江蘇省大霧的變化特征及氣溶膠對其影響

田心如,韓永翔,陳廣昌,武 艷,王偉麗

(1.江蘇省氣象臺,江蘇 南京 210008；2.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇 南京 210044；3.江蘇天安防雷工程有限責任公司,江蘇 南京 210009；4.徐州市氣象局,江蘇 徐州 221002)

江蘇省大霧的變化特征及氣溶膠對其影響

田心如1,韓永翔2*,陳廣昌3,武 艷4,王偉麗1

(1.江蘇省氣象臺,江蘇 南京 210008；2.南京信息工程大學大氣物理學院,江蘇 南京 210044；3.江蘇天安防雷工程有限責任公司,江蘇 南京 210009；4.徐州市氣象局,江蘇 徐州 221002)

通過分析近 50年江蘇長序列大霧日數、持續時間、時空分布規律以及其成因,探討氣溶膠對大霧形成的可能機制.研究結果表明:大霧可能出現在任何時候,但在清晨和秋季出現的頻率最多.它們的變化可從該區的季節環流背景特征和霧的形成機理得以解釋.年代際大霧日變化大體呈現出拋物線(先升后降)分布特征,而大霧持續時間一直呈波動增長趨勢,氣象因素不能全部解釋其變化特征.氣溶膠對大霧形成和持續時間可能有重要影響,氣象因素和氣溶膠共同作用可解釋江蘇省年際大霧日變化和大霧持續的變化特征.

大霧；持續時間；氣象要素；氣溶膠；相互作用

霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統,是近地面層空氣中水汽凝結(或凝華)的產物,是一種自然現象,它會對能見度產生很大的影響,特別是能見度在 1km以下的大霧,對環境、交通、供電、軍事活動等造成嚴重影響.隨著人類活動的加劇,特別是人為氣溶膠的大量排放,使得原有的自然霧過程受到干擾,它不但使霧的宏微物理結構發生變化,而且使原本無毒的自然霧因各種有毒氣溶膠的加入而對人體健康產生重大的危害.大霧所造成的經濟損失與發生區域的經濟水平高低有密切的聯系.自古以來一直都是我國經濟水平發展最高地區之一的江蘇省,境內大部為海拔較低的丘陵和遼闊的平原,長江、淮河兩大水系橫貫全省,水網密布,水資源豐富,是我國大霧發生頻繁的地區之一.經濟發達、人口稠密、城市化水平高、高度集約化導致其承災能力弱,大霧所造成的經濟損失也隨著 GDP的增加而增加.同時,江蘇省也是我國氣溶膠排放最嚴重的區域之一,氣溶膠的巨量排放會對霧的宏微物理結構產生重大影響,而這些影響會在霧的氣候特征表現出來,是研究氣溶膠與霧相互作用的最佳區域之一.

霧的形成是由多種天氣條件、環境因素決定的,其形成受到環流背景、局地氣溫、相對濕度、風速、大氣穩定度、大氣成分(各種顆粒物)等諸多條件的影響.多年來,國內外眾多學者從大霧的物理結構、局地大霧的宏微觀結構及物理成因、大霧的數值模擬、氣候及變化特征等方面進行了許多研究,對不同地區大霧進行了大量的觀測試驗. 在成霧的宏觀背景方面,一方面對霧過程的數值模擬揭示了霧與氣候條件可能存在密切關系,霧自身物理量的長時間序列的特征及變化越來越受到重視,霧日數統計分析表明了我國大部分地區年霧日數呈減少的趨勢[1-9],大霧的減少趨勢和氣溫升高、相對濕度的減少有一定的關系[10-12];另一方面,對霧的研究初步揭示了霧與生態環境之間的密切關系[13],而大城市或經濟發展較快地區霾日卻呈現增加的趨勢[14-18],這可能與氣溶膠的增加密切相關.然而,目前關于氣溶膠與霧相互作用的研究僅限于數值模擬和零碎的觀測研究,對它們相互作用在氣候上的顯現很少做過系統的研究.本文試圖在江蘇省這一研究氣溶膠與霧相互作用的最佳區域,通過分析近50年長序列大霧日數、持續時間、時空分布規律以及其成因,探討氣溶膠對霧形成的可能的機制.

1 資料來源與研究方法

使水平能見距離降低到1km以下的霧稱為“大霧”.水平能見距離在1km以上10km以下時稱為“輕霧”,超過10km的稱為“靄”.“霾”是指大量極細微的干塵粒等均勻地浮游在空中,使水平能見度小于 10km.霧和霾是兩種性質不同的視程障礙現象,霧由大氣水成物組成,而霾則由塵埃微粒組成.

本文研究的是能見度小于1km的大霧天氣,一日內任意時刻觀測到能見度小于1km的大霧,無論持續時間長短,即作為一個大霧日.以大霧生成到消散記為一次大霧過程,期間所經歷的時間稱為過程持續時間.大霧日數、霾日、氣溫、濕度、風速、能見度等各類氣象資料取自江蘇省氣象檔案館整理的地面觀測資料,共計 59個臺站,資料年代統一取為1961～2010年.由于全省僅有南京、淮安、徐州、贛榆、射陽、東臺、呂泗、溧陽8站1961年以來持續進行夜間觀測,有完整的霧生、持續、霧消的時間記錄,且這 8站在江蘇全省分布較為均勻,所以本文選該8站代表全省展開研究.按分鐘統計大霧持續時間的長短.將大霧持續時間t分為4個等級:0～3h(1級)、3～6h(2級)、6～12h(3級)以及>12h(4級),年內持續時間的總和除以過程次數,即為年平均持續時間.

PM10濃度資料來自南京市環保局.選取2001年6月～2006年12月間大霧當日,南京市邁皋橋、玄武湖、山西路、草場門、瑞金路、中華門6個測點PM10濃度的平均值.

2 結果分析

2.1 大霧日數的時空分布特征

由于霧的生成具有很強的局地性,大氣中水汽含量豐富、近地層空氣層結比較穩定、暖氣流流經冷表面地區或輻射降溫劇烈等條件決定霧的生成,因此霧的分布較復雜且具明顯季節性.

圖1 1961～2010年平均江蘇省年大霧日數空間分布Fig.1 Spatial distribution of annual fog days from 1961 to 2010

1961～2010年江蘇省年平均大霧日數為16.1 (高淳)～56.4(如皋)天,地域分布有明顯差異(圖1),大霧日數大致呈東多西少分布,中部沿海最多,在40d以上,鹽城及南通部分縣市多達50d以上,該省西部和、東北、東南部大部分地區在30d以下,其中東北部和西南部個別地區不足20d.

圖2 1961～2010年平均日內各時次大霧頻率、大霧日數月際及年際變化Fig.2 Daily fog frequency, changes of monthly fog days and Annual fog days in Jiangsu during 1961 to 2010

由圖2A可見,大霧24h內各時段均可存在,但在清晨06:00～07:00時,大霧頻次最高(30%), 7:00以后急劇下降.10:00之后到次日2:00之前大霧頻次最少.各月也均發生大霧(圖 2B),并具有雙頻峰特征,主要頻峰在11月份,平均每年出現3.8d,12月略少于11月,次峰在4月,平均每年出現3d.盛發期有兩段:10月至次年1月和4～5月份.則四季中以秋季大霧最多,占全年的 29.8%,冬春季次之,分別占全年的26.7%、25.2%,夏季最少,占18.2%.年代際大霧日變化大體呈現出拋物線(先升后降)的分布特征(圖2C),1960s至1970s中后期偏少,然后迅速增加,在1980年前后達到最高峰,從1990s初期開始到目前呈現出逐年下降的態勢.

2.2 大霧過程平均持續時間的變化

對1961～2010年各等級大霧過程次數作平均(圖3),可見一年中以持續0～3h的大霧為最多,占各級大霧的63%,平均每年出現24.3次,隨著持續時間的延長,大霧次數相應減少,>12h的大霧,平均每年僅出現0.8次.春、夏、秋、冬四季和年具有相同的規律,即以持續0～3h的大霧為最多,其中出現在夏季的大霧中,有76.7%持續時間在3h以內,隨著持續時間的延長,大霧次數響應減少.四季之間,持續0～3h的大霧次數各季相差不大.

圖3 8站平均年及四季各等級大霧持續時間Fig.3 Annual and seasonal fog duration hours of eight monitoring stations

圖4 8站平均大霧過程年持續時間變化(1961～2010)Fig.4 Annual variation of average fog duration hours of eight monitoring stations from 1961 to 2010

對8站各次大霧的持續時間按年份進行累計求和,然后除以該年大霧發生的次數,得出歷年大霧年平均持續時間.從其年代際變化(圖4)可看出,從1960s初期到目前持續時間呈明顯波動增長趨勢,其中1970s和1990s增長迅速. 1960s年均持續時間為 120～180min,為各年代中最少,1970s較1960s增長迅速,8站平均增長了30min,1980s增長緩慢,1990s較1980s增長較迅速,8站平均增長了70min,2000s較1990s僅增長6min.

2.3 大霧日數變化的氣象成因分析

表1 全省平均大霧日數與全省平均氣溫、平均相對濕度的相關系數Table 1 The related coefficient of average fog days, temperature and relative humidity

圖5 江蘇省1961～2010年逐年年平均氣溫、年平均相對濕度及5年滑動平均趨勢Fig.5 Variation of annual temperature, relative humidity and five years smoothing trend in Jiangsu from 1961 to 2010

江蘇省河網較多,低層空氣中富含水汽,大霧主要為輻射霧和平流霧,其基本的成霧氣象條件是:風速小、空氣層結穩定(常有逆溫)、相對濕度大.因此,關于日內各時次大霧頻率的變化以及季節性變化可以從該區的季節環流背景特征和霧的形成機理得以解釋.大霧在清晨出現頻次最高,日出后急劇下降,是因為當相對濕度大于 90%以上時,夜間輻射冷卻在清晨日出前最為強烈,空氣層結穩定,且清晨多微風,氣象條件對形成大霧非常有利.而日出后,隨著太陽輻射的加強,湍流也相應加強,空氣層結開始變得不穩定.同時,隨著溫度的上升,相對濕度下降,這些氣象條件均不利于大霧的形成或維持,所以日出后大霧快速消散.關于季節性變化,秋、冬季北方冷空氣逐漸控制該區,夜間輻射降溫加劇,且清晨多微風,水汽易于凝結,故大霧日數多;春季雨水較多,空氣濕度較大,同時降雨過后降溫明顯,有利于大霧的形成.夏季是一年中溫度最高的季節,夜間輻射冷卻不強,導致降溫平緩,空氣濕度難以達到飽和,同時沒有較強冷平流影響,所以大霧日數較少.大霧的變化和氣溫、相對濕度有密切的關系[10-11].為此,選擇平均氣溫、平均相對濕度、平均風速、雨日、雨量等氣象因子,計算了1961～2010年全省平均大霧日數與其的相關系數,發現僅氣溫、相對濕度與大霧日數呈較好的相關關系(表1),溫度升高、相對濕度減小均不利于大霧的形成.然而,每個氣象因子均僅能解釋部分時段.如氣溫與大霧日數的變化趨勢一致的時段主要在1986年以后;相對濕度較一致的時段主要在1960s至1970s初期以及1990s以后(圖5).顯然,大霧日數的年代際變化的原因較為復雜,除了氣象因素外,還可能與氣溶膠粒子有關,需要進一步的研究.

3 討論

研究表明,氣溶膠粒子一方面可成為霧滴凝結核,使霧滴數密度增大,尺度減小,含水量降低,從而對霧的微結構產生影響[19];另一方面由于其輻射效應,在夜晚增加大氣向地面的長波逆輻射,減小地面輻射降溫[20-21],直接影響霧的形成. 本文認為,當相對濕度較小,氣溶膠的增加的輻射效應,將減小地面輻射降溫,使霧不易形成;同時過多的氣溶膠作為霧滴凝結核爭食有限的水分,使霧(尤其是輕霧)不能形成,進而導致霧日的減少和霾日的增加.1985年以后相對濕度開始逐年下降,而人類產生的氣溶膠急劇增加,氣象因素和氣溶膠共同作用可解釋江蘇省年際大霧變化從1960s初期上升到1985年后開始下降的事實.大霧持續時間的年代際變化從 1960s初期到目前一直呈顯出波動增長趨勢(圖4),而這種趨勢顯然是氣象因子的變化特征所無法解釋的.在研究大氣氣溶膠與霧的周末效應中發現[22],南京大霧的持續時間與PM10的變化非常密切,而PM10與霾的發生有密切的聯系,因而可用長序列的霾日來反映大氣氣溶膠的年代際變化.圖6是江蘇省歷年霾日數與大霧過程平均持續時間年變化圖,可看出二者有極顯著的同步線性上升趨勢,相關系數達到0.6125,通過了信度99.9%的檢驗.這種相關有可能是氣溶膠對大霧的影響在氣候上的顯現.當大霧形成后,氣溶膠的增加導致霧滴凝結核的增加,使霧滴數密度增大,但因大氣中水分充足,其尺度不變甚至增加,大霧增濃,從而進一步增加大氣的穩定度使霧的持續時間增長,即使太陽出來后,大霧的遮擋,將使低層大氣中上層增溫,地表溫度降低,低層大氣穩定度增加,導致霧消時間推遲,從而使大霧持續時間增長.

圖6 江蘇省1961～2010年平均霾日數與大霧過程平均持續時間年變化Fig.6 Variation of annual average haze days and fog duration hours from 1961 to 2010

4 結論

4.1 大霧可能出現在任何時候,但清晨、后秋前冬出現的頻率最多.日內各時次大霧頻率的變化以及季節性變化可以從該區的季節環流背景特征和霧的形成機理得以解釋.

4.2 年代際霧日變化大體呈現出拋物線(先升后降)的分布特征,而大霧持續時間的年代際變化從 1960s初期到目前一直呈顯出波動增長趨勢.它們的形成原因與氣象因素密切相關,但不能全部解釋其變化特征.

4.3 氣溶膠對大霧形成和持續時間有重要影響.氣溶膠的增加降低了地面輻射降溫,同時作為霧滴凝結核爭食有限的水分,二者共同使霧不易形成.但當大霧形成后,將導致霧滴凝結核增加,霧滴數密度增大,但其尺度不變甚至增加,形成濃霧.濃霧增加大氣的穩定度,進而導致霧消時間推遲,從而使霧持續時間增長.

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Heavy fog's climate characteristics and possible effcet of aerosol in Jiangsu Province.

TIAN Xin-ru1, HAN Yong-xiang2*, CHEN Guang-chang3, WU Yan4, WANG Wei-li1
(1.Jiangsu Meteorological Observatory, Nanjing 210008, China；2.School of Atmospheric Physics, Nanjing University Information and Technology, Nanjing 210044, China；3.Jiangsu Tianan Lightning Proof Engineering Corporation Limited, Nanjing 210009, China；4.Xuzhou Meteorological Bureau, Xuzhou 221002, China). China Environmental Science, 2014,34(10)：2485～2489

Heavy fog days, duration hours, temporal and spatial distribution and the causes of Jiangsu heavy fog in recent 50 years were analyzed to explore aerosol effect mechanism on heavy fog formation. The result show that heavy fog might occur at any time, but the most frequent time was early morning and autumn. The changing rule could be explained by seasonal circulation background characteristics of the area and the fog formation mechanism. The days of heave fog changes annually showed parabolic distribution (up then down) in recent 50 years, and the duration hours of heavy fog shows a volatility rising tendency. Meteorological factors could not explain all the variation characteristics. Aerosol might have important effects on the formation and duration of heavy fog. The combined effects of meteorology factors and aerosol could explain the changing characteristics of heavy fog days and duration hours.

t：heavy fog；duration hours；meteorology factor；aerosol；interaction

X513

：A

：1000-6923(2014)10-2485-05

田心如(1970-),女,江蘇沛縣人,高級工程師,碩士,主要從事氣象災害和應用氣象服務研究.發表論文15篇.

2013-12-31

國家自然科學基金項目(41375158)

* 責任作者, 研究員, han-yx66@126.com