南海沿岸海雾特征的观测研究

岳岩裕,牛生杰,张羽,徐峰,赵丽娟,吕晶晶

(1.武汉中心气象台,湖北 武汉 430074;

2.南京信息工程大学 江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室/大气物理学院,江苏 南京 210044;

3.湛江市气象局,广东 湛江 524001;4.广东海洋大学,广东 湛江 524009;5.厦门市环境监测中心站,福建 厦门 361000)

南海沿岸海雾特征的观测研究

岳岩裕1,2,牛生杰2,张羽3,徐峰4,赵丽娟5,吕晶晶2

(1.武汉中心气象台,湖北 武汉 430074;

2.南京信息工程大学 江苏省大气环境监测与污染控制高技术研究重点实验室/大气物理学院,江苏 南京 210044;

3.湛江市气象局,广东 湛江 524001;4.广东海洋大学,广东 湛江 524009;5.厦门市环境监测中心站,福建 厦门 361000)

摘要：利用2010、2011年在中国广东省湛江市东海岛海雾外场观测试验中获得的观测数据,综合分析海雾发生时的宏微观特征、气溶胶特征和雾水化学特征,并据此探讨海雾形成发展的主要机制。结果表明:南海海雾年平均雾日数为20～30 d,受低压系统或冷锋过境影响时出现雾的概率最大。2010和2011年平均雾滴液态水含量(Liquid Water Content,LWC)分别为0.019和0.072 g·m-3,LWC偏低与海陆交界处雾滴湍流沉降加速有关。随着LWC的增加,雾滴与气溶胶数浓度的比值增大。雾水中主要离子为Na+和Cl-,其两年总离子浓度(Total Ion Concentration,TIC)平均值分别为38 260和5 600 μeq·L-1,但离子负荷量相差不大,LWC增加可能是导致2011年TIC下降的主要原因。海雾雾滴形成和发展的主要机制是核化和凝结增长,与陆地和山地雾相比,碰并、湍流和平流因子的影响加强。雾滴谱可用Gamma分布进行拟合,且随着碰并作用增强,滴谱增宽。

关键词：南海海雾;雾微物理特征;气溶胶;雾水化学

中图分类号：

文章编号：1674-7097(2015)05-0694-09P426

文献标志码：码：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130412001

Abstract:Based on the data of the sea fog field observation experiments in the east coast of Donghai Island in Zhanjiang City,Guangdong Province,China in 2010 and 2011,this paper made the comprehensive analysis on the macro-microphysical characteristics of fogs,properties of aerosols and fog water chemical compositions in the sea fog cases,and further discussed the mechanisms of sea fog formation and growth.Results show that the annual average sea fog days are 20—30 d.The most sea fogs are affected by depression system or cold front.The average liquid water content(LWC) of fog droplets are 0.019 and 0.072 g·m-3in 2010 and 2011,respectively.Low LWC is due to the accelerated turbulence deposition of fog droplets in the border of land-sea.The ratio of number concentrations between fog droplets and aerosols increases with the growth of LWC.The main ions in the fog water are Na+and Cl-,and the two-year average values of total ion concentration(TIC) of Na+and Cl-are 38 260 and 5 600μeq·L-1,respectively,but the ion loadings are almost in the same magnitude.The decline of TIC may be mainly owing to the growth of LWC in 2011.Activation and condensation growth play an important role on the formation and growth of sea fog droplets.Compared with continent and mountain fogs,the influences of coagulation,turbulence and advection factors are more significant in the sea fog cases.The spectra of fog droplets can be expressed by formula of Gamma and the spectra width broadens by the strength of coagulation.

收稿日期：2011-12-30;改回日期:2012-02-18

基金项目:公益性行业(气象)科研专项(GYHY200806014)

通信作者：张祎,工程师,研究方向为雷电防护和雷电监测预警,zhangyi3092@sohu.com.

An observation study of sea fog in the coastal area of

South China Sea

YUE Yan-yu1,2,NIU Sheng-jie2,ZHANG Yu3,XU Feng4,ZHAO Li-juan5,LÜ Jing-jing2

(1.Wuhan Central Meteorological Observatory,Wuhan 430074,China;

2.Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and

Pollution Control/School of Atmospheric Physics,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Zhanjiang Meteorological Bureau,Zhanjiang 524001,China;4.Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524009,China;

5.Xiamen Environmental Monitoring Central Station,Xiamen 361000,China)

Key words:sea fog of South China Sea;fog microphysics;aerosol;fog water chemistry

0引言

海雾是滨海、岛屿上空或海上凝结出的大量水滴或冰晶悬浮于大气边界层中,使大气水平能见度小于1 000 m的天气现象(王彬华,1983)。海雾对航空、航海、陆上交通、海洋捕捞等都会造成威胁,据统计发生在海上的碰撞事故中有60～70%与海雾有关,造成的总经济损失与台风等灾害可相提并论(Gultepe et al.,2007)。此外雾中高浓度的污染物也会对人体健康产生潜在影响。

学界研究发现,雾的形成、发展、消散受到天气环流的强烈影响(Tachibana et al.,2008)。通过外场观测研究,对加深认识海雾的微物理特征、改进模式微物理参数化方案、提高模式模拟的准确性等都有重要作用(Gultepe and Milbrandt,2007;王帅等,2012;鲍艳松等,2013)。云雾的微物理特征受到不同动力和微物理过程的影响,如混合、夹卷、凝结、蒸发、碰并和降水等,对滴谱形状的不同有着重要作用(Alexandre et al.,2000;Niu et al.,2010)。在与内陆城市雾(鲍宝堂等,1995)的比较中也发现海雾雾滴数浓度偏低(吕晶晶等,2014)。海雾的平均最大直径和峰值直径与陆地雾的相近,在一些海雾个例中,发现其最大直径可以达到很大(杨中秋等,1989)。

目前国内针对海雾的外场综合观测试验较少,缺乏对南海地区海雾过程中主导微物理过程的研究以及该区域雾水化学特性的分析。鉴于此,利用2010年3—4月和2011年2—3月连续两年海雾的外场观测资料(观测点东海岛位于中国南海—雷州半岛东部),主要针对以下问题进行研究:1)有利于海雾发生的气象条件。2)海雾形成发展过程中起主要作用的物理机制,如凝结、碰并、平流、湍流的影响。3)气溶胶与海雾之间的相互影响。4)雾水化学特征。

1外场观测试验

1.1　观测地点与仪器介绍

2010年3—4月和2011年2—3月在广东省湛江市东海岛东岸进行海雾外场观测试验,两年的观测地点均位于东岸,直线距离相差600 m,海拔高度相差50 m。2010年的观测地点位于东海岛岸边一幢三层高的楼房楼顶(110°32′05″E,21°00′35″N),海拔高度15 m左右,距离海岸线约200 m;2011年的观测地点位于东海岛雷达站内一幢三层高的楼房楼顶(110°31′19″E,21°00′50″N),海拔高度65 m左右,距离海岸线约800 m。使用的观测仪器基本情况如表1所示。

1.2　计算方法

为研究雾过程中雾滴液态水含量CLW(Liquid Water Content,LWC)迅速增长,数浓度下降的现象,引入Liu et al.(2004,2005)提出的自动转化阈值T,用来表示自动转化过程的临界状态,T值越大,碰并过程越强。

(1)

式中:P是自动转化率;P0代表在一系列自动转化过程后的转化速度;r是滴的半径,rc是自动转化的临界半径。Liuetal.(2006)推导了一个关于rc的表达式:

表1　观测仪器的基本情况

注：*表示在观测中使用了该仪器.

(2)

其中经验系数βcon=1.15×1023。

(3)

(4)

对于Gamma分布而言,关系式CS=CK成立,通过计算实际谱的CS和CK,验证实际谱是否可用Gamma谱拟合。

2观测结果分析与讨论

2.1　海雾气候特征分析

对雷州半岛上的三个主要站点(湛江、徐闻和雷州)50～60 a雾日的发生频次进行统计,发现该地年平均雾日数分别为25、21和30 d左右,与张苏平和鲍献文(2008)的统计特点相符。逐月变化呈单峰型分布,3月最多,属于春雾型(徐峰等,2011b)。观测期间发现海雾过程中往往会出现能见度短暂升高的现象,说明海上形成的雾可能具有团块分布特点,在主导风向(偏东风)的作用下输送至岸边。全年月总降水量平均值为135.6 mm,全年月平均气温为23.25 ℃。气温与雾日数之间并不是简单的线性或者非线性关系,雾日多分布在16～22 ℃之间(图1)。降水量与雾日呈负相关关系,当降水量低于100 mm时,雾日较多;大于100 mm时,随着降水量增加,雾日基本趋近于零。

2.2　雾日天气背景和边界层特征

表2给出了两年观测期间南海海雾的天气分型和气象要素特征。海雾按天气形势分为低压前部型、冷锋影响型、高压后部型、高低压之间型和均压场型。当东海岛位于低压前部或受到冷锋影响时出现雾的概率最大。连续雾过程的结束与冷空气南下(即冷锋过境)有关,如2010年3月22—24日的两次雾过程和2011年3月20—22日的三次雾过程。

图1　月平均气温、月总降水量和年平均雾日数之间的关系a.气温与雾日数;b.降水与雾日数;c.气温与降水Fig.1　Relationships among monthly temperature,monthly total rainfall and annual fog daysa.temperature vs fog days;b.rainfall vs fog days;c.temperature vs rainfall

鉴于盛立芳等(2010)对海雾厚度的总结,雾顶高度一般在240～530 m。利用风廓线雷达的观测资料对四层高度(150、270、390、510 m)的风向进行分析,发现风向随高度会出现顺转,对应出现暖平流,从南部海面带来了大量暖湿气流,为海雾的发生、发展和维持提供了充足的水汽。统计发现海雾发生期间近地面风向以偏东风为主,占79%;偏北风占21%。冷锋影响下雾过程的风向有偏北和偏东两种,主要考虑冷锋是否到达观测点,当偏东风主导时,湛江处于冷锋前暖区,气温较高,东南暖湿气流强盛,水汽充足,有利于海雾形成;当偏北风主导时,处于冷锋过境时期,冷空气与暖湿气流交汇混合,雾继续维持。雾发生期间近地面的平均气温变化范围为18～24 ℃,平均风速为1～5 m·s-1,与一般的陆地雾相比偏大(陆春松等,2011),一定的风速有利于水汽从南部洋面输送到东海岛附近海域。

表2　海雾过程天气分型及其气象要素平均值

2.3　海雾微物理特征分析

2.3.1雾微物理特征量相关性分析

两年的观测研究发现,2010和2011年雾滴液态水含量(LWC)、数浓度(N)和平均半径(r)的平均值分别为0.019 g·m-3、46 cm-3、2.46 μm和0.072 g·m-3、252 cm-3、2.40 μm。核化、凝结与碰并是雾与低云中的基本物理过程(陆春松,2012)。有学者对南京(Niu et al.,2010)和西双版纳(黄玉生等,2000)雾的微结构及演变过程进行了探讨,与西双版纳的结论相反,南京地区发现当核化凝结显著时,随着雾滴数浓度增加,平均半径增大;当碰并作用为主导时,学界普遍认为两者呈负相关。受凝结增长和湍流混合过程的影响,r、N和LWC会呈无相关或者负相关(Wang et al.,2009;Zhao et al.,2012;陆春松,2012)。不同区域空气团的输送会对雾微物理结构产生直接影响,当雾体出现团块结构时,不同位置雾的强度不同,空间分布不均匀,偶尔会出现能见度好转的现象(唐浩华等,2002)。东海岛观测到的南海海雾因其多属于冷却平流雾,在其微物理特征量的分析过程中要充分考虑平流因素的影响。

2010年LWC与r之间的相关性(均小于0.8)与2011的相比降低(表3),r较大时,N很少,大雾滴对LWC的贡献更显著,但是雾滴个数很少也会导致LWC比较低;而2011年两者之间基本呈显著正相关关系。2010年N与LWC之间的正相关性较好,当核化和凝结作用占主导时,N与LWC之间呈现正相关关系,而当r较大,且雾滴个数较少时,也会导致LWC较少,两者亦会呈正相关关系。2010年观测点海拔高度较低且接近岸边,海陆交界处不同下垫面会导致湍流和摩擦作用加大,同时近地面的风速存在很强的垂直切变,导致空气团充分混合,雾滴出现蒸发或者输送到地表的现象,雾滴的减少会比单纯由碰并引发的减少更明显,因此N和LWC都比较低。由于湍流作用较强,2010年雾滴生长受限,直径大于10 μm的粒子数浓度很低(图3),因而碰并生长过程很弱,使得整个过程中核化凝结作用更明显。为减少近地面湍流、摩擦等因素的影响,2011年将观测地点选在海拔高度更高的位置。

表3　不同海雾过程中各微物理参量之间的相关关系

注：1)表示通过0.05信度的显著性检验;2)表示通过0.01信度的显著性检验.

污染严重地区雾滴尺度与数浓度呈正相关,而清洁地区则为负相关(Wang et al.,2009;Quan et al.,2011),探讨两者之间的关系对研究碰并作用比较重要。海雾的核化凝结增长过程并没有内陆雾显著,N与r之间的关系不确定,正、负相关或无相关性都存在可能。统计发现,雾过程中出现碰并作用的概率较大,基本都出现了T>0的情况(T值的变化范围为0～1),且T>0的时间超过50%的雾过程有7个。根据T值的大小进行分类(Niu et al.,2010),其中T>0.2为碰并强度适中,出现中等强度碰并作用的典型雾过程有6个(T>0.2的时间超过5%)。但是N与r没有呈现出明显的负相关,其原因可能是发展成熟阶段碰并作用很强,同时伴随出现的核化凝结作用会促使新雾滴的形成,补充了因碰并作用导致的雾滴损失(Niu et al.,2010),因此有时会出现r增大,而N保持不变的情况。同时相关性分析是对于整个雾过程而言,包括了雾的开始和消散阶段,这些阶段的碰并作用并不显著,导致整个过程中两个特征量间的相关关系不是很显著。

当碰并过程为主时,雾滴谱增宽,雾滴谱标准差(σ)会随着r和LWC增大而增大。而当以核化凝结为主时,由于雾滴凝结增长,且核化凝结会不断补充小雾滴,致使σ也会随着LWC和r的增大而增大,因此东海岛的不同雾过程中σ与LWC和r均呈明显正相关(表3)。Niu et al.(2010)对南京地区雾过程的研究中发现碰并过程中σ与N呈负相关,而核化凝结过程中呈正相关。在对不同过程的分析中发现σ与N的相关性和N与r的关系类似,正相关、负相关或不相关都存在,这说明不同的物理过程共同影响了雾的发展。

通过两年资料的对比可以看出湍流对海雾的影响与观测点位置有关。2010年的观测中发现湍流作用抑制了雾滴的生长,使得雾滴N和LWC相较于2011年要低,碰并作用不强。根据雾过程发展程度的不同对整个雾过程进行分段讨论,能够更明显地区分出核化、凝结增长和碰并在不同阶段的贡献程度。对整个雾过程进行分析,可以发现碰并作用会破坏核化凝结增长导致的正相关关系。研究结果表明核化、凝结增长仍是雾滴形成发展的关键机制,没有此过程就没有雾滴的形成,但是碰并、湍流和平流因子的影响作用与其他雾(如内陆雾)相比加强。

2.3.2雾滴谱特征分析

雾滴谱分布是各种因子综合作用的结果,如凝结和碰并都对雾滴增长和滴谱拓宽有着直接的作用,因此需要利用统计的方法研究海雾发生时的滴谱特征。牛生杰(2012)运用统计学参数峰度K和偏度S来分析雨滴谱特征。Niu et al.(2010)基于此方法对南京地区的雾滴谱进行了研究,发现雾滴谱也可以利用Gamma分布进行拟合。利用两年观测数据,将19次雾过程中平均偏度偏离系数(CS)和峰度偏离系数(CK)散点绘于图2中,可见大部分的点落在直线y=x(Gamma分布特征线)的附近。此研究中CS、CK与Gamma分布特征线的相关系数分别为0.937、0.906,分布趋势与Gamma特征线相同,可以利用Gamma分布进行拟合。

图2　不同海雾过程CS和CK的点聚图Fig.2　The scatter diagram of CS vs CK in different sea fog cases

对比发现2010年(图3a)和2011年(图3b)的雾滴数密度存在较大差别,2010年碰并强度比2011年弱,最大值仅达0.5。2011年数密度随直径下降很快,在无明显碰并时(T=0),雾滴数密度递减率超过2010。碰并较强时,直径15～25 μm之间雾滴数密度很高,递减率减小(2011年这一特点更为明显),该粒径大小的雾滴对LWC贡献显著(Klemm and Wrzesinsky,2007)。粒径超过25 μm雾滴生长受限,这可能与水汽被15～25 μm粒径档的雾滴生长所消耗、大粒径的重力沉降更明显有关。随着T增加,各档数密度均有上升。碰并作用对小雾滴数密度的影响不大,尤其是小于5 μm,这一部分雾滴主要由核化凝结生长贡献。

图3　不同T值下的雾滴谱分布　　a.2010年;b.2011年Fig.3　The fog droplet spectrum distributions in different T values　　a.2010;b.2011

2.4　气溶胶与雾滴数浓度之间的关系

Zhang et al.(2011)指出在高气溶胶数浓度下,云滴数浓度会随着云水含量迅速增加;低气溶胶数浓度时,云滴数浓度增加缓慢,而粒径大小增加显著。利用海雾发生期间的气溶胶和雾滴数浓度的资料分析不同LWC环境下雾滴的生长状况。在能见度小于1 000 m的情况下(图4a—d),随着气溶胶数浓度的增加,雾滴数浓度(Nf)与气溶胶数浓度(Na)的比值迅速下降,存在大量气溶胶不能被活化,说明大量气溶胶粒子争夺水汽,使得活化形成的雾滴数浓度较低。图4a中当3 000 cm-30.03 g·m-3时,Nf/Na提高到0.01以上,气溶胶粒子吸湿活化形成雾滴的比例增加。

图4　不同LWC下雾滴与气溶胶数浓度比值随气溶胶数浓度的变化　　a.CLW<0.01 g·m-3;b.0.01 g·m-30.05 g·m-3Fig.4　 Variations of Nf/Na(ratio between fog droplet number concentration and aerosol number concentration) with Na in different LWCs　　a.CLW<0.01 g·m-3;b.0.01 g·m-30.05 g·m-3

2.5　雾水化学组分特征

与陆地雾相比,海雾过程中海洋性离子占主导(樊曙先等,2009;Lu et al.,2010)。两年的雾水资料分析(图5)可以发现,2010年(6次雾过程收集19瓶雾水)观测到的雾水离子浓度要明显高于2011年(13次雾过程收集191瓶雾水),平均离子浓度分别为38 260和5 600 μeq·L-1。2010年的Na+和Cl-浓度明显高于其他离子成分的(Yue et al.,2012);2011年H+浓度明显升高,雾水酸度很大。

雾水离子浓度差异较大是否意味着空气中气溶胶粒子浓度差别很大,需要对比空气中单位体积内可溶性物质的负荷量。两年大气中总离子负荷量分别为659 nmol·m-3和470 nmol·m-3,可见空气中悬浮的污染物质量级相同。2011年总粒子浓度(Total Ion Content,TIC)与2010年相比显著减少,主要原因不是污染物质(PM10和气体等)减少,而是雾水的稀释作用加大,2011年LWC值是2010年的4倍。LWC出现明显差别与观测地点的不同有直接关系,2010年观测点离海边近且海拔高度低,近海岸低空垂直风切变很大;海洋和陆地地表特征的差异导致近地层强烈的湍流输送,将雾滴输送至地面,同时饱和与不饱和空气的湍流混合,导致雾滴的蒸发和海雾含水量偏低(张舒婷等,2013)。2011年观测点位于山坡顶,海拔高度升高,气流的抬升冷却促进空气饱和,雾滴直径和LWC会随着高度增加(Goodman,1977)。因而不能单纯地利用雾水离子浓度来说明当地污染程度,需要结合其他量综合考虑,但通过雾水离子成分的相关性可以初步判断出局地空气中主要的污染物类型。

3结论

雷州半岛年平均雾日数为20～30 d。气温为16～22 ℃时,雾日较多,而降水量与雾日数呈负相关关系。东海岛位于低压前部或受到冷锋影响时,海雾出现的概率最高。海雾发生期间的近地层平均风速为1～5 m·s-1,风向以偏东风为主,随高度顺转,出现暖平流,为海雾的发生发展提供了水汽支持。

2010和2011年雾滴液态水含量(LWC)、数浓度(N)和平均半径(r)的平均值分别为0.019 g·m-3、46 cm-3、2.46 μm和0.072 g·m-3、252 cm-3、2.40 μm。海雾的数浓度低于城市地区的雾,且LWC一般较低,其原因可能是海陆下垫面性质不同导致湍流沉降加速,大雾滴数浓度较低,同时直径超过50 μm的雾滴仪器无法直接观测到。核化凝结增长是雾滴形成的关键,而雾滴形成后的发展受多种因子影响。海雾过程中碰并、湍流和平流因子的影响与其他类型雾相比加强,致使微物理特征量间的相关性较差。雾滴谱可利用Gamma分布进行拟合,随着碰并作用的加强,滴谱拓宽。

当气溶胶数浓度为3 000～4 000 cm-3,且CLW<0.01 g·m-3时,雾滴与气溶胶数浓度的比值(Nf/Na)较大,并随着LWC的增加,比值增加。

海雾雾水化学组分的主要离子为Na+和Cl-。2010和2011年TIC的平均值分别为38 260 μeq·L-1和5 600 μeq·L-1,而实际大气中悬浮粒子浓度相差不大,说明2011年离子浓度的下降,不是因为大气中污染物质的减少,而是受高LWC的影响。2010年观测点离海边近且海拔高度低,强烈的湍流作用导致含水量偏低。

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(责任编辑：孙宁)

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