南京一次輻射霧過(guò)程的邊界層特征

張禮春朱彬范曉青

（1 中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081；2 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

南京一次輻射霧過(guò)程的邊界層特征

張禮春1朱彬2范曉青1

（1 中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081；2 中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京信息工程大學(xué)，南京 210044）

選取2007年12月13—14日南京一次輻射霧的外場(chǎng)觀測(cè)資料及NCEP的2.5°×2.5°NC再分析資料和GDAS全球1°×1°氣象資料，從天氣形勢(shì)背景、氣象要素以及物理量場(chǎng)等方面，探討霧形成和持續(xù)的主要邊界層物理和天氣學(xué)成因；并利用HYSPLIT-4軌跡模式對(duì)此次霧過(guò)程進(jìn)行后向軌跡分析。分析表明：（1）此次霧過(guò)程期間始終存在逆溫層，甚至出現(xiàn)多層逆溫。逆溫層的存在，使大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，利于霧的形成和發(fā)展。（2）此次輻射霧過(guò)程水汽輸送較平流輻射霧小，水汽來(lái)源主要來(lái)自本地輻射降溫后的水汽凝結(jié)。（3）此次霧過(guò)程地面受高壓控制，低層水汽通量散度為正值，近地面有弱輻散，利于輻射降溫水汽凝結(jié)，而持續(xù)的水汽輻散造成的水汽流出以及霧后期隨著北部干冷空氣南下使得這次輻射霧壽命較短。

霧，大氣邊界層，水汽通量，HYSPLIT-4后向軌跡

1 引言

近些年來(lái)的統(tǒng)計(jì)資料表明[1]，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大霧的出現(xiàn)頻率、持續(xù)時(shí)間和濃密程度都有逐年提高的趨勢(shì)。由于濃霧而導(dǎo)致機(jī)場(chǎng)、高速公路關(guān)閉、港口暫停船舶進(jìn)出的情況不時(shí)見(jiàn)諸報(bào)端，大有愈演愈烈之勢(shì)。因此，霧作為一種災(zāi)害性天氣現(xiàn)象受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注和研究。

霧是懸浮于近地面氣層中水汽凝結(jié)成水滴或冰晶使水平能見(jiàn)度小于1km的天氣現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外不少研究工作都對(duì)霧進(jìn)行了大量的觀測(cè)和理論研究[2-5]。李子華等[5]研究發(fā)現(xiàn)，南京冬季出現(xiàn)頻率最高的是輻射霧，而有的輻射霧，常有平流的較大影響，則稱它為平流輻射霧。輻射霧多在午夜前后發(fā)生，也有一些發(fā)生于傍晚前后，個(gè)別的形成于日出前后。而霧消散多在中午前后，也有一些消散于日出之后。2007年12月13－14日，在南京形成的這場(chǎng)霧即為一次典型的輻射霧過(guò)程[6]，這次霧首先由13日晚輻射降溫形成，次日06時(shí)左右加濃，日出后由于地面溫度升高，水汽蒸發(fā)，濃霧10時(shí)左右消散。本文綜合利用外場(chǎng)觀測(cè)資

料及NCEP的2.5°×2.5°NC再分析資料和GDAS全球1°×1°氣象資料，結(jié)合天氣形勢(shì)背景、氣象要素以及物理量場(chǎng)，探討這次輻射霧形成和持續(xù)的主要邊界層物理和天氣學(xué)成因，并利用HYSPLIT軌跡分析方法，進(jìn)一步驗(yàn)證霧形成的水汽來(lái)源。

2 探測(cè)儀器及資料概況

2007年11月15日—12月29日，課題組在南京信息工程大學(xué)校園內(nèi)（118.7?E，32.2?N，海拔高度27m）進(jìn)行了冬季霧外場(chǎng)綜合觀測(cè)試驗(yàn)。

霧的外場(chǎng)綜合觀測(cè)主要內(nèi)容有：以霧生命史為主要研究對(duì)象，獲取第一手的高時(shí)空分辨率的濃霧發(fā)生、發(fā)展、成熟和消散整個(gè)過(guò)程中的宏微觀特征、邊界層結(jié)構(gòu)以及各類氣象要素等綜合資料。

觀測(cè)儀器包括：芬蘭Va i s a l a公司生產(chǎn)的DigiCORA系留氣球低空探測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行大氣邊界層溫、壓、濕和風(fēng)的探測(cè)，觀測(cè)時(shí)由飛艇攜帶傳感器升空后將不同高度上的溫、壓、濕、風(fēng)等資料傳至地面接收系統(tǒng)，在計(jì)算機(jī)上保存并顯示各氣象要素廓線。一般而言，每1～3s產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)，包括氣壓、溫度、相對(duì)濕度、海拔高度、風(fēng)速、風(fēng)向等。在風(fēng)速等天氣條件允許的情況下，無(wú)霧日一般3h觀測(cè)一次，出現(xiàn)霧時(shí)加密觀測(cè)，間隔一般為1～1.5h，每次探測(cè)時(shí)間40min左右，高度一般在600～1000m之間，只有在風(fēng)速特別大，達(dá)到10m/s的情況時(shí)收回系留氣球，探測(cè)高度降低。溫度、相對(duì)濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向傳感器的分辨率分別為0.1℃，0.1%，0.1hPa，0.1m/s和1°。另外，霧滴尺度譜分布使用FM-100型霧滴譜儀。

3 邊界層特征

3.1 天氣形勢(shì)分析

受南支槽和貝加爾湖冷空氣南下共同影響，12月12日白天出現(xiàn)降水，雨區(qū)包括江蘇、安徽、湖北、湖南及河南等地，12日16時(shí)南京降水結(jié)束，雨后地面相對(duì)濕度較大。12日20時(shí)，南支槽和蒙古低槽合并，此時(shí)江蘇處于槽后西北氣流當(dāng)中。13日20時(shí)，江蘇位于槽后偏西風(fēng)平直鋒區(qū)中，地面受高壓控制，天氣晴好、微風(fēng)、大氣層結(jié)穩(wěn)定，利于夜間輻射降溫。南京于13日22時(shí)左右出現(xiàn)霧，14日凌晨發(fā)展為能見(jiàn)度小于500m的濃霧，持續(xù)到上午10時(shí)以后逐漸消散。

3.2 霧過(guò)程的大氣邊界層結(jié)構(gòu)

圖1和圖2分別為2007年12月13—14日霧過(guò)程中溫度、相對(duì)濕度、平均風(fēng)速廓線變化圖以及14日風(fēng)的時(shí)間—高度剖面圖。由圖可見(jiàn)，13日20時(shí)，地面輻射降溫使得貼地層形成逆溫，近地面風(fēng)速較小，1m·s－1左右，相對(duì)濕度較大。同時(shí)在420～440m和750～760m也形成兩個(gè)薄的逆溫層。近地面不斷的降溫增濕，最終空氣達(dá)到飽和，在13日21:55（圖略），肉眼已經(jīng)觀察到近地面形成霧。霧形成后，在整個(gè)霧過(guò)程中，霧區(qū)內(nèi)風(fēng)速在0～4m·s－1，適宜的風(fēng)速，有利于水汽的上下傳輸，有利于霧的發(fā)展和維持。而霧頂之上，相對(duì)濕度總地呈明顯減小趨勢(shì)，風(fēng)速也較大，超過(guò)4m·s－1。13日22:40，600m高度低云形成。14日01:30以后，溫度廓線圖上可以看出出現(xiàn)明顯的多層逆溫，這與湍流的不連續(xù)性有關(guān)。14日06時(shí)低云與低層霧區(qū)經(jīng)過(guò)發(fā)展后合并。14日09時(shí)，日出后的短波輻射使近地層空氣升溫。14日10:40左右，隨著湍流發(fā)展的旺盛，多層逆溫開始遭到破壞，溫度廓線呈波動(dòng)狀。12時(shí)左右，隨著近地層空氣持續(xù)升溫，近地層較強(qiáng)逆溫也被破壞，上下層氣流交換增強(qiáng)，近地面霧漸漸消散至殆盡?？梢?jiàn)逆溫的存在利于霧的形成和發(fā)展，是霧維持發(fā)展的一個(gè)不可缺少的條件。

3.3 霧過(guò)程水汽輸送特征

通過(guò)對(duì)此次霧過(guò)程925hPa高度各時(shí)刻比濕、水汽通量、水汽通量散度分布的研究分析，13日20時(shí)，南京近地面比濕為2g·kg-1，水汽含量充沛。南海海面有水汽通量大值區(qū)，并不斷向北偏東方向輸送，南京位于水汽通量輸送帶上，上空水汽通量近2g·s-1·hPa-1·cm-1。14日02時(shí)，比濕減小為1.6g·kg-1，此時(shí)霧已生成并繼續(xù)發(fā)展，近地面水汽不斷凝結(jié)成霧滴，故比濕較前有所下降。此時(shí)，水汽輸送帶繼續(xù)向北移動(dòng)，但南京上空水汽略有減小。14日08時(shí)，比濕仍為1.6g·kg-1左右，這說(shuō)明霧過(guò)程中水汽不斷補(bǔ)充和凝結(jié)消耗基本動(dòng)態(tài)維持不變。水汽開始逐漸影響我國(guó)華南及江浙一帶，南京地區(qū)水汽通量變得很小。結(jié)合張禮春等[7]對(duì)2006年12月24—27日在南京形成的一次持續(xù)性濃霧天氣過(guò)程的水汽來(lái)源分析，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，這次輻射霧過(guò)程期間水汽輸送明顯較平流輻射霧小。另外，在此次霧過(guò)程中，地面受高壓控制，低層水汽通量散度為正值，近地面有弱輻散，利于輻射降溫，水汽凝結(jié)形成霧。而后期持續(xù)的水汽輻散造成水汽不斷流出使得這次輻射霧壽命較短。

3.4 后向軌跡分析

HYSPLIT-4軌跡模式[8]是由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（NOAA）開發(fā)的供質(zhì)點(diǎn)軌跡、擴(kuò)散及沉降分析用的綜合模式系統(tǒng)。該模式是Eulerian-Lagrangian混合型的擴(kuò)散模式，其平流和擴(kuò)散計(jì)算采用Lagrangian法，通常用來(lái)跟蹤氣流所攜帶的粒子或氣體移動(dòng)方向，可以實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)形勢(shì)以及分析降水。其采用

地形σ坐標(biāo)，水平網(wǎng)格與輸入的氣象場(chǎng)相同，垂直方向分為28 層，將氣象要素線性內(nèi)插到各σ層上。HYSPLIT-4氣流3維軌跡模式模擬分析氣流路徑的思路是假設(shè)空氣中的粒子隨風(fēng)移動(dòng)，則粒子的移動(dòng)軌跡就是其在時(shí)間和空間位置矢量的積分，最終的位置由初始位置（P）和第一猜測(cè)位置（P′）的平均速率計(jì)算得到

積分時(shí)間的步長(zhǎng)是可變的，UmaxΔt＜0.75。

圖1 2007年12月13—14日霧過(guò)程中溫度、相對(duì)濕度和平均風(fēng)速廓線變化圖

圖2 2007年12月14日各時(shí)刻風(fēng)的時(shí)間—高度剖面圖

氣象數(shù)據(jù)在水平坐標(biāo)保持其原來(lái)格式，而垂直方向被內(nèi)插到地形追隨坐標(biāo)系統(tǒng)，

式中，Ztop是軌跡模式坐標(biāo)系統(tǒng)的頂部；Zmsl是坐標(biāo)下邊界高度；Zgl是地形高度。

HYSPLIT-4軌跡模式模擬采用NCEP GDAS全球1°×1°氣象資料作為背景初始場(chǎng)，該資料是應(yīng)用全球中期預(yù)報(bào)譜模式（MRF）同化多種觀測(cè)資料和預(yù)報(bào)結(jié)果，水平分辨率為191km，垂直方向從1000～50hPa分為12個(gè)等壓面層，時(shí)間間隔為6h。本次研究計(jì)算為72h后向軌跡，起始點(diǎn)南京的經(jīng)緯度為（118.7?E，32.2?N），距離地面高度設(shè)為四層分別為150，600，1500和3000m。

圖3是HYSPLIT-4軌跡模式模擬的此次霧過(guò)程不同時(shí)間的72h后向軌跡。由圖可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)輻射霧過(guò)程中水汽來(lái)源主要來(lái)自本地輻射降溫后的水汽凝結(jié)。而北部干冷空氣南下，加快了這次輻射霧的消散進(jìn)程，其持續(xù)時(shí)間僅有13h。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)2007年12月13—14日南京發(fā)生的這場(chǎng)輻射霧的邊界層特征進(jìn)行分析可以得出以下結(jié)論。

（1） 這次霧過(guò)程期間逆溫層始終存在，甚至出現(xiàn)多層逆溫。逆溫層的存在，使大氣層結(jié)更加穩(wěn)定，在霧形成前期利于低層水汽聚集，霧形成后又抑制水汽的擴(kuò)散，利于霧體的發(fā)展和維持。

（2） 輻射霧過(guò)程期間水汽輸送明顯較平流輻射霧小，HYSPLIT-4后向軌跡模式分析圖進(jìn)一步驗(yàn)證其水汽來(lái)源主要來(lái)自本地輻射降溫后的水汽凝結(jié)。

（3） 這次輻射霧過(guò)程地面受高壓控制，低層水汽通量散度為正值，近地面有弱輻散，利于輻射降溫水汽凝結(jié)，而持續(xù)的水汽輻散造成這次輻射霧在發(fā)展維持期間水汽不斷流出，以及霧后期隨著北部干冷空氣南下，使得這次輻射霧壽命較短，僅僅持續(xù)了13h。

圖3 2007年12月13—14日72h HYSPLIT-4后向軌跡模擬圖

[1]高峰. 不得不防的災(zāi)害——濃霧. 中國(guó)應(yīng)急管理, 2011, 7: 55-57.

[2]Taylor G I. The formation of fog and mist. Q J R Meteor Soc, 1917(XL111): 2416-2468.

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[5]李子華, 劉端陽(yáng), 楊軍, 等. 南京市冬季霧的物理化學(xué)特征. 氣象學(xué)報(bào), 2011, 69(4): 706-718.

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[7]張禮春, 朱彬, 耿慧, 等. 南京一次持續(xù)性濃霧天氣過(guò)程的邊界層特征及水汽來(lái)源分析.氣象, 2013, 39(10): 1284-1292.

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The Boundary Layer Structures of the Radiation Fog in Nanjing

Zhang Lichun1, Zhu Bin2, Fan Xiaoqing1
(1 Public Meteorological Service Centre of CMA, China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044)

A detailed analysis of the synoptic situation, meteorological fi elds was made to get the features of the boundary layer during the fog events which occurred on December 13-14, 2007 by the observation fi eld data, NCEP’s 2.5°×2.5°NC reanalysis data and GDAS Global 1°×1°meteorological data. The results show that: (1) The presence of inversion layer, even multi-layer inversion throughout the fog events, indicates that the atmosphere is more stable, which was conducive to the convergence of water vapor before fog formation, then not favorable for the divergence of water vapor after fog formation, which helped the development and maintenance of the fog. (2) The water vapor fl ux transported in radiation fog was smaller than the advectionradiation one, and the water vapor in radiation fog was mainly from the local moisture condensation. (3) The surface was dominated by high pressure, during the radiation fog event, the divergence of water vapor fl ux was always positive, indicating that the water vapor near the surface was easy to be held and conducive to radiation cooling during the radiation fog event, while the divergence of water vapor fl ux and the northern cold air made the fog life a little too short.

fog, atmospheric boundary layer, water vapor fl ux, HYSPLIT-4 backward trajectory

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.04.010

2013年4月13日；

2013年10月15日

張禮春（1985—），Email：zlc203@126.com