廖碧婷,黃 俊,鄧雪嬌,王春林,王四化,黃曉云,孫道東
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基于微波輻射計(jì)分析低能見度的液態(tài)含水量特征
廖碧婷1,黃 俊2,鄧雪嬌3*,王春林2,王四化1,黃曉云1,孫道東1
(1.廣州市黃埔區(qū)氣象局,廣東 廣州 510530;2.廣州市氣候與農(nóng)業(yè)氣象中心,廣東 廣州 511430;3.中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所,廣東 廣州 510080)
利用廣州國(guó)家基本氣象站2013年11月~2014年4月的能見度(Vis)、相對(duì)濕度(RH)、微波輻射計(jì)液態(tài)含水量(LPR)小時(shí)資料和云資料,分析了廣州地區(qū)能見度的時(shí)間變化,以及低能見度時(shí)液態(tài)含水量變化特征.結(jié)果表明廣州地區(qū)Vis<10km的出現(xiàn)頻率為66.37%;Vis£1km只在RH395%情況下出現(xiàn),1km
低能見度;液態(tài)含水量;霧;霾
大氣中發(fā)生霧與霾現(xiàn)象時(shí),空氣中水汽含量可能明顯不同.霧發(fā)生時(shí)大氣處于飽和或近飽和狀態(tài),而出現(xiàn)霾現(xiàn)象時(shí)空氣濕度較低.目前,氣象業(yè)務(wù)觀測(cè)中,對(duì)霧與霾的客觀分辨仍然存在問(wèn)題,重要原因是對(duì)大氣中液態(tài)含水量(大氣處于飽和或近飽和狀態(tài)現(xiàn)象)、相對(duì)濕度與能見度等要素變化的客觀情景缺乏深入認(rèn)識(shí).近年氣象觀測(cè)取得了較快的發(fā)展,器測(cè)能見度代替了人工能見度觀測(cè),也開展了可探測(cè)大氣液態(tài)含水量的微波輻射計(jì)觀測(cè).通過(guò)氣象觀測(cè)可獲得高時(shí)間分辨率同步觀測(cè)的大氣液態(tài)含水量、能見度和相對(duì)濕度等要素?cái)?shù)據(jù),因此,利用大氣中的液態(tài)含水量、相對(duì)濕度和能見度等要素特征來(lái)區(qū)別霧和霾具有一定的可行性.目前,不同學(xué)者主要利用微波輻射計(jì)的液態(tài)含水量資料分析云降水結(jié)構(gòu)[1-6]、強(qiáng)降水天氣過(guò)程等[7-11],較少應(yīng)用在霧和霾的相關(guān)研究中,對(duì)霧和霾的研究基本集中在能見度變化特征[12-15]及其與相對(duì)濕度、PM2.5濃度等關(guān)系分析[16-29],探討了利用相對(duì)濕度和PM2.5濃度來(lái)區(qū)別霧和霾的可能[30-31],而對(duì)能見度與大氣中液態(tài)含水量的研究尚未深入開展.本文利用2013年11月~2014年4月微波輻射計(jì)的液態(tài)含水量資料來(lái)判別大氣中是否存在將近飽和或過(guò)飽和現(xiàn)象,以區(qū)別大氣中的低能見度事件是霧或霾,為日常霧霾天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)預(yù)警提供一定的參考.
廣州地區(qū)霧和霾的高發(fā)時(shí)段主要出現(xiàn)在每年的11月~次月的4月.本文選取2013年11月~2014年4月廣州國(guó)家基本氣象站的RPG-HATPRO-G3微波輻射計(jì)觀測(cè)的液態(tài)含水量(LPR)資料、常規(guī)地面觀測(cè)資料和云高資料進(jìn)行研究.
RPG-HATPRO-G3微波輻射計(jì)是一款被動(dòng)式地基微波遙感設(shè)備,能實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)、處理和提供大氣邊界層和對(duì)流層的溫度、濕度、液態(tài)含水量等信息.液態(tài)含水量探測(cè)高度范圍為0~10km,共92層(300m以下20m分辨率,300~580m為30m,580~900m為40m,900~2000m為50m,2000~3000m為100m,3000~ 3900m為150m,3900~4500m為200m,4500~9600m為300m,最后一層為10000m).
地面能見度(Vis)與地面相對(duì)濕度(RH)和云資料等氣象資料來(lái)源于廣州國(guó)家基本氣象站.能見度數(shù)據(jù)采用的是美國(guó)Belfort公司的Model 6000型前向散射式能見度儀.云資料則是由ZXD03型地基紅外測(cè)云儀測(cè)得,ZXD03型地基紅外測(cè)云儀可晝夜連續(xù)觀測(cè)云量、云狀、云高和云的分布信息.這些觀測(cè)設(shè)備的標(biāo)校與質(zhì)控執(zhí)行國(guó)家基本氣象站的觀測(cè)標(biāo)準(zhǔn).
所有資料均進(jìn)行了嚴(yán)格的質(zhì)量控制.當(dāng)出現(xiàn)明顯降水時(shí),能見度儀的觀測(cè)值會(huì)出現(xiàn)明顯降低,因此,本文所用數(shù)據(jù)均已剔除出現(xiàn)降水時(shí)的資料.
由圖1可見,2013年11月~2014年4月廣州地區(qū)的能見度(Vis)大部分在10km以下,相對(duì)濕度(RH)變化幅度較大,介于20%~100%之間.
圖1 2013年11月~2014年4月廣州地區(qū)能見度(Vis)和相對(duì)濕度(RH)變化
由圖2可見,廣州地區(qū)LPR逐月變化差異較大.其中2~3月的LPR較大,這與2~3月份西南暖濕氣流較旺盛,空氣中水汽含量較高有關(guān);12月和1月的LPR均較小,這與12月和1月冷空氣影響較為頻繁,空氣干冷有關(guān).
將2013年11月~2014年4月廣州地區(qū)小時(shí)能見度資料按Vis>15km、10km£Vis£15km、5km 圖2 2013年11月~2014年4月LPR時(shí)間序列 圖3 廣州地區(qū)2013年11月~2014年4月不同能見度事件出現(xiàn)的頻率 由圖4可見,不同能見度事件在不同相對(duì)濕度區(qū)間的出現(xiàn)頻率差異較大.其中Vis£1km只在RH395%情況下出現(xiàn),1km 圖4 不同能見度事件在不同相對(duì)濕度區(qū)間的分布頻率 圖5 2013年11月~2014年4月不同相對(duì)濕度范圍內(nèi)的LPR廓線變化特征 由圖5可見,不同RH范圍內(nèi)的LPR呈明顯的單峰(高值出現(xiàn)在低空)變化形態(tài).當(dāng)90% 綜上所述,在高度2200m下,地面RH和低空大氣LPR基本呈正相關(guān)關(guān)系,RH越大,LPR的峰值則越明顯;不過(guò)當(dāng)?shù)孛鍾H大于95%時(shí)(空氣中水汽接近飽和或飽和時(shí)),LPR顯著低于其他RH范圍的LPR. 由圖6可見,不同低能見度事件均在夜間時(shí)段(19:00~23:00)和早上時(shí)段(00:00~09:00)出現(xiàn)的頻率較高,其中5km 圖6 不同低能見度事件在不同時(shí)次出現(xiàn)的頻率 圖7 不同時(shí)段LPR廓線平均值變化特征 圖7給出早(00:00~09:00)、中(10:00~18:00)和晚(19:00~23:00)不同時(shí)段LPR的平均值.由圖7可見,低空大氣的LPR平均值從高到低的順序依次為早>晚>中,這和低能見度出現(xiàn)頻率的高低順序相一致.可見,低能見度事件與低空大氣中LPR的高低存在一定的相關(guān).這與曹偉華[23]利用微波輻射計(jì)研究北京一次霧過(guò)程得出的相對(duì)濕度增大、水汽發(fā)生凝結(jié)是影響霧階段大氣能見度下降的重要因素結(jié)論較為一致. 由圖8可見,不同能見度范圍內(nèi)的LPR廓線呈明顯的單峰變化形態(tài),在探測(cè)高度160m以下,各能見度范圍內(nèi)的LPR幾乎為0,表明在近地表無(wú)論能見度高低微波輻射計(jì)均未監(jiān)測(cè)到明顯的液態(tài)水.在160m高度以上,各能見度范圍內(nèi)的LPR的值迅速增高,到2700m則迅速減小,4000m高度以上的LPR基本處于很低的水平. 2km 1km 當(dāng)出現(xiàn)低能見度時(shí),LPR平均值出現(xiàn)最大值的高度要比高能見度時(shí)的高度要低.1km 分析表明,低能見度時(shí)(1km 圖8 2013年11月至2014年4月不同能見度范圍內(nèi)的LPR變化特征 圖9 Vis£2km時(shí)RH變化情況 由表1可見,不同能見度事件中,高云的云高變化范圍為6000~10000m,中云的云高變化范圍為2500~5200m,低云的云高變化范圍為150~2000m.由圖8可知,1km 表1 不同能見度事件的云高變化情況 注:/表示Vis£1km時(shí)未出現(xiàn)低云,中云的平均值、最大值和最小值都一樣主要是因?yàn)閮H出現(xiàn)過(guò)一次中云. 表2 不同低能見度事件出現(xiàn)低云和高液態(tài)含水量層的概率 表2為不同低能見度事件出現(xiàn)低云和高液態(tài)含水量層的概率.可見,在Vis£1km情況下,均未出現(xiàn)低云和大于0.02g/m3的高含水量層.表明地面出現(xiàn)Vis£1km的低能見度并不是低云接地(為霧)的現(xiàn)象.由前述可知Vis£1km只出現(xiàn)在RH395%情況下,且總是在夜間~早上(圖6)出現(xiàn),說(shuō)明與夜間的強(qiáng)輻射冷卻過(guò)程(導(dǎo)致近飽和RH395%情景發(fā)生)密切相關(guān). 在1km 在2km 在3km 在5km 由表3可見,Vis£1km時(shí),RH395%,且PM質(zhì)量濃度都較高.說(shuō)明廣州Vis£1km的低能見度具有高濕度(RH395%)、高顆粒物濃度(PM2.5> 88.3μg/m3)、無(wú)液態(tài)水(LPR=0)及發(fā)生于夜間~早上的特點(diǎn),為夜間地面輻射冷卻使空氣中的水汽易達(dá)到飽和所致的物理過(guò)程(輻射霧)和在夜間不利氣象條件下累積的高濃度顆粒物(霾)混合導(dǎo)致的低能見度情景.說(shuō)明廣州Vis£1km的低能見度(本文分析期間2013年11月~2014年4月)應(yīng)為霧-霾混合情景.在高濕和高污染情況下出現(xiàn)低能見度事件說(shuō)明高相對(duì)濕度下能見度的削弱影響主要來(lái)自于顆粒物的吸濕增長(zhǎng)改變了原有粒子的譜分布和形狀從而加大了顆粒物的散射消光能力[35],在較高的相對(duì)濕度下顆粒物的非均相化學(xué)反應(yīng)更加明顯[36],這進(jìn)一步增強(qiáng)了氣溶膠的消光能力,在高顆粒物濃度和高相對(duì)濕度的協(xié)同影響下,導(dǎo)致能見度顯著惡化[37].2月1日07:00~08:00,相對(duì)濕度大于95%,PM2.5較低時(shí)能見度也比較低,此時(shí),水汽是影響氣溶膠光學(xué)特性的重要因子[22,33],霧天氣下其對(duì)能見度的影響甚至可能超過(guò)氣溶膠粒子濃度對(duì)能見度的影響[34]. 由以上分析可知,地面低能見度過(guò)程與低云(霧)不一定同時(shí)出現(xiàn),地面低能見度過(guò)程不是低云(或低云接地為霧)的概率基本在50%以上,夜間~早上出現(xiàn)的Vis£1km的低能見度與低云(或低云接地為霧)的過(guò)程無(wú)關(guān).Vis£1km只出現(xiàn)在RH395%情況下,說(shuō)明地表出現(xiàn)的近飽和是地表發(fā)生的物理過(guò)程所決定,而不是低空云向地面伸展及地的結(jié)果.這由微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)的低空LPR顯著低于其他RH范圍的LPR,地表出現(xiàn)近飽和情況時(shí)中低空的LPR總體上較小得到印證(圖5). 表3 Vis£1km情況下顆粒物等要素變化特征 注:“-”表示未進(jìn)行總云量觀測(cè). 2014年2月14~18日,廣州能見度是一個(gè)逐漸惡化的過(guò)程,14日,能見度都維持在10km以上,15日白天,能見度有所波動(dòng),時(shí)好時(shí)壞,15日20:00開始,能見度快速降到5km左右,16日00:00~18日11:00,能見度都低于10km,過(guò)程最低能見度出現(xiàn)在18日03:00,為1.7km. LPR自15日00:00開始,在1000~3750m高度處都保持有一個(gè)高值區(qū),16日08:00開始,高值區(qū)的值有所減小,但也基本大于0.1g/m3,而此時(shí)段的PM濃度基本處于較低水平,所以15~16日14:00的低能見度可能是以霧為主. 16日14:00~18日06:00,大氣中基本有液態(tài)含水量層出現(xiàn),尤其是18日00:00~18日07:00有液態(tài)含水量高值中心出現(xiàn),導(dǎo)致了18日00:00-07:00的能見度基本低于3km,對(duì)應(yīng)此時(shí)段PM濃度有所上升,其中16日19:00至17日19日,PM2.5的濃度基本高于100μg/m3,最高達(dá)114.4μg/m3.因此16日14:00~18日06:00的低能見度可能為霧-霾相互轉(zhuǎn)化或共存造成的,即實(shí)質(zhì)可能是空中飽和層形成的云滴通過(guò)邊界層湍流等過(guò)程降落至近地面,由于近地面是未飽和的大氣環(huán)境,云滴很快通過(guò)蒸發(fā)等過(guò)程向“霾滴”轉(zhuǎn)化,大量的云滴霧滴霾滴(相互轉(zhuǎn)換-碰并)混合在一起,從而造成能見度惡化,這種情景從科學(xué)角度來(lái)說(shuō)應(yīng)為霧霾混合情景. 綜合全文分析表明,只有聯(lián)合利用微波輻射計(jì)(判斷低空是否出現(xiàn)高含水量層)與測(cè)云儀(判斷是否出現(xiàn)低云或霧)給出地面低能見度過(guò)程是否為低云或低云接地為霧的分辨,再根據(jù)微波輻射計(jì)監(jiān)測(cè)近地層的液態(tài)水含量、地面相對(duì)濕度與顆粒物的數(shù)值,可進(jìn)一步較清晰地分辨霧、霾或霧霾混合情景. 雖然低空大氣的LPR在低能見度事件中,有較明顯的區(qū)別于高能見度的特征,對(duì)日常霧霾預(yù)報(bào)工作有一定的參考意義,但作為量化技術(shù)指標(biāo)判別低能見度事件是霧或霾仍具有一定的局限性.原因如下:當(dāng)?shù)孛嫦鄬?duì)濕度大于95%時(shí),LPR值偏低,近地層內(nèi)(160m以下)LPR接近于0,Vis£1km情景下,LPR基本為0,這可能與微波輻射計(jì)的測(cè)量誤差與反演精度有密切關(guān)系[38-39].另外,測(cè)云儀在地表Vis£1km沒(méi)有監(jiān)測(cè)到低云的存在是否與很低能見度的情景對(duì)測(cè)云儀的反演算法存在一定的影響有密切關(guān)系[40].這些疑點(diǎn)有待于技術(shù)的改進(jìn)加以強(qiáng)有力的科學(xué)考證.因此,在日后的工作中,仍需結(jié)合更多的實(shí)測(cè)資料做更深入的研究. 圖10 2014年2月14~18日廣州地區(qū)能見度(a)、PM質(zhì)量濃度(b)、LPR(c、d)變化特征 Fig.10 Characteristics of visibility(a),concentration of PM(b) and LPR(c、d) from February 14 to 18 in 2014 3.1 廣州地區(qū)5km 3.2 Vis£1km只在RH395%情況下出現(xiàn),1km< Vis£2km只在RH>90%出現(xiàn),Vis>5km在RH>95%區(qū)間出現(xiàn)頻率為0,Vis>15km在RH>90%的出現(xiàn)頻率為0. 3.3 低能見度事件出現(xiàn)的頻率高低順序依次為早>晚>中,與相應(yīng)時(shí)段低空大氣的LPR平均值高低一致,說(shuō)明低能見度事件與空氣中高液態(tài)含水量存在一定的正相關(guān).在高度2200m下,地面RH和LPR基本呈正相關(guān)關(guān)系,RH越大,LPR的峰值則越明顯. 3.4 低能見度時(shí)(Vis<10km),大氣液態(tài)含水量都處于較高的水平,在3000m以下存在一個(gè)大于0.02g/m3的高含水量層,LPR平均值出現(xiàn)最大值的高度約在1550m左右,5km 3.5 廣州地面低能見度過(guò)程與低云(霧)不一定同時(shí)出現(xiàn),地面低能見度過(guò)程不是低云(或低云及地為霧)過(guò)程導(dǎo)致的概率在50%以上.Vis£1km的低能見度具有高濕度(RH395%)、高顆粒物濃度(PM2.5> 88.3μg/m3)、無(wú)液態(tài)水(LPR=0)及發(fā)生于夜間~早上的特點(diǎn),為夜間地面輻射冷卻使空氣中的水汽易達(dá)到飽和所致的物理過(guò)程(輻射霧)和在夜間不利氣象條件下累積的高濃度顆粒物(霾)混合導(dǎo)致的低能見度情景. 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LIAO Bi-ting1, HUANG Jun2, DENG Xue-jiao3*, WANG Chun-lin2, WANG Si-hua1, HUANG Xiao-yun1, SUN Dao-dong1 (1.Guangzhou Huangpu Meteorology, Guangzhou 510530, China;2.Guangzhou Climate and Agrometeorology Center, Guangzhou 511430, China;3.Institute of Tropical Marine and Meteorology, China Meteorological Administration, Guangzhou 510080, China)., 2018,38(10):3673~3682 We characterized the temporal variations of visibility (Vis), relative humidity (RH) and liquid water profile (LPR) during low visibility periods based on the visibility, cloud and microwave-radiometer-detected liquid water content data provided by the national basic meteorological station in Guangzhou from November 2013 to April 2014. Results showed that the occurrence frequency of Vis<10km was 66.37%. Vis£1km happened when RH395%, and 1km low visibility;liquid water content;fog;haze X831 A 1000-6923(2018)10-3673-10 廖碧婷(1986-),女,廣東清遠(yuǎn)人,工程師,碩士,主要研究方向大氣物理學(xué)與大氣環(huán)境.發(fā)表論文10余篇. 2018-03-17 國(guó)家自然科學(xué)基金(41475105);國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0203305);廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A020215020);廣州市產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新重大專項(xiàng)(201604020028);廣東省氣象局科研項(xiàng)目(GRMC2017M27);廣東省氣象局科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(201704);廣州市氣象局科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)(201707) * 責(zé)任作者, 研究員, dxj@grmc.gov.cn2.2 低能見度時(shí)的LPR變化特征
2.3 液態(tài)含水量與云的關(guān)系
2.4 典型個(gè)例分析
3 結(jié)論