近地層輻射過程與霧微結構的相互作用特征

趙麗娟，牛生杰

(南京信息工程大學1.江蘇省大氣環境監測與污染控制高技術研究重點實驗室;2.大氣物理學院，江蘇南京210044)

近地層輻射過程與霧微結構的相互作用特征

趙麗娟1，2，牛生杰1，2

(南京信息工程大學1.江蘇省大氣環境監測與污染控制高技術研究重點實驗室;2.大氣物理學院，江蘇南京210044)

利用2006—2009年南京郊區(32°12'N，118°42'E，25 m a.s.l.)冬季霧綜合觀測資料，分析了近地層輻射特征與霧微物理結構的相互作用。結果表明，凈輻射通量密度介于-50～+25 W·m-2時，霧層中霧滴數濃度逐漸增加，且霧滴半徑越小，霧滴數密度增大越顯著。近地層輻射冷卻或弱增溫，有利于霧滴活化和凝結增長。地面輻射增溫較強時，霧滴數濃度和不同尺度霧滴數密度均減少，且霧滴半徑越小，霧滴數密度減小得越快。太陽短波反射率的變化主要受霧滴數濃度、平均半徑和液態含水量的影響。霧過程中，霧滴數濃度和液態含水量每增大100 cm-3和0.001 g·m-3，引起的太陽短波反照率的增量分別為5.29×10-3和1.18×10-4。

凈輻射通量密度;太陽短波反射率;霧滴譜

0 引言

霧是大量微小水滴或冰晶浮游空中，使近地層水平能見度小于1.0 km的天氣現象，常呈乳白色(中國氣象局，2007)。霧的出現對工農業生產、交通運輸、電力輸送、人體健康帶來很大危害(嚴文蓮等，2009)。長波輻射冷卻是影響霧形成和發展的重要因素(Duynkerke，1991;Shi et al.，2010;陸春松等，2011)。加州西岸海霧研究結果表明，霧頂的輻射冷卻是海洋邊界層降溫、湍流形成和霧垂直向上發展的重要因子(Oliver et al.，1978;Leipper，1994;Koracin et al.，2001，2005;Lewis et al.，2004)。對陸地霧的數值模擬結果也表明，霧頂的輻射冷卻是霧形成和發展的主要原因，而太陽短波輻射加熱促使霧進入消散階段(董劍希等，2006;何暉等，2009;胡朝霞等，2011)。輻射冷卻對霧微結構也有顯著影響。霧頂長波輻射冷卻與霧滴凝結增長之間存在一種正反饋機制，長波輻射冷卻使大氣達到過飽和，進而導致霧滴凝結增長，霧滴凝結又會增強霧頂的輻射冷卻降溫(Haeffelin et al.，2010)。霧的微物理參量隨時間快速變化，這種高頻的隨機變化過程中存在低頻的準周期變化特征，微物理參量的這種高頻隨機變化是由間歇性的湍流混合過程引起的(Pilié et al.，1975;Gerber，1991;徐杰等，2009)。而關于微物理參量的準周期振蕩產生的原因，有學者提出輻射冷卻造成的霧滴凝結增長和大滴重力沉降導致的含水量消耗之間的相互作用可能導致了霧微結構的準周期振蕩(Bott，1991;黃玉生等，2000;唐浩華等，2002)。反之，霧過程的出現又可以改變近地層的輻射特征(陸春松等，2011)。目前，利用外場觀測和數值模式研究輻射通量對霧形成、發展、消散的影響已取得了豐碩成果，而凈輻射通量對霧微觀結構的影響以及霧微觀結構對太陽短波反射率的影響研究相對較少(Niu et al.，2010)。通過分析凈輻射通量對霧微觀結構的影響，可以深化對霧生消機制的認識。此外，霧的形態可看作是接地的云，了解霧微觀結構對太陽短波反射率的影響，對于研究氣溶膠的間接氣候效應也有一定幫助。

1 觀測資料及數據處理方法

長三角地區霧以冬季霧為主，每年10月—次年1月是該地區霧的高發期，其中11月霧發生頻次最高(余慶平和孫照渤，2010;周偉燦和魏煒，2010;杜坤等，2011)。本文選用2006—2009年11—12月南京信息工程大學(32°12'N，118°42'E，25 m a.s.l.)冬季霧外場綜合觀測資料(Liu et al.，2012;Niu et al.，2012)，試驗期間共觀測到29次霧過程，其中輻射霧16次。觀測內容包括霧的邊界層結構、霧微物理結構、霧水化學特性、大氣氣溶膠粒子譜及化學成分、輻射特性、湍流結構、通量特征及常規氣象觀測項目。

1.1 觀測儀器

霧微物理參量由FM-100霧粒子譜儀(DMT，美國)進行測量，可測量霧滴的前向散射光強度和霧滴個數，并根據散射截面與霧滴直徑的函數得到霧滴的尺度。FM-100霧粒子譜儀的激光波長為680 nm，可測量的粒子數濃度范圍是0～5 000 cm-3，激光前向散射所測粒徑范圍是2～50 μm，粒子尺度分檔可選擇10、20、30或40檔，數據輸出頻率可設置為0.1～10 Hz。觀測期間采用20檔記錄霧滴個數，數據輸出頻率設置為1 Hz。

輻射通量密度由CNR1凈輻射觀測儀(Campbell，美國)進行測量，它由兩組傳感器表面分別向上和向下的日射強度計和地面輻射強度計組成，可測量入射太陽短波輻射通量密度和長波紅外輻射通量密度、地表反射的短波輻射通量密度和發射的長波紅外輻射通量密度。日射強度計和地面輻射強度計可測量的波長范圍分別為305～2 800 nm和5.0～50 μm，可測量的輻射分量和凈輻射通量密度的范圍分別是0～2 000 W·m-2和-250～+250 W·m-2，短波輻射和長波輻射測量的分辨率分別為0.1和0.01 W·m-2，測量相對誤差小于±2%。傳感器以1 Hz的采樣頻率獲取輻射分量信息，可編程控制輸出資料(輻射分量的平均值)的時間周期:1 s～1 h，觀測期間設置為每1 min輸出1組輻射分量的平均值。

1.2 數據處理方法

根據DMT公司提供的FM-100霧粒子譜儀使用說明，儀器采樣的氣流速度(va，單位為m·s-1)和單位時間采樣體積(V，單位為cm3·s-1)可根據下述公式進行計算:

其中:M是由動態氣壓和靜態氣壓得出的馬赫數，單位為mb;Ta是環境氣溫，單位為K;S=0.264 mm2為采樣面積;n(r)是霧滴數密度，由每檔霧滴個數除以V×Δr得到，單位為cm-3·μm-1;r是霧滴半徑，單位為μm。

描述霧微物理特征的物理參量根據公式(3)—(7)計算，

其中:N是霧滴數濃度，單位為cm-3;rm是平均半徑，單位為μm;re是有效半徑，單位為μm;L是霧含水量，單位為g·m-3;σ是霧滴譜標準差，單位為μm;ρ=1 g·m-3為水的密度。

2 凈輻射通量密度對霧微觀結構的影響

定義地面的凈輻射通量密度(Rn)為太陽短波輻射通量密度和長波輻射通量密度之和:

2.1 微物理參量

圖1給出了霧過程中各微物理參量隨地面凈輻射通量密度(Rn)的變化特征。可以看出，霧發生時地面凈輻射通量密度變化范圍為-25～+150 W·m-2，介于-25～0 W·m-2的數據最集中。地面凈輻射通量密度為-5～0 W·m-2時，霧滴數濃度(N)、平均半徑(rm)、液態含水量(L)較大，并隨著地面凈輻射通量密度增加或減少而迅速減小(圖1a—1c)。出現這種特征的原因主要包括以下兩方面。第一個原因是與霧的生消過程有關(馬國忠和銀燕，2010;魏建蘇等，2010;楊軍等，2010)。霧多形成于傍晚或凌晨，并在正午前后消散。圖2給出了兩次霧過程(2007年12月13日19:00—14日14:00;2007年12月14日19:00—15日14:00)中輻射通量密度分量的變化特征。日落后，地表失去太陽短波輻射加熱，而地面向上的長波輻射通量密度始終大于大氣逆輻射(地面凈輻射通量密度為負)，地面和近地層大氣溫度逐漸降低，近地層大氣的相對濕度逐漸增大并接近飽和(圖2)。霧形成后，阻礙了地表熱通量向上輸送，大氣逆輻射逐漸增大，使得地面向上的長波輻射通量密度與大氣逆輻射之差逐漸減小(地面凈輻射通量密度逐漸接近于0 W·m-2)。相應地，隨著霧過程發展，霧層的霧滴數濃度、霧滴平均半徑、液態含水量逐漸增大，使得霧微物理參量與地面凈輻射通量密度(介于-25～0 W·m-2之間)呈正相關關系。至日出前后，地面凈輻射通量密度接近于0 W·m-2，而霧的成熟期也多出現在此階段，此階段霧的微物理特征是霧滴數濃度、平均半徑、最大半徑、有效半徑、液態含水量均出現整個霧過程的最大值(圖2)。與之對應，霧中各微物理參量的高值多集中在Rn=0 W·m-2附近。日出后，在太陽短波輻射加熱作用下，地面凈輻射通量密度由負轉正，下墊面和近地層大氣開始升溫。一方面，使得近地層相對濕度減小，霧層中的霧滴蒸發，從而導致霧滴數濃度、平均半徑、液態含水量減小;另一方面，下墊面溫度升高，使得凝附在下墊面表面和保存在土壤中的水分蒸發，使近地層大氣中的水汽含量增加，有利于霧滴活化和凝結增長。因而，隨著地面凈輻射通量密度(大于0 W·m-2時)增加，霧中各微物理參量逐漸降低，但下降趨勢較緩。出現這種特征的第二個原因是，近地層大氣層結的影響。地面凈輻射通量密度為負值時，下墊面持續降溫，會使得近地層大氣層結趨于穩定，水汽和霧滴在近地層累積;而地面凈輻射通量密度為正值時，下墊面和近地層大氣升溫，大氣層結趨于不穩定，有利于水汽和霧滴向上輸送，也會導致霧滴數濃度和液態含水量減小。

與霧滴數濃度、平均半徑和液態含水量不同，地面凈輻射通量密度大于0 W·m-2后，隨著凈輻射通量密度增大，霧滴最大半徑和有效半徑減小緩慢(圖1d—1e)。這也說明近地層增溫對大霧滴的影響較小;霧滴平均半徑減小主要是由小霧滴蒸發、尺度減小造成的;這也與K?hler方程得出的結果一致。根據K?hler方程，不考慮液滴的溶質效應時，液滴半徑減小會使液滴增長所需的平均水汽壓增大;因而，在一定的水汽壓環境中，小滴較大滴更易于蒸發，從而使得霧滴平均半徑迅速減小，而霧滴最大半徑減小較為緩慢。霧滴譜的標準差隨凈輻射通量密度的變化特征與其他微物理參量完全不同，地面凈輻射通量密度大于0 W·m-2后，隨著凈輻射通量密度增大，霧滴譜的標準差逐漸增大(圖1f)。這是由于凈輻射加熱造成的霧滴蒸發主要是小霧滴，而大霧滴蒸發較少，從而使得霧滴譜峰值較為平緩，霧滴譜的標準差增大。

圖1 霧微物理參量隨凈輻射通量密度的變化a.霧滴數濃度(N);b.霧滴平均半徑(rm);c.液態含水量(L);d.霧滴最大半徑(rmax);e.霧滴有效半徑(re);f.霧滴譜的標準差(σ)Fig.1Microphysical properties as a function of net radiant flux density from 20 fog events during the field experimenta.fog droplet number concentration(N);b.mean radius(rm);c.liquid water content(L);d.maximum radius(rmax);e.effective raius(re);f.standard deviation of fog droplet distribution(σ)

2.2 霧滴譜

為了進一步分析凈輻射通量密度對霧微物理結構的影響，本節對凈輻射通量密度與霧滴譜間的關系進行討論。輻射對霧滴譜的影響主要是對半徑小于5 μm的小霧滴，而半徑大于10 μm的大霧滴數密度(n(r))變化很小(圖3)。地面凈輻射通量密度大于0 W·m-2后，凈輻射通量密度越大，半徑小于5 μm的霧滴數密度越小，且霧滴半徑越小，霧滴數密度減小得越快，這也與上一節的推斷結果一致。凈輻射通量密度大于150 W·m-2時出現的峰值受個別持續時間較長的平流霧或平流—輻射霧過程影響。

為了分析霧發展過程中凈輻射通量密度對霧微物理結構變化的影響，以5 min為間隔，統計霧滴數濃度(N)和霧滴譜(n(r))的平均值，計算t時刻與t-1時刻霧滴數濃度(N)和霧滴譜(n(r))平均值的差值，并分析霧滴數濃度變量(ΔN)和霧滴譜變量(Δn(r))與凈輻射通量密度(Rn)的關系(圖4)。由圖4可以看出，凈輻射通量密度介于-50～+25 W·m-2時，霧滴數濃度變量(ΔN)和霧滴譜變量(Δn(r))為正值，且逐漸增大。當地面凈輻射通量密度在此范圍內變化時，霧層中霧滴數濃度是逐漸增加的(ΔN＞0)，尤其是日出前后霧滴數濃度增加顯著(ΔN值較大);且霧滴半徑越小，霧滴數密度增大越顯著。這也說明近地層輻射冷卻，空氣相對濕度增大，有利于霧滴活化和凝結增長;而日出前后弱的輻射增溫，使得下墊面水凝物和土壤中水分蒸發，為小霧滴的生成和增長提供了充足的水汽，這也是日出后霧層得以繼續維持和發展的原因之一。地面凈輻射通量密度為正時，霧滴數濃度(N)和不同尺度霧滴數密度(n(r))以減少為主，特別是半徑小于5 μm的小霧滴數密度減少明顯，這也進一步證實了前述推斷;隨著凈輻射通量密度(Rn)增大，霧滴數濃度(N)和霧滴譜數密度(n(r))逐漸減小，因而霧滴數濃度變量(ΔN)和霧滴譜變量(Δn(r))也顯著減小。

圖2 2007年12月13日19:00—14日14:00(a)和14日19:00—15日14:00(b)霧過程中輻射分量演變特征(:入射的太陽短波輻射通量密度;:地面反射的短波輻射通量密度;:大氣逆輻射;:地面向上的長波輻射通量密度;Rn:凈輻射通量密度)Fig.2Temporal variations of radiation components during the processes of fog(a)from 19:00 BST 13 to 14:00 BST 14 and(b)from 19:00 BST 14 to 14:00 BST 15 December 2007(downward shortwave radiant flux density;:upward shortwave radiant flux density;:downward longwave radiant flux density;:upward longwave radiant flux density;Rn:net radiant flux density)

圖3 凈輻射通量密度(Rn)對霧滴數濃度(N)及霧滴譜分布(n(r))的影響Fig.3Effects of net radiant flux density(Rn)on the fog droplet number concentration(N)and fog droplet size distribution(n(r))

圖4 凈輻射通量密度(Rn)對霧滴數濃度變化(ΔN)和霧滴譜變化(Δn(r))的影響Fig.4Effects of net radiant flux density(Rn)on the variations of fog droplet number concentration(ΔN)and fog droplet size distribution(Δn(r))

3 霧微結構對太陽短波反射率的影響

云是影響地—氣系統輻射平衡的重要因素，而云的輻射特性是由云的微物理結構所決定的，分析霧微物理結構變化對太陽短波輻射反射率的影響，有助于研究人類活動對地—氣系統輻射平衡的影響。從太陽短波反射率隨霧微物理參量的變化可以看出，太陽短波反射率的變化主要受霧滴數濃度(N)、平均半徑(rm)和液態含水量(L)的影響，霧滴最大半徑(rmax)和有效半徑(re)對太陽短波反射率的影響相對較小，而霧滴譜的標準差(σ)對太陽短波反射率基本沒有影響(圖5a—5f)。隨著霧滴數濃度、平均半徑和液態含水量增大，霧層對太陽短波輻射的反射率逐漸增大。霧過程中，霧滴數濃度和液態含水量每增大100 cm-3和0.001 g·m-3，引起的太陽短波反照率的變化分別為5.29×10-3和1.18×10-4。

圖5 霧微物理參量對太陽短波反射率的影響a.霧滴數濃度(N);b.霧滴平均半徑(rm);c.液態含水量(L);d.霧滴最大半徑(rmax);e.霧滴有效半徑(re);f.霧滴譜的標準差(σ)Fig.5Effects of microphysical properties on the reflectivity of solar short wave radiation from 20 fog events during the field experimenta.fog droplet number concentration(N);b.mean radius(rm);c.liquid water content(L);d.maximum radius(rmax);e.effective raius(re);f.standard deviation of fog droplet distribution(σ)

4 結論

利用2006—2009年南京郊區(南京信息工程大學)冬季霧綜合觀測資料，分析了凈輻射通量密度對霧微物理結構的影響以及霧微結構發展對太陽短波反射率的改變，得出以下結論:

1)霧發生時地面凈輻射通量密度變化范圍為-25～+150 W·m-2，介于-25～0 W·m-2之間的數據最集中。霧中各微物理參量的高值多集中在地面凈輻射通量密度為-5～0 W·m-2時，并隨著地面凈輻射通量密度增加或減少而迅速減小。

2)凈輻射通量密度介于-50～+25 W·m-2時，霧層中霧滴數濃度逐漸增加(ΔN＞0)，尤其是日出前后霧滴數濃度增加顯著(ΔN值較大);且霧滴半徑越小，霧滴數密度增大越顯著。這也說明近地層輻射冷卻或弱增溫，有利于霧滴活化和凝結增長。

3)地面凈輻射通量密度為較大正值時，霧滴數濃度和不同尺度霧滴數密度減少，且霧滴半徑越小，霧滴數密度減小得越快。

4)近地層增溫對半徑大于10 μm的大霧滴數密度(n(r))影響較小;霧滴平均半徑減小主要是由半徑小于5 μm的小霧滴蒸發、尺度減小造成的。

5)太陽短波反射率的變化主要受霧滴數濃度、平均半徑和液態含水量的影響，霧滴最大半徑和有效半徑對太陽短波反射率的影響相對較小，而霧滴譜的標準差對太陽短波反射率基本沒有影響。霧過程中，霧滴數濃度和液態含水量每增大100 cm-3和0.001 g·m-3，引起的太陽短波反照率的增量分別為5.29×10-3和1.18×10-4。

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Characteristics of interactions between radiation processes and fog microphysical structure

ZHAO Li-juan1，2，NIU Sheng-jie1，2

(1.Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring＆Pollution Control;2.School of Atmospheric Physics，NUIST，Nanjing 210044，China)

The fog comprehensive observation data collected in the surface layer in northern suburb of Nanjing(32°12'N，118°42'E，25 m a.s.l.)in winter from 2006 to 2009 are used to investigate the interaction between radiation characteristics and fog microphysical structure.Results show that，when the net radiant flux density lies between-50 and+25 W·m-2，the fog droplet number concentration increases gradually and the fog droplet number density increases more significantly with the decrease of fog droplet size.It indicates that the surface radiation cooling or very weak heating can facilitate the activation and condensational growth of fog droplets.While the net radiant flux density is greater than+25 W·m-2，the fog droplet number concentration declines significantly and the fog droplet number density reduces more rapidly with the decrease of droplet size.The solar shortwave reflectivity is strongly influenced by the fog droplet number concentration，mean radius，and liquid water content.During the fog events，while the fog droplet number concentration and liquid water content increased by 100 cm-3and 0.001 g·m-3，the solar shortwave reflectivity would increase by 5.29×10-3and 1.18×10-4，respectively.

net radiant flux density;solar shortwave reflectivity;fog droplet size distribution

P426

A

1674-7097(2012)06-0673-07

2012-04-19;改回日期:2012-06-08

國家自然科學基金資助項目(41275151);中國氣象局氣象行業專項(GYHY(QX)2007-6-26);江蘇省青藍工程“云霧降水物理學與氣溶膠研究創新團隊”資助項目;江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

趙麗娟(1982—)，女，甘肅張掖人，博士，研究方向為云霧降水物理，zhaolj_06@nuist.edu.cn.

趙麗娟，牛生杰.2012.近地層輻射過程與霧微結構的相互作用特征［J］.大氣科學學報，35(6):673-679.

Zhao Li-juan，Niu Sheng-jie.2012.Characteristics of interactions between radiation processes and fog microphysical structure［J］.Trans Atmos Sci，35(6):673-679.(in Chinese)

(責任編輯:倪東鴻)