六盤山春季霧微物理特征分析

余 杰, 舒志亮, 林 彤, 楊 玲, 郭在華

(1. 成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院,四川 成都 610225;2.中國(guó)氣象局大氣探測(cè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610072;3.寧夏氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心,寧夏 銀川 750002;4.中國(guó)氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與風(fēng)險(xiǎn)管理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,寧夏 銀川 750002)

0 引言

霧一般是在水汽充足、風(fēng)速較小及大氣相對(duì)穩(wěn)定的條件下,相對(duì)濕度接近100%時(shí),空氣中的水汽液化成細(xì)微水珠或凝華成冰晶所組成。 按照能見度的不同,可將霧分為強(qiáng)濃霧、濃霧、大霧和霧,其對(duì)應(yīng)的能見度距離分別為小于50 m、50 ～200 m、200 ～500 m及500 ～1000 m;按照霧的形成機(jī)理可將霧分為輻射霧、平流霧、混合霧、蒸發(fā)霧等;按照地形條件可將霧分為高山霧、城市霧及海霧[1]。 對(duì)霧的研究歷史悠久,1917年Taylor[2]通過對(duì)霧的野外實(shí)驗(yàn)研究得出霧形成的必要條件。 從20 世紀(jì)50 年代起中國(guó)對(duì)霧過程開始長(zhǎng)期系統(tǒng)的觀測(cè),云降水物理的發(fā)展和人工消霧的需求推動(dòng)了霧的宏微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè),也為霧預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[3],張舒婷等[4-7]先后對(duì)霧的形成及宏微觀物理結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,得到不同地區(qū)不同類型霧在生消過程中宏微觀物理結(jié)構(gòu)的變化特征,取得了豐富的研究成果。

六盤山為南北走向山脈,主峰海拔2942 m,東坡陡峭,西坡緩和,水汽條件充沛,年平均相對(duì)濕度69%,年平均霧日數(shù)154.3 d,水汽、對(duì)流、擴(kuò)散、催化環(huán)境條件得天獨(dú)厚,是研究地形云(霧)的天然實(shí)驗(yàn)室。 開展六盤山山地霧以及云霧微物理結(jié)構(gòu)特征研究,可為六盤山區(qū)山地霧預(yù)報(bào)、人工消霧以及人工增雨等提供科技支撐,對(duì)有效防御霧害和開發(fā)云水資源有重要作用。 本文對(duì)六盤山春季霧進(jìn)行觀測(cè)分析,探究六盤山春季霧的主要類型、形成原因以及微物理結(jié)構(gòu)特征,揭示六盤山在霧多發(fā)季節(jié)(春季)的霧滴譜特征以及演變規(guī)律。

1 資料與方法

對(duì)霧的觀測(cè)和研究的方法主要有宏微觀物理結(jié)構(gòu)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)[8-9],統(tǒng)計(jì)分析及個(gè)例研究[10-12]和數(shù)值模擬研究[13-14],本文主要使用觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析的方法,對(duì)寧夏六盤山國(guó)家基準(zhǔn)氣候站2021 年春季(3-5月)12 次霧過程進(jìn)行研究。 寧夏六盤山國(guó)家基準(zhǔn)氣候站經(jīng)度106.2 °E,緯度35.67 °N,海拔2842 m,有30 年以上連續(xù)氣象資料,數(shù)據(jù)可靠,資料序列完整,為本文提供了風(fēng)、溫度、濕度、氣壓以及能見度數(shù)據(jù),時(shí)間分辨率為1 min。 霧的觀測(cè)主要用美國(guó)DMT 公司研發(fā)的FM120 型霧滴譜儀開展,可以實(shí)時(shí)對(duì)粒徑2 ～50 μm分30 個(gè)通道進(jìn)行連續(xù)觀測(cè),時(shí)間分辨率為1 s(表1)

表1 觀測(cè)儀器介紹

由于六盤山山頂常年風(fēng)速較大,有些霧過程的生消速度很快,甚至在氣象要素還沒有明顯變化時(shí),一次霧過程就結(jié)束了,為了避免此類情況,本文對(duì)霧過程進(jìn)行了篩選,篩選標(biāo)準(zhǔn)為:持續(xù)時(shí)間3 h及以上且能見度低于200 m(濃霧及以上)。 根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn),2021 年春季,共篩選12 次霧過程。 通過能見度確定霧的強(qiáng)度,以及分析不同強(qiáng)度霧過程的微物理特征,統(tǒng)計(jì)分析期間降水、風(fēng)速、相對(duì)濕度等變化情況。

2 霧特征分析

2.1 微物理特征分析

表2 為2021 年春季12 次霧過程的多參量數(shù)據(jù),可看出霧過程平均持續(xù)時(shí)間為9 h,最長(zhǎng)可達(dá)22 h,幾乎所有霧過程均伴隨有風(fēng)速5 m·s-1以上的風(fēng),并且風(fēng)的持續(xù)時(shí)長(zhǎng)基本與霧維持時(shí)長(zhǎng)相當(dāng)或略偏少,風(fēng)止時(shí)間在霧結(jié)束時(shí)間之前,由此可以推斷霧過程大多為暖平流輻射霧。 在霧過程期間相對(duì)濕度都接近飽和,達(dá)到96%以上。 霧過程與降水之間沒有必然聯(lián)系,12次霧過程伴隨降水7 次,無降水5 次,且降水維持時(shí)長(zhǎng)與霧維持時(shí)長(zhǎng)沒有直接關(guān)系。 霧滴最大直徑均在23 μm以上,平均值為33.7 μm,最大值為45.8 μm。平均粒子直徑在4.3 ～ 12 μm,平均為8.8 μm,大于10 μm的過程有5 次。 12 次過程的液態(tài)水含量變化很大,最大達(dá)0.137 g·cm-3,最小的僅為0.011 g·cm-3,最大值為最小值的12.3倍。 粒子平均濃度變化同樣較大,最大為430 N·cm-3,最小為108 N·cm-3,最大值為最小值的近4 倍。 進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)霧過程中有降水和無降水時(shí),霧滴粒子微物理參量有顯著不同。有降水時(shí),霧滴平均液態(tài)水含量為0.083 g·cm-3,粒子平均直徑為10.38 μm, 粒子最大直徑平均為39.33 μm;無降水時(shí), 霧滴平均液態(tài)水含量為0.036 g·cm-3,粒子平均直徑為6.48 μm,粒子最大直徑平均為25.83 μm,上述3 個(gè)物理量有降水時(shí)是無降水時(shí)的2.3 倍、 1.6 倍和1.5 倍, 差值分別為0.047 g·cm-3、3.9 μm和13.5 μm。 有降水時(shí)和無降水時(shí)的霧滴濃度數(shù)相當(dāng), 分別為267 N·cm-3和256 N·cm-3,而且在有降水和無降水時(shí)均有大值和小值出現(xiàn),由此可見,霧滴濃度與是否有降水關(guān)系不大。

表2 六盤山春季12 次霧過程微物理特征及宏觀特征

2.2 對(duì)比分析

在同樣的山地地形條件下,六盤山區(qū)與其他山區(qū)進(jìn)行對(duì)比(表3)。 六盤山的平均粒子數(shù)濃度相較于黃山[15]、衡山[16]、廬山[16]和泰山[17]偏低,與南嶺山地[18]相近,其中泰山的粒子數(shù)濃度普遍居高。 平均液態(tài)含水量比較,六盤山霧相較于其他山區(qū)整體偏低,其中廬山的平均液態(tài)含水量最大。 對(duì)于平均粒子直徑,六盤山區(qū)與廬山、衡山的結(jié)果接近,黃山山區(qū)霧的平均粒子直徑整體最低。 山地地區(qū)的高山霧與舟山海域[14]、廈門海岸[19]、湛江[4]、茂名[20]的海霧比較可發(fā)現(xiàn),沿海地區(qū)中海霧的粒子數(shù)濃度較山地地區(qū)的霧數(shù)值整體偏低。 除舟山海域外,茂名、湛江、廈門地區(qū)的海霧的平均粒子數(shù)濃度較山地霧整體偏小。 整體來看,山地霧以較大霧滴( ～10 μm)為主,而海霧以較小霧滴(<10 μm)為主。 該結(jié)果與張璐瑤[1]的結(jié)論一致。

表3 六盤山與其他地區(qū)霧微物理參數(shù)對(duì)比表

3 典型個(gè)例分析

為分析霧過程中微物理參數(shù)、氣象要素以及能見度隨著霧生消過程的變化,特選取一次霧過程進(jìn)行個(gè)例分析。 為避免降水對(duì)氣象要素及能見度的影響,選取一次無降水,且霧維持比較穩(wěn)定的過程進(jìn)行分析。 2021 年4月18 日00:00-10:00 維持時(shí)長(zhǎng)10 h,且無降水的一次霧過程符合上述條件,將其作為個(gè)例分析的對(duì)象。

3.1 天氣過程分析

六盤山氣象站大氣壓基本在720 hPa左右,利用ERA5 再分析資料分析六盤山站800 hPa以上高度的溫度和相對(duì)濕度的垂直結(jié)構(gòu),結(jié)果如圖1 所示。 4 月18日00:00 低層相對(duì)濕度已達(dá)到95%,且在775 hPa附近出現(xiàn)逆溫層,考慮凌晨大地輻射降溫,使山地地面溫度下降,這為霧天氣提供相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境條件。 775 hPa附近的逆溫層在之后穩(wěn)定維持至03:00,此時(shí)相對(duì)濕度為88%。 03:00 后層結(jié)開始逐漸不穩(wěn)定,于08:00逆溫層完全消失,此時(shí)相對(duì)濕度為73%,霧已開始逐漸消散,于10:00 霧過程結(jié)束。

圖1 2021 年4 月18 日六盤山站溫度和相對(duì)濕度的垂直分布

由圖2 可知霧過程中的水汽條件由來自南風(fēng)補(bǔ)給,至03:00,風(fēng)速開始逐漸減弱,水汽補(bǔ)充減少。 至11:30 六盤山站點(diǎn)風(fēng)速降至近3 m·s-1,霧過程趨近結(jié)束。

圖2 2021 年4 月18 日六盤山站775 hPa 風(fēng)場(chǎng)(*號(hào)代表站點(diǎn)位置)

3.2 氣象要素特征分析

從能見度分析可得(圖3),17 日20:00-18 日00:39屬于霧過程的發(fā)生發(fā)展階段,能見度從5000 m以上迅速下降至200 m以下,4 月18 日00:40-09:36 為霧的維持階段,能見度始終維持在110 m左右,4 月18日09:37-12:00 為霧的消散階段,能見度迅速升高到2000 m以上。

圖3 4 月17-18 日濃霧過程能見度變化時(shí)序圖

如圖4 所示,4 月17 日20:00-23:00,霧發(fā)生的初期階段,溫度基本保持在1.9 ℃左右,20:42 和21:24兩個(gè)時(shí)刻出現(xiàn)了兩次低值,分別為0.4℃和1.1℃;濕度整體呈快速上升趨勢(shì),從20:00 的55%到23:00 升到90%以上,在溫度出現(xiàn)低值的20:42 和21:24 兩個(gè)時(shí)次,濕度也相應(yīng)地出現(xiàn)兩次低值,分別為55%、65%;風(fēng)速在20:00-21:00 基本保持6.2 m·s-1,21:00-22:30下降至5.2 m·s-1,22:30-23:00 快速升高到10 m·s-1以上。 氣溫在20:00-23:00 沒有下降,說明有空中暖平流帶來的外部熱量補(bǔ)充,同時(shí)霧發(fā)生期間,平均風(fēng)速基本保持10 m·s-1,由此判斷此次霧為平流輻射霧。

圖4 氣象要素變化曲線

在4 月18 日00:40-09:36 霧的維持階段,溫度先降后升,但變化幅度很小,在1.0 ℃以內(nèi);相對(duì)濕度基本保持在98%左右;風(fēng)速基本維持在10 m·s-1以上,風(fēng)速在18 日04:40 之前維持在13 m·s-1左右,之后呈下降趨勢(shì),但整體維持在10 m·s-1以上。 4 月18 日09:37-12:00,溫度快速升高,濕度顯著下降,風(fēng)速穩(wěn)定減緩,平流霧產(chǎn)生條件無法繼續(xù)維持,導(dǎo)致霧逐漸消散;具體上溫度于18 日06:27 開始增溫,到12:00 溫度增加了5.9 ℃;相對(duì)濕度于10:55 開始快速下降,于12:00 降至74%;風(fēng)速于09:52 起保持下降,最后至12:00 降至3 m·s-1。

3.3 微物理特征分析

圖5 為經(jīng)滑動(dòng)平均后霧滴粒子數(shù)濃度、液態(tài)水含量以及有效粒子直徑時(shí)序變化圖。 在整個(gè)過程中,霧滴的粒子濃度從00:33 開始劇增,01:06 達(dá)到最高值451 N·cm-3,印證了霧發(fā)生前期往往具有爆發(fā)性的特征[21],同時(shí)液態(tài)水含量開始增加至0.039 g·cm-3,且液態(tài)水含量與粒子濃度呈現(xiàn)良好的線性相關(guān)。 粒子有效直徑達(dá)到5.73 μm。 此階段為核化和凝結(jié)增長(zhǎng)起主要作用,之后粒子濃度開始緩慢下降,02:30-08:32 處于穩(wěn)定狀態(tài),濃度穩(wěn)定在200 N·cm-3左右,液態(tài)水含量變化不大,均值為0.035 g·cm-3,該階段霧逐漸演變?yōu)槌墒祀A段,有效粒子直徑在此期間達(dá)到最大值9.35 μm;08:32 粒子濃度和液態(tài)水含量同時(shí)下降,霧開始消散,1 h后粒子濃度低于5 N·cm-3,液態(tài)水含量接近0 g·cm-3,有效粒子直徑10:00 低于2 μm。 整個(gè)霧過程的粒子平均濃度為196 N·cm-3,平均液態(tài)水含量為0.028 g·cm-3,平均粒子有效直徑為8.9 μm。 由于霧的粒子濃度不高,液態(tài)水含量不高,大滴粒子稀少,不利于向強(qiáng)濃霧發(fā)展。

圖5 霧過程微物理參量時(shí)間演變圖

此次霧過程中,霧滴譜的粒子分布發(fā)生一些改變。如圖6 所示,縱坐標(biāo)為將2 ～50 μm分成的30 通道,其中2 ～14 μm 每1 μm 分為一個(gè)通道,其他的粒徑每2 μm分為一個(gè)通道。 霧滴譜時(shí)序變化圖顯示,00:25之前霧滴譜段短且僅在2 ～5 μm分布。 00:30 霧滴譜開始拓展,且粒子濃度開始迅速增加,01:06達(dá)到粒子濃度最大值,且粒徑集中在5 ～6 μm。 隨著時(shí)間推移,霧滴譜的寬度仍在拓展,最大寬度拓展到14 μm的寬度,同時(shí)3 ～6 μm粒子濃度也隨時(shí)間推進(jìn)逐漸降低,這是由于霧發(fā)展后期主要是以碰并、凝結(jié)過程為主,小液滴凝結(jié)增長(zhǎng)形成了大液滴[22]。 08:00 霧滴譜寬度開始持續(xù)變窄,期間直徑3 ～4 μm的粒子濃度有暫時(shí)性的提高后又逐漸消散,是由于大液滴蒸發(fā),縮小為小液滴。 最終霧滴譜演變結(jié)果回到00:01 的狀態(tài)。

圖6 霧滴譜時(shí)序變化圖

3.4 霧滴譜分布的擬合曲線

圖7 為全過程平均霧滴譜分布曲線,可以看出該曲線符合Deirmendjian 分布:

圖7 平均霧滴譜圖以及對(duì)應(yīng)的擬合曲線

式中:D為平均粒子直徑,n(D)為粒子數(shù)密度,a,b,α,β均為參數(shù),擬合值a=1314202.0908,b=15.9063,α=14.6972,β=0.4566。 實(shí)測(cè)值(實(shí)線)與擬合值(虛線)曲線比較接近,擬合優(yōu)度R2達(dá)到0.7,表明該霧滴直徑分布函數(shù)能很好反映出此次霧過程平均微物理結(jié)構(gòu)特征。 從圖7 可看出,在霧滴直徑為5 μm時(shí),其值達(dá)到峰值,其后隨著霧滴直徑增大,譜線呈指數(shù)形式下降,譜分布趨向于粒子直徑小的一端,其粒徑小于5 μm的占45%,小于7 μm的占87%。

圖8 為此次霧過程在發(fā)生發(fā)展、維持和消散3 個(gè)階段的霧滴譜特征,從圖可見3 個(gè)階段的滴譜曲線都滿足Deirmendjian 分布,呈現(xiàn)單峰性。 第1 階段(發(fā)生發(fā)展階段)的霧滴譜曲線十分集中,主要處于5～6 μm;到第2階段(維持階段),霧滴譜曲線向右拓展寬度,向上抬升高度,譜峰頂向右上偏移,峰頂高度處于6 ～7 μm;到第3 階段(消散階段),霧滴譜曲線向左收縮,降低高度,譜峰頂向左下偏移,峰頂位于5～6 μm。 在第2 階段和第3 階段同時(shí)出現(xiàn)了間斷大滴譜,考慮是由于在第2 階段,霧滴產(chǎn)生一定的碰并增長(zhǎng),使霧滴出現(xiàn)不連續(xù)的增長(zhǎng);在第3 階段,霧開始消退,大液滴蒸發(fā)縮小,出現(xiàn)滴譜的斷帶。

圖8 不同階段的霧滴譜

4 結(jié)論

(1)六盤山春季霧過程,多數(shù)是受暖濕氣流導(dǎo)致的暖平流輻射混合霧,霧過程中伴隨著風(fēng)的運(yùn)動(dòng),風(fēng)速最大可達(dá)12.9 m·s-1,持續(xù)的風(fēng)為維持霧過程帶來充足的水汽,六盤山頂創(chuàng)造了低溫條件,造成霧的發(fā)生。

(2)與其他山區(qū)相比,六盤山霧滴平均粒子數(shù)濃度偏低,與南嶺山地相近,其平均粒子直徑與廬山、衡山接近;六盤山霧平均液態(tài)含水量相較于其他山區(qū)整體偏低。 沿海地區(qū)海霧的粒子數(shù)濃度較山地霧微物理參數(shù)整體偏低。

(3) 六盤山春季霧粒子濃度最大值為430 N·cm-3, 平均值為264 N·cm-3, 最小值為108 N·cm-3;平均直徑最大值為11.99 μm,平均值為8 μm,最小值為4.26 μm;液態(tài)水含量最大值為0.137 g·cm-3,平均值為0.059 g·cm-3,最小值為0.011 g·cm-3。 有雨霧過程的微物理結(jié)構(gòu)參數(shù)均大于無雨霧過程,其中平均液態(tài)水含量的差異最大,相對(duì)變化量達(dá)到126%。

(4)在2021 年4 月18 日的個(gè)例中,推斷出該霧的性質(zhì)為暖平流輻射霧,平均粒子濃度為196 N·cm-3,粒子平均直徑為8.9 μm, 平均液態(tài)含水量為0.028 g·cm-3,且霧滴譜的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)Deirmendjian 分布,譜線呈指數(shù)下降,霧滴普遍集中在小滴段。