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. 成都信息工程大學電子工程學院,四川 成都 610225;2.中國氣象局大氣探測重點開放實驗室,四川 成都 610072;3.寧夏氣象災害防御技術中心,寧夏 銀川 750002;4.中國氣象局旱區特色農業氣象災害監測預警與風險管理重點實驗室,寧夏 銀川 750002)

0 引言

霧一般是在水汽充足、風速較小及大氣相對穩定的條件下,相對濕度接近100%時,空氣中的水汽液化成細微水珠或凝華成冰晶所組成。 按照能見度的不同,可將霧分為強濃霧、濃霧、大霧和霧,其對應的能見度距離分別為小于50 m、50 ～200 m、200 ～500 m及500 ～1000 m;按照霧的形成機理可將霧分為輻射霧、平流霧、混合霧、蒸發霧等;按照地形條件可將霧分為高山霧、城市霧及海霧[1]。 對霧的研究歷史悠久,1917年Taylor[2]通過對霧的野外實驗研究得出霧形成的必要條件。 從20 世紀50 年代起中國對霧過程開始長期系統的觀測,云降水物理的發展和人工消霧的需求推動了霧的宏微觀結構觀測,也為霧預報技術的發展奠定了基礎[3],張舒婷等[4-7]先后對霧的形成及宏微觀物理結構進行研究,得到不同地區不同類型霧在生消過程中宏微觀物理結構的變化特征,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,年平均相對濕度69%,年平均霧日數154.3 d,水汽、對流、擴散、催化環境條件得天獨厚,是研究地形云(霧)的天然實驗室。 開展六盤山山地霧以及云霧微物理結構特征研究,可為六盤山區山地霧預報、人工消霧以及人工增雨等提供科技支撐,對有效防御霧害和開發云水資源有重要作用。 本文對六盤山春季霧進行觀測分析,探究六盤山春季霧的主要類型、形成原因以及微物理結構特征,揭示六盤山在霧多發季節(春季)的霧滴譜特征以及演變規律。

1 資料與方法

對霧的觀測和研究的方法主要有宏微觀物理結構觀測實驗[8-9],統計分析及個例研究[10-12]和數值模擬研究[13-14],本文主要使用觀測實驗和統計分析的方法,對寧夏六盤山國家基準氣候站2021 年春季(3-5月)12 次霧過程進行研究。 寧夏六盤山國家基準氣候站經度106.2 °E,緯度35.67 °N,海拔2842 m,有30 年以上連續氣象資料,數據可靠,資料序列完整,為本文提供了風、溫度、濕度、氣壓以及能見度數據,時間分辨率為1 min。 霧的觀測主要用美國DMT 公司研發的FM120 型霧滴譜儀開展,可以實時對粒徑2 ～50 μm分30 個通道進行連續觀測,時間分辨率為1 s(表1)

表1 觀測儀器介紹

由于六盤山山頂常年風速較大,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,一次霧過程就結束了,為了避免此類情況,本文對霧過程進行了篩選,篩選標準為:持續時間3 h及以上且能見度低于200 m(濃霧及以上)。 根據上述標準,2021 年春季,共篩選12 次霧過程。 通過能見度確定霧的強度,以及分析不同強度霧過程的微物理特征,統計分析期間降水、風速、相對濕度等變化情況。

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據,可看出霧過程平均持續時間為9 h,最長可達22 h,幾乎所有霧過程均伴隨有風速5 m·s-1以上的風,并且風的持續時長基本與霧維持時長相當或略偏少,風止時間在霧結束時間之前,由此可以推斷霧過程大多為暖平流輻射霧。 在霧過程期間相對濕度都接近飽和,達到96%以上。 霧過程與降水之間沒有必然聯系,12次霧過程伴隨降水7 次,無降水5 次,且降水維持時長與霧維持時長沒有直接關系。 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 次過程的液態水含量變化很大,最大達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。 進一步分析發現,當霧過程中有降水和無降水時,霧滴粒子微物理參量有顯著不同。有降水時,霧滴平均液態水含量為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, 霧滴平均液態水含量為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 個物理量有降水時是無降水時的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。 有降水時和無降水時的霧滴濃度數相當, 分別為267 N·cm-3和256 N·cm-3,而且在有降水和無降水時均有大值和小值出現,由此可見,霧滴濃度與是否有降水關系不大。

表2 六盤山春季12 次霧過程微物理特征及宏觀特征

2.2 對比分析

在同樣的山地地形條件下,六盤山區與其他山區進行對比(表3)。 六盤山的平均粒子數濃度相較于黃山[15]、衡山[16]、廬山[16]和泰山[17]偏低,與南嶺山地[18]相近,其中泰山的粒子數濃度普遍居高。 平均液態含水量比較,六盤山霧相較于其他山區整體偏低,其中廬山的平均液態含水量最大。 對于平均粒子直徑,六盤山區與廬山、衡山的結果接近,黃山山區霧的平均粒子直徑整體最低。 山地地區的高山霧與舟山海域[14]、廈門海岸[19]、湛江[4]、茂名[20]的海霧比較可發現,沿海地區中海霧的粒子數濃度較山地地區的霧數值整體偏低。 除舟山海域外,茂名、湛江、廈門地區的海霧的平均粒子數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。 該結果與張璐瑤[1]的結論一致。

表3 六盤山與其他地區霧微物理參數對比表

3 典型個例分析

為分析霧過程中微物理參數、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行個例分析。 為避免降水對氣象要素及能見度的影響,選取一次無降水,且霧維持比較穩定的過程進行分析。 2021 年4月18 日00:00-10:00 維持時長10 h,且無降水的一次霧過程符合上述條件,將其作為個例分析的對象。

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濕度的垂直結構,結果如圖1 所示。 4 月18日00:00 低層相對濕度已達到95%,且在775 hPa附近出現逆溫層,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穩定的環境條件。 775 hPa附近的逆溫層在之后穩定維持至03:00,此時相對濕度為88%。 03:00 后層結開始逐漸不穩定,于08:00逆溫層完全消失,此時相對濕度為73%,霧已開始逐漸消散,于10:00 霧過程結束。

圖1 2021 年4 月18 日六盤山站溫度和相對濕度的垂直分布

由圖2 可知霧過程中的水汽條件由來自南風補給,至03:00,風速開始逐漸減弱,水汽補充減少。 至11:30 六盤山站點風速降至近3 m·s-1,霧過程趨近結束。

圖2 2021 年4 月18 日六盤山站775 hPa 風場(*號代表站點位置)

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屬于霧過程的發生發展階段,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序圖

如圖4 所示,4 月17 日20:00-23:00,霧發生的初期階段,溫度基本保持在1.9 ℃左右,20:42 和21:24兩個時刻出現了兩次低值,分別為0.4℃和1.1℃;濕度整體呈快速上升趨勢,從20:00 的55%到23:00 升到90%以上,在溫度出現低值的20:42 和21:24 兩個時次,濕度也相應地出現兩次低值,分別為55%、65%;風速在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充,同時霧發生期間,平均風速基本保持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;相對濕度基本保持在98%左右;風速基本維持在10 m·s-1以上,風速在18 日04:40 之前維持在13 m·s-1左右,之后呈下降趨勢,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,風速穩定減緩,平流霧產生條件無法繼續維持,導致霧逐漸消散;具體上溫度于18 日06:27 開始增溫,到12:00 溫度增加了5.9 ℃;相對濕度于10:55 開始快速下降,于12:00 降至74%;風速于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 為經滑動平均后霧滴粒子數濃度、液態水含量以及有效粒子直徑時序變化圖。 在整個過程中,霧滴的粒子濃度從00:33 開始劇增,01:06 達到最高值451 N·cm-3,印證了霧發生前期往往具有爆發性的特征[21],同時液態水含量開始增加至0.039 g·cm-3,且液態水含量與粒子濃度呈現良好的線性相關。 粒子有效直徑達到5.73 μm。 此階段為核化和凝結增長起主要作用,之后粒子濃度開始緩慢下降,02:30-08:32 處于穩定狀態,濃度穩定在200 N·cm-3左右,液態水含量變化不大,均值為0.035 g·cm-3,該階段霧逐漸演變為成熟階段,有效粒子直徑在此期間達到最大值9.35 μm;08:32 粒子濃度和液態水含量同時下降,霧開始消散,1 h后粒子濃度低于5 N·cm-3,液態水含量接近0 g·cm-3,有效粒子直徑10:00 低于2 μm。 整個霧過程的粒子平均濃度為196 N·cm-3,平均液態水含量為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,液態水含量不高,大滴粒子稀少,不利于向強濃霧發展。

圖5 霧過程微物理參量時間演變圖

此次霧過程中,霧滴譜的粒子分布發生一些改變。如圖6 所示,縱坐標為將2 ～50 μm分成的30 通道,其中2 ～14 μm 每1 μm 分為一個通道,其他的粒徑每2 μm分為一個通道。 霧滴譜時序變化圖顯示,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達到粒子濃度最大值,且粒徑集中在5 ～6 μm。 隨著時間推移,霧滴譜的寬度仍在拓展,最大寬度拓展到14 μm的寬度,同時3 ～6 μm粒子濃度也隨時間推進逐漸降低,這是由于霧發展后期主要是以碰并、凝結過程為主,小液滴凝結增長形成了大液滴[22]。 08:00 霧滴譜寬度開始持續變窄,期間直徑3 ～4 μm的粒子濃度有暫時性的提高后又逐漸消散,是由于大液滴蒸發,縮小為小液滴。 最終霧滴譜演變結果回到00:01 的狀態。

圖6 霧滴譜時序變化圖

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應的擬合曲線

式中:D為平均粒子直徑,n(D)為粒子數密度,a,b,α,β均為參數,擬合值a=1314202.0908,b=15.9063,α=14.6972,β=0.4566。 實測值(實線)與擬合值(虛線)曲線比較接近,擬合優度R2達到0.7,表明該霧滴直徑分布函數能很好反映出此次霧過程平均微物理結構特征。 從圖7 可看出,在霧滴直徑為5 μm時,其值達到峰值,其后隨著霧滴直徑增大,譜線呈指數形式下降,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 為此次霧過程在發生發展、維持和消散3 個階段的霧滴譜特征,從圖可見3 個階段的滴譜曲線都滿足Deirmendjian 分布,呈現單峰性。 第1 階段(發生發展階段)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 階段同時出現了間斷大滴譜,考慮是由于在第2 階段,霧滴產生一定的碰并增長,使霧滴出現不連續的增長;在第3 階段,霧開始消退,大液滴蒸發縮小,出現滴譜的斷帶。

圖8 不同階段的霧滴譜

4 結論

(1)六盤山春季霧過程,多數是受暖濕氣流導致的暖平流輻射混合霧,霧過程中伴隨著風的運動,風速最大可達12.9 m·s-1,持續的風為維持霧過程帶來充足的水汽,六盤山頂創造了低溫條件,造成霧的發生。

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

(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構參數均大于無雨霧過程,其中平均液態水含量的差異最大,相對變化量達到126%。

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