海霧過程中大氣氣溶膠譜變化及消光作用

盛立芳,梁衛芳,屈文軍,羅 凱

(1.中國海洋大學物理海洋重點實驗室海洋-大氣相互作用與氣候實驗室,山東青島266100;2.青島市氣象局,山東青島266003; 3.中國海洋大學海洋環境學院,山東青島266100)

海霧過程中大氣氣溶膠譜變化及消光作用

盛立芳1,梁衛芳2,屈文軍1,羅 凱3

(1.中國海洋大學物理海洋重點實驗室海洋-大氣相互作用與氣候實驗室,山東青島266100;2.青島市氣象局,山東青島266003; 3.中國海洋大學海洋環境學院,山東青島266100)

海霧是沿海地區的常見天氣,大霧致災的現象時有發生,然而對海霧微物理過程的研究相對匱乏。本文以北方的1次海霧過程為例,分析在霧的生成、維持和加強階段氣溶膠譜的變化、消光作用和對能見度的影響。發現暖濕氣流影響下,空氣比濕持續增加是1μm以上粗粒子數濃度增加的主要原因,比濕持續增加的速度越快,粒子數濃增長的幅度也越大,對能見度的影響也越大。反之,如果比濕持續下降,1～2.5μm粒子數濃度就會減小,能見度增加。粒子直徑的增長速率在10-5(μm/s)量級以內。低能見度出現的時間與1～5μm粒子濃度相關性最好,低能見度發生的時間基本上與1～5μm粒子濃度開始增加的時間相一致。在霧的維持階段小粒子通過增長被消耗,而較大粒子被霧滴清除。在霧的加強階段,大粒子的增長速度超過了霧滴的清除。霧過程中以大于0.5μm粒子的消光作用為主,消光系數變化與能見度變化有很好的反相關關系,并且粒徑越大,反相關關系越好。

黃海海霧;能見度;消光系數;粒子譜;輻射

本文以2008年7月上旬青島的1次平流海霧為例,分析海霧在生成、維持和加強過程中氣溶膠譜的變化、氣溶膠的消光作用和對能見度的影響。

我國沿海海霧主要發生在春、夏季節,多霧的月份隨緯度增高,時間向后推移。北部灣沿海2月霧最多,海南島3月最多,南海沿岸4月最多,東海則以5月最多,6～7月份則是黃海海霧頻繁出現的季節[1]。近年來由于氣候變化和人為污染等的影響,一些地區的海霧天氣表現出持續時間長、強度大、范圍廣的特點,給沿海活動帶來很大影響。

目前對霧區的準確預報依然很困難,因為霧的微物理過程非常復雜[2-3]。相對于觀測較多的陸地霧[4-5],對海霧微物理結構的早期認識集中在浙江舟山地區進行的春季海霧觀測[6],最近針對南方平流霧的研究中分別使用了三用滴譜儀和FM100滴譜儀資料揭示霧滴譜、霧滴含水量與能見度的關系[7-8]。目前對北方海霧微結構觀測僅有零星報道。楊連素利用風洞式三用滴譜儀對青島近海的海霧進行了為期2 a的觀測,發現霧滴直徑多在6～48μm,濃度在0.6～42.9個cm-3之間,水含量大致為0.012～0.195 g/m3[9]。徐靜琦等觀測到青島6～7月海霧的數濃度在8.2～248.9個cm-3之間,霧滴的平均直徑在2.0～2.5μm之間[10]。從這2次數據報道可以粗淺地發現從1980—1990年代,霧滴的數濃度在增加,而霧滴半徑在減少。實際上在中國的許多城市已經發現,人為活動導致大氣中細粒子增長,使霧的消散時間明顯推后,平均持續時間增加,霧內能見度下降[11-12]。

霧發生時,能見度有很大的變化范圍,從輕霧時的

1 觀測與分析方法

氣溶膠粒子濃度由GRIMM180顆粒物監測儀進行觀測,GRIMM180可以觀測>0.25μm氣溶膠的粒子濃度,其中32μm以上粒子不做區分,0.25～32μm之間共劃分30個粒徑,分別是0.25,0.28,0.3,0.35,0.4, 0.45,0.5,0.58,0.65,0.7,0.8,1.0,1.3,1.6,2.0, 2.5,3.0,3.5,4.0,5.0,6.5,7.5,8.0,10.0,12.5, 15.0,17.5,20.0,25.0,30.0,32.0μm。儀器的工作原理是當顆粒物通過儀器的光學測量區時,顆粒物使激光束產生散射光信號,通過探測分析光信號得到顆粒物的數目濃度。采樣管內安裝了Nafion干燥管可以去除樣品空氣中的水分子。這種非加熱去濕法不會對氣溶膠的成份造成破壞。儀器的采樣頻率為5 min。能見度數據由芬蘭FD12前散射能見度儀每1次/15 s。2臺儀器皆安裝在青島氣象臺觀測場(120°14′E,36°20′N),距離海邊直線距離不到1 km。太陽輻射和向下長波輻射分別由Kipp&Zonen公司的CM21和CG4輻射計進行測量。

由于能見度儀的觀測頻率高,首先按照氣溶膠的觀測時間計算5 min內能見度的平均值,然后同步輸出、對照分析。在小粒子范圍內GRIMM180的測量上限是2.5μm,大粒子范圍的測量下限也是2.5μm,因此在原始觀測數據中有2列數據幾乎是相同的,進行數據分析時需去掉1列。

在分析過程中使用了可見光和紅外云圖、地面氣象自動站資料、浮標資料和風廓線雷達資料,由于篇幅限制不在文中體現,參見文獻[17]。本文中提到的時間為當地標準時間(北京時)。

2 海霧過程中的觀測事實

2008年7月7～9日隨著東北低渦北上和副高西伸,副高西側海上暖濕氣流北上過程中受黃海冷海面的冷卻作用逐漸成霧,霧區逐漸發展并影響到青島等地區。10日青島出現局地雷暴天氣,霧消散。日本氣象廳的MTSAT-1R的可見光和紅外云圖清楚地表明了霧的發展過程(圖略)。

表1 2008年7月7日至9日能見度和云量觀測記錄Table 1 Observation of cloud and visibility from Jul.7 to Jul.9,2008

確定霧的發生時間需要借助人工氣象觀測和能見度儀的數據,表1顯示出2種觀測結果有很大的差異,人工觀測能見度遠高于器測結果。從3 h間隔的人工觀測記錄看不出7日和8日有霧發生,而能見度儀的觀測表明7日14時能見度低于1 km。自動觀測和人工觀測的差異是顯然存在的[18],除了不可避免的觀測誤差,人眼的主觀判斷與能見度儀消光反演的差別可能是造成差異的主要原因。本文主要以能見度儀數據作為霧發生和結束的依據。圖1表明7日13··00開始能見度達到霧的標準,8和9日分別有持續時間不等的霧現象出現。

到達地面的向下總輻射和大氣逆輻射的變化都反映出海霧的影響作用(見圖1),與晴天(6日)相比,7日中午前后總輻射衰減1/2以上,而大氣逆輻射增加且維持少變。以14··00的觀測為例,8和9日的總輻射比6日分別減小456.61和451.43 W/m2,而大氣逆輻射維持少變,比晴天時分別增加51.79和48.97 W/m2。值得注意的是7日雖然有霧,但是與晴天相比,輻射的變化不如8和9日明顯。地面天空輻射計長期觀測中也出現過高的能見度對應高的氣溶膠光學厚度現象[19]。從地面觀測的濕度變量來看,8和9日相對濕度維持在95%和100%之間,而6和7日的水汽壓與相對濕度不僅比8和9日低,而且表現出明顯的日變化(圖略)。7日中午相對濕度持續增加,至22點達到100%。濕度的變化在表1中云量的觀測中也有一定反應,8日低云量6～8成,而9日的總云量為9,低云量記錄缺省。

從以上分析中可以看出,雖然7和9日都出現了1 km以下的低能見度,但是大氣中的水汽含量、總輻射的衰減和大氣逆輻射的增加有明顯差異。根據Koschmieder公式[20],能見度與大氣的消光系數成反比,在影響消光系數的氣象因子中,水汽的作用是最突出的[21-22]。水汽可以直接吸收入射太陽輻射,也可以改變氣溶膠中的含水量,從而改變氣溶膠譜分布。

圖1 2008年7月6～9日的向下總輻射和大氣逆輻射Fig.1 Downwelling atmospheric radiation and shortwave solar radiation form Jul.6 to Jul.9,2008

3 結果與分析

3.1 氣溶膠譜濃度與能見度的關系

從霧發生前后氣溶膠數濃度和氣象條件的變化可以看出,在無霧的天氣,大氣中1μm以下細粒子濃度高,地面氣象狀況為高溫、低濕;而霧出現后低溫、高濕的氣象條件導致大氣中大粒子濃度升高。低能見度出現的時間與1～5μm粒子濃度相關性最好,低能見度發生的時間基本上與1～5μm粒子濃度開始增加的時間相一致(見圖2)。特別是9日9··00～16··00能見度在300 m以下,是這次平流霧過程中能見度最低的時段,1～5μm粒子濃度比其他時間增加了將近5倍。在霧加強為濃霧的過程中,小于1μm粒子的數濃度大多呈下降趨勢,減少的數濃度在3%～6%,而1μm以上粒子的數濃度呈上升趨勢,其中1～2.5μm粒子的數濃度增加6%～25%,平均為15%,2.5～5μm粒子的數濃度增加6%～43%,平均為27%(見表2)。

表2 霧發生時粒子數目濃度與消光系數Table 2 Number concentration and extinction coefficient of different particles during fog

圖2 2008年7月7～9日青島能見度(m)和1～2.5μm粒子數濃度(cm-3)的變化Fig.2 Variation of the 1～2.5μm particulate number concentration and horizontal visibility in Qingdao from Jul.7 to Jul.9,2008

霧發展過程中1μm以下粒子數濃度減少,而1～5μm粒子數濃度增加的原因至少由以下3方面引起:海洋大氣輸送的以海鹽為主的粗粒子,1μm以下小粒子碰并或吸濕增長。為了判斷其中的可能性,將7月6日下午風轉向前后的粒子譜進行對比發現,風向從西南風轉為東南風后<0.7μm的粒子數濃度下降,0.7～0.8μm粒子數濃度變化幅度最小,而0.8μm以上粒子數濃度增加,增加幅度最大的粒子在1～3μm之間,而5μm以上粒子數濃度不受影響。其中1～2.5μm粒子數濃度從6(cm-3)增加到10(cm-3),增加了66.6%,說明來自海洋大氣中的氣溶膠以0.8～5μm的顆粒為主。以往對海洋氣溶膠的觀測表明,海鹽氣溶膠大小在0.3μm以上甚至是80%以上海鹽顆粒大小在1μm以上,但是源自波破碎產生的1μm以上的大粒子的濃度很低[23-25]。風向轉換前后120 m以下風速基本上在2 m/s以下,粗粒子可能是海浪在岸邊摩擦破碎產生,也可能是受污染的海洋大氣中的原有粒子。因為大氣中氣溶膠分布受氣團來源和氣象條件影響[26-27],其粒徑變化很大,從遙遠海洋的0.003～0.9μm[28],到受污染海洋大氣中的0.016～30μm[29]和0.005～150μm[30]都有觀測報道。

通過觀測粒子增長期間的地面比濕發現,無論是否有霧發生,只要比濕持續增加,1μm以上粗粒子數濃度就會增加,增加的速度越快,增長的幅度也越大,對能見度的影響也越大。反之,如果比濕持續下降, 1～2.5μm粒子數濃度就會減小,能見度增加。7日地面比濕從14.2 g/kg上升到16.3 g/kg,變化幅度最大,1μm以下細粒子數濃度表現出持續下降趨勢,而1～2.5μm粒子數濃度呈波動增長,約2.5 h為1個周期。8日和9日的地面相對濕度約為100%,霧發生期間的比濕和細粒子數濃度變化幅度小于7日。但是在高比濕條件下,大粒子數濃度增加更快。特別是9日微風層厚度大,持續時間也長,粗粒子數濃度的增長幅度也是最大的。造成粗粒子數濃度增加的原因可能是盛行風為東南風時,海上風區長,大氣中來自海洋源的粗粒子數多,也可能是在高濕條件下,吸濕粒子的增長。關于粒子的吸濕增長有諸多報道[15,31]。Clarke等在近海氣溶膠觀測研究中提到,隨著濕度的增加,粒子半徑增加,導致消光增強和消光系數隨波長的變化[32]。在韓國Gosan本底站的觀測發現,隨著相對濕度增加,環境大氣中細粒子逐漸增長到飛沫態(0.6μm左右)和>2.5μm的粗模態。當相對濕度<80%時,飛沫態顆粒增長明顯集中在<2.5μm的區域。細粒子中有機物含量高時,即使在中等濕度條件下也會加速霾的形成[33]。許多觀測研究也提到亞微米粒子的增長,尤其是在非降水云(霧中)粒子譜的變化[34-36]。雖然也有研究認為粗粒子和細粒子的來源不一樣,與清除過程相比,積聚態粒子的碰并和水汽凝結增長是慢過程,不可能通過這兩種過程成長為粗模態粒子。但是從觀測到的濕度和粒子譜變化的結果中不難得出小粒子吸濕增長為大粒子的結論。

在高比濕條件下大粒子數濃度增加很快,而細粒子數濃度變化幅度小于低比濕條件下,可能是由于飽和的水汽條件改變了粒子成長的過程,也可能是陸源污染物起了作用。在污染海洋大氣中,海鹽多相反應非常重要。堿性的海鹽顆粒不僅增強了SO2在海鹽表面溶液中的吸收,并且促進了sulfate顆粒物的形成[37]。9日9··30～11··00從地面到1 800 m高空以西南和偏西風為主,風速在3 m/s以內,雖然還不清楚這種短時天氣過程的發生機理,但是它對氣溶膠的影響是明顯的。1μm以下細粒子濃度在0.5 h之內增加了3倍多,隨后出現了1～2.5μm粒子爆發性增長過程。根據測站的地理位置,西南和偏西風時容易受到陸地污染排放的影響,而5和6日的觀測也表明西南和偏西風控制時大氣中細粒子數目較多。陸源排放的細顆粒子遇到水汽后容易增長,而海鹽粒子非常容易與污染氣體反應,生成硫酸鹽與硝酸鹽細粒子,這些細粒子吸濕增長又會增加大氣中大粒子的濃度[38]。

3.2 氣溶膠譜變化與消光特征

空氣濕度的變化導致大氣中氣溶膠粒子的布朗擴散、碰并、凝聚、沉積和異相反應的變化,從而引起氣溶膠粒子譜分布的變化[39]。在山地平流霧過程中數密度表現出“上升-拓寬-變窄”的變化特點[11]。在平流霧過程中氣溶膠數目、表面積和體積譜變化較大,很難以某一標準對霧過程中的譜分布特征做比較。但是總體上表現出以下特征:

圖3 霧過程中氣溶膠的譜分布Fig.3 Size distribution of aerosol in fog

(1)若霧的維持時間比較長(7和9日),1～5μm粒子數濃度呈現增長變化,大粒子數濃度增加越多,能見度越低,這與實驗觀測發現的“能見度最低點應在霧滴數密度和平均粒徑都較大的時間”[40]是一致的;若霧維持時間短(8日)1μm粒子數濃度呈現波動變化,且與能見度的關系不是很明顯。圖3中給出了霧過程中3個時刻的譜分布,能見度分別為155 m(7日)、1 083 m(7日)和166 m(9日)。

(2)由于霧過程中小粒子數濃度減少,總的數濃度下降,日平均數濃度分別為8 884 cm-3(7日)、5 033 cm-3(8日)和4 857 cm-3(9日)。

(3)在夜間和凌晨時間觀測到的20～30μm大粒子出現的頻率高于午后時間。觀測發現,在霧的發展過程中,大滴的數量逐漸增多,而小滴的比例減小[41]。這既是水汽在凝結核上不斷凝聚的結果,也有小粒子間碰并的貢獻。對北太平洋海霧的觀測研究發現,霧對0.5μm以上大粒子的清除效率>0.5μm以下細粒子[42]。在受污染的沿海區域,海鹽核與土壤礦物混合,在水汽的作用下,霧滴與粗粒子多次碰并,導致粒徑大于1μm的粗粒子附著在液滴表面或以衛星結構存在,因而1個液滴中可能包含幾個粗粒子[43]。霧滴與氣溶膠粒子的碰并效率受湍流的影響,在穩定的天氣條件下,白天的湍流強度通常高于夜間。

根據2個時刻的氣溶膠粒子濃度和粒徑分布可以估算霧發展過程中粒子的增長率(μm/s)[39]:

其中Dp為某大小粒子直徑,N(Dp,t)代表某時刻該大小粒子的數濃度(個/cm-3),n(Dp)為2個時刻粒徑分布的平均值:

圖4 不同大小氣溶膠粒子的增長率Fig.4 Growth rate of different size particles

以前后2 h間隔的觀測數據進行計算,發現粒徑增長率<10-5(μm/s)量級。以霧前后和霧過程中粒徑變化為例(見圖4),7日12··00～14··00粒徑增長率代表霧發生前后對比,期間能見度從3 657 m下降到272 m, 0.5～5.7μm的粒子都有增長,較高增長率分別是1.1和2.2μm的粒子。8日10··00～12··00為霧的維持階段,與發展階段相比,2.2～3.7μm的粒子增長率略低,其他粒子的增長率下降,1.1μm以下和5.7μm以上粒子出現負增長。其原因可能是小粒子通過增長被消耗,而較大粒子被霧滴清除。9日12··00～14··00能見度從248 m下降到145 m,屬于濃霧階段,從0.5～5.7μm的粒子都有增長,4.5μm以上大粒子的增長速度比前2天都大,表明在霧加強階段,大粒子的增長速度超過了霧滴的清除。

利用3個對數正態分布函數之和模擬霧過程中氣溶膠譜分布:

根據觀測的氣溶膠譜分布特征,由最小二乘原理決定函數公式中的參數。積聚態取2個對數正態分布,分別靠近凝聚態和飛沫態:￣D1=0.26μm、￣D2= 0.65μm,相應的幾何標準差為σ1=1.4,σ2=1.9(適用7日和9日的霧過程)和σ2=1.7(適用8日的霧過程)。第3個對數正態分布對應粗粒子:￣D2=2.0μm,σ3= 1.2。

圖5 消光系數與水平能見度的關系Fig.5 Scatter diagram of horizontal visibility and extinction coefficient

利用公式(3)給出的分布函數和MIE散射理論計算的消光效率,計算波長為550 nm的消光系數,折射率W的實部和虛部值參考了青島地區多年地基遙感的反演結果[44],分別為W=(1.55+0.01)i(D< 0.5μm)、W=(1.55+0.005)i(0.5μm≤D<2.0 μm)、W=(1.46+0.00)i(D≥2.0μm)。

表2中給出了霧過程中消光系數的變化范圍, 1 km以內能見度和各模態粒子的消光系數由圖5給出,霧過程中平均消光系數為1.21 km-1,其中0.5μm以下凝聚態粒子的平均消光系數為0.55 km-1,0.5～2.0μm粒子的平均消光系數為0.50 km-1,>2.0μm粒子的平均消光系數為0.16 km-1。這里的計算結果只是體現了氣溶膠粒子的作用,實際上在霧過程中霧滴的消光作用是很強的,如果有霧滴觀測資料0.5μm以上氣溶膠和霧滴的共同消光系數應該占主要貢獻,相比之下細粒子的作用可以忽略[45]。在霧加強過程中0.5μm以下凝聚態粒子的消光作用減弱,而飛沫態以上粒子的消光作用大大增強。>0.5μm粒子的消光系數變化與能見度變化有很好的反相關關系,并且粒徑越大,反相關關系越好。

4 結語

本文根據1次平流霧過程中觀測的氣溶膠、能見度資料分析了霧發展過程中氣溶膠譜的變化及對能見度的影響,結合風廓線資料和地面氣象觀測分析了氣溶膠譜變化的可能原因。

在東北低渦東側、副高西側暖濕氣流影響下,空氣比濕持續增加,導致了1μm以上粗粒子數濃度的增加,而且比濕增加的速度越快,粒子數濃度增長的幅度也越大。霧生成后1μm以下粒子數濃度減少,而1～5μm粒子數濃度增加。在霧形成階段,粒子數濃度呈波動形式增加,約2.5 h為1個周期。粒子的增長率在10-5(μm/s)量級以內。在霧的生成階段和加強階段, 0.5～5.7μm的粒子都有增長,而在霧的維持階段只有2.2～3.7μm的粒子在增長,增長率低于霧生成階段和加強階段的增長率。從增長率的變化可以看出,在霧的維持階段小粒子通過增長被消耗,而較大粒子被霧滴清除,在霧的加強階段,大粒子的增長速度超過了霧滴的清除。

低能見度出現的時間與1～5μm粒子濃度相關性最好,低能見度發生的時間基本上與1～5μm粒子濃度開始增加的時間相一致。利用3個對數正態分布函數之和模擬霧過程中氣溶膠譜分布并計算消光系數,在霧加強過程中0.5μm以下凝聚態粒子的消光作用減弱,而飛沫態以上粒子的消光作用大大增強。大于0.5μm粒子的消光系數變化與能見度變化有很好的反相關關系,并且粒徑越大,反相關關系越好。

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Abstract: Sea fog occurs frequently in China coastal area and causes disaster ever and agah.However research on microphysics of sea fog is still few.A summer advection sea fog was studied to investigate the variation of aerosol size distribution,its induced extinction and influence on visibility during the onset, maintaince and strengthen stage of the sea fog.It was found that ithe continuous increase of specific humidity may cause the increase of number concentration of coarse mode particles larger than 1μm in diameter and in the boundary layer with steady warm and wet onshore wind.The faster the specific humidity increases continuously,the higher the number concentrations increase and the stronger the visibility is impacted.On the contrary,if the specific humidity decreased continuously,the number concentrations of the particles in 1～2.5μm would reduce accordingly,and the visibility would become better.The growth rate of particle radius is within 10-5(μm/s)magnitude.The visibility variation is very sensitive to the change of the number concentration of particles with aerodynamic diameter ranged in 1～5μm;especially, an inverse correlation was identified between the visibility and the number concentration of the particles in 1～2.5μm.In the maintaince stage of the fog,smaller aerosol particles were depleted through growth, and larger particles were deposited by fog droplet.In the strengthen stage of the fog,the growth of larger particles exceeded the remove of fog droplet.The extinction was mainly contributed by particles larger than 0.5μm in the fog process.There is a good reverse relationship between the extinction coefficient and visibility.Larger is the particle size,better is the reverse relationship.

Key words: Yellow sea fog;visibility;extinction coefficient;particle-size distribution;radiation

責任編輯 龐 旻

Relationship of Aerosol Size Distribution and Visibility in a Sea Fog

SHENG Li-Fang1,LIAN G Wei-Fang2,QU Wen-Jun1,LUO Kai3
(1.Physical Oceanography Laboratory&Ocean-Atmosphere Interaction and Climate Laboratory,Ocean University of China, Qingdao 266100,China;2.Qingdao Meteorological Bureau,Qingdao 266003,China;3.College of Physical and Environmental Oceanography,Ocean University of China,Qingdao 266100,China)

P434

A

1672-5174(2011)06-001-08數公里到濃霧時數百米,甚至不足百米皆有可能。霧過程中能見度的大小取決于液態水含量和霧滴等效半徑,而它們都是由霧滴譜決定的[13-15]。由于缺乏足夠的觀測資料,對海霧的預報往往顯得很困難,尤其是霧的生消時間。因此相比于對霧形成的宏觀條件的認識,對霧的微觀物理結構的認識更加重要,這不僅有助于改進模式微物理方案,提高能見度計算準確度[16],對其他相關研究也很重要,比如霧對輻射的影響等。

國家自然科學基金重點項目(40830959);國家重點基礎研究發展計劃項目(2006CB403702)資助

2010-08-30;

2010-10-26

盛立芳(1966-),女,博士,教授。E-mail:shenglf@ouc.edu.cn