岳巖裕,牛生杰,張羽,徐峰,趙麗娟,呂晶晶

(1.武漢中心氣象臺,湖北 武漢 430074;

2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制高技術(shù)研究重點實驗室/大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044;

3.湛江市氣象局,廣東 湛江 524001;4.廣東海洋大學(xué),廣東 湛江 524009;5.廈門市環(huán)境監(jiān)測中心站,福建 廈門 361000)

南海沿岸海霧特征的觀測研究

岳巖裕1,2,牛生杰2,張羽3,徐峰4,趙麗娟5,呂晶晶2

(1.武漢中心氣象臺,湖北 武漢 430074;

2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境監(jiān)測與污染控制高技術(shù)研究重點實驗室/大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044;

3.湛江市氣象局,廣東 湛江 524001;4.廣東海洋大學(xué),廣東 湛江 524009;5.廈門市環(huán)境監(jiān)測中心站,福建 廈門 361000)

摘要：利用2010、2011年在中國廣東省湛江市東海島海霧外場觀測試驗中獲得的觀測數(shù)據(jù),綜合分析海霧發(fā)生時的宏微觀特征、氣溶膠特征和霧水化學(xué)特征,并據(jù)此探討海霧形成發(fā)展的主要機(jī)制。結(jié)果表明:南海海霧年平均霧日數(shù)為20～30 d,受低壓系統(tǒng)或冷鋒過境影響時出現(xiàn)霧的概率最大。2010和2011年平均霧滴液態(tài)水含量(Liquid Water Content,LWC)分別為0.019和0.072 g·m-3,LWC偏低與海陸交界處霧滴湍流沉降加速有關(guān)。隨著LWC的增加,霧滴與氣溶膠數(shù)濃度的比值增大。霧水中主要離子為Na+和Cl-,其兩年總離子濃度(Total Ion Concentration,TIC)平均值分別為38 260和5 600 μeq·L-1,但離子負(fù)荷量相差不大,LWC增加可能是導(dǎo)致2011年TIC下降的主要原因。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,與陸地和山地霧相比,碰并、湍流和平流因子的影響加強(qiáng)。霧滴譜可用Gamma分布進(jìn)行擬合,且隨著碰并作用增強(qiáng),滴譜增寬。

關(guān)鍵詞：南海海霧;霧微物理特征;氣溶膠;霧水化學(xué)

中圖分類號：

文章編號：1674-7097(2015)05-0694-09P426

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：碼：A

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130412001

Abstract:Based on the data of the sea fog field observation experiments in the east coast of Donghai Island in Zhanjiang City,Guangdong Province,China in 2010 and 2011,this paper made the comprehensive analysis on the macro-microphysical characteristics of fogs,properties of aerosols and fog water chemical compositions in the sea fog cases,and further discussed the mechanisms of sea fog formation and growth.Results show that the annual average sea fog days are 20—30 d.The most sea fogs are affected by depression system or cold front.The average liquid water content(LWC) of fog droplets are 0.019 and 0.072 g·m-3in 2010 and 2011,respectively.Low LWC is due to the accelerated turbulence deposition of fog droplets in the border of land-sea.The ratio of number concentrations between fog droplets and aerosols increases with the growth of LWC.The main ions in the fog water are Na+and Cl-,and the two-year average values of total ion concentration(TIC) of Na+and Cl-are 38 260 and 5 600μeq·L-1,respectively,but the ion loadings are almost in the same magnitude.The decline of TIC may be mainly owing to the growth of LWC in 2011.Activation and condensation growth play an important role on the formation and growth of sea fog droplets.Compared with continent and mountain fogs,the influences of coagulation,turbulence and advection factors are more significant in the sea fog cases.The spectra of fog droplets can be expressed by formula of Gamma and the spectra width broadens by the strength of coagulation.

收稿日期：2011-12-30;改回日期:2012-02-18

基金項目:公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY200806014)

通信作者：張祎,工程師,研究方向為雷電防護(hù)和雷電監(jiān)測預(yù)警,zhangyi3092@sohu.com.

An observation study of sea fog in the coastal area of

South China Sea

YUE Yan-yu1,2,NIU Sheng-jie2,ZHANG Yu3,XU Feng4,ZHAO Li-juan5,Lü Jing-jing2

(1.Wuhan Central Meteorological Observatory,Wuhan 430074,China;

2.Jiangsu Key Laboratory of Atmospheric Environment Monitoring and

Pollution Control/School of Atmospheric Physics,NUIST,Nanjing 210044,China;

3.Zhanjiang Meteorological Bureau,Zhanjiang 524001,China;4.Guangdong Ocean University,Zhanjiang 524009,China;

5.Xiamen Environmental Monitoring Central Station,Xiamen 361000,China)

Key words:sea fog of South China Sea;fog microphysics;aerosol;fog water chemistry

0引言

海霧是濱海、島嶼上空或海上凝結(jié)出的大量水滴或冰晶懸浮于大氣邊界層中,使大氣水平能見度小于1 000 m的天氣現(xiàn)象(王彬華,1983)。海霧對航空、航海、陸上交通、海洋捕撈等都會造成威脅,據(jù)統(tǒng)計發(fā)生在海上的碰撞事故中有60～70%與海霧有關(guān),造成的總經(jīng)濟(jì)損失與臺風(fēng)等災(zāi)害可相提并論(Gultepe et al.,2007)。此外霧中高濃度的污染物也會對人體健康產(chǎn)生潛在影響。

學(xué)界研究發(fā)現(xiàn),霧的形成、發(fā)展、消散受到天氣環(huán)流的強(qiáng)烈影響(Tachibana et al.,2008)。通過外場觀測研究,對加深認(rèn)識海霧的微物理特征、改進(jìn)模式微物理參數(shù)化方案、提高模式模擬的準(zhǔn)確性等都有重要作用(Gultepe and Milbrandt,2007;王帥等,2012;鮑艷松等,2013)。云霧的微物理特征受到不同動力和微物理過程的影響,如混合、夾卷、凝結(jié)、蒸發(fā)、碰并和降水等,對滴譜形狀的不同有著重要作用(Alexandre et al.,2000;Niu et al.,2010)。在與內(nèi)陸城市霧(鮑寶堂等,1995)的比較中也發(fā)現(xiàn)海霧霧滴數(shù)濃度偏低(呂晶晶等,2014)。海霧的平均最大直徑和峰值直徑與陸地霧的相近,在一些海霧個例中,發(fā)現(xiàn)其最大直徑可以達(dá)到很大(楊中秋等,1989)。

目前國內(nèi)針對海霧的外場綜合觀測試驗較少,缺乏對南海地區(qū)海霧過程中主導(dǎo)微物理過程的研究以及該區(qū)域霧水化學(xué)特性的分析。鑒于此,利用2010年3—4月和2011年2—3月連續(xù)兩年海霧的外場觀測資料(觀測點東海島位于中國南海—雷州半島東部),主要針對以下問題進(jìn)行研究:1)有利于海霧發(fā)生的氣象條件。2)海霧形成發(fā)展過程中起主要作用的物理機(jī)制,如凝結(jié)、碰并、平流、湍流的影響。3)氣溶膠與海霧之間的相互影響。4)霧水化學(xué)特征。

1外場觀測試驗

1.1　觀測地點與儀器介紹

2010年3—4月和2011年2—3月在廣東省湛江市東海島東岸進(jìn)行海霧外場觀測試驗,兩年的觀測地點均位于東岸,直線距離相差600 m,海拔高度相差50 m。2010年的觀測地點位于東海島岸邊一幢三層高的樓房樓頂(110°32′05″E,21°00′35″N),海拔高度15 m左右,距離海岸線約200 m;2011年的觀測地點位于東海島雷達(dá)站內(nèi)一幢三層高的樓房樓頂(110°31′19″E,21°00′50″N),海拔高度65 m左右,距離海岸線約800 m。使用的觀測儀器基本情況如表1所示。

1.2　計算方法

為研究霧過程中霧滴液態(tài)水含量CLW(Liquid Water Content,LWC)迅速增長,數(shù)濃度下降的現(xiàn)象,引入Liu et al.(2004,2005)提出的自動轉(zhuǎn)化閾值T,用來表示自動轉(zhuǎn)化過程的臨界狀態(tài),T值越大,碰并過程越強(qiáng)。

(1)

式中:P是自動轉(zhuǎn)化率;P0代表在一系列自動轉(zhuǎn)化過程后的轉(zhuǎn)化速度;r是滴的半徑,rc是自動轉(zhuǎn)化的臨界半徑。Liuetal.(2006)推導(dǎo)了一個關(guān)于rc的表達(dá)式:

表1　觀測儀器的基本情況

注：*表示在觀測中使用了該儀器.

(2)

其中經(jīng)驗系數(shù)βcon=1.15×1023。

(3)

(4)

對于Gamma分布而言,關(guān)系式CS=CK成立,通過計算實際譜的CS和CK,驗證實際譜是否可用Gamma譜擬合。

2觀測結(jié)果分析與討論

2.1　海霧氣候特征分析

對雷州半島上的三個主要站點(湛江、徐聞和雷州)50～60 a霧日的發(fā)生頻次進(jìn)行統(tǒng)計,發(fā)現(xiàn)該地年平均霧日數(shù)分別為25、21和30 d左右,與張?zhí)K平和鮑獻(xiàn)文(2008)的統(tǒng)計特點相符。逐月變化呈單峰型分布,3月最多,屬于春霧型(徐峰等,2011b)。觀測期間發(fā)現(xiàn)海霧過程中往往會出現(xiàn)能見度短暫升高的現(xiàn)象,說明海上形成的霧可能具有團(tuán)塊分布特點,在主導(dǎo)風(fēng)向(偏東風(fēng))的作用下輸送至岸邊。全年月總降水量平均值為135.6 mm,全年月平均氣溫為23.25 ℃。氣溫與霧日數(shù)之間并不是簡單的線性或者非線性關(guān)系,霧日多分布在16～22 ℃之間(圖1)。降水量與霧日呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,當(dāng)降水量低于100 mm時,霧日較多;大于100 mm時,隨著降水量增加,霧日基本趨近于零。

2.2　霧日天氣背景和邊界層特征

表2給出了兩年觀測期間南海海霧的天氣分型和氣象要素特征。海霧按天氣形勢分為低壓前部型、冷鋒影響型、高壓后部型、高低壓之間型和均壓場型。當(dāng)東海島位于低壓前部或受到冷鋒影響時出現(xiàn)霧的概率最大。連續(xù)霧過程的結(jié)束與冷空氣南下(即冷鋒過境)有關(guān),如2010年3月22—24日的兩次霧過程和2011年3月20—22日的三次霧過程。

圖1　月平均氣溫、月總降水量和年平均霧日數(shù)之間的關(guān)系a.氣溫與霧日數(shù);b.降水與霧日數(shù);c.氣溫與降水Fig.1　Relationships among monthly temperature,monthly total rainfall and annual fog daysa.temperature vs fog days;b.rainfall vs fog days;c.temperature vs rainfall

鑒于盛立芳等(2010)對海霧厚度的總結(jié),霧頂高度一般在240～530 m。利用風(fēng)廓線雷達(dá)的觀測資料對四層高度(150、270、390、510 m)的風(fēng)向進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)風(fēng)向隨高度會出現(xiàn)順轉(zhuǎn),對應(yīng)出現(xiàn)暖平流,從南部海面帶來了大量暖濕氣流,為海霧的發(fā)生、發(fā)展和維持提供了充足的水汽。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)海霧發(fā)生期間近地面風(fēng)向以偏東風(fēng)為主,占79%;偏北風(fēng)占21%。冷鋒影響下霧過程的風(fēng)向有偏北和偏東兩種,主要考慮冷鋒是否到達(dá)觀測點,當(dāng)偏東風(fēng)主導(dǎo)時,湛江處于冷鋒前暖區(qū),氣溫較高,東南暖濕氣流強(qiáng)盛,水汽充足,有利于海霧形成;當(dāng)偏北風(fēng)主導(dǎo)時,處于冷鋒過境時期,冷空氣與暖濕氣流交匯混合,霧繼續(xù)維持。霧發(fā)生期間近地面的平均氣溫變化范圍為18～24 ℃,平均風(fēng)速為1～5 m·s-1,與一般的陸地霧相比偏大(陸春松等,2011),一定的風(fēng)速有利于水汽從南部洋面輸送到東海島附近海域。

表2　海霧過程天氣分型及其氣象要素平均值

2.3　海霧微物理特征分析

2.3.1霧微物理特征量相關(guān)性分析

兩年的觀測研究發(fā)現(xiàn),2010和2011年霧滴液態(tài)水含量(LWC)、數(shù)濃度(N)和平均半徑(r)的平均值分別為0.019 g·m-3、46 cm-3、2.46 μm和0.072 g·m-3、252 cm-3、2.40 μm。核化、凝結(jié)與碰并是霧與低云中的基本物理過程(陸春松,2012)。有學(xué)者對南京(Niu et al.,2010)和西雙版納(黃玉生等,2000)霧的微結(jié)構(gòu)及演變過程進(jìn)行了探討,與西雙版納的結(jié)論相反,南京地區(qū)發(fā)現(xiàn)當(dāng)核化凝結(jié)顯著時,隨著霧滴數(shù)濃度增加,平均半徑增大;當(dāng)碰并作用為主導(dǎo)時,學(xué)界普遍認(rèn)為兩者呈負(fù)相關(guān)。受凝結(jié)增長和湍流混合過程的影響,r、N和LWC會呈無相關(guān)或者負(fù)相關(guān)(Wang et al.,2009;Zhao et al.,2012;陸春松,2012)。不同區(qū)域空氣團(tuán)的輸送會對霧微物理結(jié)構(gòu)產(chǎn)生直接影響,當(dāng)霧體出現(xiàn)團(tuán)塊結(jié)構(gòu)時,不同位置霧的強(qiáng)度不同,空間分布不均勻,偶爾會出現(xiàn)能見度好轉(zhuǎn)的現(xiàn)象(唐浩華等,2002)。東海島觀測到的南海海霧因其多屬于冷卻平流霧,在其微物理特征量的分析過程中要充分考慮平流因素的影響。

2010年LWC與r之間的相關(guān)性(均小于0.8)與2011的相比降低(表3),r較大時,N很少,大霧滴對LWC的貢獻(xiàn)更顯著,但是霧滴個數(shù)很少也會導(dǎo)致LWC比較低;而2011年兩者之間基本呈顯著正相關(guān)關(guān)系。2010年N與LWC之間的正相關(guān)性較好,當(dāng)核化和凝結(jié)作用占主導(dǎo)時,N與LWC之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,而當(dāng)r較大,且霧滴個數(shù)較少時,也會導(dǎo)致LWC較少,兩者亦會呈正相關(guān)關(guān)系。2010年觀測點海拔高度較低且接近岸邊,海陸交界處不同下墊面會導(dǎo)致湍流和摩擦作用加大,同時近地面的風(fēng)速存在很強(qiáng)的垂直切變,導(dǎo)致空氣團(tuán)充分混合,霧滴出現(xiàn)蒸發(fā)或者輸送到地表的現(xiàn)象,霧滴的減少會比單純由碰并引發(fā)的減少更明顯,因此N和LWC都比較低。由于湍流作用較強(qiáng),2010年霧滴生長受限,直徑大于10 μm的粒子數(shù)濃度很低(圖3),因而碰并生長過程很弱,使得整個過程中核化凝結(jié)作用更明顯。為減少近地面湍流、摩擦等因素的影響,2011年將觀測地點選在海拔高度更高的位置。

表3　不同海霧過程中各微物理參量之間的相關(guān)關(guān)系

注：1)表示通過0.05信度的顯著性檢驗;2)表示通過0.01信度的顯著性檢驗.

污染嚴(yán)重地區(qū)霧滴尺度與數(shù)濃度呈正相關(guān),而清潔地區(qū)則為負(fù)相關(guān)(Wang et al.,2009;Quan et al.,2011),探討兩者之間的關(guān)系對研究碰并作用比較重要。海霧的核化凝結(jié)增長過程并沒有內(nèi)陸霧顯著,N與r之間的關(guān)系不確定,正、負(fù)相關(guān)或無相關(guān)性都存在可能。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),霧過程中出現(xiàn)碰并作用的概率較大,基本都出現(xiàn)了T>0的情況(T值的變化范圍為0～1),且T>0的時間超過50%的霧過程有7個。根據(jù)T值的大小進(jìn)行分類(Niu et al.,2010),其中T>0.2為碰并強(qiáng)度適中,出現(xiàn)中等強(qiáng)度碰并作用的典型霧過程有6個(T>0.2的時間超過5%)。但是N與r沒有呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān),其原因可能是發(fā)展成熟階段碰并作用很強(qiáng),同時伴隨出現(xiàn)的核化凝結(jié)作用會促使新霧滴的形成,補(bǔ)充了因碰并作用導(dǎo)致的霧滴損失(Niu et al.,2010),因此有時會出現(xiàn)r增大,而N保持不變的情況。同時相關(guān)性分析是對于整個霧過程而言,包括了霧的開始和消散階段,這些階段的碰并作用并不顯著,導(dǎo)致整個過程中兩個特征量間的相關(guān)關(guān)系不是很顯著。

當(dāng)碰并過程為主時,霧滴譜增寬,霧滴譜標(biāo)準(zhǔn)差(σ)會隨著r和LWC增大而增大。而當(dāng)以核化凝結(jié)為主時,由于霧滴凝結(jié)增長,且核化凝結(jié)會不斷補(bǔ)充小霧滴,致使σ也會隨著LWC和r的增大而增大,因此東海島的不同霧過程中σ與LWC和r均呈明顯正相關(guān)(表3)。Niu et al.(2010)對南京地區(qū)霧過程的研究中發(fā)現(xiàn)碰并過程中σ與N呈負(fù)相關(guān),而核化凝結(jié)過程中呈正相關(guān)。在對不同過程的分析中發(fā)現(xiàn)σ與N的相關(guān)性和N與r的關(guān)系類似,正相關(guān)、負(fù)相關(guān)或不相關(guān)都存在,這說明不同的物理過程共同影響了霧的發(fā)展。

通過兩年資料的對比可以看出湍流對海霧的影響與觀測點位置有關(guān)。2010年的觀測中發(fā)現(xiàn)湍流作用抑制了霧滴的生長,使得霧滴N和LWC相較于2011年要低,碰并作用不強(qiáng)。根據(jù)霧過程發(fā)展程度的不同對整個霧過程進(jìn)行分段討論,能夠更明顯地區(qū)分出核化、凝結(jié)增長和碰并在不同階段的貢獻(xiàn)程度。對整個霧過程進(jìn)行分析,可以發(fā)現(xiàn)碰并作用會破壞核化凝結(jié)增長導(dǎo)致的正相關(guān)關(guān)系。研究結(jié)果表明核化、凝結(jié)增長仍是霧滴形成發(fā)展的關(guān)鍵機(jī)制,沒有此過程就沒有霧滴的形成,但是碰并、湍流和平流因子的影響作用與其他霧(如內(nèi)陸霧)相比加強(qiáng)。

2.3.2霧滴譜特征分析

霧滴譜分布是各種因子綜合作用的結(jié)果,如凝結(jié)和碰并都對霧滴增長和滴譜拓寬有著直接的作用,因此需要利用統(tǒng)計的方法研究海霧發(fā)生時的滴譜特征。牛生杰(2012)運(yùn)用統(tǒng)計學(xué)參數(shù)峰度K和偏度S來分析雨滴譜特征。Niu et al.(2010)基于此方法對南京地區(qū)的霧滴譜進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)霧滴譜也可以利用Gamma分布進(jìn)行擬合。利用兩年觀測數(shù)據(jù),將19次霧過程中平均偏度偏離系數(shù)(CS)和峰度偏離系數(shù)(CK)散點繪于圖2中,可見大部分的點落在直線y=x(Gamma分布特征線)的附近。此研究中CS、CK與Gamma分布特征線的相關(guān)系數(shù)分別為0.937、0.906,分布趨勢與Gamma特征線相同,可以利用Gamma分布進(jìn)行擬合。

圖2　不同海霧過程CS和CK的點聚圖Fig.2　The scatter diagram of CS vs CK in different sea fog cases

對比發(fā)現(xiàn)2010年(圖3a)和2011年(圖3b)的霧滴數(shù)密度存在較大差別,2010年碰并強(qiáng)度比2011年弱,最大值僅達(dá)0.5。2011年數(shù)密度隨直徑下降很快,在無明顯碰并時(T=0),霧滴數(shù)密度遞減率超過2010。碰并較強(qiáng)時,直徑15～25 μm之間霧滴數(shù)密度很高,遞減率減小(2011年這一特點更為明顯),該粒徑大小的霧滴對LWC貢獻(xiàn)顯著(Klemm and Wrzesinsky,2007)。粒徑超過25 μm霧滴生長受限,這可能與水汽被15～25 μm粒徑檔的霧滴生長所消耗、大粒徑的重力沉降更明顯有關(guān)。隨著T增加,各檔數(shù)密度均有上升。碰并作用對小霧滴數(shù)密度的影響不大,尤其是小于5 μm,這一部分霧滴主要由核化凝結(jié)生長貢獻(xiàn)。

圖3　不同T值下的霧滴譜分布　　a.2010年;b.2011年Fig.3　The fog droplet spectrum distributions in different T values　　a.2010;b.2011

2.4　氣溶膠與霧滴數(shù)濃度之間的關(guān)系

Zhang et al.(2011)指出在高氣溶膠數(shù)濃度下,云滴數(shù)濃度會隨著云水含量迅速增加;低氣溶膠數(shù)濃度時,云滴數(shù)濃度增加緩慢,而粒徑大小增加顯著。利用海霧發(fā)生期間的氣溶膠和霧滴數(shù)濃度的資料分析不同LWC環(huán)境下霧滴的生長狀況。在能見度小于1 000 m的情況下(圖4a—d),隨著氣溶膠數(shù)濃度的增加,霧滴數(shù)濃度(Nf)與氣溶膠數(shù)濃度(Na)的比值迅速下降,存在大量氣溶膠不能被活化,說明大量氣溶膠粒子爭奪水汽,使得活化形成的霧滴數(shù)濃度較低。圖4a中當(dāng)3 000 cm-30.03 g·m-3時,Nf/Na提高到0.01以上,氣溶膠粒子吸濕活化形成霧滴的比例增加。

圖4　不同LWC下霧滴與氣溶膠數(shù)濃度比值隨氣溶膠數(shù)濃度的變化　　a.CLW<0.01 g·m-3;b.0.01 g·m-30.05 g·m-3Fig.4　 Variations of Nf/Na(ratio between fog droplet number concentration and aerosol number concentration) with Na in different LWCs　　a.CLW<0.01 g·m-3;b.0.01 g·m-30.05 g·m-3

2.5　霧水化學(xué)組分特征

與陸地霧相比,海霧過程中海洋性離子占主導(dǎo)(樊曙先等,2009;Lu et al.,2010)。兩年的霧水資料分析(圖5)可以發(fā)現(xiàn),2010年(6次霧過程收集19瓶霧水)觀測到的霧水離子濃度要明顯高于2011年(13次霧過程收集191瓶霧水),平均離子濃度分別為38 260和5 600 μeq·L-1。2010年的Na+和Cl-濃度明顯高于其他離子成分的(Yue et al.,2012);2011年H+濃度明顯升高,霧水酸度很大。

霧水離子濃度差異較大是否意味著空氣中氣溶膠粒子濃度差別很大,需要對比空氣中單位體積內(nèi)可溶性物質(zhì)的負(fù)荷量。兩年大氣中總離子負(fù)荷量分別為659 nmol·m-3和470 nmol·m-3,可見空氣中懸浮的污染物質(zhì)量級相同。2011年總粒子濃度(Total Ion Content,TIC)與2010年相比顯著減少,主要原因不是污染物質(zhì)(PM10和氣體等)減少,而是霧水的稀釋作用加大,2011年LWC值是2010年的4倍。LWC出現(xiàn)明顯差別與觀測地點的不同有直接關(guān)系,2010年觀測點離海邊近且海拔高度低,近海岸低空垂直風(fēng)切變很大;海洋和陸地地表特征的差異導(dǎo)致近地層強(qiáng)烈的湍流輸送,將霧滴輸送至地面,同時飽和與不飽和空氣的湍流混合,導(dǎo)致霧滴的蒸發(fā)和海霧含水量偏低(張舒婷等,2013)。2011年觀測點位于山坡頂,海拔高度升高,氣流的抬升冷卻促進(jìn)空氣飽和,霧滴直徑和LWC會隨著高度增加(Goodman,1977)。因而不能單純地利用霧水離子濃度來說明當(dāng)?shù)匚廴境潭?需要結(jié)合其他量綜合考慮,但通過霧水離子成分的相關(guān)性可以初步判斷出局地空氣中主要的污染物類型。

3結(jié)論

雷州半島年平均霧日數(shù)為20～30 d。氣溫為16～22 ℃時,霧日較多,而降水量與霧日數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。東海島位于低壓前部或受到冷鋒影響時,海霧出現(xiàn)的概率最高。海霧發(fā)生期間的近地層平均風(fēng)速為1～5 m·s-1,風(fēng)向以偏東風(fēng)為主,隨高度順轉(zhuǎn),出現(xiàn)暖平流,為海霧的發(fā)生發(fā)展提供了水汽支持。

2010和2011年霧滴液態(tài)水含量(LWC)、數(shù)濃度(N)和平均半徑(r)的平均值分別為0.019 g·m-3、46 cm-3、2.46 μm和0.072 g·m-3、252 cm-3、2.40 μm。海霧的數(shù)濃度低于城市地區(qū)的霧,且LWC一般較低,其原因可能是海陸下墊面性質(zhì)不同導(dǎo)致湍流沉降加速,大霧滴數(shù)濃度較低,同時直徑超過50 μm的霧滴儀器無法直接觀測到。核化凝結(jié)增長是霧滴形成的關(guān)鍵,而霧滴形成后的發(fā)展受多種因子影響。海霧過程中碰并、湍流和平流因子的影響與其他類型霧相比加強(qiáng),致使微物理特征量間的相關(guān)性較差。霧滴譜可利用Gamma分布進(jìn)行擬合,隨著碰并作用的加強(qiáng),滴譜拓寬。

當(dāng)氣溶膠數(shù)濃度為3 000～4 000 cm-3,且CLW<0.01 g·m-3時,霧滴與氣溶膠數(shù)濃度的比值(Nf/Na)較大,并隨著LWC的增加,比值增加。

海霧霧水化學(xué)組分的主要離子為Na+和Cl-。2010和2011年TIC的平均值分別為38 260 μeq·L-1和5 600 μeq·L-1,而實際大氣中懸浮粒子濃度相差不大,說明2011年離子濃度的下降,不是因為大氣中污染物質(zhì)的減少,而是受高LWC的影響。2010年觀測點離海邊近且海拔高度低,強(qiáng)烈的湍流作用導(dǎo)致含水量偏低。

參考文獻(xiàn)(References)：

Alexandre A C,de Oliveira C J,de Oliveira J C P,et al.2000.Microphysical observations of warm cumulus clouds in Cear,Brazil[J].Atmos Res,54(2/3):167-199.

鮑寶堂,束家鑫,朱炳權(quán).1995.上海城市霧理化特性的研究[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報,18(1):114-118.Bao Baotang,Shu Jiaxin,Zhu Bingquan.1995.Study on physicochemical properties of urban fog in Shanghai[J].J Nanjing Inst Meteor,18(1):114-118.(in Chinese).

鮑艷松,管琴,王智娟,等.2013.山西省大霧的中尺度數(shù)值模擬[J].大氣科學(xué)學(xué)報,36(5):527-536.Bao Yansong,Guan Qin,Wang Zhijuan,et al.2013.The mesoscale numerical simulation of the fog in Shanxi Province[J].Trans Atmos Sci,36(5):527-536.(in Chinses).

樊曙先,楊雪貞,樊韜,等.2009.南京冬季霧水金屬元素及水溶性陰離子濃度特征[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,29(9):1878-1885.Fan Shuxian,Yang Xuezhen,Fan Tao,et al.2009.Metal elements and water soluble anion concentrations in winter fog water in Nanjing[J].Acta Scientiae Circumstantiae,29(9):1878-1885.(in Chinese).

Gultepe I,Milbrandt J A.2007.Microphysical observations and mesoscale model simulation of a warm fog case during FRAM project[J].Pure Appl Geophy,164:1161-1178.

Gultepe I,Tardif R,Michaelides S C,et al.2007.Fog research:A review of past achievements and future perspectives[J].Pure Appl Geophys,164:1121-1159.

Goodman J.1977.The microstructure of California coastal fog and stratus[J].J Appl Meteor,16:1056-1067.

黃玉生,黃玉仁,李子華,等.2000.西雙版納冬季霧的微物理結(jié)構(gòu)及演變過程[J].氣象學(xué)報,5(6):715-725.Huang Yusheng,Huang Yuren,Li Zihua,et al.2000.The microphysical structure and evolution of winter fog in Xishuangbanna[J].Acta Meteor Sinica,5(6):715-725.(in Chinese).

Igawa M,Matsumura K,Okochi H.2001.Fog water chemistry at Mt.Oyama and its dominant factors[J].Water Air Soil Pollut,130:607-612.

Klemm O,Wrzesinsky T.2007.Fog deposition fluxes of water and ions to a mountainous site in Central Europe[J].Tellus,59(40):705-714.

劉延剛.1991.偏度和峰度在粒子譜研究中的應(yīng)用[J].氣象,17(1):9-14.Liu Yangang.1991.The application of skewness and kurtosis to the studies on particle distribution[J].Meteor Mon,17(1):9-14.

Liu Y G,Daum P H,McGraw R L.2004.An analytical expression for predicting the critical radius in the autoconversion parameterization[J].Geophys Res Lett,31,L06121,doi:10.1029/2003GL019117.

Liu Y G,Daum P H,McGraw R L.2005.Size truncation effect,threshold behavior,and a new type of autoconversion parameterization[J].Geophys Res Lett,32,L11811,doi:10.1029/2005GL022636.

Liu Y G,Daum P H,McGraw R L,et al.2006.Generalized threshold function accounting for effect of relative dispersion on threshold behavior of autoconversion process[J].Geophys Res Lett,33,L11804,doi:10.1029/2005GL025500.

陸春松.2012.霧和低云主要物理過程的研究及統(tǒng)一認(rèn)識的探索[D].南京:南京信息工程大學(xué).Lu Chunsong.2012.Studying the main microphysical processes and exploring the unifying understanding of fog and low-level clouds[D].Nanjing:Nanjing University of Information Science & Technology.(in Chinese).

Lu C,Niu S,Tang L,et al.2010.Chemical composition of fog water in Nanjing area of China and its related fog microphysics[J].Atmos Res,97:47-69.

陸春松,牛生杰,岳平,等.2011.南京冬季霧多發(fā)期邊界層結(jié)構(gòu)觀測分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報,34(1):58-65.Lu Chunsong,Niu Shengjie,Yue Ping,et al.2011.Observational research on boundary layer structure during high incidence period of winter fog in Nanjing[J].Trans Atmos Sci,34(1):58-65.(in Chinese).

呂晶晶,牛生杰,趙麗娟,等.2014.湛江地區(qū)一次冷鋒型海霧微物理特征[J].大氣科學(xué)學(xué)報,37(2):208-215.Lü Jingjing,Niu Shengjie,Zhao Lijuan,et al.2014.Microphysical characteristics of a sea fog influenced by a cold front in Zhanjiang[J].Trans Atmos Sci,37(2):208-215.(in Chinese).

牛生杰.2012.云降水物理研究[M].北京:氣象出版社.Niu Shengjie.2012.The research on microphysics of cloud s and precipitation[M].Beijing:China Meteorological Press.(in Chinese).

Niu S,Lu C,Liu Y,et al.2010.Analysis of microphysical structure of heavy fog using a droplet spectrometer:A case study[J].Adv Atmos Sci,27(6):1259-1275.

Quan J,Zhang Q,He H,et al.2011.Analysis of the formation of fog and haze in North China Plain(NCP)[J].Atmos Chem Phys,11(15):8205-8214.

盛立芳,梁衛(wèi)芳,王丹,等.2010.海洋氣象條件變化對青島平流霧過程的影響分析[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報,40(6):1-10.Sheng Lifang,Liang Weifang,Wang Dan,et al.2010.Analysis on impact of marine meteorology condition on one advection sea fog in Qingdao[J].Periodical of Ocean University of China,40(6):1-10.(in Chinese).

Tachibana Y,Iwamoto K,Ogawa H,et al.2008.Observational study on atmospheric and oceanic boundary-layer structures accompanying the Okhotsk Anticyclone under fog and non-fog conditions[J].J Meteor Soc Japan,86(5):753-771.

唐浩華,范紹佳,吳兌,等.2002.南嶺山地濃霧的微物理結(jié)構(gòu)及演變過程[J].中山大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002,41(4):92-96.Tang Haohua,Fan Shaojia,Wu Dui,et al.2002.Research of the microphysical structure and evolution of dense fog over Nanling Mountain Area[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,41(4):92-96.(in Chinese).

王彬華.1983.海霧[M].北京:海洋出版社.Wang Binhua.1983.Sea fog[M].Beijing:China Ocean Press.(in Chinese).

Wang J,Daum P H,Yum S S,et al.2009.Observations of marine stratocumulus microphysics and implications for processes controlling droplet spectra:Results from the Marine Stratus/Stratocumulus Experiment[J].J Geophys Res,114(D18210),doi:10.1029/2008JD011035.

王帥,傅聃,陳德林,等.2012.2009年春季一次黃海海霧的觀測分析及數(shù)值模擬[J].大氣科學(xué)學(xué)報,35(3):282-294.Wang Shuai,Fu Dan,Chen Delin,et al.2012.An observation and numerical simulation of a sea fog event over the Yellow Sea in the spring of 2009[J].Trans Atmos Sci,35(3):282-294.(in Chinese).

徐峰,牛生杰,張羽,等.2011a.湛江東海島春季海霧霧水化學(xué)特性分析[J].中國環(huán)境科學(xué),31(3):353-360.Xu Feng,Niu Shengjie,Zhang Yu,et al.2011a.Analyses on chemical characteristic of spring sea fog water on Donghai Island in Zhanjiang,China[J].China Environmental Science,31(3):353-360.(in Chinese).

徐峰,牛生杰,張羽,等.2011b.雷州半島霧的氣候特征及生消機(jī)理[J].大氣科學(xué)學(xué)報,34(4):423-432.Xu Feng,Niu Shengjie,Zhang Yu,et al.2011b.Fog climate statistical characteristics and its formation and dissipation mechanism on the Leizhou Peninsula[J].Trans Atmos Sci,34(4):423-432.(in Chinese).

楊中秋,許紹祖,耿驃.1989.舟山地區(qū)春季海霧的形成和微物理結(jié)構(gòu)[J].海洋學(xué)報,11(4):431-438.Yang Zhongqiu,Xu Shaozu,Geng Biao.1989.The formation and microphysics structure of sea fog in spring in Zhoushan[J].Acta Oceanologica Sinica,11(4):431-438.(in Chinese).

Yue Y,Niu S,Zhao L,et al.2012.Chemical composition of sea fog water along the South China Sea[J].Pure Appl Geophys,169:2231-2249.

Zhang Q,Quan J,Tie X,et al.2011.Impact of aerosol particles on cloud formation:aircraft measurements in China[J].Atmos Environ,45:665-672.

張舒婷,牛生杰,趙麗娟.2013.一次南海海霧微物理結(jié)構(gòu)個例分析[J].大氣科學(xué),37(3):552-562.Zhang Shuting,Niu Shengjie,Zhao Lijuan.2013.The microphysical structure of fog droplets in asea fog event in the South China Sea [J].Chinese J Atmos Sci,37(3):552-562.(in Chinese).

張?zhí)K平,鮑獻(xiàn)文.2008.近十年中國海霧的研究進(jìn)展[J].中國海洋大學(xué)學(xué)報,38(3):359-366.Zhang Suping,Bao Xianwen.2008.The main advances in sea fog research in China[J].Periodical of Ocean University of China,38(3):359-366.(in Chinese).

Zhao L,Niu S,Zhang Y,et al.2012.Microphysical characteristics of sea fog on the east coast of Leizhou Peninsula[J].Adv Atmos Sci,doi:10.1007/s00376-012-1266-x.

(責(zé)任編輯：孫寧)

張祎,張衛(wèi)斌,王振會，等.2015.歐亞大陸晴天大氣電場變化特征統(tǒng)計分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報,38(5):703-709.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20111230001.

Zhang Yi,Zhang Wei-bin,Wang Zhen-hui,et al.2015.Analysis of fair-weather atmospheric electric field over Eurasian Continent[J].Trans Atmos Sci,38(5):703-709.(in Chinese)