南京冬季一次強(qiáng)濃霧及超細(xì)粒子累積過(guò)程分析

王 元,牛生杰,2*,呂晶晶,王 靜,胡春陽(yáng),3

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南京冬季一次強(qiáng)濃霧及超細(xì)粒子累積過(guò)程分析

王 元1,牛生杰1,2*,呂晶晶1,王 靜1,胡春陽(yáng)1,3

(1.南京信息工程大學(xué),中國(guó)氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心,江蘇 南京 210044；2.南京工業(yè)大學(xué),江蘇 南京 211816；3.中國(guó)人民解放軍94582部隊(duì) 確山 463217)

課題組于2017年冬季在南京北郊開(kāi)展了為期45d的霧/霾外場(chǎng)綜合觀測(cè),并選取12月30~31日一次平流輻射霧過(guò)程,分析了氣象要素、霧和氣溶膠的宏微觀特征.結(jié)果表明:冷平流與夜間輻射冷卻造成的持續(xù)性降溫為此次霧發(fā)展的主要原因,而短波輻射增強(qiáng)則為霧消散的主導(dǎo)因子;此次霧過(guò)程存在爆發(fā)性增長(zhǎng)的特征,表現(xiàn)為17min內(nèi)含水量的量級(jí)由10-4g/m3增加至10-1g/m3,其中霧滴數(shù)濃度的增加對(duì)其貢獻(xiàn)率可達(dá)67%;強(qiáng)濃霧微物理量的時(shí)間變率波動(dòng)性強(qiáng),霧的水平分布存在顯著的不均勻性特征;日出后的強(qiáng)濃霧階段中存在納米級(jí)氣溶膠累積現(xiàn)象,空氣動(dòng)力學(xué)直徑在10~50nm氣溶膠的數(shù)濃度增加率可達(dá)2817cm-3/h,從二次氣溶膠生成(SO2的氣-粒及氣-液轉(zhuǎn)化過(guò)程)、輸送(人為活動(dòng)造成的氣溶膠累積及霧中垂直向湍流的輸送)等方面探討現(xiàn)象出現(xiàn)的原因.

平流輻射霧；氣象條件；微物理特征；納米級(jí)氣溶膠累積

霧是大量微小水滴或冰晶懸浮于空中,使近地層水平能見(jiàn)度低于1km的天氣現(xiàn)象.隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,霧造成的低能見(jiàn)度、高濕度天氣對(duì)交通運(yùn)輸、人體健康以及電力輸送等均產(chǎn)生日益顯著的不利影響,已然成為一種重要的氣象災(zāi)害[1].

為提高對(duì)霧害的科學(xué)認(rèn)識(shí),20世紀(jì)70年代以來(lái)國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列針對(duì)霧的外場(chǎng)綜合觀測(cè)試驗(yàn),如:美國(guó)加州沿岸海霧的CALSPAN試驗(yàn)[2]和CEWCOM計(jì)劃[3]、加拿大的FRAM計(jì)劃[4]、意大利波河的河谷霧觀測(cè)試驗(yàn)[5-6]、美國(guó)圣華金山谷霧觀測(cè)試驗(yàn)[7]、法國(guó)巴黎霧的PARISFOG觀測(cè)試驗(yàn)[8-9]、西雙版納輻射霧探測(cè)研究[10]、重慶霧害研究[11]、廣東南嶺霧的研究[12]、南京冬季霧觀測(cè)試驗(yàn)[13-14]、廣東湛江海霧研究[15-16]等.這些綜合觀測(cè)試驗(yàn)的開(kāi)展加深了人們對(duì)霧宏微觀特征及生效機(jī)理的理解,并為優(yōu)化模式參數(shù)化方案、提高霧的預(yù)報(bào)預(yù)警能力提供依據(jù)與理論基礎(chǔ).

氣溶膠與霧的相互作用呈現(xiàn)出多樣性與復(fù)雜性.氣溶膠增多會(huì)增加大氣中吸濕性核的濃度,促使霧滴在較低過(guò)飽和度條件下形成[17];而大量氣溶膠粒子爭(zhēng)奪大氣中有限的水汽,又會(huì)阻礙霧的形成[18].郭麗君等[19]指出霾向霧轉(zhuǎn)化過(guò)程中,霧滴凝結(jié)釋放的潛熱和高濃度氣溶膠加劇布朗碰并過(guò)程,產(chǎn)生大量可作為云凝結(jié)核的氣溶膠,又促進(jìn)了霧的發(fā)展;Stolaki等[9]發(fā)現(xiàn)氣溶膠濃度不僅影響霧的微物理特征,并且還影響著霧層厚度.目前霧/霾與氣溶膠的研究多集中于霧/霾過(guò)程中氣溶膠的理化和光學(xué)特性[20-22],氣溶膠的理化特性對(duì)霧/霾微觀結(jié)構(gòu)的影響[23-24],霧對(duì)氣溶膠的濕清除[25-27].但氣溶膠與云、霧相互作用機(jī)理仍不明確,存在極大不確定性[28].在地基上對(duì)霧和氣溶膠的微物理特征進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè)研究,是探索與揭示氣溶膠與云、霧相互作用機(jī)理的基礎(chǔ)性工作.

課題組于2017年冬季在南京北郊開(kāi)展為期45天的霧/霾高分辨率外場(chǎng)綜合觀測(cè)試驗(yàn),本文聚焦12月30~31日的一次平流輻射霧過(guò)程,對(duì)霧過(guò)程的氣象條件、霧和氣溶膠的微物理特征進(jìn)行詳細(xì)地分析與討論.特別是針對(duì)霧過(guò)程中納米級(jí)氣溶膠的研究,以往的關(guān)注較少,而這部分氣溶膠切實(shí)影響著霧的宏微觀結(jié)構(gòu).值得關(guān)注的是,在能見(jiàn)度低于50m的強(qiáng)濃霧階段觀測(cè)到納米級(jí)氣溶膠累積的現(xiàn)象,尚未有文獻(xiàn)對(duì)類似的現(xiàn)象進(jìn)行報(bào)道.本文在確保觀測(cè)合理的前提下,對(duì)此現(xiàn)象進(jìn)行探討.

1 資料與方法

2017年冬季,本課題組對(duì)南京冬季霧/霾事件進(jìn)行為期45d的外場(chǎng)觀測(cè).觀測(cè)地點(diǎn)位于南京北郊南京信息工程大學(xué)內(nèi)綜合觀測(cè)培訓(xùn)實(shí)習(xí)基地(32.2°N, 118.7°E,海拔高度22m;即圖1.a中觀測(cè)場(chǎng)).觀測(cè)點(diǎn)西側(cè)和北側(cè)為盤(pán)城鎮(zhèn)住宅區(qū)及農(nóng)田,東側(cè)及東北側(cè)為寧六高速路及大廠工業(yè)區(qū),南側(cè)為龍王山風(fēng)景區(qū).此次綜合觀測(cè)要素包括雨滴、霧滴、氣溶膠的粒徑譜分布及化學(xué)組分,云凝結(jié)核濃度,四分量輻射通量,近地面的湍流、能見(jiàn)度、溫度、壓強(qiáng)、濕度、風(fēng)向風(fēng)速等.所使用的觀測(cè)儀器信息見(jiàn)表1.

表1 觀測(cè)儀器清單

為保證此次觀測(cè)中霧與氣溶膠的微物理觀測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠,在觀測(cè)前對(duì)FM100進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)粒子標(biāo)定,對(duì)WPS-1000XP和CCN-100進(jìn)行流量校準(zhǔn).FM100放置在距地面3m高的平臺(tái)上(圖1.b位置2),周圍無(wú)明顯遮擋物,采樣頻率設(shè)置為1Hz,分20檔,可測(cè)量2~50mm的霧滴譜.由于瑞利散射的非線性,FM100的第一檔測(cè)量會(huì)存在很大偏差,因而在數(shù)據(jù)處理時(shí)僅保留后19檔的數(shù)據(jù).FM100觀測(cè)點(diǎn)西南方80m為一移動(dòng)方艙(圖1.b位置1),WPS-1000XP和CCN-100均放置于此方艙內(nèi),在儀器的進(jìn)氣口連接黑炭導(dǎo)氣管,導(dǎo)氣管從方艙頂部伸出,抽取環(huán)境大氣進(jìn)行測(cè)量.WPS-1000XP采樣頻率設(shè)置為5min,共72檔,測(cè)量空氣動(dòng)力學(xué)直徑10nm~10mm粒徑范圍內(nèi)氣溶膠粒子譜,儀器測(cè)量原理與設(shè)置見(jiàn)文獻(xiàn)[29].開(kāi)路渦動(dòng)協(xié)方差系統(tǒng)、輻射表以及自動(dòng)氣象站均安裝在FM100觀測(cè)點(diǎn)東南側(cè)40m的觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)(圖1.b位置3).文中所使用的SO2濃度資料來(lái)自于MARGA-1S,儀器放置于FM100觀測(cè)點(diǎn)東方約1.6km的氣象樓頂(圖1.a),其測(cè)量原理見(jiàn)文獻(xiàn)[30].

為防止霧過(guò)程中的高濕樣氣被抽入差分電遷移率分析儀而造成的高電壓擊穿,在WPS-1000XP進(jìn)氣口前連接TSI3062氣溶膠擴(kuò)散干燥管,對(duì)樣氣進(jìn)行干燥處理.由于氣溶膠從未與干燥劑材料直接接觸,粒子損失被減輕到最小.此次觀測(cè)中WPS- 1000XP所測(cè)量的大氣氣溶膠均為濕度小于40%的干燥后氣溶膠.

在描述霧滴譜特征時(shí),用離散度(Dis)定量描述霧滴譜的相對(duì)譜寬,其定義為霧滴譜標(biāo)準(zhǔn)偏差()與平均半徑()之比(式1).為量化霧爆發(fā)增長(zhǎng)時(shí)霧滴譜含水量爆發(fā)增長(zhǎng)的原因,對(duì)霧滴數(shù)濃度和體積平均半徑(r)對(duì)其的貢獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)算.用霧滴譜各檔求和后總數(shù)濃度和體積平均半徑來(lái)計(jì)算霧滴譜含水量(式2),取對(duì)數(shù)后得到式3,將爆發(fā)增長(zhǎng)前后的霧滴譜數(shù)濃度和平均半徑帶入式3并相減后得到式4,等號(hào)左側(cè)表示爆發(fā)性增長(zhǎng)后霧滴譜含水量量級(jí)的增量,右側(cè)兩項(xiàng)則分別為霧滴數(shù)濃度與霧滴尺寸造成的增量,因而式4中右側(cè)兩項(xiàng)與左側(cè)項(xiàng)的比值分別表示為霧滴數(shù)濃度與尺寸的增量對(duì)霧滴含水量增量的貢獻(xiàn)率.

2 結(jié)果與分析

2.1 強(qiáng)濃霧過(guò)程的氣象條件

2017年12月30日08:00~31日20:00(北京時(shí)間,下同),500hPa高度場(chǎng)中貝加爾湖東南部至我國(guó)內(nèi)蒙古省東北部之間存在穩(wěn)定低壓系統(tǒng),中心位勢(shì)高度維持在5200位勢(shì)米,自此低壓中心向東南延伸出一條深厚的槽線,南京位于槽后,有持續(xù)的冷平流輸送,大氣層結(jié)穩(wěn)定,有利于大霧天氣過(guò)程的形成與維持.圖2給出此次霧過(guò)程前后近地面各氣象要素的時(shí)間變化.此次霧過(guò)程在12月30日14:00初生,一直維持到31日11:00,生命史為21h,根據(jù)地面能見(jiàn)度及其他氣象要素的變化情況,可以將此次霧過(guò)程分為形成、發(fā)展、成熟、消散四個(gè)階段.

霧前階段(30日14:00前,階段I):12月29日下午及30日凌晨共有3次降水過(guò)程,總降水量為2.0mm,降水使得近地面維持相對(duì)濕度高于85%的高濕條件.霧前12小時(shí)內(nèi),風(fēng)向以西北風(fēng)為主,平均風(fēng)速為2.1m/s,強(qiáng)冷平流造成溫度驟降,24小時(shí)內(nèi)地面2m溫度下降4.5℃(由11.4℃降至6.9℃),使得飽和水汽壓降低26.2%(由13.48mb降至9.95mb).這一階段較強(qiáng)的風(fēng)速和湍流強(qiáng)度抑制著霧的形成.

形成階段(30日14:00~18:00,階段II):能見(jiàn)度逐漸降低至1km,并在1km上下波動(dòng),強(qiáng)冷平流仍為此階段降溫的主要原因,減溫率為0.4℃/h,溫度下降導(dǎo)致濕度的升高,但此階段大風(fēng)與強(qiáng)湍流仍是限制霧發(fā)展的主要原因.

發(fā)展階段(30日18:00~31日05:13,階段III):日落后,地表長(zhǎng)波輻射冷卻和此階段較弱的冷平流是降溫的主要原因,減溫率為0.4℃/h,同時(shí)風(fēng)速的減小和湍流強(qiáng)度的減弱使得霧在這一階段得以發(fā)展,能見(jiàn)度維持在500m.

成熟階段(31日05:13~31日11:00,階段IV):冷平流與地面長(zhǎng)波輻射冷卻導(dǎo)致近地面氣溫持續(xù)快速下降,日出前減溫率可達(dá)1.0℃/h,過(guò)飽和水汽壓持續(xù)減小,相對(duì)濕度持續(xù)上升,進(jìn)而導(dǎo)致這一階段地面霧爆發(fā)性發(fā)展成為強(qiáng)濃霧,能見(jiàn)度驟降至50m之下.同時(shí),該階段微風(fēng)(平均風(fēng)速為0.6m/s)和低強(qiáng)度湍流(平均湍流動(dòng)能為0.04m2/s2)有利于強(qiáng)濃霧的維持,強(qiáng)濃霧持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)5h46min.

消散階段(31日11:00~12:00,階段V):日出后,太陽(yáng)短波輻射持續(xù)加熱霧層,此階段近地面的短波輻射增長(zhǎng)率可達(dá)103W/m2h,霧頂層增溫并將熱量下傳至地表,地表增溫率達(dá)1.5℃/h,飽和水汽壓增加.同時(shí)風(fēng)速和湍流的增強(qiáng)也促進(jìn)該階段霧的消散.

圖2 2017-12-29至2018-01-01霧過(guò)程前后地面能見(jiàn)度(VIS)、溫度(Temp)、濕度(RH)、風(fēng)速(WS)、風(fēng)向(WD)、雨強(qiáng)(I)、太陽(yáng)短波輻射(SR)、湍流動(dòng)能(TKE)的時(shí)間序列

從以上的分析可知,冷平流和長(zhǎng)波輻射冷卻導(dǎo)致的降溫是此次霧發(fā)生、發(fā)展的主要原因,風(fēng)速和湍流強(qiáng)度從動(dòng)力上影響著霧的發(fā)生和維持,而日出后太陽(yáng)短波輻射增強(qiáng)則是此次霧過(guò)程消散的主要原因.

2.2 霧的微物理特征

自12月30日14:00霧形成起,有霧滴開(kāi)始出現(xiàn)(N31cm-3)并被儀器測(cè)量到,在形成階段霧滴數(shù)濃度維持在100cm-3量級(jí),霧滴譜較窄,離散度僅有0.2,且集中分布于小滴端,體積平均直徑為3.5mm,平均含水量在10-5g/m3量級(jí).到發(fā)展階段,霧滴數(shù)濃度和尺寸均有所增加,霧滴譜也呈拓寬趨勢(shì),平均含水量增加至10-4g/m3量級(jí).至31日05:13時(shí),霧開(kāi)始呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長(zhǎng)特征,在17min內(nèi),霧滴數(shù)濃度由100cm-3量級(jí)驟增至102~103cm-3量級(jí),霧滴的體積平均半徑也增加了1.15倍,含水量增加三個(gè)量級(jí),霧滴譜拓寬明顯.表2中給出霧的各階段微物理量的特征值.經(jīng)過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)(式4),爆發(fā)增長(zhǎng)后,霧滴數(shù)濃度量級(jí)的增量對(duì)含水量量級(jí)的增量的貢獻(xiàn)率為67%,而霧滴尺寸的貢獻(xiàn)率為33%.因而此次霧的爆發(fā)性增長(zhǎng)主要是因?yàn)殪F滴數(shù)濃度的量級(jí)性增加,進(jìn)而導(dǎo)致含水量的爆發(fā)性增加.伴隨著爆發(fā)增長(zhǎng),霧發(fā)展成為強(qiáng)濃霧并進(jìn)入成熟階段.相比于上一階段,霧成熟階段的各項(xiàng)微物理特征量均表現(xiàn)出爆發(fā)性增長(zhǎng)而進(jìn)入峰值區(qū).但值得注意的是,霧的各項(xiàng)微物理特征量在這一峰值區(qū)內(nèi)存在極大的波動(dòng)性,這意味著在強(qiáng)濃霧區(qū)內(nèi)霧的分布是十分不均勻的.如表2所示,用各微物理的時(shí)間變率的標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)量化波動(dòng)程度.在成熟階段,霧滴數(shù)濃度、體積平均直徑和含水量的時(shí)間變率均表現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性,它們的時(shí)間變率標(biāo)準(zhǔn)差也均為四個(gè)階段中的最大值,這表明在強(qiáng)濃霧區(qū)中可能存在類似于層積云中云街的結(jié)構(gòu),強(qiáng)弱分區(qū)的不均勻性特征明顯.Uematsu等[31]曾用毫米波雷達(dá)觀測(cè)到霧中不均勻性的特征, Bergot等[32]也曾模擬出霧中存在類似于云街的帶狀結(jié)構(gòu).

圖3 霧過(guò)程中的霧滴數(shù)濃度(Nf)、霧滴體積平均直徑(MVD)、霧滴含水量(LWC)、霧滴譜離散度(Dis)的時(shí)間序列

表2 霧過(guò)程中各階段微物理量平均值(分別表示為,,,)及其時(shí)間變率的標(biāo)準(zhǔn)差(分別表示為,,, and)

2.3 霧中納米級(jí)氣溶膠微物理特征

如圖4所示,對(duì)此次霧過(guò)程中氣溶膠的微物理特征分析時(shí),發(fā)現(xiàn)氣溶膠的數(shù)濃度與其表面積濃度和質(zhì)量濃度通常呈現(xiàn)正相關(guān)性,即更多數(shù)量的氣溶膠提供更大的總表面積和質(zhì)量.同時(shí),CCN的數(shù)濃度與氣溶膠的數(shù)濃度呈現(xiàn)較好的正相關(guān)性,高過(guò)飽和度條件下的CCN濃度與氣溶膠濃度之間的相關(guān)性更佳.然而在霧的成熟階段,出現(xiàn)氣溶膠數(shù)濃度增加而表面積濃度和質(zhì)量濃度均降低的現(xiàn)象,這意味著尺寸較小的納米級(jí)氣溶膠在增多而較大粒徑氣溶膠的數(shù)量在減少.在31日07:30之后的兩小時(shí)內(nèi),粒徑在10nm~10mm范圍的氣溶膠數(shù)濃度平均增長(zhǎng)率(五點(diǎn)滑動(dòng)平均,下同)為2904cm-3/h,其中10~50nm氣溶膠數(shù)濃度的增長(zhǎng)率為2817cm-3/h,而大于100nm氣溶膠數(shù)濃度的減少率為439cm-3/h.圖5.b給出霧天氣溶膠譜的時(shí)間演變,更清晰地展現(xiàn)出這一現(xiàn)象.在31日07:30~10:00,氣溶膠譜中10~50nm譜段出現(xiàn)峰值區(qū).同時(shí)相比于小粒徑氣溶膠,大粒徑氣溶膠更易活化并且所形成的霧滴也更大,加速碰并過(guò)程進(jìn)而更快完成濕清除過(guò)程,因而由于霧的清除作用大于100nm的氣溶膠濃度明顯減少,此時(shí)氣溶膠質(zhì)量濃度和表面積濃度處于谷值區(qū),氣溶膠數(shù)濃度處于峰值區(qū),0.1%,0.3%及0.5%過(guò)飽和度下的CCN數(shù)濃度均處于谷值區(qū).下面對(duì)此次強(qiáng)濃霧過(guò)程中氣溶膠濃度變化的原因進(jìn)行探討.

圖4 霧過(guò)程中不同過(guò)飽和條件下(SS分別為0.1%,0.3%,0.5%)云凝結(jié)核數(shù)濃度(CCNC),以及氣溶膠的數(shù)濃度、表面積濃度和質(zhì)量濃度的時(shí)間序列

為減弱日變化及人為因素的影響,突出濃霧對(duì)氣溶膠粒徑分布存在的影響,用31日(周日)的氣溶膠譜減去30日(周六)同時(shí)刻的背景氣溶膠譜,所得到的差值氣溶膠譜見(jiàn)圖5c.由圖5c可見(jiàn),自05:13起強(qiáng)濃霧對(duì)粒徑大于100nm及小于20nm的氣溶膠有明顯的清除作用.在07:30太陽(yáng)輻射增加后,湍流混合作用增強(qiáng),強(qiáng)濃霧對(duì)氣溶膠的清除效果進(jìn)一步加強(qiáng).同時(shí)扣除背景氣溶膠濃度后,在這一時(shí)段開(kāi)始出現(xiàn)20~50nm納米級(jí)氣溶膠的累積.而此納米級(jí)氣溶膠累積是在強(qiáng)濃霧中發(fā)生的,有理由認(rèn)為強(qiáng)濃霧與此累積事件的出現(xiàn)相關(guān).

WPS-1000XP測(cè)量空氣動(dòng)力學(xué)直徑在10nm~ 10mm之間的氣溶膠,由于觀測(cè)時(shí)對(duì)樣氣進(jìn)行干燥,所測(cè)得的干燥后氣溶膠有兩個(gè)來(lái)源:一是霧中原本存在的間隙氣溶膠,二是霧滴被蒸發(fā)后釋放出的核氣溶膠.07:30~10:00為清晨人類活動(dòng)的強(qiáng)盛時(shí)段,且這一時(shí)段風(fēng)向?yàn)槠憋L(fēng),而觀測(cè)點(diǎn)的北側(cè)及東北側(cè)為居民區(qū)與化工區(qū),人類活動(dòng)會(huì)向大氣中排放出大量氣溶膠并被輸送經(jīng)過(guò)觀測(cè)點(diǎn),并且霧天的靜穩(wěn)大氣層結(jié)不利于氣溶膠垂直向的擴(kuò)散而造成局地累積.由圖6a所示,根據(jù)MARGA-1S的大氣成分測(cè)量數(shù)據(jù),這一階段大氣SO2濃度隨時(shí)間呈上升趨勢(shì),且相比于前一日的背景值同樣呈現(xiàn)上升趨勢(shì).同時(shí)太陽(yáng)短波輻射在這一階段及相比于背景值也是逐漸增加的.大氣SO2濃度和光照強(qiáng)度為新粒子生成事件的兩個(gè)最重要因子[33],可能會(huì)存在氣-粒轉(zhuǎn)化的新粒子生成事件,從而造成間隙氣溶膠的增加.但是,這一階段的太陽(yáng)短波輻射較弱,輻射通量不足200W/ m2,SO2濃度也較低,不足7mg/cm3,二者值均小于王紅磊等[34]在南京夏季霾事件及郝囝等[35]在黃山秋季晴天中測(cè)得新粒子生成事件時(shí)的特征值,所以除此之外應(yīng)還有其他因素造成此階段納米級(jí)氣溶膠的累積.

圖5 12月31日霧過(guò)程中的霧滴譜(a)和氣溶膠譜(b)以及扣除背景值的差值氣溶膠譜(c)的時(shí)間序列

圖6 12月31日霧過(guò)程中大氣SO2濃度(SO2)和太陽(yáng)短波輻射(SR)及二者與30日同時(shí)刻背景值的差值(dSO2,dSR)(a)與垂直速度(W)和垂直向湍流動(dòng)能(TKEw)(b)的時(shí)間序列

在以往對(duì)南京采集的霧水的化學(xué)組分研究中發(fā)現(xiàn),硫酸根離子保持著穩(wěn)定的高值[36-37].在強(qiáng)濃霧環(huán)境中,顆粒物覆蓋水膜,從2~6層水分子不等,這會(huì)提供豐富的反應(yīng)活性界面及粒徑改變[38],而液膜導(dǎo)致的反應(yīng)活性變化對(duì)硫酸鹽的形成與無(wú)液膜情況下差異6倍,對(duì)大氣氧化性更加敏感,提高SO2的氣-液反應(yīng)速率[39].同時(shí),日出后由于太陽(yáng)輻射的增強(qiáng),進(jìn)一步加速霧滴中硫酸鹽氣溶膠的生成,而后在經(jīng)過(guò)干燥管后霧滴被蒸發(fā),釋放出大量核氣溶膠,從而造成檢測(cè)到的氣溶膠濃度的增加.

圖7 12月31日08:00南京的溫度(Temp)和濕度(RH)垂直廓線

由于清晨太陽(yáng)輻射的增強(qiáng),霧頂層的蒸發(fā)強(qiáng)度增強(qiáng),進(jìn)而霧滴蒸發(fā)釋放出大量核氣溶膠.同時(shí),如圖6b所示,這一時(shí)刻垂直向的湍流動(dòng)能增加,霧中垂直向的混合強(qiáng)度增加,因而可能存在上層霧滴蒸發(fā)釋放出的氣溶膠被下沉氣流輸送至地表的傳輸機(jī)制,從而被儀器測(cè)量到,導(dǎo)致氣溶膠濃度增加.Tao等[40]模擬出城市擴(kuò)張后出現(xiàn)的高氣溶膠-高臭氧的“雙高”污染現(xiàn)象,其解釋為上層污染累積導(dǎo)致光散射強(qiáng)度增加,在上層生成臭氧并通過(guò)垂直向湍流輸送至近地表,造成高氣溶膠-高臭氧污染同時(shí)出現(xiàn)的現(xiàn)象,與此垂直向的傳輸機(jī)制相似.同時(shí),通過(guò)分析12月31日08:00江蘇省氣象局的溫濕探空資料(圖7),發(fā)現(xiàn)存在雙層逆溫,逆溫層底在距地面高度78m附近,此高度相對(duì)濕度為90%,且相對(duì)濕度隨高度遞減,因而判定此時(shí)濃霧較薄,霧頂高度不足100m.較低的霧頂高度則有利于霧頂蒸發(fā)釋放出的氣溶膠快速地傳輸至地表,造成地表氣溶膠濃度升高.

3 結(jié)論

3.1 此次平流輻射霧過(guò)程持續(xù)時(shí)間為21h,其中能見(jiàn)度低于50m的強(qiáng)濃霧階段持續(xù)了將近6h.冷平流與夜間長(zhǎng)波輻射冷卻造成的持續(xù)性降溫為此次霧過(guò)程發(fā)生、發(fā)展的主要原因,同時(shí)平流與湍流在動(dòng)力上影響著霧的形成與維持,而日出后太陽(yáng)短波輻射增強(qiáng)造成的近地面增溫為此次霧消散的主導(dǎo)因子.

3.2 霧過(guò)程中存在爆發(fā)性增長(zhǎng)的特征,微物理表現(xiàn)為爆發(fā)后含水量增加三個(gè)量級(jí),相比于霧滴粒徑的增加,霧滴數(shù)濃度的增量為含水量爆發(fā)性增長(zhǎng)的主要貢獻(xiàn)項(xiàng),貢獻(xiàn)率達(dá)67%.同時(shí)在霧爆發(fā)性增長(zhǎng)后的強(qiáng)濃霧階段(05:13~11:00),微物理特征量的時(shí)間變率的波動(dòng)性增大,強(qiáng)弱分區(qū)的不均勻性特征顯著.

3.3 在強(qiáng)濃霧時(shí)段存在納米級(jí)氣溶膠累積的現(xiàn)象(07:30~10:00),空氣動(dòng)力學(xué)直徑在10~50nm氣溶膠的濃度增長(zhǎng)率為2817cm-3/h.霧天的靜穩(wěn)大氣層結(jié)導(dǎo)致人為排放氣溶膠在局地累積;由于太陽(yáng)短波輻射增強(qiáng),且大氣SO2濃度增加,可能存在氣-粒轉(zhuǎn)換的新粒子生成事件;霧滴表面水膜加速硫酸鹽氣溶膠的生成;霧中可能存在垂直向傳輸機(jī)制,將霧頂層蒸發(fā)釋放的氣溶膠傳輸至地表.

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Analysis of a cumulative event of nano-scale aerosols and a strong fog during winter in Nanjing.

WANG Yuan1, NIU Sheng-jie1,2*, Lü Jing-jing1, WANG Jing1, HU Chun-yang1,3

(1.Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Nanjing Tech University, Nanjing 211816, China；3.Unit 94582 of PLA, Queshan, 463217, China)., 2019,39(2)：459~468

A systematic field observation of the haze and fog was conducted and last 45 days in the northern suburbs of Nanjing during the winter of 2017. In this study, an advection radiation fog event from December 30 to 31 was forced on, and the meteorological elements, the macroscopic and microscopic features of fogs and aerosols were analyzed. It was found that the continuous cooling caused by cold advections and the long-wave night sky radiation dominated the development of fog, and the enhancement of short-wave radiation leaded to the fog dissipation. There was an explosive growth in the fog, where the liquid water content increased by three orders of magnitude from 10-4g/m3to 10-1g/m3within 17 minutes, and the increasing number concentration of fog droplets contributed 67% to the explosive growth. There was an obvious characteristic of uneven distribution in the strong fog. In addition, a new phenomenon of nano-scale aerosols accumulation in the strong fog was observed after sunrise, where the increment speed of the number concentration of the aerosols with diameters from 10nm to 50nm reached 2817cm-3/h. The following parts were examined to discuss the reasons for the cumulative event, including the secondary aerosol generation, i.e.,gas-to-particle and gas-to-liquid conversions of SO2, and aerosols transport process, i.e., the local aerosols accumulation from human activities and a potential turbulence transport mechanism in fogs.

advection radiation fog；meteorological elements；microphysical characteristics；cumulative eventof nano-scale aerosols

X16

A

1000-6923(2019)02-0459-10

王 元(1993-),男,山東威海人,南京信息工程大學(xué)博士研究生,主要從事云霧降水物理學(xué)研究.

2018-07-29

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFC150790X)國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41775134);江蘇省研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYCX17- 0884)

* 責(zé)任作者, 教授, niusj@nuist.edu.cn