2007年12月南京六次雨霧過(guò)程宏、微觀結(jié)構(gòu)演變特征

于華英 牛生杰 劉鵬 劉暢 陸春松 黃佳歡

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2007年12月南京六次雨霧過(guò)程宏、微觀結(jié)構(gòu)演變特征

于華英1, 2, 3牛生杰1, 3劉鵬4劉暢5陸春松3黃佳歡3

1南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044;2南京信息工程大學(xué)地理與遙感學(xué)院，南京210044;3南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，南京210044;4南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京210044;5天津市氣象局氣象臺(tái)，天津300074

利用2007年冬季南京信息工程大學(xué)對(duì)霧的綜合觀測(cè)資料，包括能見度儀、雨滴譜儀、霧滴譜儀、寬范圍顆粒粒徑譜儀（WPS）觀測(cè)資料，并結(jié)合地面常規(guī)氣象觀測(cè)資料和NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再分析資料，分析2007年12月南京六次雨霧過(guò)程的宏、微觀結(jié)構(gòu)演變特征。結(jié)果顯示：（1）南京2007年12月的六次雨霧過(guò)程主要是受天氣系統(tǒng)的影響，以雨中霧為主，最低能見度均大于250 m。雨霧多出現(xiàn)在偏東氣流的作用下，南京地區(qū)先發(fā)生弱降水，空氣近飽和，隨后受到來(lái)自北方的弱冷空氣影響，水汽凝結(jié)，霧形成。（2）雨霧發(fā)生前貼地層多有逆溫，雨霧過(guò)程中2 m高度與地表溫度差由正轉(zhuǎn)為負(fù)，逆溫消失。但900 hPa以下，雨霧發(fā)生前和過(guò)程中，都少有逆溫層，雨霧結(jié)束后均無(wú)逆溫結(jié)構(gòu)。雨霧前中低層有云，云狀為高積云Ac或高層云As及層積云Sc或碎雨云Fn，低云高0.3～2.5 km，雨霧過(guò)程中，600 hPa以下都是飽和層，多伴有Fn，低云高度明顯下降，雨霧過(guò)后，近飽和層仍然有可能存在。雨霧前900 hPa附近有明顯的風(fēng)切變。（3）雨霧形成初期，大粒子（粒子直徑≥10 μm）和小粒子（1 μm＜＜10 μm）數(shù)濃度均有明顯增加。南京冬季雨霧過(guò)程對(duì)氣溶膠粒子的濕清除，主要是核模態(tài)氣溶膠粒子的核化過(guò)程。氣溶膠粒子數(shù)濃度的減少程度與風(fēng)向和風(fēng)速密切相關(guān)，在較大的北風(fēng)作用下，氣溶膠粒子濃度明顯減少。

雨霧 宏微觀結(jié)構(gòu) 演變

1 引言

霧是大量微小水滴或冰晶浮游空中，使近地層水平能見度小于1.0 km的天氣現(xiàn)象，常呈乳白色（中國(guó)氣象局，2007）。由于霧滴（直徑2～50 μm）對(duì)可見光有強(qiáng)烈的衰減作用，會(huì)造成視程障礙，從而危害交通安全、降低運(yùn)輸效率。同時(shí)，礦物粉塵、工業(yè)排放等污染物與霧水結(jié)合，長(zhǎng)時(shí)間滯留在人們經(jīng)常活動(dòng)的邊界層內(nèi)，危害身體健康。近年來(lái)霧對(duì)人類直接和間接影響引起多學(xué)科的關(guān)注（Gultepe et al. 2007；Niu et al., 2010）。

近幾年，諸多研究發(fā)現(xiàn)霧過(guò)程中會(huì)有弱降水發(fā)生，而且降水對(duì)霧的形成、維持以及消散（即能見度變化）存在重要影響（Tardif and Rasmussen，2007，2008，2010；吳兌等，2009；嚴(yán)文蓮等，2010；李宏宇等，2010；岳巖裕，2013）。宏觀上主要體現(xiàn)在兩方面：一是降水對(duì)霧滴數(shù)濃度的影響，當(dāng)降水強(qiáng)度大于一定閾值時(shí)［孟蕾等（2010）給出1.8 mm h?1］，由于雨滴的拖曳作用致使原本懸浮在空中的霧滴沉降；另一方面降水蒸發(fā)會(huì)增加空氣濕度又有利于霧的形成和發(fā)展（Tardif and Rasmussen，2010）。在國(guó)外，以降水類型發(fā)生轉(zhuǎn)變?yōu)樘卣鞯臏貛庑齾^(qū)有一些雨霧過(guò)程（Stewart，1992；Stewart and Yiu，1993；Stewart et al., 1995），但是更多的雨霧發(fā)生在與暖鋒相伴的液態(tài)降水區(qū)（George，1940a，1940b，1940c；Byers，1959；Petterssen，1969）。以往對(duì)輻射霧，平流霧等研究比較多，而對(duì)雨霧中各種物理機(jī)制的作用卻少有詳細(xì)的研究。Tardif and Rasmussen（2008）定義在霧形成前幾小時(shí)至霧消散期間，如果出現(xiàn)降水，就稱為雨霧，并詳盡地分析了紐約雨霧的宏觀特征，發(fā)現(xiàn)雨霧發(fā)生經(jīng)常伴隨云底降低、及地，在近地層的強(qiáng)逆溫層中出現(xiàn)弱的液態(tài)降水。Tardif and Rasmussen（2010）基于數(shù)值模擬和觀測(cè)實(shí)例指出自由降落的雨滴處于非平衡態(tài)，雨滴的蒸發(fā)是霧形成的原因。Donaldson and Stewart（1993）也認(rèn)為雨霧的產(chǎn)生是由于雨水的蒸發(fā)。國(guó)內(nèi)，鄧雪嬌等（2007）在研究廣東一次鋒面濃霧過(guò)程中，對(duì)雨霧的宏觀特征做了簡(jiǎn)單的分析；嚴(yán)文蓮等（2010）利用2006～2008年南京氣象觀測(cè)資料統(tǒng)計(jì)表明，雨霧出現(xiàn)的次數(shù)達(dá)總數(shù)的20%以上，也是南京地區(qū)霧的一種重要類型，并分析了南京雨霧的天氣形勢(shì)和邊界層特征。李宏宇等（2010）分析了2007年北京一次雨霧和一次雪霧過(guò)程的溫、濕、風(fēng)的變化特征。但總的來(lái)說(shuō)，對(duì)雨霧的研究不多，尤其是對(duì)雨霧的微物理特征的觀測(cè)分析更為少見。

鑒于已有霧的觀測(cè)試驗(yàn)和數(shù)值模擬等研究對(duì)象大多為純霧天氣，對(duì)霧和降水共生的天氣研究較少，南京地區(qū)降水和霧共存時(shí)氣象要素的變化及降水對(duì)霧的理化特性的影響尚不十分明確。為此本文選取2007年12月南京六次雨霧共存的天氣過(guò)程，通過(guò)能見度儀、霧滴譜、氣溶膠粒子譜、雨滴譜儀及氣象自動(dòng)站、浦口氣象站地面觀測(cè)資料和NCEP再分析資料等，詳細(xì)分析了伴有降水的霧過(guò)程地面及高空氣象要素的變化，并初步探討了雨滴譜、霧滴譜和氣溶膠譜的分布特征。

2 資料簡(jiǎn)介

南京信息工程大學(xué)地處南京市長(zhǎng)江北岸，東北方向約10 km是江北化學(xué)工業(yè)園，工業(yè)園內(nèi)有石化、鋼鐵、熱電廠等污染較嚴(yán)重的企業(yè)。觀測(cè)場(chǎng)設(shè)在南京信息工程大學(xué)，海拔22 m，經(jīng)緯度分別為（32.2°N，118.7°E）。

觀測(cè)場(chǎng)架設(shè)儀器如表1，能見度儀（ZQZ- DN），每分鐘一組數(shù)據(jù)，架設(shè)高度距離地面1.5 m。同時(shí)采用德國(guó)OTT公司生產(chǎn)的雨滴譜儀Parsivel（Precipitation Particle Size and Velocity），激光探頭距地1.8 m。儀器通過(guò)激光系統(tǒng)測(cè)量降水粒子的形態(tài)（冰雹、雨滴、霰、雪、霜和融化的粒子）、速度和直徑。下落速度和雨滴尺度大小的測(cè)量范圍分別為0.1～20 m s?1和0.25～26 mm，每隔10 s一組數(shù)據(jù)。霧微物理結(jié)構(gòu)的觀測(cè)是利用美國(guó) DMT公司生產(chǎn)的FM-100型霧滴譜儀，可以每秒測(cè)量霧粒子數(shù)濃度、譜分布，粒子直徑范圍為2～50mm，最大數(shù)密度為104個(gè)cm?3，距離地高度約1 m。氣溶膠粒子譜儀（WPS-1000XP），每5 min一組氣溶膠粒徑譜，測(cè)量范圍是10～1000 nm。地面常規(guī)氣象要素的觀測(cè)采用環(huán)境氣象站（EnviroStation?），每隔1 min獲得距離地面1.5 m高度的氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向五要素值。

表1 觀測(cè)項(xiàng)目概況

結(jié)合業(yè)務(wù)網(wǎng)上的常規(guī)觀測(cè)資料（MICAPS）和六小時(shí)一次的NCEP再分析資料。

3 2007年12月南京六次雨霧過(guò)程及氣象要素分布

3.1 雨霧過(guò)程

利用南京信息工程大學(xué)綜合觀測(cè)中能見度和雨滴譜資料，由每小時(shí)平均能見度和過(guò)去一小時(shí)雨量給出圖1，由圖可將雨霧過(guò)程分為：雨中霧（先有雨，后起霧）Case1 至Case5過(guò)程 [Case1：10日02:00～09:00（北京時(shí)，下同）；Case2：11日19:00～12日01:00 和12日07:00～16:00；Case3：16日21:00～17日08:00；Case4：22日02:00～10:00；Case5：27日 09:00～13:00] 和霧中雨（先有霧，后下雨）的Case6過(guò)程（28日00:00～09:00）。六次過(guò)程中的雨強(qiáng)大都在2.5 mm h?1以下，是小雨量級(jí)，可以確定能見度的降低不是由于強(qiáng)降水產(chǎn)生（劉西川等，2010）。

圖1 2007年12月能見度（Vis, 黑色實(shí)線）和過(guò)去1小時(shí)累積雨量（柱狀圖）隨時(shí)間的變化：（a）09日20:00至12日20:00；（b）16日13:00至17日13:00；（c）20日14:00至22日18:00；（d）27日00:00至28日12:00

雨中霧的Case1、Case3、Case5都是小雨發(fā)生后五個(gè)小時(shí)內(nèi)，能見度持續(xù)下降至1 km以內(nèi)，再經(jīng)歷小雨與霧共存的過(guò)程，最后雨停霧散。Case2：降水和霧同時(shí)發(fā)生，隨后雨強(qiáng)增加，最大雨強(qiáng)達(dá)6.5 mm h?1，霧散。隨后，雨強(qiáng)變?nèi)?，三小時(shí)后能見度又小于1 km，小雨與霧持續(xù)共存并同時(shí)消散。Case4發(fā)生在一次平流輻射霧之后（劉端陽(yáng)，2011），在此過(guò)程中雨強(qiáng)隨時(shí)間有明顯的增強(qiáng)（最大為2.6 mmh?1）和減弱，雨強(qiáng)增強(qiáng)過(guò)程中能見度好轉(zhuǎn)，這是因?yàn)橛甑蔚耐弦纷饔弥率箲腋≡诳罩械撵F滴沉降（孟蕾等，2010），霧消散后，弱降水仍持續(xù)了三小時(shí)。霧中雨的Case6是霧中有非常弱的降水。

3.2 雨霧環(huán)流形勢(shì)分析

霧的形成需要滿足一定的物質(zhì)條件（水汽和云凝結(jié)核），熱力條件和動(dòng)力條件。天氣系統(tǒng)是影響霧發(fā)生、發(fā)展的主要因素，分析六次雨霧過(guò)程的天氣形勢(shì)：從500 hPa的高空?qǐng)D上看，六次過(guò)程都以淺的南支槽、西風(fēng)槽或平直的西風(fēng)環(huán)流為主，霧過(guò)程發(fā)生時(shí)，長(zhǎng)江中下游基本以偏西氣流或西南偏西氣流為主。同時(shí)，850 hPa為弱的暖性結(jié)構(gòu)（圖略）。

2007 年12 月10 日地面天氣圖上，貝加爾湖以西始終維持一個(gè)高壓系統(tǒng)，華北地區(qū)為一均壓區(qū)，福建、浙江、江蘇一線為一倒槽，江蘇處于倒槽中心的弱低壓區(qū)，05:00開始有弱的冷鋒鋒面過(guò)境，但風(fēng)速不大，維持的在2 m s?1。08:00的流場(chǎng)可以看出風(fēng)速有弱輻合，有利于近地面水汽凝聚。10 日20:00均壓區(qū)向南發(fā)展，倒槽入海后在海上形成一低壓中心，南京處于均壓區(qū)內(nèi)，天氣轉(zhuǎn)晴。11日17:00之前南京處在高壓前部的均壓場(chǎng)，受偏東風(fēng)影響。11日23:00南京轉(zhuǎn)為高壓控制，隨著西北路徑冷空氣滲透，但強(qiáng)度較弱，另外之前的弱降水使得地表的水汽條件很好，因此能見度仍然維持較低。

16日17:00可以在地面圖上看到，南京地區(qū)處在倒槽頂部，一直維持偏東風(fēng)，16日11:00開始逐漸轉(zhuǎn)為弱高壓控制，天空云量減少。受前期降水影響，地面水汽條件好，南京地區(qū)維持輕霧天氣，16日20:00開始有弱冷空氣不斷滲透下來(lái)，受東北風(fēng)影響（風(fēng)速一直維持在2～4 m s?1）以及輻射降溫使得水汽達(dá)到飽和，能見度降低。直到17日05:00開始，南京轉(zhuǎn)為偏北風(fēng)控制，強(qiáng)冷空氣開始影響，能見度隨之轉(zhuǎn)好。

21日20:00南京處于高壓前部均壓場(chǎng)，降水前一直維持均壓，風(fēng)速較小，層結(jié)穩(wěn)定，而水汽不斷積累，22日凌晨降水開始，破壞原有的穩(wěn)定層結(jié)，隨著降水增加，能見度逐漸轉(zhuǎn)好。受強(qiáng)冷空氣影響，14:00降水趨于結(jié)束。

27日08:00南京處于高壓前弱倒槽后，受東北偏東風(fēng)影響，與高空的西南氣流存在垂直切變，明顯可以看到有冷平流開始影響南京地區(qū)，冷空氣不斷滲透下來(lái)，但是強(qiáng)度較弱，同時(shí)受弱的降水影響，水汽不斷增加，有利于霧的維持。13:00后在冷空氣影響下能見度較好，但仍維持輕霧天氣。27日20:00，南京地區(qū)仍然處于高壓前，降水過(guò)程停止后，層結(jié)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，弱冷空氣使得水汽更容易達(dá)到飽和，能見度下降。28日08:00，南京轉(zhuǎn)為受北風(fēng)控制，能見度轉(zhuǎn)好。

圖2是依據(jù)3小時(shí)一次的常規(guī)地面觀測(cè)資料，分析臨近雨霧發(fā)生時(shí)的地面圖，按其給出六次雨霧過(guò)程的天氣形勢(shì)，見表2。六次雨霧過(guò)程的天氣系統(tǒng)有所不同，但地面都處于均壓區(qū)，有利于水汽聚集并伴隨弱的降溫天氣，水汽易達(dá)到飽和，有利于霧天氣形成和維持。

圖2 2007年12月雨霧過(guò)程的海平面氣壓場(chǎng)：（a）09日23:00；（b）11日17:00；（c）16日20:00；（d）21日23:00；（e）27日08:00；（f）27日23:00

3.3 雨霧過(guò)程中地面溫、濕、風(fēng)的變化

通過(guò)綜合分析降水強(qiáng)度、能見度及地面自動(dòng)氣象站的觀測(cè)資料，給出圖3?？梢?，六次雨霧過(guò)程多形成于夜晚或凌晨，日出后消散，但Case2和Case5是日出后形成，午后消散。正如嚴(yán)文蓮等（2010）所述：一天中各時(shí)均有可能出現(xiàn)雨霧。雨霧的持續(xù)時(shí)間從5.0 h（Case5）至11.5 h（Case3）不等。雨霧形成前，能見度有快速的波動(dòng)變化（嚴(yán)明良，2011），而且總有短時(shí)間內(nèi)能見度迅速下降的現(xiàn)象，并且由于水汽壓上升（或不變）伴隨溫度的下降，導(dǎo)致相對(duì)濕度很快接近100%并持續(xù)。雨霧發(fā)展階段，能見度也有波動(dòng)性，但是最低能見度都在0.25 km以上（Case3），達(dá)不到強(qiáng)濃霧的程度，這與當(dāng)?shù)剌椛潇F或者平流輻射霧明顯不同（劉端陽(yáng)，2011），且最低能見度出現(xiàn)在雨霧持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的條件下（見表2）。由于雨霧過(guò)程中空氣溫度變化范圍很小，僅對(duì)雨霧過(guò)程的平均氣溫加以分析，發(fā)現(xiàn)六次雨霧過(guò)程的平均溫度介于5°C～10°C之間，比當(dāng)?shù)赝竟?jié)的其他霧過(guò)程偏高（劉端陽(yáng)，2011）。6次雨霧過(guò)程中相對(duì)濕度差異很小，多在98%～100%的范圍內(nèi)（表2未列出）。雨霧過(guò)程中最大風(fēng)速不超過(guò)4.5 m s?1，平均風(fēng)速多小于2 m s?1。五次雨中霧形成前能見度快速波動(dòng)變化過(guò)程中，風(fēng)速也有較強(qiáng)的波動(dòng)。雨霧發(fā)生、發(fā)展過(guò)程風(fēng)向的變化很大，與天氣系統(tǒng)的移動(dòng)變化緊密聯(lián)系。雨霧形成前地面多為偏東氣流，為霧區(qū)提供水汽，而能見度呈現(xiàn)快速的波動(dòng)性并有陡然下降過(guò)程，風(fēng)向發(fā)生了大幅度的轉(zhuǎn)變，多以偏北風(fēng)為主，弱冷空氣遇到充足的水汽，使得水汽凝結(jié)，霧形成。溫度的回升導(dǎo)致能見度可以在很短的時(shí)間里迅速回升，雨霧消散。

表2 南京雨霧過(guò)程的氣象條件

4 大氣的垂直結(jié)構(gòu)

由于雨霧過(guò)程中降水帶來(lái)的下沉氣流，導(dǎo)致系留艇無(wú)法升空，為此選用南京站單站常規(guī)探空資料和每日02:00、14:00的NCEP再分析資料，從霧前、中、后三個(gè)階段分析雨霧垂直的溫濕結(jié)構(gòu)（如圖4）和動(dòng)力結(jié)構(gòu)（如圖5）。由此也可以了解到，有必要引入遙感設(shè)備對(duì)雨霧過(guò)程的大氣垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.1 溫濕結(jié)構(gòu)

利用NCEP再分析資料，分析1000 hPa的溫度與2 m高度的溫度差異發(fā)現(xiàn)，只有Case1在雨霧發(fā)生前有逆溫結(jié)構(gòu)，其他雨霧的演變過(guò)程均無(wú)逆溫。同時(shí)，分析2 m高度的大氣溫度（2m）與地表溫度（surface）的差異，結(jié)果顯示雨霧過(guò)程發(fā)生前貼地面存在逆溫或等溫的有Case1至Case4四次過(guò)程，最大逆溫（2m―surface）為0.5°C/2 m；雨霧過(guò)程中2m?surface由正轉(zhuǎn)為負(fù)，逆溫消失；雨霧過(guò)后貼地面均無(wú)逆溫或等溫層結(jié)（圖略）。

圖4是六次雨霧過(guò)程的探空?qǐng)D，可以發(fā)現(xiàn)：900 hPa以下，雨霧發(fā)生前，有明顯逆溫層的只有Case1，反而是中高層（600 hPa至850 hPa）多存在逆溫或等溫層，同時(shí)中高層都有近飽和層。根據(jù)地面觀測(cè)記錄，雨霧過(guò)程發(fā)生前都有高積云Ac或高層云As，同時(shí)存在層積云Sc或碎雨云Fn，低云高0.3～2.5 km，總云量均為10。雨霧過(guò)程中，有逆溫或等溫的只有Case2，而且?guī)缀?00 hPa以下都是飽和層，多伴隨Fn，低云高度明顯下降。這與Westcott and Kristovich（2009）統(tǒng)計(jì)美國(guó)中西部1951～1996年的地面觀測(cè)資料，得到57%的霧過(guò)程伴隨低云的現(xiàn)象相似。雨霧過(guò)后，低層均無(wú)逆溫結(jié)構(gòu)，但濕度明顯減弱的是Case1、Case3和Case6，其他三次過(guò)程的飽和層仍然存在，低云狀除了Fn也多發(fā)生Sc，低云高除Case5以外都略有抬升。

圖4 雨霧過(guò)程的T-lnp圖

Fig .4-lndiagram of precipitation fog weather

六次雨霧過(guò)程的0°C層均在700～850 hPa間，比晴天的0°C層位置明顯偏高，這可能與中低層的水汽相變釋放潛熱有關(guān)，另外可能由于中低層有云，長(zhǎng)波輻射使得0°C層位置偏高，同時(shí)阻擋地面的長(zhǎng)波輻射向外傳播，導(dǎo)致霧前、中、后的地面溫度均在6～10°C，無(wú)明顯變化。0°C層的高度偏高也說(shuō)明這幾次雨霧過(guò)程中高空冷平流弱。綜合以上分析可見南京多次雨霧都是液態(tài)降水，而不是正在融化或凍滴，與Tardif and Rasmussen（2008）在紐約的觀測(cè)是一致的，與其不同的是，紐約的雨霧過(guò)程多存在強(qiáng)逆溫層，雨滴經(jīng)過(guò)強(qiáng)逆溫層，落到較冷的近地層，雨滴先蒸發(fā)（增加大氣濕度）后凝結(jié)而成霧。Tardif and Rasmussen（2010）從理論和個(gè)例的實(shí)際觀測(cè)上都證實(shí)了雨霧的形成，主要源于雨滴降落過(guò)程中蒸發(fā)，增加大氣的濕度。但是我們的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)逆溫并不是雨霧的充要條件，在沒有逆溫的條件下，弱降水直接降落到地面，近地面空氣的濕度大，當(dāng)有冷平流過(guò)境時(shí)，有利于水汽凝結(jié)，即發(fā)生了冷卻霧。

4.2 風(fēng)場(chǎng)分析

圖5是幾次過(guò)程的垂直風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)。對(duì)雨中霧的五次過(guò)程：雨霧形成前，地面以偏東氣流為主，風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，代表霧前有弱暖平流，且在900 hPa高度附近均有明顯的風(fēng)切變。雨霧過(guò)程中，低層風(fēng)速都變小，風(fēng)向多轉(zhuǎn)變成偏北風(fēng)或西風(fēng)（Case1）。雨霧過(guò)程消散階段，風(fēng)向隨高度逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，有弱的冷平流。因Case4與Case5的風(fēng)場(chǎng)結(jié)果相似，故圖5中略去Case4。

圖5 雨霧過(guò)程風(fēng)矢量的高度—時(shí)間剖面圖：（a）Case1；（b）Case2；（c）Case3；（d）Case5和Case6

5 雨霧的微物理過(guò)程分析

劉端陽(yáng)（2011）分析了本文Case2至5過(guò)程的霧滴譜，指出雨霧的數(shù)密度、含水量和平均直徑與輻射霧、平流霧相比都要低很多，而且雨霧的滴譜很窄，譜分布成指數(shù)快速下降，所以雨霧的最低能見度偏高。康漢青等（2009）利用與本文一致的觀測(cè)資料定量分析了小雨、強(qiáng)濃霧、降雪三種降水過(guò)程對(duì)大氣氣溶膠的濕清除作用，但該文中五次小雨過(guò)程中有三次是雨中有霧的過(guò)程，即本文的Case3到Case5。由寬范圍顆粒粒徑譜儀（WPS）、霧滴譜及雨滴譜資料給出圖6，選取資料完整的三次雨霧過(guò)程，分析微物理量的時(shí)間演變。

從圖6的氣溶膠粒子譜可見，南京北郊大氣細(xì)顆粒物數(shù)濃度比較高，其中粒徑0.01～0.1 μm的核模態(tài)粒子對(duì)總粒子數(shù)濃度貢獻(xiàn)較大，與錢凌等（2008）分析結(jié)果一致。Case3與Case4的氣溶膠核模態(tài)粒子濃度的低值區(qū)都出現(xiàn)在夜間，而且濃度很低，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)。相對(duì)前兩次過(guò)程，Case5的低值出現(xiàn)在午后，濃度偏高、持續(xù)時(shí)間短。平均雨滴直徑均為0.5 mm，極少有直徑大于1.5 mm的雨滴。霧滴譜中，霧滴直徑主要集中在1～10 μm的小粒子，少有大于10 μm的大霧滴（劉端陽(yáng)，2011）。在霧形成初期，小粒子和大粒子的數(shù)濃度都有明顯增加，并且伴隨氣溶膠粒子（主要是核模態(tài)粒子）數(shù)濃度的明顯下降，這反映了氣溶膠粒子的核化過(guò)程。同時(shí)計(jì)算了兩次雨中霧Case4、Case5及霧中雨Case6的自動(dòng)轉(zhuǎn)化閾值函數(shù)（Lu et al., 2013），的取值范圍為0～1，越大，碰并發(fā)生的概率越大。結(jié)果顯示雨中霧和霧中雨的值都為0.0，與強(qiáng)濃霧過(guò)程有明顯差異（Lu et al., 2013）。

圖6 氣溶膠粒子譜（上）、霧滴譜（中）、雨滴譜（下）隨時(shí)間的演變：（a）16日16:00～17日12:00；（b）22日00:00～20:00；（c）27日04:00～20:00。氣溶膠粒子譜和霧滴譜的色標(biāo)是lg n，n是每一檔的數(shù)密度，單位為cm?3μm?1；雨滴譜的單位為m?3 mm?1

結(jié)合圖1中雨強(qiáng)隨時(shí)間的演變可以發(fā)現(xiàn)，Case3在霧前4 h就有弱降水發(fā)生，但核模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度并沒有明顯減少，因?yàn)橛甑涡《?。而在霧出現(xiàn)后，氣溶膠核模態(tài)粒子濃度明顯減少，雨滴變小，小雨滴數(shù)密度增加，直到降水結(jié)束。這與Flossmann et al.（1985）認(rèn)為核化過(guò)程是氣溶膠最有效的清除機(jī)制相一致。另外，劉奇俊等（1992）用理論模型分析出，近地面層降水中的氣溶膠濃度大于云中雨水的氣溶膠濃度。Case4先有降水，隨后就起霧，氣溶膠核模態(tài)粒子濃度迅速減少，小粒徑的雨滴逐漸增多，直到22日08:00，氣溶膠核模態(tài)粒子濃度升高，降水和霧都趨于結(jié)束。Case5的過(guò)程有所不同，霧前4 h有小雨發(fā)生，雨滴小而少，氣溶膠粒子濃度沒有明顯變化，直到霧的發(fā)生至發(fā)展，氣溶膠粒子濃度有下降趨勢(shì)，在弱降水結(jié)束后，霧過(guò)程趨于結(jié)束，氣溶膠粒子濃度有所下降，但與前兩次過(guò)程相比，下降的程度偏弱。

分析三次過(guò)程的風(fēng)場(chǎng)可以發(fā)現(xiàn)：霧形成前和消散后地面以偏東風(fēng)為主。氣溶膠細(xì)粒子數(shù)濃度持續(xù)低值的時(shí)段內(nèi)：Case3風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，平均風(fēng)速2.1 m s?1，最大雨強(qiáng)為0.42 mm h?1；Case4風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)，平均風(fēng)速3 m s?1，最大雨強(qiáng)為2.66 mm h?1； Case 5東北風(fēng)，風(fēng)速2.1 m s?1，雨已停。由此可見氣溶膠粒子數(shù)濃度的減少程度與風(fēng)向和風(fēng)速密切相關(guān)，觀測(cè)場(chǎng)的東北方向有污染源，所以即使有弱降水和霧的情況下，Case5的氣溶膠粒子濃度減少的程度最弱。Case4雨強(qiáng)最大，同時(shí)在較大的北風(fēng)作用下，氣溶膠粒子濃度減少的最明顯。所以，氣溶膠與霧滴在大氣中的存在主要是受天氣過(guò)程的影響（吳兌等，2009）。

6 結(jié)論

（1）南京2007年12月的六次雨霧過(guò)程主要是受天氣系統(tǒng)的影響，以雨中霧為主，而且最低能見度大于250 m。天氣形勢(shì)有所不同，但地面都處于均壓區(qū)。多出現(xiàn)在偏東氣流的影響下，南京地區(qū)先發(fā)生弱降水，空氣近飽和，隨后受到來(lái)自北方的弱冷空氣影響，水汽凝結(jié)，霧形成。在雨霧發(fā)展階段能見度存在波動(dòng)性，與之相對(duì)應(yīng)，風(fēng)速大小和方向也不斷變化，說(shuō)明雨霧的形成與發(fā)展和風(fēng)向、風(fēng)速關(guān)系密切。同時(shí)，雨霧的消散受溫度、降水以及風(fēng)的共同作用。

（2）由NCEP資料分析發(fā)現(xiàn)，雨霧發(fā)生前貼地層多有逆溫，雨霧過(guò)程中2m―surface由正轉(zhuǎn)為負(fù)，逆溫消失。但從常規(guī)探空資料分析900 hPa以下，雨霧發(fā)生前和過(guò)程中，少有逆溫層，雨霧后低層均無(wú)逆溫結(jié)構(gòu)。雨霧發(fā)生前都有Ac或As，同時(shí)存在Sc或Fn，總云量均為10。雨霧過(guò)程中，600 hPa以下都是飽和層，多伴有Fn，低云高度明顯下降。雨霧過(guò)后近地面的飽和層仍有可能存在。0°C層在700～850 hPa間，位置偏高。雨霧形成前地面主要是偏東風(fēng)，霧形成過(guò)程以偏北風(fēng)為主，在900 hPa高度附近均有明顯的風(fēng)切變。

（3）霧形成初期，大粒子和小粒子數(shù)濃度均 有明顯增加。南京冬季雨霧過(guò)程對(duì)氣溶膠粒子的濕清除，主要是核模態(tài)氣溶膠粒子的核化過(guò)程。氣溶膠粒子數(shù)濃度的減少程度與風(fēng)向和風(fēng)速密切相關(guān)，在較大的北風(fēng)作用下，氣溶膠粒子濃度明顯減少。

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Evolution of the Macro- and Microphysical Properties of Precipitation Fog in December 2007 in Nanjing

YU Huaying1, 2, 3, NIU Shengjie1, 3, LIU Peng4, LIU Chang5, LU Chunsong3, and HUANG Jiahuan3

1,,210044;2,,210044;3,,210044;4,,210044;5,300074

Comprehensive observations of fog were conducted during winter 2007 in Nanjing University of Information Science and Technology, including the measurements of visibility, raindrop spectrum, fog, and aerosol spectrums. Salient synoptic-scale features were identified using conventional meteorological observations and NCEP reanalyses. We studied the synoptic situation and macro–micro evolutionary characteristics of six precipitation fog events that occurred in Nanjing during December 2007. The results show that (1) The six events were all mainly controlled by the synoptic system and were in the form of fog compared with light rain. The minimum visibility in these events was more than 250 m. In addition, the precipitation fog mostly occurred under the influence of an easterly airstream, and generally weak precipitation occurred first, when the air was close to saturation. An invasion of cold air from the north and vapor condensation finally caused the formation of precipitation fog. (2) An inversion layer was always present near the surface before most precipitation fogs, and the temperament different between 2m and the surfacechanged from positive to negative as inversion layer disappeared during fogs. However, the observation of inversions below 900 hPa was difficult. Altocumulus (Ac) and Altostratus (As) or Stratocumulus (Sc) and Fractonimbus (Fn) ccurred in the middle and lower layer before precipitation fogs, while the height of low clouds was 0.3–2.5 km. During these processes, the layer below 600 hPa was nearly saturated, most events occurred with Fn, and the height of low clouds markedly decreased. After the fog, the nearly saturated layer may still have been present. In addition, there was significant wind shear near 900 hPa before precipitation fogs. (3) The number and concentration of larger and smaller fog droplets increased markedly in the early stages of precipitation fog formation. Aitken mode particles are more efficiently scavenged through nucleation by precipitation fogs in Nanjing, and the reduction in Aitken particles is closely related to wind direction and speed. Because of the influence of a stronger north wind, the concentration of aerosol particles decreased significantly.

Precipitation fog, Macro–microstructure, Evolution

1006?9895(2015)01?0047?12

P426

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1404.13284

2013?10?15；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期2014?04?09

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41375138、41275151、41275152、41375137，江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目BK2012860，江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目PAPD

于華英，女，1979年出生，博士，講師，主要從事云霧物理學(xué)的研究。E-mail: cloudseas@hotmail.com