能见度也有了一些回升,但仍在50m以下.14时以后,含水量又逐渐增大,午夜达最大值(W>0.7g/m3),26日日出后又呈减小趋势,13时开始,能见距离明显增大但仍在400m以下.26日入夜以后,雾又加浓,能见度又回到50m以下,但由于北方冷空气东移南下影响,27日00时左右开始,陆续下毛毛雨,能见度上升直到27日14时浓雾过程结束.由以上雾的演变情况可以看到:(1)浓雾持续时间长达64h,其中强浓雾(能见距离小于50m)连续近37h(25日00:39至26日13时),如果加上26日刚入夜后的强浓雾,则达到41h;(2)雾含水量大,全过程(包括消散阶段)平均含水量为0.20g/m3,最大时段达到1.07g/m3;(3)雾是在夜晚辐射降温后形成的,从含水量变化曲线看,它具有明显的日变化,因而本次雾过程具有辐射雾的特征;(4)但这次雾过程午后没有消散,能见距离仍维持在50m以下,而且在25日14时后含水量和数密度还明显增大,这一点又不同于辐射雾.1.3浓雾过程及其温度指标以上仅是地面雾的一些特征.为了揭示这次雾过程垂直发展情况,我们做了相对湿度时间-高度剖面图(图3).飞艇的温、湿度传感器(试验前经过江苏省气象仪器检定所检定)观测,在雾区相对湿度为100%.由图3可以看出,这次浓雾过程的又一个特征是,垂直发展旺盛,雾顶很高,最低为270m,最高则达到943m.这样厚的雾层,在过去的观测试验中未曾发现.查阅国外文献,也未见到.雾顶虽很高,但雾顶温度并不低.由图1可以看出,在27日冷空气来临之前,雾顶温度在4~9℃之间变化,比地面气温约高2~3℃,27日冷空气到达之后,雾顶温度比地面气温低,但仍在0℃之上.由此可见,整个雾层都是暖性雾,属暖雾过程.1.4南京市雾水化学成分在这次雾过程中,我们连续采集了13个雾水样本,均呈酱油色(图4).其中前4个样本的pH值大于5.6,12月25日14时30分以后采集的9个样本(除个例外)雾水均呈酸性,pH值在5.4以下,最低为4.2.全部样本pH平均值为5.63.就雾的全过程来看,雾发展的初期,雾水呈碱性,中后期雾水变酸(图5).大气中硫氧化物、氮氧化物和氯化物是雾水中的重要致酸成分.它们进入雾水并经过化学反应后,主要以SO42-,NO3-和Cl-形式存在.此次雾水样品中SO42-/NO3-=3.6,SO42-/Cl-=5.7,可见,南京雾水以硫酸型为主,其次是硝酸和盐酸.表1给出了这次过程雾水的化学组成.为比较起见,表中还列出了同时期的雨水化学组成.由表1可见,南京市雾水离子浓度相当高,总离子浓度已达22821µmol/L.南京市雾水主要阳离子是NH4+,Ca2+和Na+,比K+和Mg2+的浓度平均要高1个量级;主要阴离子是SO42-和NO3-,其次是Cl-,F-的浓度较低.本文作者之一,李子华等曾用同样方法研究过重庆和西双版纳浓雾雾水化学组分.如表1所示南京本次雾水离子总浓度已与20世纪80年代的重庆雾水相当,约比生态环境比较好的西双版纳高出4倍与同时期雨水相比,pH值大于雨水,电导率是雨水的13.8倍,离子总浓度要比雨水大1个量级,这与其他地方的结果是一致的.雾水的化学组成是各种污染物物理化学过程的产物.这次雾过程中,大气层结特别稳定,长时间存在强逆温层,因而贴地气层积聚了大量污染颗粒物和气体,它们被雾水吸收后,经过化学反应,形成了比较高的离子浓度.图6给出了雾水离子浓度与同时观测的污染气体SO2,NO2与可吸入颗粒物PM10的变化图.由图6可见,雾水中总离子浓度与空气污染物浓度的变化趋势基本一致,这反映了雾水中离子主要来源于近地层空气污染物.比较SO2与SO42-,NO2与NO3-的变化曲线发现,污染气体都在日出后逐渐增大,午后至傍晚达极大值,而SO42-和NO3-具有类似的变化特征,污染气体达峰值后,相应的离子随之达极大值.例如污染气体在25日13:00至19:00有一个峰值,离子浓度则在14:30至23:00之间出现峰值随后污染气体和离子浓度都逐渐降低,到26日早晨又开始升高,且离子浓度的变化较污染气体略显滞后,这是因为大气中污染气体溶于雾水并进行化学反应形成SO42-和NO3-需要一个过程.总的来讲,这次雾过程的特征是,雾体特别浓强浓雾持续时间特别长,雾顶特别高,雾水酸,离子浓度大,是一次暖雾过程,具有辐射雾的基本特征但又不同于辐射雾.下面将对这些特征进行比较深入的探讨.2浓雾中上层气温的变化本次过程浓雾为什么能持续64个小时,特别是强浓雾(能见距离小于50m)为什么能持续不断的维持37个小时?这是需要研究的一个重要问题.先从边界层的热力结构来讨论这个问题.图7给出了12月25日和26日白天几次温度廓线.图中“—”线表示相对湿度100%所达到的高度,即雾顶高度.由图7可以看出,近地层雾内温度大体随高度湿绝热递减,但其上有一个厚度为几十到一百多米的特强逆温层,逆温强度最大时达到16.3℃/100m.雾顶在这个强逆温层上部,有时冲过了这个强逆温层这一点与重庆、西双版纳辐射雾是不同的.图7中还可以看到,从早晨至午后受太阳辐射影响,从地面至强逆温层,气温上升,特别是贴地气层,气温增高明显.但强逆温层之上,气温同样上升,因而强逆温层不能消失.而在重庆、西双版纳的辐射雾中,随着近地层气温升高,雾顶逆温层消失,雾层消散.这次雾内强逆温层的存在,使得雾体层结稳定.直到27日12时,随着冷空气南下,边界层内的强逆温层消失,随后地面雾层消散.可见,这个强逆温层长时间维持是浓雾持续的重要条件.就整个边界层来说,在图7中可以清楚看到,大气边界层中上部气温远远高于近地面气层,例如25日10时,300m以上气层比100m以下高出3~4℃,因而整个边界层层结特别稳定.边界层中上层气温为什么不断上升?由于它远远高于近地层气温,显然不是近地层向上输送的.边界层中上层的暖平流起了重要作用.25日20时,雾区温度平流达8.2×10-5℃/S,换算成每小时升温值为3×10-1℃/h,即每小时温度平流项使得温度升高约0.3℃.为研究边界层中上层气温高的缘由,我们做了气温时间-高度剖面图(图8(a)).由图可见,从早上7时开始,地面还在降温时,200m以上气层已不断升温,特别是400m上下高度层升温快,15~16时,已形成9.5℃以上的高温中心,比地面高出4℃多.结合图8和9可以看到,12月25日200m以上气层以东南风为主,持续的东南暖平流,使边界层不断升温.因此,这次浓雾过程,具有明显的平流雾的特征.12月26日情况与25日类似,这里不再分析.当然,平流作用不仅输送暖空气,还源源不断带来了充分的水汽,它不仅使地面雾层在中午气温上升时不能消散,而且还使雾顶伸到边界层中上层.这一点将在下面分析.3g/ml高湿中心重庆和西双版纳的辐射雾,一般随着气温的升高,中午前后都是要消散的.而这次雾过程,在中午前后含水量虽明显减小,但能见距离仍维持在50m左右.雾体没有消散,仍然维持强浓雾或浓雾水平.甚至在25日14时之后,雾体浓度进一步增强.除了上述热力条件外,还有一个重要原因,就是水汽源源不断向雾区输送.这一点在图8中可以清楚地看到在150m以下近地层,比湿随时间不断增大,15~16时,出现了大于5.5g/kg的高湿中心.这段时间虽然近地面气温升高,但比湿也明显升高,所以地面雾不能消散.图8(b)中300~400m高度层比湿也是随时间增大的,午后出现了大于7.0g/kg的高湿中心.对照图9可以发现,近地层湿度的增大是西南风造成的中上层比湿的增大,是东南风造成的,也就是说存在两层很明显的水汽平流,底层是西南气流,300~400m高度层,是东南风暖湿气流.底层湿平流,加大了地面雾含水量,使雾变浓,即使午后温度上升也不能消散.上层水汽平流,有利于雾体向上发展,前面讲到的雾顶很高,冲过了强逆温层,正是由于上面有充分的水汽供应.12月26日上下层水汽平流继续存在,不同的是在东南风之上,又出现了西南风暖湿平流,因而湿中心由15时的400m高度逐渐抬升到24时的800m高度层,雾顶高度也随之抬升到大约800m的高度层(图3).由于情况类似,不再作重复分析.我们将25日各时次雾顶高度和中上层东南风所达到高度点在同一张图上(图1