海雾过程中大气气溶胶谱变化及消光作用

盛立芳,梁卫芳,屈文军,罗 凯

(1.中国海洋大学物理海洋重点实验室海洋-大气相互作用与气候实验室,山东青岛266100;2.青岛市气象局,山东青岛266003; 3.中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛266100)

海雾过程中大气气溶胶谱变化及消光作用

盛立芳1,梁卫芳2,屈文军1,罗 凯3

(1.中国海洋大学物理海洋重点实验室海洋-大气相互作用与气候实验室,山东青岛266100;2.青岛市气象局,山东青岛266003; 3.中国海洋大学海洋环境学院,山东青岛266100)

海雾是沿海地区的常见天气,大雾致灾的现象时有发生,然而对海雾微物理过程的研究相对匮乏。本文以北方的1次海雾过程为例,分析在雾的生成、维持和加强阶段气溶胶谱的变化、消光作用和对能见度的影响。发现暖湿气流影响下,空气比湿持续增加是1μm以上粗粒子数浓度增加的主要原因,比湿持续增加的速度越快,粒子数浓增长的幅度也越大,对能见度的影响也越大。反之,如果比湿持续下降,1～2.5μm粒子数浓度就会减小,能见度增加。粒子直径的增长速率在10-5(μm/s)量级以内。低能见度出现的时间与1～5μm粒子浓度相关性最好,低能见度发生的时间基本上与1～5μm粒子浓度开始增加的时间相一致。在雾的维持阶段小粒子通过增长被消耗,而较大粒子被雾滴清除。在雾的加强阶段,大粒子的增长速度超过了雾滴的清除。雾过程中以大于0.5μm粒子的消光作用为主,消光系数变化与能见度变化有很好的反相关关系,并且粒径越大,反相关关系越好。

黄海海雾;能见度;消光系数;粒子谱;辐射

本文以2008年7月上旬青岛的1次平流海雾为例,分析海雾在生成、维持和加强过程中气溶胶谱的变化、气溶胶的消光作用和对能见度的影响。

我国沿海海雾主要发生在春、夏季节,多雾的月份随纬度增高,时间向后推移。北部湾沿海2月雾最多,海南岛3月最多,南海沿岸4月最多,东海则以5月最多,6～7月份则是黄海海雾频繁出现的季节[1]。近年来由于气候变化和人为污染等的影响,一些地区的海雾天气表现出持续时间长、强度大、范围广的特点,给沿海活动带来很大影响。

目前对雾区的准确预报依然很困难,因为雾的微物理过程非常复杂[2-3]。相对于观测较多的陆地雾[4-5],对海雾微物理结构的早期认识集中在浙江舟山地区进行的春季海雾观测[6],最近针对南方平流雾的研究中分别使用了三用滴谱仪和FM100滴谱仪资料揭示雾滴谱、雾滴含水量与能见度的关系[7-8]。目前对北方海雾微结构观测仅有零星报道。杨连素利用风洞式三用滴谱仪对青岛近海的海雾进行了为期2 a的观测,发现雾滴直径多在6～48μm,浓度在0.6～42.9个cm-3之间,水含量大致为0.012～0.195 g/m3[9]。徐静琦等观测到青岛6～7月海雾的数浓度在8.2～248.9个cm-3之间,雾滴的平均直径在2.0～2.5μm之间[10]。从这2次数据报道可以粗浅地发现从1980—1990年代,雾滴的数浓度在增加,而雾滴半径在减少。实际上在中国的许多城市已经发现,人为活动导致大气中细粒子增长,使雾的消散时间明显推后,平均持续时间增加,雾内能见度下降[11-12]。

雾发生时,能见度有很大的变化范围,从轻雾时的

1 观测与分析方法

气溶胶粒子浓度由GRIMM180颗粒物监测仪进行观测,GRIMM180可以观测>0.25μm气溶胶的粒子浓度,其中32μm以上粒子不做区分,0.25～32μm之间共划分30个粒径,分别是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。仪器的工作原理是当颗粒物通过仪器的光学测量区时,颗粒物使激光束产生散射光信号,通过探测分析光信号得到颗粒物的数目浓度。采样管内安装了Nafion干燥管可以去除样品空气中的水分子。这种非加热去湿法不会对气溶胶的成份造成破坏。仪器的采样频率为5 min。能见度数据由芬兰FD12前散射能见度仪每1次/15 s。2台仪器皆安装在青岛气象台观测场(120°14′E,36°20′N),距离海边直线距离不到1 km。太阳辐射和向下长波辐射分别由Kipp&Zonen公司的CM21和CG4辐射计进行测量。

由于能见度仪的观测频率高,首先按照气溶胶的观测时间计算5 min内能见度的平均值,然后同步输出、对照分析。在小粒子范围内GRIMM180的测量上限是2.5μm,大粒子范围的测量下限也是2.5μm,因此在原始观测数据中有2列数据几乎是相同的,进行数据分析时需去掉1列。

在分析过程中使用了可见光和红外云图、地面气象自动站资料、浮标资料和风廓线雷达资料,由于篇幅限制不在文中体现,参见文献[17]。本文中提到的时间为当地标准时间(北京时)。

2 海雾过程中的观测事实

2008年7月7～9日随着东北低涡北上和副高西伸,副高西侧海上暖湿气流北上过程中受黄海冷海面的冷却作用逐渐成雾,雾区逐渐发展并影响到青岛等地区。10日青岛出现局地雷暴天气,雾消散。日本气象厅的MTSAT-1R的可见光和红外云图清楚地表明了雾的发展过程(图略)。

表1 2008年7月7日至9日能见度和云量观测记录Table 1 Observation of cloud and visibility from Jul.7 to Jul.9,2008

确定雾的发生时间需要借助人工气象观测和能见度仪的数据,表1显示出2种观测结果有很大的差异,人工观测能见度远高于器测结果。从3 h间隔的人工观测记录看不出7日和8日有雾发生,而能见度仪的观测表明7日14时能见度低于1 km。自动观测和人工观测的差异是显然存在的[18],除了不可避免的观测误差,人眼的主观判断与能见度仪消光反演的差别可能是造成差异的主要原因。本文主要以能见度仪数据作为雾发生和结束的依据。图1表明7日13··00开始能见度达到雾的标准,8和9日分别有持续时间不等的雾现象出现。

到达地面的向下总辐射和大气逆辐射的变化都反映出海雾的影响作用(见图1),与晴天(6日)相比,7日中午前后总辐射衰减1/2以上,而大气逆辐射增加且维持少变。以14··00的观测为例,8和9日的总辐射比6日分别减小456.61和451.43 W/m2,而大气逆辐射维持少变,比晴天时分别增加51.79和48.97 W/m2。值得注意的是7日虽然有雾,但是与晴天相比,辐射的变化不如8和9日明显。地面天空辐射计长期观测中也出现过高的能见度对应高的气溶胶光学厚度现象[19]。从地面观测的湿度变量来看,8和9日相对湿度维持在95%和100%之间,而6和7日的水汽压与相对湿度不仅比8和9日低,而且表现出明显的日变化(图略)。7日中午相对湿度持续增加,至22点达到100%。湿度的变化在表1中云量的观测中也有一定反应,8日低云量6～8成,而9日的总云量为9,低云量记录缺省。

从以上分析中可以看出,虽然7和9日都出现了1 km以下的低能见度,但是大气中的水汽含量、总辐射的衰减和大气逆辐射的增加有明显差异。根据Koschmieder公式[20],能见度与大气的消光系数成反比,在影响消光系数的气象因子中,水汽的作用是最突出的[21-22]。水汽可以直接吸收入射太阳辐射,也可以改变气溶胶中的含水量,从而改变气溶胶谱分布。

图1 2008年7月6～9日的向下总辐射和大气逆辐射Fig.1 Downwelling atmospheric radiation and shortwave solar radiation form Jul.6 to Jul.9,2008

3 结果与分析

3.1 气溶胶谱浓度与能见度的关系

从雾发生前后气溶胶数浓度和气象条件的变化可以看出,在无雾的天气,大气中1μm以下细粒子浓度高,地面气象状况为高温、低湿;而雾出现后低温、高湿的气象条件导致大气中大粒子浓度升高。低能见度出现的时间与1～5μm粒子浓度相关性最好,低能见度发生的时间基本上与1～5μm粒子浓度开始增加的时间相一致(见图2)。特别是9日9··00～16··00能见度在300 m以下,是这次平流雾过程中能见度最低的时段,1～5μm粒子浓度比其他时间增加了将近5倍。在雾加强为浓雾的过程中,小于1μm粒子的数浓度大多呈下降趋势,减少的数浓度在3%～6%,而1μm以上粒子的数浓度呈上升趋势,其中1～2.5μm粒子的数浓度增加6%～25%,平均为15%,2.5～5μm粒子的数浓度增加6%～43%,平均为27%(见表2)。

表2 雾发生时粒子数目浓度与消光系数Table 2 Number concentration and extinction coefficient of different particles during fog

图2 2008年7月7～9日青岛能见度(m)和1～2.5μm粒子数浓度(cm-3)的变化Fig.2 Variation of the 1～2.5μm particulate number concentration and horizontal visibility in Qingdao from Jul.7 to Jul.9,2008

雾发展过程中1μm以下粒子数浓度减少,而1～5μm粒子数浓度增加的原因至少由以下3方面引起:海洋大气输送的以海盐为主的粗粒子,1μm以下小粒子碰并或吸湿增长。为了判断其中的可能性,将7月6日下午风转向前后的粒子谱进行对比发现,风向从西南风转为东南风后<0.7μm的粒子数浓度下降,0.7～0.8μm粒子数浓度变化幅度最小,而0.8μm以上粒子数浓度增加,增加幅度最大的粒子在1～3μm之间,而5μm以上粒子数浓度不受影响。其中1～2.5μm粒子数浓度从6(cm-3)增加到10(cm-3),增加了66.6%,说明来自海洋大气中的气溶胶以0.8～5μm的颗粒为主。以往对海洋气溶胶的观测表明,海盐气溶胶大小在0.3μm以上甚至是80%以上海盐颗粒大小在1μm以上,但是源自波破碎产生的1μm以上的大粒子的浓度很低[23-25]。风向转换前后120 m以下风速基本上在2 m/s以下,粗粒子可能是海浪在岸边摩擦破碎产生,也可能是受污染的海洋大气中的原有粒子。因为大气中气溶胶分布受气团来源和气象条件影响[26-27],其粒径变化很大,从遥远海洋的0.003～0.9μm[28],到受污染海洋大气中的0.016～30μm[29]和0.005～150μm[30]都有观测报道。

通过观测粒子增长期间的地面比湿发现,无论是否有雾发生,只要比湿持续增加,1μm以上粗粒子数浓度就会增加,增加的速度越快,增长的幅度也越大,对能见度的影响也越大。反之,如果比湿持续下降, 1～2.5μm粒子数浓度就会减小,能见度增加。7日地面比湿从14.2 g/kg上升到16.3 g/kg,变化幅度最大,1μm以下细粒子数浓度表现出持续下降趋势,而1～2.5μm粒子数浓度呈波动增长,约2.5 h为1个周期。8日和9日的地面相对湿度约为100%,雾发生期间的比湿和细粒子数浓度变化幅度小于7日。但是在高比湿条件下,大粒子数浓度增加更快。特别是9日微风层厚度大,持续时间也长,粗粒子数浓度的增长幅度也是最大的。造成粗粒子数浓度增加的原因可能是盛行风为东南风时,海上风区长,大气中来自海洋源的粗粒子数多,也可能是在高湿条件下,吸湿粒子的增长。关于粒子的吸湿增长有诸多报道[15,31]。Clarke等在近海气溶胶观测研究中提到,随着湿度的增加,粒子半径增加,导致消光增强和消光系数随波长的变化[32]。在韩国Gosan本底站的观测发现,随着相对湿度增加,环境大气中细粒子逐渐增长到飞沫态(0.6μm左右)和>2.5μm的粗模态。当相对湿度<80%时,飞沫态颗粒增长明显集中在<2.5μm的区域。细粒子中有机物含量高时,即使在中等湿度条件下也会加速霾的形成[33]。许多观测研究也提到亚微米粒子的增长,尤其是在非降水云(雾中)粒子谱的变化[34-36]。虽然也有研究认为粗粒子和细粒子的来源不一样,与清除过程相比,积聚态粒子的碰并和水汽凝结增长是慢过程,不可能通过这两种过程成长为粗模态粒子。但是从观测到的湿度和粒子谱变化的结果中不难得出小粒子吸湿增长为大粒子的结论。

在高比湿条件下大粒子数浓度增加很快,而细粒子数浓度变化幅度小于低比湿条件下,可能是由于饱和的水汽条件改变了粒子成长的过程,也可能是陆源污染物起了作用。在污染海洋大气中,海盐多相反应非常重要。碱性的海盐颗粒不仅增强了SO2在海盐表面溶液中的吸收,并且促进了sulfate颗粒物的形成[37]。9日9··30～11··00从地面到1 800 m高空以西南和偏西风为主,风速在3 m/s以内,虽然还不清楚这种短时天气过程的发生机理,但是它对气溶胶的影响是明显的。1μm以下细粒子浓度在0.5 h之内增加了3倍多,随后出现了1～2.5μm粒子爆发性增长过程。根据测站的地理位置,西南和偏西风时容易受到陆地污染排放的影响,而5和6日的观测也表明西南和偏西风控制时大气中细粒子数目较多。陆源排放的细颗粒子遇到水汽后容易增长,而海盐粒子非常容易与污染气体反应,生成硫酸盐与硝酸盐细粒子,这些细粒子吸湿增长又会增加大气中大粒子的浓度[38]。

3.2 气溶胶谱变化与消光特征

空气湿度的变化导致大气中气溶胶粒子的布朗扩散、碰并、凝聚、沉积和异相反应的变化,从而引起气溶胶粒子谱分布的变化[39]。在山地平流雾过程中数密度表现出“上升-拓宽-变窄”的变化特点[11]。在平流雾过程中气溶胶数目、表面积和体积谱变化较大,很难以某一标准对雾过程中的谱分布特征做比较。但是总体上表现出以下特征:

图3 雾过程中气溶胶的谱分布Fig.3 Size distribution of aerosol in fog

(1)若雾的维持时间比较长(7和9日),1～5μm粒子数浓度呈现增长变化,大粒子数浓度增加越多,能见度越低,这与实验观测发现的“能见度最低点应在雾滴数密度和平均粒径都较大的时间”[40]是一致的;若雾维持时间短(8日)1μm粒子数浓度呈现波动变化,且与能见度的关系不是很明显。图3中给出了雾过程中3个时刻的谱分布,能见度分别为155 m(7日)、1 083 m(7日)和166 m(9日)。

(2)由于雾过程中小粒子数浓度减少,总的数浓度下降,日平均数浓度分别为8 884 cm-3(7日)、5 033 cm-3(8日)和4 857 cm-3(9日)。

(3)在夜间和凌晨时间观测到的20～30μm大粒子出现的频率高于午后时间。观测发现,在雾的发展过程中,大滴的数量逐渐增多,而小滴的比例减小[41]。这既是水汽在凝结核上不断凝聚的结果,也有小粒子间碰并的贡献。对北太平洋海雾的观测研究发现,雾对0.5μm以上大粒子的清除效率>0.5μm以下细粒子[42]。在受污染的沿海区域,海盐核与土壤矿物混合,在水汽的作用下,雾滴与粗粒子多次碰并,导致粒径大于1μm的粗粒子附着在液滴表面或以卫星结构存在,因而1个液滴中可能包含几个粗粒子[43]。雾滴与气溶胶粒子的碰并效率受湍流的影响,在稳定的天气条件下,白天的湍流强度通常高于夜间。

根据2个时刻的气溶胶粒子浓度和粒径分布可以估算雾发展过程中粒子的增长率(μm/s)[39]:

其中Dp为某大小粒子直径,N(Dp,t)代表某时刻该大小粒子的数浓度(个/cm-3),n(Dp)为2个时刻粒径分布的平均值:

图4 不同大小气溶胶粒子的增长率Fig.4 Growth rate of different size particles

以前后2 h间隔的观测数据进行计算,发现粒径增长率<10-5(μm/s)量级。以雾前后和雾过程中粒径变化为例(见图4),7日12··00～14··00粒径增长率代表雾发生前后对比,期间能见度从3 657 m下降到272 m, 0.5～5.7μm的粒子都有增长,较高增长率分别是1.1和2.2μm的粒子。8日10··00～12··00为雾的维持阶段,与发展阶段相比,2.2～3.7μm的粒子增长率略低,其他粒子的增长率下降,1.1μm以下和5.7μm以上粒子出现负增长。其原因可能是小粒子通过增长被消耗,而较大粒子被雾滴清除。9日12··00～14··00能见度从248 m下降到145 m,属于浓雾阶段,从0.5～5.7μm的粒子都有增长,4.5μm以上大粒子的增长速度比前2天都大,表明在雾加强阶段,大粒子的增长速度超过了雾滴的清除。

利用3个对数正态分布函数之和模拟雾过程中气溶胶谱分布:

根据观测的气溶胶谱分布特征,由最小二乘原理决定函数公式中的参数。积聚态取2个对数正态分布,分别靠近凝聚态和飞沫态:￣D1=0.26μm、￣D2= 0.65μm,相应的几何标准差为σ1=1.4,σ2=1.9(适用7日和9日的雾过程)和σ2=1.7(适用8日的雾过程)。第3个对数正态分布对应粗粒子:￣D2=2.0μm,σ3= 1.2。

图5 消光系数与水平能见度的关系Fig.5 Scatter diagram of horizontal visibility and extinction coefficient

利用公式(3)给出的分布函数和MIE散射理论计算的消光效率,计算波长为550 nm的消光系数,折射率W的实部和虚部值参考了青岛地区多年地基遥感的反演结果[44],分别为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中给出了雾过程中消光系数的变化范围, 1 km以内能见度和各模态粒子的消光系数由图5给出,雾过程中平均消光系数为1.21 km-1,其中0.5μm以下凝聚态粒子的平均消光系数为0.55 km-1,0.5～2.0μm粒子的平均消光系数为0.50 km-1,>2.0μm粒子的平均消光系数为0.16 km-1。这里的计算结果只是体现了气溶胶粒子的作用,实际上在雾过程中雾滴的消光作用是很强的,如果有雾滴观测资料0.5μm以上气溶胶和雾滴的共同消光系数应该占主要贡献,相比之下细粒子的作用可以忽略[45]。在雾加强过程中0.5μm以下凝聚态粒子的消光作用减弱,而飞沫态以上粒子的消光作用大大增强。>0.5μm粒子的消光系数变化与能见度变化有很好的反相关关系,并且粒径越大,反相关关系越好。

4 结语

本文根据1次平流雾过程中观测的气溶胶、能见度资料分析了雾发展过程中气溶胶谱的变化及对能见度的影响,结合风廓线资料和地面气象观测分析了气溶胶谱变化的可能原因。

在东北低涡东侧、副高西侧暖湿气流影响下,空气比湿持续增加,导致了1μm以上粗粒子数浓度的增加,而且比湿增加的速度越快,粒子数浓度增长的幅度也越大。雾生成后1μm以下粒子数浓度减少,而1～5μm粒子数浓度增加。在雾形成阶段,粒子数浓度呈波动形式增加,约2.5 h为1个周期。粒子的增长率在10-5(μm/s)量级以内。在雾的生成阶段和加强阶段, 0.5～5.7μm的粒子都有增长,而在雾的维持阶段只有2.2～3.7μm的粒子在增长,增长率低于雾生成阶段和加强阶段的增长率。从增长率的变化可以看出,在雾的维持阶段小粒子通过增长被消耗,而较大粒子被雾滴清除,在雾的加强阶段,大粒子的增长速度超过了雾滴的清除。

低能见度出现的时间与1～5μm粒子浓度相关性最好,低能见度发生的时间基本上与1～5μm粒子浓度开始增加的时间相一致。利用3个对数正态分布函数之和模拟雾过程中气溶胶谱分布并计算消光系数,在雾加强过程中0.5μm以下凝聚态粒子的消光作用减弱,而飞沫态以上粒子的消光作用大大增强。大于0.5μm粒子的消光系数变化与能见度变化有很好的反相关关系,并且粒径越大,反相关关系越好。

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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

责任编辑 庞 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数公里到浓雾时数百米,甚至不足百米皆有可能。雾过程中能见度的大小取决于液态水含量和雾滴等效半径,而它们都是由雾滴谱决定的[13-15]。由于缺乏足够的观测资料,对海雾的预报往往显得很困难,尤其是雾的生消时间。因此相比于对雾形成的宏观条件的认识,对雾的微观物理结构的认识更加重要,这不仅有助于改进模式微物理方案,提高能见度计算准确度[16],对其他相关研究也很重要,比如雾对辐射的影响等。

国家自然科学基金重点项目(40830959);国家重点基础研究发展计划项目(2006CB403702)资助

2010-08-30;

2010-10-26

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