2006年12月南京市郊霧發(fā)展過程及爆發(fā)性增強特征分析

2006年12月南京市郊霧發(fā)展過程及爆發(fā)性增強特征分析

1霧的爆發(fā)性增強研究霧是反映在地層空氣中的大量氣泡和結(jié)晶顆粒，可以看到與水平距離縮短1km的一般天氣現(xiàn)象。它是一種災害性天氣,被國際上列為十大災害天氣之一。霧天由于存在“逆溫層”,大氣層結(jié)很穩(wěn)定,空氣中的塵埃和其他污染氣體不容易擴散,常造成嚴重的污染,直接危害人體健康;霧天由于能見度低,常威脅海陸空交通安全。尤其是霧爆發(fā)性發(fā)展或加強,使能見度驟降至50m以下時,更易引起汽車追尾,船只相撞等事故。據(jù)報道,2006年12月25日的濃霧爆發(fā)性增強時,寧靖鹽高速公路興泰段上8輛車發(fā)生嚴重追尾翻車事故,造成7人死亡5人受傷。與此同時,兩艘4000t船在長江南京段相撞,造成“宣城貨3859”沉沒,4人落水。因此,研究霧的這種爆發(fā)性發(fā)展或增強的特征有非常重要的意義。近30多年以來,國內(nèi)外多次對霧進行了綜合外場觀測試驗及研究[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20],并對霧的爆發(fā)性發(fā)展特征倍加關(guān)注。李子華等1996年在滬寧高速公路觀測霧時,揭示了輻射霧發(fā)展的爆發(fā)性特征;美國波河河谷試驗也發(fā)現(xiàn)了因霧層平流導致的霧層垂直方向的突然發(fā)展特征。但總的來說,對這方面的專門研究還很少,且僅是針對一次平流霧或輻射霧,而造成霧體爆發(fā)性增強的原因多種多樣,且不同霧過程霧體爆發(fā)性增強特征也有所不同。為豐富霧的爆發(fā)性增強的理論研究,本文以2006年12月在南京市郊(南京信息工程大學西苑田徑場)觀測獲得的3次霧過程資料為基礎(chǔ),分析了3次霧發(fā)展過程及爆發(fā)性增強的特征,并對霧體爆發(fā)性增強的原因進行了探討。所謂爆發(fā)性增強,指的是在很短時間內(nèi)(一般<30min)霧突變?yōu)闈忪F(能見度<500m),或濃霧躍增為強濃霧(能見度在50m以內(nèi))。研究濃霧爆發(fā)性增強特征,對于強濃霧的臨近預報,具有非常重要的應用價值。2氣溶膠的探測2006年11月30日至12月30日,在南京信息工程大學西苑田徑場進行了霧的綜合外場觀測試驗。觀測項目包括:采用芬蘭維薩拉(Vaisala)公司生產(chǎn)的DigiCORA系留氣球低空探測系統(tǒng)進行大氣邊界層的氣壓、溫度、濕度、風速、風向等參數(shù)的探測。飛艇上升過程中每5～10m就有一組數(shù)據(jù),探測高度一般控制在700～1000m,當風速超過10m·s-1時,飛艇不再升高。一般每3h觀測一次,有霧時,加密為每小時一次。另外,還利用美國DMT公司生產(chǎn)的FM-100型霧滴譜儀測量霧滴譜和含水量。滴譜儀可以連續(xù)測量霧粒子數(shù)濃度、譜分布,粒徑范圍為2～50μm,最大數(shù)密度為104個·cm-3。觀測連續(xù)進行,每秒鐘產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)。用霧水采樣儀采集不同發(fā)展階段的霧水樣本;使用美國生產(chǎn)的WPS-1000XP型寬范圍粒譜儀對氣溶膠進行了監(jiān)測。此外,還利用自動氣象站能見度儀和常規(guī)氣象儀器,觀測了溫、壓、濕、風、云、能見度和天氣現(xiàn)象。33第二學期的過程和發(fā)展特點3.1平等和平流時間的霧特性2006年12月12日、14日和24～27日,南京出現(xiàn)了3次濃霧天氣過程。圖1給出了觀測期間3次霧過程能見度和地面氣溫隨時間的演變。第一次濃霧產(chǎn)生于12月11日午夜。由圖1a可知,在霧生初期,地面溫度逐漸下降,12日02:50(北京時,下同)后,突然刮起陣風,湍流加強,霧體變淡,能見度也突然增大,到12日03:18已達到1002m;之后氣溫快速下降,能見度驟減,04:26降到50m以下,10min后降到此次霧的最小值15m。至此,濃霧彌漫。50m以下的能見度持續(xù)了約6h,其中15m的能見度就達到5h以上。10:20,地面霧開始消散(10:57能見度上升至962m),此后又突然加強,11:30能見度下降到了300m以下。以后能見度在200～600m之間變化,地面溫度維持在4.5℃以上。直到下午17:00,下起毛毛雨,霧逐漸消散。第二次濃霧產(chǎn)生于12月14日。與以往觀測到的濃霧相比,濃霧出現(xiàn)時間比較晚。從13日午夜開始有霧產(chǎn)生。地面溫度從13日22:00到14日早上07:00左右,總體上呈緩慢下降趨勢。相應的能見度也緩慢下降。在14日03:41之前,能見度都在400m以上。04:00～08:30,能見度在100～400m之間變化,多數(shù)在200m以上。直到08:00后地面氣溫又繼續(xù)下降,霧開始明顯加濃,至08:38后能見度降到了最低值15m,并維持了將近1h30min。這段時間雖然太陽輻射增強,但地面溫度并沒有明顯上升,相反09:00后明顯下降,到10:00,地面溫度降到了整個大霧期間最低值。10:30后,隨著氣溫上升,能見度持續(xù)增大,霧逐漸減弱。在不到1h30min的時間里,能見度達到1000m以上。14日強濃霧的維持時間比較短,但霧頂較高,最高達到738m。第三次霧是持續(xù)時間最長的一次,達64h,其中能見度<50m的強濃霧時間連續(xù)達37h,歷史罕見。這次濃霧從12月24日22:00左右開始,一直到27日下午14:00才消散。24日入夜后,地面輻射冷卻降溫,氣溫下降較快,24日22:00左右開始有霧產(chǎn)生,能見度在250m左右;隨著霧層光學厚度的增加,地面輻射降溫減弱,由于潛熱釋放,地面溫度上升,到23:30達到7.4℃。在這個階段,霧也有所變淡。之后,溫度又開始下降,到25日00:00左右,貼地層有一層淺霧在地面漂浮,能見度又逐漸降低;41min后,霧爆發(fā)性發(fā)展,瞬時變濃,能見度降到50m以下,幾分鐘后能見度降到15m,一直持續(xù)到25日13:00,能見度才有了一些回升,但仍然在50m以下;從25日00:41霧爆發(fā)增強一直到26日13:00,連續(xù)約37h能見度維持在50m以下。受來自北方一股冷空氣東移南下的影響,27日00:00左右下起了毛毛雨,能見度有所回升,但霧仍然較濃,形成霧與毛毛雨共存的天氣。直到27日14:00左右,這場持續(xù)了4天的大霧過程才結(jié)束。根據(jù)霧過程中連續(xù)探空資料分析得出,這3次霧都是在輻射降溫條件下形成的,而后在平流的影響下加強維持,屬于平流\_輻射霧。綜上所述,這3次霧過程都是起因于夜晚長波輻射冷卻。霧期間地面氣溫在4.0～7.0℃之間變化,南京市3場霧形成于晚上22:00至午夜之間(表1)。除第二次霧在中午消散、持續(xù)時間較短(14h)外,其它2次霧持續(xù)時間分別達到了18h和64h。霧爆發(fā)性增強時間段不同,12日在04:26就開始變濃,能見度降到15m,強濃霧一直維持到10:20左右才開始減弱;而14日的強濃霧來得比較晚,日出后08:30左右才開始加強,40min時能見度降到15m,這次強濃霧持續(xù)時間也較短,不到2h,霧就開始慢慢消散。第三次強濃霧天氣持續(xù)了37h,累計達40多個小時。在強濃霧期間能見度大都只有15m。較以往觀測的霧比較,這次觀測到的霧頂都較高,尤其是第三次霧最高達到943m?？梢?第三次霧過程持續(xù)之長,尤其是強濃霧時間長,霧頂高,屬歷史罕見。3.2爆發(fā)性加強前后霧體含水量的變化從這3次濃霧的發(fā)展過程來看,都存在霧體爆發(fā)性增強特征,即在很短的時間內(nèi),霧變?yōu)闈忪F或濃霧變?yōu)閺姖忪F(能見度達到50m以下)。第一次霧在12日凌晨04:26左右爆發(fā)性加濃,能見度由04:20的500余米突降至50m以下;10:00地面霧開始消散,11:00后又很快爆發(fā)性加強。第二次霧爆發(fā)性加強時間偏遲,直到14日08:27,在太陽光照的情況下,突然加濃,能見度由216m突降至08:41的15m。第三次霧(24～27日)在25日00:41左右,霧體爆發(fā)性發(fā)展,能見度瞬時由00:10的363m降到50m以下。圖2給出了第二和三次霧過程中爆發(fā)性加強前后一些物理特征量的演變情況,相應的統(tǒng)計量如表2所示。由圖2和表2可見,霧爆發(fā)性加強后,霧滴數(shù)密度和含水量都有明顯增加,尺度明顯增大,譜寬變寬。這表明霧體爆發(fā)性增強,本質(zhì)上就是霧滴爆發(fā)性增多、增大,從而霧體含水量明顯增大。霧滴增多,表明有大量凝結(jié)核核化;霧滴增大,說明水汽凝結(jié)增長過程活躍;大滴出現(xiàn)后,大滴捕獲小滴效率增大,從而使霧滴向大滴端變化,使霧滴譜變寬。另外,比較這2次霧爆發(fā)前后,峰值直徑都小于平均直徑,可見霧中的小滴較多。爆發(fā)前后地面氣溫都呈下降趨勢,其中12月25日的下降較明顯,說明這一階段核化、凝結(jié)過程活躍,是由于環(huán)境空氣相對濕度增大,并超過臨界相對濕度的結(jié)果。4霧體爆發(fā)性增強在濃霧爆發(fā)增強之前,都有一段時間氣溫下降(圖1),致使空氣冷卻到露點,且出現(xiàn)了凝露現(xiàn)象。這3次觀測過程中都發(fā)現(xiàn)在濃霧形成之前,操場欄桿及草坪上有大量露水。由于凝結(jié)潛熱的釋放,隨后地面氣溫開始起伏上升,緊接著溫度再下降。在開始降溫之際或之前20min左右時間段內(nèi),目測可見地面飄起一層層白色的濃霧。這一系列現(xiàn)象也正是這3次濃霧爆發(fā)性增強的前兆。需要提出的是25日的降溫比12日和14日的要明顯得多。影響霧體發(fā)展的因子很多,輻射冷卻、露、平流、湍流、地面植被、水滴下沉、云量平流等都有可能對其產(chǎn)生作用。晴空、微風和高濕度的夜晚,易形成輻射霧。而后輻射降溫增強時,可能在短時間內(nèi)使霧體瞬時加濃。12月24～27日霧過程中的爆發(fā)性發(fā)展,就是夜晚輻射降溫增強后出現(xiàn)的。圖3給出了霧體爆發(fā)性增強前后氣溫的連續(xù)變化。由圖可以看出,在24日17:00后溫度就開始不斷下降,到22:00已下降了3.7℃,在此時段,濃霧已形成。由于草坪結(jié)露和霧滴凝結(jié)釋放潛熱,在24日22:00～25日00:00這段時間出現(xiàn)了升溫。25日00:00,近地面形成了厚度為162m,強度為1.0℃·(100m)-1的貼地逆溫層,逆溫的穩(wěn)定層結(jié)使水汽抑制在低層不易向上擴散,這些都為霧的爆發(fā)性加強提供了很好的條件。隨后天頂部分云彩消失,地面長波輻射增強,氣溫急劇下降(25日00:30～01:00,30min內(nèi)溫度下降了1.0℃)。近地面層相對濕度超過臨界相對濕度,大量凝結(jié)核核化成霧滴,以及霧滴凝結(jié)增大,使得霧體在25日00:41爆發(fā)性增強。值得提出的是,急速降溫開始后,肉眼清楚地看到,貼地層不斷有白色霧層出現(xiàn),并隨微風漂移。12月14日08:27后霧體爆發(fā)性增強是地面蒸發(fā)、平流和湍流混合等幾個因子共同作用造成的。由圖4可以看到,13日入夜后,近地層因輻射降溫較快,在午夜形成了霧。03:00后,能見度降至500m以下,成為濃霧。但此后降溫緩慢,能見度在400m附近起伏變化(見圖1)。直到08:27后,霧體爆發(fā)性增強,08:41能見度降至15m,成為強濃霧。霧體爆發(fā)性發(fā)展的原因:一是地面蒸發(fā)增強,近地面層空氣水汽增加。13日20:00～21:00出現(xiàn)強度為0.5mm的降水,地面比較潮濕。日出(06:55)地表蒸發(fā)增強,水汽壓由日出前的8.4hPa增大到8.8hPa。二是平流作用,使貼地氣層降溫,這在圖4中可以清楚看到,08:00起,150m以內(nèi)氣層氣溫急劇下降。在圖4b中可見,08:10～08:40,氣溫下降了1.0℃左右。同步觀測的風資料表明,這是受到偏西較冷氣流的影響,增濕與快速降溫,導致了霧體驟然加濃。與前同樣,這次霧在爆發(fā)性增強前,貼地氣層仍不斷有白色霧層產(chǎn)生、漂移。日出后30min,即07:25觀測到操場草坪上出現(xiàn)白色霧層,并隨微風飄動,而后又有幾次出現(xiàn),一直持續(xù)到07:37,可以說這是爆發(fā)性增強的醞釀階段,也是霧體驟然加濃的前兆。需要指出的是,300m以上氣層由于暖平流作用而升溫(圖4),使得低層逆溫層強度增大,層結(jié)更加穩(wěn)定,導致貼地層水汽累積,這也是爆發(fā)性增強的一個重要條件。對于12月12日的霧,我們關(guān)注的是11:30的爆發(fā)性增強特征。10:20地面霧迅速減弱,11:00左右,能見度增大到1000m以上,太陽已清晰可見。但30min后,突然又起霧,能見度驟然降到260m(11:31)。分析連續(xù)的探空資料發(fā)現(xiàn),這與平流作用有關(guān)。如圖5b所示,從09:40～11:40,3h內(nèi)在250～550m的高度層比濕不斷增大,最大增加值超過2.0g·kg-1。這與東南風濕平流有關(guān)。由圖5c可見,250～600m高度層,正吹較強的東南風,由于增濕,霧頂迅速向上發(fā)展(圖6)。與此同時,地面層比濕也不斷增大,11:10與09:40比較,地面比濕增大將近1.0g·kg-1,這與該段時間湍流增強有關(guān)。為了進一步研究這個問題,我們計算了霧體爆發(fā)前后的不同高度的理查遜數(shù)Ri,其計算公式為Ri=gT0?θ?z/(?u?z)2≈gT0(z2?z1)(T2?T1)(u2?u1)2,Ri=gΤ0?θ?z/(?u?z)2≈gΤ0(z2-z1)(Τ2-Τ1)(u2-u1)2,其中g(shù)為重力加速度,θ表示位溫,T0是地面絕對溫度,T2、T1和u2,u1分別為高度z2、z1處的溫度和平均風速。圖7為霧爆發(fā)性增強前后的Ri廓線。Ri=0.25為臨界理查遜數(shù),當Ri<0.25時,則表示存在較強的湍流混合作用,當Ri>0.25,則說明湍流混合作用很弱,甚至根本不存在湍流運動。如圖7所示,在霧爆發(fā)性增強前,從地面至700m,湍流都比較強。特別是11:10廓線,除550m高度外,幾乎整層Ri都<0.25,近地層甚至<0.0。湍流混合引起的垂直輸送,將中上層高濕區(qū)水汽和霧滴帶到近地面層,這是地面霧爆發(fā)性增強的重要原因。這次霧突然增強,還有一個直接的原因就是降溫。太陽出來后,地面氣溫已明顯上升,從09:40~10:40的1h內(nèi),地面氣溫升高了2.0℃以上(見圖5a)。但此后氣溫持續(xù)下降。從圖5c得知,這與該段時間近地面的西北風有關(guān)?？梢?濕空氣與冷空氣的混合,使空氣重新變?yōu)轱柡?使?jié)忪F復起?？偟膩砜?上述3次霧爆發(fā)性增