徐峰，韓利國，呂晶晶，王晶，涂石飛，季倩倩，張羽

(1.廣東海洋大學(xué)海洋與氣象學(xué)院，廣東湛江524088；2.廣東海洋大學(xué)南海海洋氣象研究院，廣東湛江524088；3.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044；4.廣東省氣候中心，廣東廣州510641)

1 引 言

海霧發(fā)生后，水平能見度小于1 km，嚴(yán)重危害航海、航空和陸路交通運輸。另外，霧中污染物含量高，損害人體健康和降低農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量[1]。因此，濃霧作為影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類健康的重要災(zāi)害性天氣之一，亟待學(xué)者們深入研究。

海霧受多時空尺度中的多因素影響，其中包括氣候變化、天氣過程、湍流、輻射和微物理過程等，這使得海霧的生消機(jī)制及發(fā)展規(guī)律比較復(fù)雜[2]。開展霧外場觀測試驗是研究海霧最直接有效的方式。國外學(xué)者在上世紀(jì)便開展了一系列霧的外場觀測，如：美國加利福尼亞沿岸的CALSPAN計劃[3]；美國西海岸海洋和氣象聯(lián)合實驗CEWCOM計劃[4]；意大利波河河谷Eurotrac-Gee霧外場觀測[5]；蘇格蘭的Harr計劃[6]；加拿大安大略湖的FRAM項目[7]等，為海霧生消機(jī)制、霧臨近預(yù)報的研究奠定了基礎(chǔ)。近年來，我國學(xué)者在華南沿海[8-17]、黃渤海[18-19]、舟山群島[20]、臺灣海峽[21]等地進(jìn)行了系統(tǒng)的海霧觀測及數(shù)值模擬研究，取得了較大的成果。湛江地區(qū)海霧霧滴形成和發(fā)展的主要機(jī)制是核化和凝結(jié)增長，成熟階段碰并增長明顯[8-10]。與國內(nèi)其他區(qū)域的海霧相比，湛江海霧的霧滴數(shù)濃度較高、液態(tài)含水量較小、霧滴尺度也較小[11]。湛江地區(qū)海霧屬于酸性海霧，主要的陰、陽離子分別是Cl-和Na+[12-13]。茂名地區(qū)海霧霧滴含水量的大小，取決于直徑大于10 μm以上霧滴的數(shù)量，特別是直徑大于20 μm以上霧滴的增多，對霧滴含水量增大起著決定性的作用，輕霧的霧滴譜比霧的霧滴譜窄[15-16]。但由于以往研究的觀測點均設(shè)計在海島或沿海岸邊的觀測站上，海上的海霧觀測較少。所以本項目將海霧觀測設(shè)備安裝在“?？?8”科考船上，在南海西北部海上捕捉海霧過程，并對海霧過程進(jìn)行全程定點觀測，深入分析海上海霧微物理特征及化學(xué)特性，并與陸地海霧進(jìn)行了對比分析。

2 研究方法

2.1 研究區(qū)域簡介及觀測地點

南海是溝通印度洋和太平洋的重要海上交通運輸通道，是我國能源和貿(mào)易的生命線。南海水汽充沛，季風(fēng)氣候顯著。每年的冬春季，來自中高緯冷空氣和海上西南暖濕氣流在南海附近對峙，常形成大霧天氣[22]。與海霧相伴隨的大氣低能見度會對南海附近交通運輸、航行安全帶來極大危害。因此，對南海西北部春季海霧，特別是海上海霧的微物理結(jié)構(gòu)特征及化學(xué)成分分析，并與岸邊海霧進(jìn)行對比研究是十分必要的。此次海霧觀測點設(shè)在南海西北部（110.86 °E，21.02 °N）海面上，距離湛江港沿岸約50 km。

2.2 觀測時間

觀測時間為2017年3月8—18日，其中3月10日21:20—3月11日6:40（北京時，下同）發(fā)生了一次明顯的海霧過程，共收集了9個霧水樣本。海霧結(jié)束后迎來小雨，收集了1個雨水樣本。

2.3 觀測儀器及數(shù)據(jù)處理

觀測項目包括霧微物理參量、霧水樣本采集和常規(guī)氣象要素觀測。其中霧的微物理參量由美國DMT公司的FM-100霧滴譜儀測量，采樣頻率為1 Hz。霧水采集器由南京信息工程大學(xué)制造，采樣前利用高濃度的酒精和蒸餾水反復(fù)清洗采集瓶，采樣后現(xiàn)場檢測霧水樣本的pH值和電導(dǎo)率，檢測完畢后將樣本用錫箔紙包好，置于冰箱保存，待船返航后帶回實驗室進(jìn)行離子成分的檢測。常規(guī)氣象要素包括溫度、濕度、氣壓和風(fēng)速，每分鐘一個數(shù)據(jù)。以上儀器均安裝在船頂?shù)拈_闊平臺。為了便于分析，對所有物理量采用1 min算數(shù)平均值，同時剔除儀器非正常狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，設(shè)為缺省值。霧滴譜儀測量霧滴的直徑范圍為1～50 μm，共分為20檔。由于第一檔（1～2 μm）的測量誤差較大，故舍去此檔數(shù)據(jù)。

海表面溫度和2 m高度氣溫數(shù)據(jù)源自于歐洲中期天氣預(yù)報中心ECMWF第3代再分析資料產(chǎn)品ERA-Interim，水平分辨率為0.125°，每天共四個時次。

3 霧過程概述

2017年3月10—11日南海西北部出現(xiàn)了一次歷時約10 h的海霧天氣過程。根據(jù)MICAPS海平面氣壓場數(shù)據(jù)，海霧發(fā)生前1 h（3月10日20時）海霧觀測點位于高壓西南部，高壓中心位于海上，為陸地高壓系統(tǒng)移動到海上（圖略）。圖1為液態(tài)含水量和常規(guī)氣象觀測變量的變化情況，根據(jù)液態(tài)含水量的變化將霧過程分為4個階段：液態(tài)含水量第一次振蕩、第二次振蕩、第三次振蕩以及消散階段。2017年3月10日21:20以后液態(tài)含水量快速增加，海霧爆發(fā)性增長進(jìn)入液態(tài)含水量第一次振蕩階段。此階段，含水量最高值接近0.5 g/m3，風(fēng)速在1 m/s上下振蕩，海霧發(fā)生后，氣溫降低、氣壓增加。降溫幅度在此階段最大，約為1.4℃。隨著風(fēng)速的增加，海霧進(jìn)入第二次振蕩階段，氣壓減小、氣溫升高，含水量則明顯降低。液態(tài)含水量第三次振蕩階段，風(fēng)速平均值有所下降，氣壓和溫度變化幅度較小，液態(tài)含水量有所增加。隨著風(fēng)速明顯快速增加，海霧進(jìn)入消散階段，氣溫降低且氣壓升高，液態(tài)含水量顯著降低。整個霧過程中，即便是消散階段，相對濕度都在不斷增加，這可能與海霧結(jié)束后有小雨有關(guān)。

后向氣流軌跡分析（圖2）是基于HYSPLIT4(Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory)模型[23]進(jìn)行的。結(jié)果表明，1 500 m氣流從中南半島經(jīng)北部灣移至南海西北部，低層氣流隨高度由東北順轉(zhuǎn)偏南向。使用ERA-Interim數(shù)據(jù)繪制了3月10日20時海氣溫差及海表面溫度分布狀況（圖3）。不難看出，南海西北部海溫呈現(xiàn)南高北低分布，最低值位于華南沿海。文獻(xiàn)[24]指出大部分海霧發(fā)生時，2 m高氣溫（Ta）與海表溫度（Ts）差值在0.5～3.0℃。海霧發(fā)生前，觀測點（圖3中黃色圓點）氣海溫差大于3℃，觀測點附近氣海溫差較大。

4 微物理結(jié)構(gòu)特征

4.1 特征量演變特征

圖4給出了液態(tài)含水量（LWC）、數(shù)濃度（N）、平均直徑（D）隨時間的演變特征。第一次振蕩階段（10日21:20—23:55），伴隨著液態(tài)含水量急劇增加（最高達(dá)0.48 g/m3），海上霧開始爆發(fā)性增強。液態(tài)含水量、數(shù)濃度、平均直徑三者相關(guān)系數(shù)均大于0.9，表明此階段水汽充足的情況下，霧滴個數(shù)增多、霧滴大小增大。第二次振蕩階段（10日23:56—11日03:54），液態(tài)含水量偏低，隨著數(shù)濃度的增加，平均直徑變化不大，這說明此時小滴爭食水分導(dǎo)致大滴生長受限。這一階段后期，平均直徑出現(xiàn)極大值時，數(shù)濃度明顯偏低，此時碰并作用消耗大量水滴，導(dǎo)致霧滴數(shù)濃度下降。第三次振蕩階段（11日03:55—05:34）數(shù)濃度變化不大，液態(tài)含水量與平均直徑存在明顯正相關(guān)。相對于第二次振蕩階段，此階段數(shù)濃度明顯減少，而液態(tài)含水量和平均直徑數(shù)量有所增加。這說明此階段大滴的增多對LWC增加起主導(dǎo)作用，而第二次振蕩階段霧滴數(shù)濃度增加主要表現(xiàn)在小滴數(shù)濃度上，對應(yīng)的液態(tài)水含量較低，這與Eldridge[25]結(jié)果一致。消散階段（11日05:35—06:40）海霧末期呈現(xiàn)逐漸消散的特點，液態(tài)含水量、數(shù)濃度、平均直徑均逐漸降低。

4.2 霧滴譜密度

對海霧不同階段的滴譜分布進(jìn)行討論（圖5），發(fā)現(xiàn)滴譜在第一次、第三次振蕩以及消散階段呈雙峰型。第一次振蕩期，第一檔霧滴數(shù)密度達(dá)到四個階段中的最大值，霧滴大小的生長緩慢，產(chǎn)生的大滴較小，滴譜較窄。第二次振蕩期，碰并效應(yīng)明顯增強，直徑大于40 μm的霧滴數(shù)密度大于其他階段，此階段后期出現(xiàn)了平均直徑的最大值。第三次振蕩期，小滴數(shù)量較少，滴譜偏寬。消散階段，大滴和小滴數(shù)量均較少，20.0～36.5 μm粒徑段的霧滴數(shù)密度略大于第二階段。

4.3 對比分析

將本次海上霧過程與湛江東海島[14]以及茂名博賀[15]岸邊海霧觀測結(jié)果（表1）對比后發(fā)現(xiàn)：南海霧的含水量最大值大于后兩者，表明水汽更為充足；平均直徑最大，表明霧滴更大；數(shù)濃度平均值偏低，這與霧的平均直徑偏大有關(guān)。

5 化學(xué)特性分析

5.1 pH和電導(dǎo)率

酸化程度指數(shù)（pH）和電導(dǎo)率（EC）是描述霧水特征的重要參數(shù)。本次海霧過程共收集霧水樣本9瓶，表2為南海西北部海上霧水和雨水的pH值和電導(dǎo)率。結(jié)果表明，此次海上海霧屬于酸性海霧，pH的變化范圍為2.51～3.50，平均值為2.86；與2010年湛江東海島[13]的平均pH值（5.20）相比偏低。海上海霧pH低與海洋源產(chǎn)生的酸性物質(zhì)偏多以及污染物濃度比重偏大，從而致酸離子所占比重大有關(guān)[12]。EC與離子總濃度相關(guān)系數(shù)超過0.99。pH與EC及離子總濃度相關(guān)系數(shù)較小。霧發(fā)生初期的電導(dǎo)率遠(yuǎn)高于霧發(fā)生期間，說明霧發(fā)生的初始階段霧水中溶解了大量的氣溶膠。海霧結(jié)束后有小雨，雨水樣本pH大于霧過程。

表1 2017年3月10—11日南海西北部海上海霧微物理結(jié)構(gòu)參量及與湛江東海島、茂名博賀岸邊觀測值比較

表2 南海西北部霧水和雨水的pH值和電導(dǎo)率

5.2 霧水化學(xué)成分分析

圖6給出了海上霧水過程中各離子的濃度。不難看出，霧水樣本中濃度最高的陰離子和陽離子是 Cl-和 Na+，濃度分別為 53 466 μmol/L和32 535 μmol/L，這與海水的成分存在明顯關(guān)系。另外，硝酸根和銨根離子濃度也較高。一般情況下，是污染性離子，此次海霧樣本中這兩種離子濃度都不低。

研究霧過程不同發(fā)展階段霧水離子濃度的變化特征，對分析不同階段污染物的清除效率有一定的幫助[26]。圖7給出了霧四個階段離子濃度變化情況，分析表明，霧水中除K+以外，各離子濃度均在LWC第一次振蕩期為最高。第一次、第三次振蕩期以及消散期過程中，陽離子以鈉離子、銨根離子為主，陰離子以氯離子和硝酸根離子為主。第一次振蕩期主要離子濃度遠(yuǎn)高于其他三個階段，這與霧初始階段空氣中懸浮著氣溶膠粒子有關(guān)。第二次振蕩期各離子濃度也比較高，這與液態(tài)含水量比較低有關(guān)。此階段陽離子中鉀離子的濃度也很高。第三次振蕩期和消散期各離子濃度大小接近。

5.3 對比分析

表3給出了南海西北部海上霧水中各離子濃度與湛江東海島岸邊觀測值的比較。岸邊5次海霧和海上1次海霧霧水中主要的陰離子都為Cl-和，最高濃度的陽離子為Na+。不同的是，岸邊海霧或Ca2+的濃度排在第二位，而海上海霧則為。大氣中的氨離子主要來自動物廢棄物、土壤腐殖質(zhì)的氨化、土壤氨基肥料的損失以及工業(yè)排放，氨離子在對流層中主要是轉(zhuǎn)化為氣溶膠銨鹽，而后經(jīng)濕沉降和干沉降去除[27]。因此海上海霧含量較高，可能與人為源有關(guān)。海上海霧過程采集的 9 瓶樣本中，Na+、Cl-、Mg2+、Ca2+四個離子之間的相關(guān)系數(shù)均大于0.98，說明四種離子來源基本一致，主要來自于海洋性氣溶膠。湛江東海島5次海霧中K+濃度均遠(yuǎn)小于Mg2+和Ca2+，南海海上海霧則相反。海上海霧K+濃度的高含量主要集中在海霧第二次振蕩時期（圖7），此階段氣溫升高、氣壓降低（圖1），不斷補充的暖空氣帶來了K+。

表3 南海西北部海上霧水中各離子濃度與湛江東海島岸邊觀測值的比較

6 結(jié) 論

本文對2017年3月10—11日南海西北部一次海上海霧的微物理特征和霧水化學(xué)特性進(jìn)行了分析，并將其與南海岸邊海霧進(jìn)行對比分析，得到以下主要結(jié)論。

(1)此次海霧發(fā)生在高壓后部，為平流冷卻霧。南海偏南暖濕氣流移至冷海面發(fā)生冷卻并達(dá)到飽和形成霧。海霧形成初期，氣溫逐漸降低，濕度逐漸增加。

(2)根據(jù)液態(tài)水含量的時間演變將海上海霧分為三次LWC振蕩和消散四個階段。第一次振蕩時期，水汽充足，霧滴增大、變多。第二次振蕩，前期小滴爭食水分導(dǎo)致大滴生長受限，此時平均直徑變化不大；后期D出現(xiàn)極大值，N則減少，表面碰并作用消耗了大量水滴。第三次振蕩，N不變，大滴增多導(dǎo)致LWC增加。消散階段LWC、N、D都逐漸減小。

(3)海上海霧陰離子中Cl-濃度最高，達(dá)到53 466 μmol/L；為 37 256 μmol/L 次之；陽離子中Na+濃度最高，達(dá)到32 535 μmol/L，污染性離子）次之，為21 807 μmol/L。各階段主要離子濃度均最高，第二次振蕩期，鉀離子濃度也比較高。

致 謝：對廣東海洋大學(xué)船舶公司、分析測試中心提供的出海觀測幫助表示感謝！