南京一次輻射霧過程的邊界層特征

張禮春朱彬范曉青

（1 中國氣象局公共氣象服務中心，北京 100081；2 中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京信息工程大學，南京 210044）

南京一次輻射霧過程的邊界層特征

張禮春1朱彬2范曉青1

（1 中國氣象局公共氣象服務中心，北京 100081；2 中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京信息工程大學，南京 210044）

選取2007年12月13—14日南京一次輻射霧的外場觀測資料及NCEP的2.5°×2.5°NC再分析資料和GDAS全球1°×1°氣象資料，從天氣形勢背景、氣象要素以及物理量場等方面，探討霧形成和持續的主要邊界層物理和天氣學成因；并利用HYSPLIT-4軌跡模式對此次霧過程進行后向軌跡分析。分析表明：（1）此次霧過程期間始終存在逆溫層，甚至出現多層逆溫。逆溫層的存在，使大氣層結更加穩定，利于霧的形成和發展。（2）此次輻射霧過程水汽輸送較平流輻射霧小，水汽來源主要來自本地輻射降溫后的水汽凝結。（3）此次霧過程地面受高壓控制，低層水汽通量散度為正值，近地面有弱輻散，利于輻射降溫水汽凝結，而持續的水汽輻散造成的水汽流出以及霧后期隨著北部干冷空氣南下使得這次輻射霧壽命較短。

霧，大氣邊界層，水汽通量，HYSPLIT-4后向軌跡

1 引言

近些年來的統計資料表明[1]，隨著社會經濟的發展，大霧的出現頻率、持續時間和濃密程度都有逐年提高的趨勢。由于濃霧而導致機場、高速公路關閉、港口暫停船舶進出的情況不時見諸報端，大有愈演愈烈之勢。因此，霧作為一種災害性天氣現象受到越來越廣泛的關注和研究。

霧是懸浮于近地面氣層中水汽凝結成水滴或冰晶使水平能見度小于1km的天氣現象，國內外不少研究工作都對霧進行了大量的觀測和理論研究[2-5]。李子華等[5]研究發現，南京冬季出現頻率最高的是輻射霧，而有的輻射霧，常有平流的較大影響，則稱它為平流輻射霧。輻射霧多在午夜前后發生，也有一些發生于傍晚前后，個別的形成于日出前后。而霧消散多在中午前后，也有一些消散于日出之后。2007年12月13－14日，在南京形成的這場霧即為一次典型的輻射霧過程[6]，這次霧首先由13日晚輻射降溫形成，次日06時左右加濃，日出后由于地面溫度升高，水汽蒸發，濃霧10時左右消散。本文綜合利用外場觀測資

料及NCEP的2.5°×2.5°NC再分析資料和GDAS全球1°×1°氣象資料，結合天氣形勢背景、氣象要素以及物理量場，探討這次輻射霧形成和持續的主要邊界層物理和天氣學成因，并利用HYSPLIT軌跡分析方法，進一步驗證霧形成的水汽來源。

2 探測儀器及資料概況

2007年11月15日—12月29日，課題組在南京信息工程大學校園內（118.7?E，32.2?N，海拔高度27m）進行了冬季霧外場綜合觀測試驗。

霧的外場綜合觀測主要內容有：以霧生命史為主要研究對象，獲取第一手的高時空分辨率的濃霧發生、發展、成熟和消散整個過程中的宏微觀特征、邊界層結構以及各類氣象要素等綜合資料。

觀測儀器包括：芬蘭Va i s a l a公司生產的DigiCORA系留氣球低空探測系統，進行大氣邊界層溫、壓、濕和風的探測，觀測時由飛艇攜帶傳感器升空后將不同高度上的溫、壓、濕、風等資料傳至地面接收系統，在計算機上保存并顯示各氣象要素廓線。一般而言，每1～3s產生一組數據，包括氣壓、溫度、相對濕度、海拔高度、風速、風向等。在風速等天氣條件允許的情況下，無霧日一般3h觀測一次，出現霧時加密觀測，間隔一般為1～1.5h，每次探測時間40min左右，高度一般在600～1000m之間，只有在風速特別大，達到10m/s的情況時收回系留氣球，探測高度降低。溫度、相對濕度、氣壓、風速、風向傳感器的分辨率分別為0.1℃，0.1%，0.1hPa，0.1m/s和1°。另外，霧滴尺度譜分布使用FM-100型霧滴譜儀。

3 邊界層特征

3.1 天氣形勢分析

受南支槽和貝加爾湖冷空氣南下共同影響，12月12日白天出現降水，雨區包括江蘇、安徽、湖北、湖南及河南等地，12日16時南京降水結束，雨后地面相對濕度較大。12日20時，南支槽和蒙古低槽合并，此時江蘇處于槽后西北氣流當中。13日20時，江蘇位于槽后偏西風平直鋒區中，地面受高壓控制，天氣晴好、微風、大氣層結穩定，利于夜間輻射降溫。南京于13日22時左右出現霧，14日凌晨發展為能見度小于500m的濃霧，持續到上午10時以后逐漸消散。

3.2 霧過程的大氣邊界層結構

圖1和圖2分別為2007年12月13—14日霧過程中溫度、相對濕度、平均風速廓線變化圖以及14日風的時間—高度剖面圖。由圖可見，13日20時，地面輻射降溫使得貼地層形成逆溫，近地面風速較小，1m·s－1左右，相對濕度較大。同時在420～440m和750～760m也形成兩個薄的逆溫層。近地面不斷的降溫增濕，最終空氣達到飽和，在13日21:55（圖略），肉眼已經觀察到近地面形成霧。霧形成后，在整個霧過程中，霧區內風速在0～4m·s－1，適宜的風速，有利于水汽的上下傳輸，有利于霧的發展和維持。而霧頂之上，相對濕度總地呈明顯減小趨勢，風速也較大，超過4m·s－1。13日22:40，600m高度低云形成。14日01:30以后，溫度廓線圖上可以看出出現明顯的多層逆溫，這與湍流的不連續性有關。14日06時低云與低層霧區經過發展后合并。14日09時，日出后的短波輻射使近地層空氣升溫。14日10:40左右，隨著湍流發展的旺盛，多層逆溫開始遭到破壞，溫度廓線呈波動狀。12時左右，隨著近地層空氣持續升溫，近地層較強逆溫也被破壞，上下層氣流交換增強，近地面霧漸漸消散至殆盡?？梢娔鏈氐拇嬖诶陟F的形成和發展，是霧維持發展的一個不可缺少的條件。

3.3 霧過程水汽輸送特征

通過對此次霧過程925hPa高度各時刻比濕、水汽通量、水汽通量散度分布的研究分析，13日20時，南京近地面比濕為2g·kg-1，水汽含量充沛。南海海面有水汽通量大值區，并不斷向北偏東方向輸送，南京位于水汽通量輸送帶上，上空水汽通量近2g·s-1·hPa-1·cm-1。14日02時，比濕減小為1.6g·kg-1，此時霧已生成并繼續發展，近地面水汽不斷凝結成霧滴，故比濕較前有所下降。此時，水汽輸送帶繼續向北移動，但南京上空水汽略有減小。14日08時，比濕仍為1.6g·kg-1左右，這說明霧過程中水汽不斷補充和凝結消耗基本動態維持不變。水汽開始逐漸影響我國華南及江浙一帶，南京地區水汽通量變得很小。結合張禮春等[7]對2006年12月24—27日在南京形成的一次持續性濃霧天氣過程的水汽來源分析，對比可以發現，這次輻射霧過程期間水汽輸送明顯較平流輻射霧小。另外，在此次霧過程中，地面受高壓控制，低層水汽通量散度為正值，近地面有弱輻散，利于輻射降溫，水汽凝結形成霧。而后期持續的水汽輻散造成水汽不斷流出使得這次輻射霧壽命較短。

3.4 后向軌跡分析

HYSPLIT-4軌跡模式[8]是由美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）開發的供質點軌跡、擴散及沉降分析用的綜合模式系統。該模式是Eulerian-Lagrangian混合型的擴散模式，其平流和擴散計算采用Lagrangian法，通常用來跟蹤氣流所攜帶的粒子或氣體移動方向，可以實時預報風場形勢以及分析降水。其采用

地形σ坐標，水平網格與輸入的氣象場相同，垂直方向分為28 層，將氣象要素線性內插到各σ層上。HYSPLIT-4氣流3維軌跡模式模擬分析氣流路徑的思路是假設空氣中的粒子隨風移動，則粒子的移動軌跡就是其在時間和空間位置矢量的積分，最終的位置由初始位置（P）和第一猜測位置（P′）的平均速率計算得到

積分時間的步長是可變的，UmaxΔt＜0.75。

圖1 2007年12月13—14日霧過程中溫度、相對濕度和平均風速廓線變化圖

圖2 2007年12月14日各時刻風的時間—高度剖面圖

氣象數據在水平坐標保持其原來格式，而垂直方向被內插到地形追隨坐標系統，

式中，Ztop是軌跡模式坐標系統的頂部；Zmsl是坐標下邊界高度；Zgl是地形高度。

HYSPLIT-4軌跡模式模擬采用NCEP GDAS全球1°×1°氣象資料作為背景初始場，該資料是應用全球中期預報譜模式（MRF）同化多種觀測資料和預報結果，水平分辨率為191km，垂直方向從1000～50hPa分為12個等壓面層，時間間隔為6h。本次研究計算為72h后向軌跡，起始點南京的經緯度為（118.7?E，32.2?N），距離地面高度設為四層分別為150，600，1500和3000m。

圖3是HYSPLIT-4軌跡模式模擬的此次霧過程不同時間的72h后向軌跡。由圖可以進一步發現輻射霧過程中水汽來源主要來自本地輻射降溫后的水汽凝結。而北部干冷空氣南下，加快了這次輻射霧的消散進程，其持續時間僅有13h。

4 結論

通過對2007年12月13—14日南京發生的這場輻射霧的邊界層特征進行分析可以得出以下結論。

（1） 這次霧過程期間逆溫層始終存在，甚至出現多層逆溫。逆溫層的存在，使大氣層結更加穩定，在霧形成前期利于低層水汽聚集，霧形成后又抑制水汽的擴散，利于霧體的發展和維持。

（2） 輻射霧過程期間水汽輸送明顯較平流輻射霧小，HYSPLIT-4后向軌跡模式分析圖進一步驗證其水汽來源主要來自本地輻射降溫后的水汽凝結。

（3） 這次輻射霧過程地面受高壓控制，低層水汽通量散度為正值，近地面有弱輻散，利于輻射降溫水汽凝結，而持續的水汽輻散造成這次輻射霧在發展維持期間水汽不斷流出，以及霧后期隨著北部干冷空氣南下，使得這次輻射霧壽命較短，僅僅持續了13h。

圖3 2007年12月13—14日72h HYSPLIT-4后向軌跡模擬圖

[1]高峰. 不得不防的災害——濃霧. 中國應急管理, 2011, 7: 55-57.

[2]Taylor G I. The formation of fog and mist. Q J R Meteor Soc, 1917(XL111): 2416-2468.

[3]Roach W T, Brown R, Caughey S J, et al. The physics of radiation fog, Part I: A fi eld study. Q J R Meteor Soc, 1976, 102: 313-333.

[4]張光智, 卞林根, 王繼志,等. 北京及周邊地區霧形成的邊界層特征. 中國科學(D輯), 2005, 35: 73-83.

[5]李子華, 劉端陽, 楊軍, 等. 南京市冬季霧的物理化學特征. 氣象學報, 2011, 69(4): 706-718.

[6]楊軍, 王蕾, 劉端陽, 等. 一次深厚濃霧過程的邊界層特征和生消物理機制. 氣象學報, 2010, 68(6): 998-1006.

[7]張禮春, 朱彬, 耿慧, 等. 南京一次持續性濃霧天氣過程的邊界層特征及水汽來源分析.氣象, 2013, 39(10): 1284-1292.

[8]Draxler R R, Hess G D. An overview of HYSPLIT-4 modeling system for trajectories dispersion and deposition. Aust Met Mag, 1998, 47(2): 295-308.

The Boundary Layer Structures of the Radiation Fog in Nanjing

Zhang Lichun1, Zhu Bin2, Fan Xiaoqing1
(1 Public Meteorological Service Centre of CMA, China Meteorological Administration, Beijing 100081 2 Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044)

A detailed analysis of the synoptic situation, meteorological fi elds was made to get the features of the boundary layer during the fog events which occurred on December 13-14, 2007 by the observation fi eld data, NCEP’s 2.5°×2.5°NC reanalysis data and GDAS Global 1°×1°meteorological data. The results show that: (1) The presence of inversion layer, even multi-layer inversion throughout the fog events, indicates that the atmosphere is more stable, which was conducive to the convergence of water vapor before fog formation, then not favorable for the divergence of water vapor after fog formation, which helped the development and maintenance of the fog. (2) The water vapor fl ux transported in radiation fog was smaller than the advectionradiation one, and the water vapor in radiation fog was mainly from the local moisture condensation. (3) The surface was dominated by high pressure, during the radiation fog event, the divergence of water vapor fl ux was always positive, indicating that the water vapor near the surface was easy to be held and conducive to radiation cooling during the radiation fog event, while the divergence of water vapor fl ux and the northern cold air made the fog life a little too short.

fog, atmospheric boundary layer, water vapor fl ux, HYSPLIT-4 backward trajectory

10.3969/j.issn.2095-1973.2014.04.010

2013年4月13日；

2013年10月15日

張禮春（1985—），Email：zlc203@126.com