南京冬季浓雾的演变特征及爆发性增强研究

2007年12月18—19日,南京地区出现了一次持续20h的浓雾过程,其中能见度低于50m的强浓雾几乎占到整个雾过程的1／3。利用同期在南京市北郊的外场观测数据,结合NCEP再分析资料,分析了该次雾的演变过程、微物理结构及边界层特征,探讨了地面雾爆发性增强的成因。结果表明：本次雾在西南平流的增湿作用下触发生成;日出后,平流输送和地表蒸发提供了充足水汽来源,贴地层逆温因高空下沉增温而向上抬升且稳定存在,因此大雾得以维持;整个雾过程中雾滴数浓度、平均直径、含水量随时间的变化趋势基本一致,平均谱曲线均呈指数下降分布,雾滴集中在小滴端;两次地面雾爆发性增强均发生在夜间,其特征为各微物理参量明显增大,滴谱上抬拓宽;爆发性增强的原因是地表气温陡降、贴地层逆温增强及可充当雾滴凝结核的气溶胶大粒子数增多。     

南京冬季辐射雾和平流辐射雾的化学特征差异

利用2006和2007年冬季南京雾外场试验中取得的雾水离子成分资料,分析了雾水化学组分特征,探讨了雾水酸度来源及辐射雾和平流辐射雾的化学特征差异。结果表明,南京冬季雾水中总离子浓度偏高,浓度最高的3种离子成份是SO^-24、NH^＋4和Ca^2＋,但雾水酸性不强,碱性离子成分的中和作用是pH值较高的原因。平流辐射雾中雾水离子总浓度约为辐射雾的2.2倍,平流辐射雾中浓度最高的阳离子为NH^＋4,辐射雾中为Ca^2＋。     

南京市冬季雾的物理化学特征

为研究南京冬季浓雾的宏微观物理结构和物理化学过程,揭示空气污染物与雾水化学结构的关系,2006—2007年冬季,在南京信息工程大学院内进行了雾的综合观测试验。观测项目包括雾的宏微观结构、雾水化学、大气气溶胶粒子谱及化学成分、辐射和热量平衡各分量、湍流以及常规气象和环境监测。在雾的生消过程中,各项目的观测是连续进行的。两年共观测到27次雾过程,并采集到37个雾水样本。按其形成,将南京冬季雾分为辐射雾、平流辐射雾和蒸发雾三类。该文详细分析了各类雾的宏微观结构,研究了强浓雾(能见度小于50m)发展的物理过程。结果指出,南京冬季雾多属暖雾,雾顶高度以平流辐射雾最高,平均顶高851m,辐射雾次之,平均顶高486m,蒸发雾偏低,平均顶高428m;各微物理参数均以平流辐射雾最大,辐射雾次之,蒸发雾最小,平流辐射雾含水量最大时可达1g/m3。通过对微物理参量连续变化分析发现,平流辐射雾和辐射雾进入强盛阶段时,都具有明显的爆发性增强特征。雾水化学分析结果表明,南京雾水离子浓度比较高,酸雾约占43%,属于硫酸型,均与空气污染物SO2、NO2和颗粒物有关。     

一次平流辐射雾的边界层特征及雾水离子组分研究

为了研究北京城市浓雾生成机理以及雾水的污染情况,2006年12月11-12日,在北京南郊北京市观象台(39°56'N、116°17'E)对水平能见度在100m以内的浓雾进行了观测,并分析了这次浓雾形成的天气条件,对所采集的雾水进行了离子组分分析.结果显示:这是一次平流辐射雾,雾层厚约150m,能见度小于100m;在高空槽前、稳定边界层中,近地面正相对涡度区内有气流辐合和暖湿平流,日落之后地面降温迅速,有利于雾的生成;地面偏南风配合近地层暖平流,有利于增加雾的浓度;浓雾的形成发展时段内伴随着大气五级重污染事件.与1999年北京的雾水采样比较:pH值上升,电导率下降,阴离子浓度普遍下降,阳离子浓度有所上升.研究表明,近年来北京城市所采取的治理措施,减轻了浓雾及其雾水中的污染.     

长江中上游平原地区冬季雾观测分析

长江中上游年平均雾日数达到20~106 d,是我国主要雾区之一。利用2010年12月在江汉平原观测获得的边界层廓线和雾滴谱资料,重点分析了该地区冬季雾过程的边界层结构及其生消过程。结果表明:荆州冬季雾多出现在寒潮过境1~2 d后,多为平流辐射雾;雾顶发展是水汽在上层逆温下积累,并伴随200~300 m高度冷平流降温引起;近地层冷平流降温导致饱和水汽压减小,同时上层系统性下沉增温引起逆温增强,水汽积累促使强浓雾过程产生;低空急流促使外界偏干气流与雾体混合后雾滴蒸发,是该地区雾顶迅速下降的主要原因;平均数浓度为150~406个·cm-3,极大值达到1 983个·cm-3,平均液水含量为0.014~0.118 g·m-3,极值达到0.786 g·m-3,与南京和重庆强浓雾观测值相似,超过其他地区观测值。城市地区高气溶胶浓度,配合充足的水汽条件,使得荆州雾过程微物理参量数值较大,易出现能见度小于50 m,持续时间4~9 h的强浓雾过程。     

华北一次浓雾过程爆发性增强的微物理特征

基于华北雾-霾综合观测试验资料,分析了2011年12月4日河北涿州一次浓雾过程爆发性增强的微物理特征及形成机理。结果表明：此次浓雾过程除具有均压场、地面辐射降温、逆温层、静稳天气等特征外,还具有雾微物理过程出现爆发性增强的特征,10 min内,小雾滴浓度显著增加,含水量增大了3个量级,雾滴谱由15 μm拓宽到35 μm,能见度由500 m骤降至70 m。夜间地面长波辐射冷却效应导致近地层雾的形成,而近地层雾的形成反过来快速地增强了地面长波辐射冷却效应,促使大量小雾滴的形成和碰并过程的产生,这是一种正反馈效应;大量雾滴形成释放的潜热,促使雾体抬升和向下长波辐射增强,又使地面长波辐射冷却效应减弱,产生负反馈效应。相对于南京辐射雾过程,此次涿州浓雾的小雾滴粒子数浓度高,液态水含量明显偏小,这与华北高浓度气溶胶和弱水汽输送有关。     

济南一次平流辐射雾的微物理结构及演变特征

受静稳天气影响,2017年1月3—6日我国华北、黄淮、长江中下游以及华南等中东部地区出现了大范围的持续性大雾天气,其中济南70 m以下的低能见度天气持续了6 h之久,最低能见度只有51 m。利用布设在山东省气象局院内的FM-120雾滴谱仪观测的微物理资料、自动气象站加密观测等资料,分析了此次浓雾天气过程的微物理结构,讨论了雾在4次"发展—减弱"过程中的主要特征,研究了雾在不同发展阶段以及爆发性增强期间的演变规律,探讨了雾的成因以及爆发性增强的原因。     

2006年12月南京连续4天浓雾的微物理结构及演变特征

2006年12月24-27日南京地区出现了连续4天的浓雾天气,其中能见度小于50 m的强浓雾持续了40多个小时.利用FM-100型雾滴谱仪,连续观测了雾滴谱、数密度和含水量等微物理参量.结合自动气象站及能见度仪观测资料,分析了这次浓雾过程的微物理特征,并与1996年观测结果进行对比:雾滴的平均含水量和平均直径与1996年观测结果相当,含水量最大值比1996年观测结果大4倍,数密度比10年前小.认为前2个子过程的雾滴数密度、含水量很高,造成了南京奉次大雾能见度长时间低于50 m的恶劣天气.结合边界层探空资料,认为形成这种强浓雾的主要原因足近地层持续存在强盛的水汽平流,具有平流雾的特征.根据雾微物理参量的起伏变化,将浓雾过程分成4个子过稃,分析并比较了4个子过程的雾滴谱分布,总过程的谱分布及4个子过程的谱分布都服从Dcirmendjian分布,谱型都基本呈指数下降,雾滴主要集中存小滴段.最后,对第一个子过程微物理参量的变化特征进行了细致分析.发现这次浓雾是在夜间晴空辐射降温后形成的,午夜最强,日出后随着气温的升高逐渐减弱,反映了辐射雾的口变化特征.另外,还发现雾形成以后,开始变化不大,但随着进一步辐射降温,地面雾团不断产牛,雾爆发性发展.     

南京地区雾的气候特征

利用1961-2006年南京气象站和江浦、六合、溧水、江宁、高淳5个南京郊区站地面资料,统计分析了南京地区雾天气的气候特征及其与气象要素的关系.结果表明:受地形和下垫面等特性的影响,南京地区各站雾日分布不均,有明显的地区差异.溧水、六合和南京比江浦、江宁和高淳更易出现雾天气,其中溧水雾日最多,年均为34.9 d.雾的季节分布表现为:秋冬季最多,春季次之,夏季最少.溧水、高淳、江浦年均雾日数表现出明显的上升趋势,而南京、江宁、六合雾日数略有下降.分析结果也指出,雾天气多出现在近地面弱风、高湿和弱高压等气象条件下.     

辐射雾局地爆发性增强原因探讨

利用常规气象资料、NCEP 1°×1°再分析资料、河北省高速公路专业气象自动监测资料以及天津市255 m气象铁塔梯度观测资料,对2010年12月21-22日发生在河北东北部沿海(以乐亭为代表站)和天津地区的一次历时短、局地性强的辐射雾爆发性增强原因及其边界层结构特征进行研究。结果表明,乐亭爆发性大雾的形成是由于低层暖湿气流受切变线的阻挡作用形成了弱水汽辐合,加上短波槽前弱冷空气和入夜后辐射降温共同影响所导致;副冷锋南下逼近天津境内时,渗透进低层的锋前弱冷空气是天津大雾爆发性发展的直接原因;同时,由于副冷锋南压过程中,锋后较强冷空气过境导致雾天气由北向南逐渐消散。雾过程中,始终维持着近地层湿冷、上层干暖的温湿结构。雾爆发性增强前,气温呈整体下降趋势的过程中存在小幅上升的现象,对局地浓雾的爆发有很好的指示意义。     

南京冬季辐射雾雾水沉降特征研究

利用2007年11月15日至12月29日在南京市郊开展的雾外场观测试验所获取的雾滴谱、三维风资料,利用涡度协方差法,主要分析了南京冬季辐射雾雾过程中的雾水沉降特征,并探讨了一次辐射雾与辐射—平流雾雾水沉降特征的差异。结果表明:辐射雾成熟阶段的雾水沉降量占总沉降量的90%以上;发现20μm以上的大雾滴对沉降起主要贡献,而大雾滴主要受重力沉降机制影响,重力沉降量约占总沉降量的82%,而雾水的湍流沉降量相对较小;直径7μm以下与40μm以上的雾滴对总沉降量几乎无贡献;雾的液态水含量与雾水沉降量之间线性相关,说明雾液态水含量对雾水沉降量有直接的影响,雾水沉降集中在能见度50 m以下的强浓雾阶段;辐射雾发展阶段近地面小雾滴在湍流扩散作用下以一定的周期向雾层上方输送,使得雾水通量谱具有明显的振荡特征,而辐射—平流雾的雾水通量谱不具有振荡特征。     

辐射雾发展的爆发性特征

根据1996年12月27日沪宁高速公路上雾的观测资料分析，揭示了辐射雾的双层结构和爆发性发展的特征，分析了辐射雾发展的物理过程，讨论了影响辐射雾生消过程的逆温结构和湍流混合问题。     

南京冬季平流雾的生消机制及边界层结构观测分析

利用系留飞艇边界层要素探测系统等设备,对2006年12月24q7日发生在南京地区的雾日边界层结构进行了综合探测,深入研究了这次平流雾的生消机制及边界层结构。结果表明：此次雾属于比较典型的平流雾,生成和维持主要决定于暖湿气流和系统性下沉运动,消散主要是干冷空气南下造成的;雾项下降阶段出现了双层结构,中层逆温是逆温主层,属于下沉逆温及平流逆温,主逆温层强中心始终位于雾顶附近或处于雾顶之下;风速随高度呈现多峰分布,中层急流与强度较弱的中上层和上层急流合并后,又与下层急流出现了一强一弱的波动;在风速较小时,风场趋于均匀化;雾消散时,低层风场趋于线性化;雾主要的水汽来源是暖湿气流;比湿场与风场有较好的时空分布对应性,主逆温层强中心也是逆湿强中心,风场与温度场共同主导了比湿场的时空分布。     

2009年初冬沪宁高速公路大雾过程成因分析

利用沪宁高速公路自动气象监测站(AMW)数据,结合NCEP/NCAR的1°×1°格点再分析资料,对2009年12月1—2日发生在沪宁高速公路上的大雾天气过程的能见度演变特征及其与相关气象要素的关系进行了分析,并对大雾形成机理进行了研究。结果表明:能见度与各气象要素之间均呈非线性关系,与相对湿度呈稳定的指数衰减关系,与温度及风速呈复杂的多项式关系;高空暖性高压脊和地面变性冷高压的高低空环流配置为雾的形成提供了逆温层结和近地面的弱风场条件;偏东气流和逆温层保证了水汽供应及在低层汇聚;雾区上空的热力因子和动力因子的分析证明了雾区大气层结状态的稳定性。     

南京冬季持续性强浓雾天气中三级分档雾水的理化特性分析

2013年12月7—9日南京出现持续性强浓雾天气过程。利用观测试验中获取的三级分档雾水和分粒径气溶胶的水溶性离子浓度,气溶胶数浓度谱、雾滴谱以及自动气象站获取的气象要素等资料,通过对比研究浓雾过程中4—16 μm（3级）、16—22 μm（2级）、>22 μm（1级）3个粒径范围雾滴（雾水）与分粒径气溶胶的微物理特征和化学特性,探讨不同粒径气溶胶粒子吸湿增长对雾滴的贡献以及气溶胶离子组分对不同尺度雾滴化学性质的影响。结果表明,在强浓雾天气中,能见度为50 m左右,短波辐射减弱形成稳定逆温层,有助于污染气溶胶的累积并吸湿增长向雾滴转化。雾滴的增加主要集中在小滴范围, 直径在0.5—1 μm的气溶胶粒子对其贡献最大。各粒径段气溶胶中阴离子NO₃-和SO₄2-均表现出较高值,阳离子中Ca2+浓度最高。三档雾水中各阴、阳离子浓度均在4—16 μm小滴雾水中最高,16—22 μm中滴雾水和>22 μm大滴雾水的阴、阳离子浓度没有明显的高低之分。阳离子中Ca2+的浓度在第1级小滴雾水中最高,2级和3级雾水中NH₄+的浓度最高,阴离子中NO₃-和SO₄2-在各级雾水中浓度相差不大。雾水pH值2.7—6.9,呈酸性,小雾滴酸性更强。      

On the Evolution and Structure of a Radiation Fog Event in Nanjing

An extremely dense radiation fog event during 10-11 December 2007 was studied to understand its macro-micro-physics in relation to dynamic and thermodynamic structures of the boundary layer, as well as its structural evolution in conjunction with the air-surface exchange of heat and water vapor. The findings are as follows. The extreme radiation fog process was divisible into formation, development, mature, and dissipation phases, depending on microstructure and visibility. This fog event was marked by rapid evolution that occurred after sunrise, when enhanced surface evaporation and cold air intrusion led to a three order of magnitude increase in liquid water content (LWC) in just 20 minutes. The maximum droplet diameter (MDD) increased four-fold during the same period. The fog structure was two-layered, with the top of both the surface-layer and upper-layer components characterized by strong temperature and humidity inversions, and low-level jets existed in the boundary layer above each fog layer. Turbulence intensity, turbulent kinetic energy, and friction velocity differed remarkably from phase to phase: these features increased gradually before the fog formation and decreased during the development phase; during the mature and dissipation phases these characteristics increased and then decreased again. In the development and mature stages, the mean kinetic energy of the lower-level winds decreased pronouncedly, both in the horizontal and vertical directions.     

南京市郊雾水中重金属和大气污染物的观测分析

利用2006年12月南京市北郊雾水样品化学分析资料和同期气象资料研究郊区雾水中重金属和雾天大气污染特征。结果表明,郊区出现雾天时,不利于大气污染物的扩散,造成较严重的大气污染,污染物浓度变化与雾的生消基本同步;大雾期间PM10浓度比起雾前高2．5倍。雾水中重金属浓度在0．0205—1．8248mg／L范围,平均1．32mg／L;对重金属与大气污染物作相关分析,除类金属As外,Cd、Cr、Cu、Mn和Fe浓度两两之间相关系数均大于0．91,说明重金属排放具有同源性。