南京冬季一次強濃霧及超細粒子累積過程分析

王 元,牛生杰,2*,呂晶晶,王 靜,胡春陽,3

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南京冬季一次強濃霧及超細粒子累積過程分析

王 元1,牛生杰1,2*,呂晶晶1,王 靜1,胡春陽1,3

(1.南京信息工程大學,中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室,氣象災害預報預警與評估協同創新中心,江蘇 南京 210044；2.南京工業大學,江蘇 南京 211816；3.中國人民解放軍94582部隊 確山 463217)

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

平流輻射霧；氣象條件；微物理特征；納米級氣溶膠累積

霧是大量微小水滴或冰晶懸浮于空中,使近地層水平能見度低于1km的天氣現象.隨著經濟社會的快速發展,霧造成的低能見度、高濕度天氣對交通運輸、人體健康以及電力輸送等均產生日益顯著的不利影響,已然成為一種重要的氣象災害[1].

為提高對霧害的科學認識,20世紀70年代以來國內外開展了一系列針對霧的外場綜合觀測試驗,如:美國加州沿岸海霧的CALSPAN試驗[2]和CEWCOM計劃[3]、加拿大的FRAM計劃[4]、意大利波河的河谷霧觀測試驗[5-6]、美國圣華金山谷霧觀測試驗[7]、法國巴黎霧的PARISFOG觀測試驗[8-9]、西雙版納輻射霧探測研究[10]、重慶霧害研究[11]、廣東南嶺霧的研究[12]、南京冬季霧觀測試驗[13-14]、廣東湛江海霧研究[15-16]等.這些綜合觀測試驗的開展加深了人們對霧宏微觀特征及生效機理的理解,并為優化模式參數化方案、提高霧的預報預警能力提供依據與理論基礎.

氣溶膠與霧的相互作用呈現出多樣性與復雜性.氣溶膠增多會增加大氣中吸濕性核的濃度,促使霧滴在較低過飽和度條件下形成[17];而大量氣溶膠粒子爭奪大氣中有限的水汽,又會阻礙霧的形成[18].郭麗君等[19]指出霾向霧轉化過程中,霧滴凝結釋放的潛熱和高濃度氣溶膠加劇布朗碰并過程,產生大量可作為云凝結核的氣溶膠,又促進了霧的發展;Stolaki等[9]發現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/霾過程中氣溶膠的理化和光學特性[20-22],氣溶膠的理化特性對霧/霾微觀結構的影響[23-24],霧對氣溶膠的濕清除[25-27].但氣溶膠與云、霧相互作用機理仍不明確,存在極大不確定性[28].在地基上對霧和氣溶膠的微物理特征進行聯合觀測研究,是探索與揭示氣溶膠與云、霧相互作用機理的基礎性工作.

課題組于2017年冬季在南京北郊開展為期45天的霧/霾高分辨率外場綜合觀測試驗,本文聚焦12月30~31日的一次平流輻射霧過程,對霧過程的氣象條件、霧和氣溶膠的微物理特征進行詳細地分析與討論.特別是針對霧過程中納米級氣溶膠的研究,以往的關注較少,而這部分氣溶膠切實影響著霧的宏微觀結構.值得關注的是,在能見度低于50m的強濃霧階段觀測到納米級氣溶膠累積的現象,尚未有文獻對類似的現象進行報道.本文在確保觀測合理的前提下,對此現象進行探討.

1 資料與方法

2017年冬季,本課題組對南京冬季霧/霾事件進行為期45d的外場觀測.觀測地點位于南京北郊南京信息工程大學內綜合觀測培訓實習基地(32.2°N, 118.7°E,海拔高度22m;即圖1.a中觀測場).觀測點西側和北側為盤城鎮住宅區及農田,東側及東北側為寧六高速路及大廠工業區,南側為龍王山風景區.此次綜合觀測要素包括雨滴、霧滴、氣溶膠的粒徑譜分布及化學組分,云凝結核濃度,四分量輻射通量,近地面的湍流、能見度、溫度、壓強、濕度、風向風速等.所使用的觀測儀器信息見表1.

表1 觀測儀器清單

為保證此次觀測中霧與氣溶膠的微物理觀測數據真實可靠,在觀測前對FM100進行標準粒子標定,對WPS-1000XP和CCN-100進行流量校準.FM100放置在距地面3m高的平臺上(圖1.b位置2),周圍無明顯遮擋物,采樣頻率設置為1Hz,分20檔,可測量2~50mm的霧滴譜.由于瑞利散射的非線性,FM100的第一檔測量會存在很大偏差,因而在數據處理時僅保留后19檔的數據.FM100觀測點西南方80m為一移動方艙(圖1.b位置1),WPS-1000XP和CCN-100均放置于此方艙內,在儀器的進氣口連接黑炭導氣管,導氣管從方艙頂部伸出,抽取環境大氣進行測量.WPS-1000XP采樣頻率設置為5min,共72檔,測量空氣動力學直徑10nm~10mm粒徑范圍內氣溶膠粒子譜,儀器測量原理與設置見文獻[29].開路渦動協方差系統、輻射表以及自動氣象站均安裝在FM100觀測點東南側40m的觀測場內(圖1.b位置3).文中所使用的SO2濃度資料來自于MARGA-1S,儀器放置于FM100觀測點東方約1.6km的氣象樓頂(圖1.a),其測量原理見文獻[30].

為防止霧過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進氣口前連接TSI3062氣溶膠擴散干燥管,對樣氣進行干燥處理.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.此次觀測中WPS- 1000XP所測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,用離散度(Dis)定量描述霧滴譜的相對譜寬,其定義為霧滴譜標準偏差()與平均半徑()之比(式1).為量化霧爆發增長時霧滴譜含水量爆發增長的原因,對霧滴數濃度和體積平均半徑(r)對其的貢獻進行計算.用霧滴譜各檔求和后總數濃度和體積平均半徑來計算霧滴譜含水量(式2),取對數后得到式3,將爆發增長前后的霧滴譜數濃度和平均半徑帶入式3并相減后得到式4,等號左側表示爆發性增長后霧滴譜含水量量級的增量,右側兩項則分別為霧滴數濃度與霧滴尺寸造成的增量,因而式4中右側兩項與左側項的比值分別表示為霧滴數濃度與尺寸的增量對霧滴含水量增量的貢獻率.

2 結果與分析

2.1 強濃霧過程的氣象條件

2017年12月30日08:00~31日20:00(北京時間,下同),500hPa高度場中貝加爾湖東南部至我國內蒙古省東北部之間存在穩定低壓系統,中心位勢高度維持在5200位勢米,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,有持續的冷平流輸送,大氣層結穩定,有利于大霧天氣過程的形成與維持.圖2給出此次霧過程前后近地面各氣象要素的時間變化.此次霧過程在12月30日14:00初生,一直維持到31日11:00,生命史為21h,根據地面能見度及其他氣象要素的變化情況,可以將此次霧過程分為形成、發展、成熟、消散四個階段.

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次降水過程,總降水量為2.0mm,降水使得近地面維持相對濕度高于85%的高濕條件.霧前12小時內,風向以西北風為主,平均風速為2.1m/s,強冷平流造成溫度驟降,24小時內地面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).這一階段較強的風速和湍流強度抑制著霧的形成.

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

發展階段(30日18:00~31日05:13,階段III):日落后,地表長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,同時風速的減小和湍流強度的減弱使得霧在這一階段得以發展,能見度維持在500m.

成熟階段(31日05:13~31日11:00,階段IV):冷平流與地面長波輻射冷卻導致近地面氣溫持續快速下降,日出前減溫率可達1.0℃/h,過飽和水汽壓持續減小,相對濕度持續上升,進而導致這一階段地面霧爆發性發展成為強濃霧,能見度驟降至50m之下.同時,該階段微風(平均風速為0.6m/s)和低強度湍流(平均湍流動能為0.04m2/s2)有利于強濃霧的維持,強濃霧持續時間長達5h46min.

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

圖2 2017-12-29至2018-01-01霧過程前后地面能見度(VIS)、溫度(Temp)、濕度(RH)、風速(WS)、風向(WD)、雨強(I)、太陽短波輻射(SR)、湍流動能(TKE)的時間序列

從以上的分析可知,冷平流和長波輻射冷卻導致的降溫是此次霧發生、發展的主要原因,風速和湍流強度從動力上影響著霧的發生和維持,而日出后太陽短波輻射增強則是此次霧過程消散的主要原因.

2.2 霧的微物理特征

自12月30日14:00霧形成起,有霧滴開始出現(N31cm-3)并被儀器測量到,在形成階段霧滴數濃度維持在100cm-3量級,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.到發展階段,霧滴數濃度和尺寸均有所增加,霧滴譜也呈拓寬趨勢,平均含水量增加至10-4g/m3量級.至31日05:13時,霧開始呈現出爆發性增長特征,在17min內,霧滴數濃度由100cm-3量級驟增至102~103cm-3量級,霧滴的體積平均半徑也增加了1.15倍,含水量增加三個量級,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.經過計算發現(式4),爆發增長后,霧滴數濃度量級的增量對含水量量級的增量的貢獻率為67%,而霧滴尺寸的貢獻率為33%.因而此次霧的爆發性增長主要是因為霧滴數濃度的量級性增加,進而導致含水量的爆發性增加.伴隨著爆發增長,霧發展成為強濃霧并進入成熟階段.相比于上一階段,霧成熟階段的各項微物理特征量均表現出爆發性增長而進入峰值區.但值得注意的是,霧的各項微物理特征量在這一峰值區內存在極大的波動性,這意味著在強濃霧區內霧的分布是十分不均勻的.如表2所示,用各微物理的時間變率的標準差來量化波動程度.在成熟階段,霧滴數濃度、體積平均直徑和含水量的時間變率均表現出明顯的波動性,它們的時間變率標準差也均為四個階段中的最大值,這表明在強濃霧區中可能存在類似于層積云中云街的結構,強弱分區的不均勻性特征明顯.Uematsu等[31]曾用毫米波雷達觀測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構.

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

表2 霧過程中各階段微物理量平均值(分別表示為,,,)及其時間變率的標準差(分別表示為,,, and)

2.3 霧中納米級氣溶膠微物理特征

如圖4所示,對此次霧過程中氣溶膠的微物理特征分析時,發現氣溶膠的數濃度與其表面積濃度和質量濃度通常呈現正相關性,即更多數量的氣溶膠提供更大的總表面積和質量.同時,CCN的數濃度與氣溶膠的數濃度呈現較好的正相關性,高過飽和度條件下的CCN濃度與氣溶膠濃度之間的相關性更佳.然而在霧的成熟階段,出現氣溶膠數濃度增加而表面積濃度和質量濃度均降低的現象,這意味著尺寸較小的納米級氣溶膠在增多而較大粒徑氣溶膠的數量在減少.在31日07:30之后的兩小時內,粒徑在10nm~10mm范圍的氣溶膠數濃度平均增長率(五點滑動平均,下同)為2904cm-3/h,其中10~50nm氣溶膠數濃度的增長率為2817cm-3/h,而大于100nm氣溶膠數濃度的減少率為439cm-3/h.圖5.b給出霧天氣溶膠譜的時間演變,更清晰地展現出這一現象.在31日07:30~10:00,氣溶膠譜中10~50nm譜段出現峰值區.同時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,加速碰并過程進而更快完成濕清除過程,因而由于霧的清除作用大于100nm的氣溶膠濃度明顯減少,此時氣溶膠質量濃度和表面積濃度處于谷值區,氣溶膠數濃度處于峰值區,0.1%,0.3%及0.5%過飽和度下的CCN數濃度均處于谷值區.下面對此次強濃霧過程中氣溶膠濃度變化的原因進行探討.

圖4 霧過程中不同過飽和條件下(SS分別為0.1%,0.3%,0.5%)云凝結核數濃度(CCNC),以及氣溶膠的數濃度、表面積濃度和質量濃度的時間序列

為減弱日變化及人為因素的影響,突出濃霧對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)同時刻的背景氣溶膠譜,所得到的差值氣溶膠譜見圖5c.由圖5c可見,自05:13起強濃霧對粒徑大于100nm及小于20nm的氣溶膠有明顯的清除作用.在07:30太陽輻射增加后,湍流混合作用增強,強濃霧對氣溶膠的清除效果進一步加強.同時扣除背景氣溶膠濃度后,在這一時段開始出現20~50nm納米級氣溶膠的累積.而此納米級氣溶膠累積是在強濃霧中發生的,有理由認為強濃霧與此累積事件的出現相關.

WPS-1000XP測量空氣動力學直徑在10nm~ 10mm之間的氣溶膠,由于觀測時對樣氣進行干燥,所測得的干燥后氣溶膠有兩個來源:一是霧中原本存在的間隙氣溶膠,二是霧滴被蒸發后釋放出的核氣溶膠.07:30~10:00為清晨人類活動的強盛時段,且這一時段風向為偏北風,而觀測點的北側及東北側為居民區與化工區,人類活動會向大氣中排放出大量氣溶膠并被輸送經過觀測點,并且霧天的靜穩大氣層結不利于氣溶膠垂直向的擴散而造成局地累積.由圖6a所示,根據MARGA-1S的大氣成分測量數據,這一階段大氣SO2濃度隨時間呈上升趨勢,且相比于前一日的背景值同樣呈現上升趨勢.同時太陽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濃度和光照強度為新粒子生成事件的兩個最重要因子[33],可能會存在氣-粒轉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得新粒子生成事件時的特征值,所以除此之外應還有其他因素造成此階段納米級氣溶膠的累積.

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

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

在以往對南京采集的霧水的化學組分研究中發現,硫酸根離子保持著穩定的高值[36-37].在強濃霧環境中,顆粒物覆蓋水膜,從2~6層水分子不等,這會提供豐富的反應活性界面及粒徑改變[38],而液膜導致的反應活性變化對硫酸鹽的形成與無液膜情況下差異6倍,對大氣氧化性更加敏感,提高SO2的氣-液反應速率[39].同時,日出后由于太陽輻射的增強,進一步加速霧滴中硫酸鹽氣溶膠的生成,而后在經過干燥管后霧滴被蒸發,釋放出大量核氣溶膠,從而造成檢測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

由于清晨太陽輻射的增強,霧頂層的蒸發強度增強,進而霧滴蒸發釋放出大量核氣溶膠.同時,如圖6b所示,這一時刻垂直向的湍流動能增加,霧中垂直向的混合強度增加,因而可能存在上層霧滴蒸發釋放出的氣溶膠被下沉氣流輸送至地表的傳輸機制,從而被儀器測量到,導致氣溶膠濃度增加.Tao等[40]模擬出城市擴張后出現的高氣溶膠-高臭氧的“雙高”污染現象,其解釋為上層污染累積導致光散射強度增加,在上層生成臭氧并通過垂直向湍流輸送至近地表,造成高氣溶膠-高臭氧污染同時出現的現象,與此垂直向的傳輸機制相似.同時,通過分析12月31日08:00江蘇省氣象局的溫濕探空資料(圖7),發現存在雙層逆溫,逆溫層底在距地面高度78m附近,此高度相對濕度為90%,且相對濕度隨高度遞減,因而判定此時濃霧較薄,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 結論

3.1 此次平流輻射霧過程持續時間為21h,其中能見度低于50m的強濃霧階段持續了將近6h.冷平流與夜間長波輻射冷卻造成的持續性降溫為此次霧過程發生、發展的主要原因,同時平流與湍流在動力上影響著霧的形成與維持,而日出后太陽短波輻射增強造成的近地面增溫為此次霧消散的主導因子.

3.2 霧過程中存在爆發性增長的特征,微物理表現為爆發后含水量增加三個量級,相比于霧滴粒徑的增加,霧滴數濃度的增量為含水量爆發性增長的主要貢獻項,貢獻率達67%.同時在霧爆發性增長后的強濃霧階段(05:13~11:00),微物理特征量的時間變率的波動性增大,強弱分區的不均勻性特征顯著.

3.3 在強濃霧時段存在納米級氣溶膠累積的現象(07:30~10:00),空氣動力學直徑在10~50nm氣溶膠的濃度增長率為2817cm-3/h.霧天的靜穩大氣層結導致人為排放氣溶膠在局地累積;由于太陽短波輻射增強,且大氣SO2濃度增加,可能存在氣-粒轉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制,將霧頂層蒸發釋放的氣溶膠傳輸至地表.

[1] 牛生杰,陸春松,呂晶晶,等.近年來中國霧研究進展[J]. 氣象科技進展, 2016,6(2):6-19.Niu S J, Lu C S, Lv J J, et al. Advances in Fog Research in China [J]. Advances in Met S & T, 2016,6(2):6-19.

[2] Pilié R J, Mack E J, Rogers C W, et al. The formation of marine fog and the development of fog-stratus systems along the California coast [J]. Journal of Applied Meteorology, 1979,18(10):1275-1286.

[3] Lewis J M, Korain D, Redmond K T. Sea fog research in the United Kingdom and United States: A historical essay including outlook [J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2004,85(3):395- 408.

[4] Gultepe I, Pearson G, Milbrandt J A, et al. The fog remote sensing and modeling field project [J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2009,90(3):341-359.

[5] Fuzzi S, Facchini M C, Orsi G, et al. The Po valley fog experiment 1989 [J]. Tellus B, 1992,44(5):448-468.

[6] Fuzzi S, Laj P, Ricci L, et al. Overview of the Po valley fog experiment 1994 (CHEMDROP) [J]. Contributions to Atmospheric Physics, 1998,71(1):3-19.

[7] J L Collett, Sherman D E, Moore K F, et al. Aerosol Particle Processing and Removal by Fogs: Observations in Chemically Heterogeneous Central California Radiation Fogs [J]. Water Air & Soil Pollution Focus, 2001,1(5/6):303-312.

[8] Haeffelin M, Bergot T, Elias T, et al. PARISFOG: Shedding New Light on Fog Physical Processes [J]. Bulletin of the American Meteorological Society, 2010,91(6):767-783.

[9] Stolaki S, Haeffelin M, Lac C, et al. Influence of aerosols on the life cycle of a radiation fog event. A numerical and observational study [J]. Atmospheric Research, 2015,151:146-161.

[10] 濮梅娟,李良福,李子華,等.西雙版納地區霧的物理過程研究[J]. 氣象科學, 2001,21(4):425-432. Pu M J, Li L F, Li Z H, et al. Study of physical process of the xishuangbanns valley fog in winter [J]. Journal of the Meteorological Sciences, 2001,21(4):425-432.

[11] 李子華,彭中貴.重慶市冬季霧的物理化學特性[J]. 氣象學報, 1994,52(4):477-483.Li Z H, Peng Z G. Physical and chemical characteristics of the Chongqing winter fog [J]. Acta Meteorologica Sinica, 1994,52(4): 477-483.

[12] 吳 兌,鄧雪嬌,毛節泰,等.南嶺大瑤山高速公路濃霧的宏微觀結構與能見度研究[J]. 氣象學報, 2007,65(3):406-415. Wu D, Deng X J, Mao J T, et al. A study on macro-and micro- structures of heavy fog and visibility at freeway in the Nanling Dayaoshan Mountain [J]. Acta Meteorologica Sinica, 2007,65(3): 406-415.

[13] Liu D Y, Niu S J, Yang J, et al. Summary of a 4-Year Fog Field Study in Northern Nanjing, Part 1: Fog Boundary Layer [J]. Pure & Applied Geophysics, 2012,169(5/6):809-819.

[14] Niu S J, Liu D Y, Zhao L J, et al. Summary of a 4-Year Fog Field Study in Northern Nanjing, Part 2: Fog Microphysics [J]. Pure & Applied Geophysics, 2012,169(5/6):1137-1155.

[15] 徐 峰,牛生杰,張 羽,等.湛江東海島春季海霧霧水化學特性分析[J]. 中國環境科學, 2011,31(3):353-360.Xu Feng, Niu Shengjie, Zhang Yu, et al. Analyses on chemical characteristic of spring sea fog water on Donghai island in Zhanjiang, China [J]. China Environmental Science, 2011,31(3):353-360.

[16] 呂晶晶,牛生杰,張 羽,等.湛江東海島一次春季海霧的宏微觀結構及邊界層演變特征[J]. 氣象學報, 2014,(2):350-365.Lv Jing-jing, Niu Sheng-jie, Zhang Yu, et al. Evolution characteristics of the macro-/micro- structure and the boundary layer during a spring heavy sea fog episode in Donghai Island in Zhanjiang [J]. Acta Meteorologica Sinica, 2014,72(2):350-365.

[17] Petters M D, Kreidenweis S M. A single parameter representation of hygroscopic growth and cloud condensation nucleus activity [J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2007,7(8):1961-1971.

[18] Niu S, Lu C, Yu H, et al. Fog research in China: An overview [J]. Advances in Atmospheric Sciences, 2010,27(3):639-662.

[19] 郭麗君,郭學良,方春剛,等.華北一次持續性重度霧霾天氣的產生、演變與轉化特征觀測分析[J]. 中國科學:地球科學, 2015,(4):427- 443.Guo Lijun, Guo Xueliang, Fang Chungang, et al. Observation analysis on characteristics of formation, evolution and transition of a long-lasting severe fog and haze episode in North China [J]. Science China: Earth Sciences, 2015,45(4):427-443.

[20] 何俊杰,吳耕晨,張國華,等.廣州霧霾期間氣溶膠水溶性離子的日變化特征及形成機制[J]. 中國環境科學, 2014,34(5):1107-1112. Diurnal variations and formation mechanisms of water-soluble inorganic ions in aerosols during a haze-fog period in Guangzhou [J]. China Environmental Science, 2014,34(5):1107-1112.

[21] 王 靜,牛生杰,許 丹,等.南京一次典型霧霾天氣氣溶膠光學特性[J]. 中國環境科學, 2013,33(2):201-208. Aerosol optical properties during the typical haze/fog event in Nanjing [J]. China Environmental Science, 2013,33(2):201-208.

[22] 王 朔,趙衛雄,徐學哲,等.北京一次嚴重霧霾過程氣溶膠光學特性與氣象條件[J]. 中國環境科學, 2016,36(5):1305-1312. Wang Shuo, Zhao Weixiong, Xu Xuezhe, et al. Analysis of aerosol optical properties and meteorological parameters in a severe haze-fog episode in Beijing [J]. China Environmental Science, 2016,36(5): 1305-1312.

[23] 牛生杰.霧物理化學研究[M].北京:氣象出版社, 2014.Niu S J. Physical and chemical research of fog [M]. Beijing: China Meteorological Press. 2014.

[24] Mazoyer M, Burnet F, Roberts G C, et al. Experimental study of the aerosol impact on fog microphysics [J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2016:1-35.

[25] 康漢青,朱 彬,樊曙先.南京北郊冬季大氣氣溶膠及其濕清除特征研究[J]. 氣候與環境研究, 2009,14(5):523-530. Kang H Q, B Zhu, S G Fan. Size distributions and wet scavening properties of winter aerosol particles in north suburb of Nanjing [J]. Climatic Environ. Res., 2009,14,523-530.

[26] 樊曙先,黃紅麗,顧凱華,等.霧過程對大氣氣溶膠PM10中多環芳烴粒徑分布的影響[J]. 高等學校化學學報, 2010,31(12):2375-2382. Fan S X, Huang H L, Gu K H, et al. Effect of fog process on the size distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in the atmospheric aerosol PM10[J]. Chem. J. Chin. Univ., 2010,31(12):2375-2382.

[27] Gilardoni S, Massoli P, Giulianelli L, et al. Fog scavenging of organic and inorganic aerosol in the Po Valley [J]. Atmospheric Chemistry & Physics, 2014,14(4):6967-6981.

[28] Intergovernmental Panel on Climate Change (2013), Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [R]. Cambridge Univ. Press, Cambridge, U. K. 1535.

[29] 蘇 捷,趙普生,陳一娜.北京地區不同天氣條件下氣溶膠數濃度粒徑分布特征研究[J]. 環境科學, 2016,37(4):1208-1218.Su J, Zhao P S, Chen Y N. Characteristics of Number Concentration Size Distributions of Aerosols Under Different Weather Processes in Beijing [J]. Environmental Science, 2016,37(4):1208-1218.

[30] 馬 瑩,吳 兌,劉 建.珠三角春節期間PM2.5及水溶性離子成分的變化--以2012年為例[J]. 中國環境科學, 2016,36(10):2890-2895.Ma Ying, Wu Dui, Liu Jian. The characteristics of PM2.5and its water soluble ions during Spring Festival in PRD in 2012 [J]. China Environment Science, 2016;36(10):2890-2895.

[31] Uematsu A, Hashiguchi H, Yamamoto M K, et al. Influence of gravity waves on fog structure revealed by a millimeter-wave scanning Doppler radar [J]. Journal of Geophysical Research Atmospheres, 2007,112(D7).

[32] Bergot T. Small-scale structure of radiation fog: a large-eddy simulation study [J]. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 2013,139(673):1099-1112.

[33] Birmili W, Wiedensohler A. New particle formation in the continental boundary layer: Meteorological and gas phase parameter influence [J]. Geophysical Research Letters, 2000,27(20):3325-3328.

[34] 王紅磊,朱 彬,沈利娟,等.南京市夏季大氣氣溶膠新粒子生成事件分析[J]. 環境科學, 2012,33(3):701-710.Wang H L, Zhu B, Shen L J, et al. Atmospheric particle formation events in Nanjing during summer 2010 [J]. Environmental Science, 2012,33(3):701-710.

[35] 郝 囝,銀 燕,肖 輝,等.黃山大氣氣溶膠新粒子生長特性觀測分析[J]. 中國環境科學, 2015,35(1):13-22.Hao Jian, Yin Yan, Xiao Hui, et al. Observation of new particle formation and growth on Mount Huang [J]. China Environmental Science, 2015,35(1):13-22.

[36] 孫 玉,樊曙先,張 健,等.南京2013年冬季三級分粒徑霧水化學特征[J]. 中國環境科學, 2015,35(4):1019-1031. Chemical characteristics of the three-stage fog water in the winter of 2013 in Nanjing [J]. China Environmental Science, 2015,35(4):1019- 1031.

[37] 康博識,樊曙先,張 悅,等.南京冬季持續性強濃霧天氣中三級分檔霧水的理化特性分析[J]. 氣象學報, 2017,75(2):356-370.Kang Boshi, Fan Shuxian, Zhang Yue, et al. Physical and chemical characteristics of three-stage fog water in deep dense fog during the winter in Nanjing [J]. Acta Meteorologica Sinica, 2017,75(2):356- 370.

[38] Usher C R, Michel A E, Grassian V H. Reactions on mineral dust [J]. Chemical Reviews, 2003,103(12):4883-4940.

[39] Mazzoleni L R, Ehrmann B M, Shen X, et al. Water-soluble atmospheric organic matter in fog: exact masses and chemical formula identification by ultrahigh-resolution fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry [J]. Environmental Science & Technology, 2010,44(10):3690.

[40] Tao W, Liu J, Banweiss G A, et al. Effects of urban land expansion on the regional meteorology and air quality of Eastern China [J]. Atmospheric Chemistry & Physics Discussions, 2015,15(7):10299- 10340.

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,南京信息工程大學博士研究生,主要從事云霧降水物理學研究.

2018-07-29

國家重點研發計劃(2018YFC150790X)國家自然科學基金資助項目(41775134);江蘇省研究生科研創新計劃資助項目(KYCX17- 0884)

* 責任作者, 教授, niusj@nuist.edu.cn