湛江地區一次冷鋒型海霧微物理特征

呂晶晶，牛生杰，趙麗娟，張羽，徐峰

(1．南京信息工程大學大氣物理學院，江蘇 南京210044;2．湛江市氣象局，廣東湛江524001;3．廣東海洋大學海洋與氣象學院，廣東湛江524088)

0 引言

霧是近地層大氣中懸浮著大量水滴或冰晶微粒，使得近地層水平能見度低于1.0 km的天氣現象，是發生在近地層大氣中的一種常見的災害性天氣。海霧是特指在海洋影響下，發生在海面、岸濱和島嶼的霧(王彬華，1983)。海霧過程對遠洋運輸、海洋捕撈、水產養殖及沿海地區的交通運輸、生產生活和人體健康都有重要影響。外場觀測和數值模擬結果表明，影響海霧形成和發展的因子主要包括:天氣形勢、大氣穩定度、下沉運動、海氣溫差、輻射冷卻、平流輸送、湍流混合等(王彬華，1983;Leipper，1994;Lewis et al.，2003，2004;傅剛等，2004;江海英等，2005;胡瑞金等，2006;Fu et al.，2006;Gao et al.，2007;Heo and Ha，2010;Heo et al.，2010;王帥等，2012)。霧害的主要影響是低能見度，而霧滴數濃度、含水量、有效半徑、平均半徑等微物理參量是能見度參數化方案的主要因子(唐浩華等，2002;Gultepe et al.，2006，2009)。自然界中霧層分布是不均勻的，霧微物理參量的演變也存在顯著的高頻變化特征，這種高頻的隨機變化過程中又存在低頻的準周期變化特征(Goodman，1977;Garcia et al.，2002)。此外，受霧滴核化過程、凝結增長過程、重力沉降過程、湍流碰并和重力碰并過程的影響，不同地區、不同霧過程、霧發展的不同階段，霧滴譜的變化也非常顯著(Roach，1976;Gultepe et al.，2007;Niu et al.，2010)。目前，對陸地霧微物理特征和氣溶膠特征的觀測研究已取得了豐碩成果，但對南海海霧微物理特征和氣溶膠特征的研究相對較少(黃玉生等，2000;鄧雪嬌等，2007;張蘇平和鮑獻文，2008;黃輝軍等，2009;樊曙先等，2010;銀燕等，2010;Niu et al.，2010;盛立芳等，2011;劉霖蔚等，2012)。

湛江位于雷州半島東北部，是中國南方最重要的港口、交通中心和物流中心之一。雷州半島東臨南海，西接北部灣，年平均霧日超過20 d，是中國沿海最主要的五個多霧區之一(張蘇平和鮑獻文，2008;徐峰等，2011)。雷州半島海霧主要出現在每年的1—4月和12月，尤以 3月最多(徐峰等，2011)。本文對湛江冷鋒型海霧的微物理特征進行深入分析，有助于深入了解南海海霧的宏微觀特征及生消機理。

1 觀測資料

本文選用2010年3月31日—4月2日廣東省湛江市東海島(110°32'5″E、21°35'N，海拔 15 m)春季海霧綜合觀測資料，對一次冷鋒天氣過程影響下的海霧微物理特征進行深入分析。觀測內容包括霧微物理結構、大氣氣溶膠粒子譜及常規氣象觀測項目。

霧微物理參量(霧滴譜、霧滴數濃度、液態含水量、平均半徑、峰值半徑、有效半徑、最大半徑等)由FM－100霧粒子譜儀(美國DMT公司)的測量結果計算得到。FM－100霧粒子譜儀可測量的粒子數濃度范圍是0～5 000 cm－3，所測霧滴粒徑范圍是2～50 μm，粒子尺度分20檔，數據輸出頻率設置為1 Hz。能見度觀測采用VPF－730能見度及現在天氣現象儀(英國BIRAL公司)，每30 s獲得一組數據，可測量的能見度范圍是10 m～75 km;能見度小于16 km或介于16～30 km之間時，儀器的測量誤差分別為±10%和±20%。氣溶膠粒子譜由WPS－1000XP寬范圍粒徑譜儀(美國MSP公司)觀測，可分96檔對粒徑范圍在10nm～10 μm的氣溶膠粒子進行自動計數和粒徑分級，每5 min可獲取一組數據，觀測期間對進氣口吸入的空氣進行干燥。地面的氣象要素(如溫、壓、濕、風等)利用架設在東海島上的WP3103型自動氣象站來觀測，由廣東省氣象技術裝備中心研制生產。

2 海霧過程概述

2.1 天氣背景

2010年3月30日500 hPa副熱帶高壓比較穩定，脊線維持在15°N附近，華南地區受副熱帶高壓西北側的WSW風場控制;3月31日隨著貝加爾湖南側低槽東移，大氣環流形勢逐漸調整為比較平直的緯向型環流，副熱帶高壓脊線繼續維持在15°N附近，華南地區轉受南支槽區影響;4月1日副熱帶高壓逐漸加強西伸，華南受多小槽活動的偏西流場影響。2010年3月30日850 hPa受副熱帶高壓后部S到SW 風場影響;3月31日切變線南壓，850 hPa受切變線影響;4月1日切變線減弱向東南移動。2010年3月30日地面場湛江處于低壓前部，受偏南風場控制;4月1日北方冷空氣南下，轉受鋒面低槽影響。在此次冷鋒天氣過程影響下湛江東海島出現了兩次海霧過程:case1(2010年3月31日18:52—4月 1日 06:19，北京時間，下同)、case2(2010年4月1日18:39—2日05:49)。4月2日白天冷鋒過境，轉為偏北風場控制。

2.2 地面霧過程

根據能見度、相對濕度和霧滴液態含水量(圖1、2)隨時間的演變特征，可以將case1和case2海霧過程分為以下8個階段。

1)霧生成前的醞釀階段(第i階段:2010年3月31日17:00—18:52)。此階段空氣溫度逐漸降低、空氣相對濕度增大至 100%;風速為 3～4 m·s－1，風向由ENE轉為ESE后穩定維持;低層大氣水平能見度逐漸減小，并降至1 000 m以下。

圖1 2010年3月31日—4月2日地面氣象要素隨時間的變化 a.能見度(km);b.相對濕度(%);c.氣溫(℃);d.風速(m·s－1);e.風向(°)Fig.1 The time variations of meteorological elements at surface during the fog events during 31 March—2 April 2010 a.horizontal visibility(km);b.relative humidity(%);c.air temperature(℃);d.wind speed(m·s－1);e.wind direction(°)

2)case1過程的形成階段(第Ⅰ階段:2010年3月31日18:53—20:40)和發展階段(第II階段:2010年3月31日20:41—23:37)。此階段空氣溫度變化很小，相對濕度穩定保持在100%;風速3～5 m·s－1，風向為穩定的ESE氣流;低層大氣水平能見度先有兩次明顯的起伏變化，而后穩定在500 m以下。

圖2 2010年3月31—4月2日海霧過程中能見度及各微物理參量的瞬時值(灰色實線)和1 min平均值(黑色實線)隨時間的演變特征 a.能見度(km);b.霧滴數濃度(cm－3);c.液態含水量(g·m－3);d.霧滴平均半徑(μm);e.霧滴有效半徑(μm)Fig.2 Time evolutions of instantaneous value(gray solid line)and 1 min average data(black solid line)of visibility and microphysical properties of the sea fog events during 31 March—2 A－pril 2010 a.visibility(km);b.number concentration(cm－3);c.liquid water content(g·m －3);d.mean radius(μm);e.effective radius(μm)

3)case1過程的成熟和消散階段(第Ⅲ階段:2010年3月31日23:37—4月1日06:19)。此階段空氣濕度繼續維持在100%;空氣溫度先緩慢升高，然后起伏下降;風速逐漸減小，風向先由ESE轉為SE，然后在霧消散階段轉為NE。在case1過程中，海霧的生消與風場密切相關，海霧生成和發展與較強的ESE氣流相聯系，風場轉為NE氣流控制后海霧消散。這說明本次海霧過程是霧先在海面生成，而后在ESE氣流作用下影響岸濱區。

4)case1和case2過程的間歇期(第 ii階段:2010年4月1日06:20—18:39)。

5)case2過程的形成階段(第Ⅳ階段:2010年4月1日18:40—2日01:48)和發展消散階段(第V階段:2010年4月2日01:49—05:49)。與case1類似，岸濱區海霧的生消主要受風場影響，海霧的形成和發展與較強的ESE氣流場密切相關，而弱的NE氣流則會促使海霧強度減弱或消散。霧消散后(第iii階段:2010年4月2日05:50—08:00)，空氣溫度緩慢增加，風場為穩定的ESE氣流，風速為2～3 m·s－1。

3 海霧微物理特征

3.1 基本微物理參量

微物理參量可以定量地描述海霧的微物理特征，并可與其他地區的觀測結果進行對比分析，以了解研究區域海霧的特點。表1給出了case1和case2過程中海霧不同發展階段霧滴數濃度(N)、液態含水量(L)、霧滴平均半徑(rm)、最大半徑(rmax)和峰值半徑(rp)的統計值。湛江海霧的霧滴數濃度為100～102cm－3，液態含水量為 0.001 ～0.232 g·m－3，霧滴平均半徑小于10 μm，霧滴峰值半徑多位于1.4 μm。湛江海霧微物理參量的平均值與茂名的觀測結果一致(黃輝軍等，2009)，但與國內其他區域的海霧相比，湛江海霧的霧滴數濃度較高、液態含水量較小、霧滴尺度也較小(楊連素，1985;楊中秋等，1989;徐靜琦等，1994)。海霧發展的不同階段，微物理參量的統計值也存在顯著差異。霧形成階段(第Ⅰ、Ⅳ階段)霧滴數濃度較低，液態含水量較小、霧滴譜譜寬較窄;霧的發展、成熟和消散階段(第Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ階段)霧滴數濃度顯著增大、液態含水量增大，霧滴譜譜寬也有所增加。

表1 2010年3月31日—4月2日海霧微物理參量統計值Table 1 Mean values，standard deviations and variations of key microphysical variables of sea fogs on 31 March—2 April 2010

對微物理參量的統計分析只能從整體上了解海霧的微物理特征，而分析霧微物理參量隨時間的演變可以進一步認識海霧微物理結構的演變特征(圖2)。在case1和case2過程中霧滴數濃度和液態含水量與能見度呈明顯反相變化，case2過程中霧滴平均半徑和有效半徑與能見度反相變化顯著，而在case1過程中，霧滴平均半徑隨時間變化較小。這說明在case1過程中，霧滴核化(霧滴數濃度升高、霧滴平均半徑變化很小)對液態含水量的貢獻較大，而在case2過程中霧滴核化(霧滴數濃度升高)和凝結增長(霧滴平均半徑增大)對液態含水量的貢獻都很重要。

3.2 霧滴譜

case1過程的平均霧滴譜為單調遞減譜，霧滴譜峰值位于1.4 μm，譜寬超過 20 μm(圖3a)。當霧滴半徑小于3 μm時，隨著霧滴半徑增大，霧滴數密度(Nr)呈指數規律迅速遞減;霧滴半徑介于3～5 μm時，霧滴數密度變化很小;當霧滴半徑超過5 μm，隨著霧滴半徑增大，霧滴數密度逐漸減小。霧形成后，隨著霧過程的發展，各粒徑段的霧滴數密度均有所增加;半徑大于10 μm的霧滴數密度增幅顯著。與case1不同，case2過程的霧滴譜在5 μm附近有一很弱的峰值;在霧的發展過程中，小粒子端(r＜5 μm)和大粒子端(r＞20 μm)霧滴數密度顯著增大，而霧滴譜中段(5 μm ＜r＜20 μm)的霧滴數密度在霧過程中變化較小(圖3b)。

圖4給出了case1和case2過程中霧滴譜隨時間的演變，可見在海霧過程中霧滴譜都以單調遞減譜為主，僅出現短時的雙峰型或多峰型霧滴譜。在海霧的形成和消散階段，霧滴譜的譜寬存在突然增寬或迅速減小的現象;與地面氣象要素結合分析發現，霧滴譜的演變與風場的變化密切相關，說明這兩次過程中海霧微物理結構的變化主要是由平流導致的。在海霧發展過程中，半徑小于5 μm和半徑大于10 μm霧滴數密度變化顯著;而霧滴數濃度的變化主要是由半徑小于5 μm的霧滴數密度變化造成的。

圖3 2010年3月31日—4月2日海霧過程各階段平均霧滴譜分布 a.case1;b.case2Fig.3 Average droplet size distributions in different phases of the sea fog events during 31 March—2 April 2010 a.case1;b.case2

圖4 2010年3月31日—4月2日兩次海霧過程霧滴譜隨時間的演變 a.case1;b.case2Fig.4 Time evolutions of fog droplet size distribution of the two sea fog events during 31 March—2 April 2010 a.case1;b.case2

3.3 氣溶膠粒子譜

霧作為氣溶膠粒子的一種濕清除機制，對氣溶膠粒子的理化特性有重要影響(康漢青等，2009;樊曙先等，2010)。從case1和case2過程中氣溶膠粒子平均譜分布可以發現，湛江氣溶膠粒子數密度分別在粒徑0.041～0.045 μm和6.5 μm 處存在兩個峰值(圖5)。在case1的形成階段(第Ⅰ階段)，霧的濕清除作用主要表現在粒徑小于0.02 μm和粒徑大于6.7 μm處的氣溶膠粒子。隨著霧過程的發展(第Ⅱ階段)粒徑小于0.06 μm和大于2.6 μm的氣溶膠粒子數也明顯減小。進入成熟階段后(第Ⅲ階段)，粒徑小于0.4 μm和粒徑大于1.8 μm的氣溶膠粒子數密度均顯著減少。但在整個霧過程中粒徑介于0.4～1.8 μm的氣溶膠粒子數密度在霧發展階段有所增加。霧消散后(第ii階段)，粒徑小于0.4 μm和大于2.0 μm的氣溶膠粒子數密度顯著增加，迅速恢復到霧發生前的水平，而粒徑介于0.5和2.0 μm間的氣溶膠粒子數密度略有減小。與case1有所不同，case2過程形成階段(第Ⅳ階段)海霧對氣溶膠巨粒子的清除作用不顯著，僅粒徑小于0.023 μm的氣溶膠粒子數密度有所減小，而粒徑介于0.5～1.7 μm間的氣溶膠粒子數密度增加。進入第Ⅴ階段后，粒徑小于0.2 μm和大于3.9 μm的氣溶膠粒子數密度顯著下降。霧消散后(第iii階段)，粒徑小于0.4 μm的氣溶膠粒子數密度迅速增加并恢復到霧發生前的水平，而氣溶膠巨粒子數密度增加較少。不同海霧過程對氣溶膠粒子的清除效果有所差異，霧過程中粒徑小于0.1 μm和大于4 μm的氣溶膠粒子數密度顯著減小，但在霧過程結束后又迅速恢復到霧發生前的水平;即海霧過程對氣溶膠粒子的濕清除效果并不顯著。

圖5 case1(a)和case2(b)不同階段氣溶膠粒子平均譜分布Fig.5 Average aerosol particle size distribution in different phases in(a)case1 and(b)case2

4 結論

本文對2010年3月31日—4月2日冷鋒天氣系統影響下湛江海霧過程的天氣背景、微物理特征和氣溶膠粒子譜特征進行了深入分析，得到以下主要結論。

1)海霧的生消與風場密切相關，湛江海霧生成和發展與較強的ESE氣流相聯系，而弱的NE氣流則會促使海霧減弱或消散。

2)湛江海霧的霧滴數濃度為100～102cm－3，液態含水量為0.001～0.232 g·m－3，霧滴平均半徑小于10 μm，霧滴峰值半徑多位于1.4 μm;與國內其他區域的海霧相比，湛江海霧的霧滴數濃度較高、液態含水量較小、霧滴尺度也較小。

3)湛江海霧的霧滴譜分布以單調遞減譜為主，譜寬超過20 μm;霧發展過程中霧滴譜譜寬存在突然增寬和迅速減小的現象;霧過程中霧滴數濃度的變化，主要是由半徑小于5 μm的霧滴數密度變化引起的。

4)海霧過程對氣溶膠粒子的濕清除效果并不顯著，霧過程中粒徑小于0.1 μm和大于4 μm的氣溶膠粒子數密度顯著減少，但在霧過程結束后又迅速恢復到霧發生前的水平。

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