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济南冬季雾的微物理结构及其对能见度的影响

王庆 樊明月 李季 张洪生

王庆, 樊明月, 李季, 等. 2021. 济南冬季雾的微物理结构及其对能见度的影响[J]. 大气科学, 45(2): 1−22 doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.19248
引用本文: 王庆, 樊明月, 李季, 等. 2021. 济南冬季雾的微物理结构及其对能见度的影响[J]. 大气科学, 45(2): 1−22 doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.19248
WANG Qing, FAN Mingyue, LI Ji, et al. 2021. The Microphysical Characteristics of Winter Fog in Jinan and Its Effect on Visibility [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 45(2): 1−22 doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.19248
Citation: WANG Qing, FAN Mingyue, LI Ji, et al. 2021. The Microphysical Characteristics of Winter Fog in Jinan and Its Effect on Visibility [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 45(2): 1−22 doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.19248

济南冬季雾的微物理结构及其对能见度的影响

doi: 10.3878/j.issn.1006-9895.2011.19248
基金项目: 国家自然科学基金项目41275148,山东省气象局气象科学技术研究项目2015sdqxm07
详细信息
    作者简介:

    王庆,女,1969年出生,正研级高级工程师,主要从事云雾降水物理学研究。E-mail: 941840503@qq.com

  • 中图分类号: P429

The Microphysical Characteristics of Winter Fog in Jinan and Its Effect on Visibility

Funds: National Natural Science Foundation of China (Grant 41275148), Meteorological Science and Technology Research Project of Shandong Meteorological Bureau (Grant 2015sdqxm07)
  • 摘要: 2016年12月19日至2017年1月9日,受静稳天气影响,济南接连出现了10次大雾等级以上天气过程,期间最低能见度不足50 m,持续的大雾天气严重影响了工农业生产和人民生活。本文利用10次冬季雾期间雾滴谱仪、自动站等观测资料,分析了济南不同强度冬季雾的微物理结构特征,分析了其中的微物理过程及强度,探讨了微物理结构、微物理过程对能见度(V )的影响。结果表明:(1)济南冬季雾强度不同,其谱分布具有明显的差异,在雾变浓的过程中,谱型由“单峰”结构逐渐向“多峰”结构发展。(2)数浓度对能见度具有较好的指示意义,液态含水量、离散度等对能见度指示意义不稳定。(3)环境温度与核化、凝结和碰并增长(或蒸发)等微物理过程密切相关;核化、凝结增长是济南冬季雾发展过程中最主要的微物理过程,在整个雾过程中起主导作用。(4)碰并过程主要发生在发展和成熟阶段,在生成和减弱阶段很弱,以未碰并或偶发碰并为主。(5)自转化率计算结果表明,在V≥200 m的雾中,碰并过程很少发生;在100 m≤V<200 m的强浓雾中,以未碰并或间断碰并为主;碰并过程主要出现在V<100 m等级的强浓雾和特强浓雾中;与V<50 m的特强浓雾相比,50 m≤V<100 m的强浓雾中碰并过程发生的概率更大、强度更强。(6)在济南冬季特强浓雾中含有大量的小雾滴,但各微物理量的最大值、最大的起伏变化并未出现在特强浓雾中,而是出现在50 m≤V<100 m强浓雾中,这可能与强浓雾中较强的碰并过程有关,碰撞过程中产生的并合和破碎可能是微物理量起伏变化最大的主要原因。(7)利用雾滴谱资料计算的能见度与实测值在变化趋势上具有较好的一致性,但比实测值大1~2个数量级,这可能主要与雾中大量的气溶胶粒子有关,对于污染大气,基于雾滴谱仪观测资料来估算雾中的大气能见度是不够的,必须同时考虑气溶胶粒子对能见度的影响。
  • 图  1  2016年12月至2017年1月济南10次大雾过程2117个样本能见度计算值与实测值的对比

    Figure  1.  The comparison of calculated values and the observed values of visibility for 2117 samples for 10-fog events in Jinan from December 2016 to January 2017

    图  2  2016年12月至2017年1月观测的济南不同强度(能见度)雾的平均谱分布

    Figure  2.  Average droplet spectrum for different thickness (visibility) fogs observed in Jinan from December 2016 to January 2017. n(D) and D represent droplet distribution function and fog droplet diameter, respectively

    图  3  2016年12月至2017年1月观测的强浓雾等级以上三种强度(能见度)济南冬季雾的平均谱分布

    Figure  3.  Average droplet spectrum of three thickness (visibility) fogs in heavy or extremely dense fogs observed in Jinan from December 2016 to January 2017

    图  4  2016年12月至2017年1月济南10次大雾过程能见度(V)与(a)数浓度(Nc)、(b)液态含水量(LWC)、(c)离散度(S)的散点分布及其拟合函数

    Figure  4.  Scatter diagrams and fitting functions between visibility (V), and (a) numerical concentration (Nc), (b) liquid water content (LWC), (c) relative dispersion of the droplet size distribution (S) for 10-fog events in Jinan from December 2016 to January 2017. R, α, N represent correlation coefficient, significance level, sample number, respectively

    图  5  2016年12月至2017年1月济南10次大雾过程两种强度雾中有效半径(re)与液态含水量(LWC)和数浓度(Nc)比值的散点分布及其拟合函数:(a)V<50 m;(b)50 m≤V<100 m

    Figure  5.  Scatter diagrams and fitting functions between the effective radius (re) and the ratio of liquid water content (LWC) and number concentration (Nc) in 10-fog events with two thickness fogs in Jinan from December 2016 to January 2017: (a) V<50 m; (b) 50 m≤V<100 m

    图  6  2016年12月至2017年1月济南10次大雾过程两种强度(V<50 m;50 m≤V<100 m)雾中消光系数(Kex)与(a)数浓度(Nc)、(b)液态含水量(LWC)对应的散点分布

    Figure  6.  Scatter diagrams between extinction coefficient (Kex) and (a) number concentration (Nc), (b) liquid water content (LWC) in 10-fog events with two thickness (V<50 m; 50 m≤V<100 m) fogs in Jinan from December 2016 to January 2017

    图  7  2016年12月至2017年1月济南10次大雾过程两种强度(V<50 m;50 m≤V<100 m)雾中归一化消光系数(Kex1)与(a)离散度(S)、(b)有效半径(re)对应的散点分布

    Figure  7.  Scatter diagrams between normalized extinction coefficient (Kex1) and (a) relative dispersion of the droplet size distribution (S), (b) effective radius (re) in 10-fog events with two different thickness (V<50 m; 50 m≤V<100 m) fogs in Jinan from December 2016 to January 2017

    图  8  2016年12月19~21日济南大雾过程(a)能见度(V)、(b)气温(T)、(c)地面风速(Ws)、(d)数浓度(Nc)、(e)液态含水量(LWC)、(f)D≥30 μm大滴数、(g)平均半径( $\overline r $ )以及(h)离散度(S)随时间的演变

    Figure  8.  The evolutions of (a) visibility(V), (b) temperature (T), (c) wind speed (Ws), (d) droplet number concentration (Nc), (e) liquid water content (LWC), (f) fog droplets with diameter more than 30 μm (D≥30 μm fog droplets), (g) mean radius ( $\overline r $ ), and (h) relative dispersion of the fog droplet size distribution (S) with time during the fog events in Jinan during 19–21 December 2016

    图  9  2016年12月19~21日济南大雾过程强浓雾时段和特强浓雾时段(a)能见度(V)、(b)气温(T)、(c)地面风速(Ws)、(d)数浓度(Nc)、(e)液态含水量(LWC)、(f)D≥30 μm大滴数、(g)平均半径( $\overline r $ )以及(h)离散度(S)随时间的演变

    Figure  9.  The evolutions of (a) visibility (V), (b) temperature (T), (c) wind speed (Ws), (d) fog droplet number concentration (Nc), (e) liquid water content (LWC), (f) fog droplets with diameter more than 30 μm (D≥30 μm fog droplets), (g) mean radius ( $\overline r $ ), and (h) relative dispersion of the fog droplet size distribution (S) with time in heavy and extremely dense fogs in Jinan during 19–21 December 2016

    图  10  2016年12月至2017年1月济南10次雾过程中特强浓雾和强浓雾的自动转化率和自动转化率函数的散点分布:(a)PNPN0;(b)PLPL0;(c)PNNc;(d)PL–LWC

    Figure  10.  Scatter diagrams of autoconversion rate and autoconversion rate function in 10-fog events with heavy fogs and extremely dense fogs in Jinan from December 2016 to January 2017: (a) PNPN0; (b) PLPL0; (c) PNNc; (d) PL–LWC. PN and PL represent autoconversion rate of number concentration and autoconversion rate of liquid water content, respectively; PN0 and PL0 represent autoconversion rate function of number concentration and autoconversion rate function of liquid water content, respectively

    图  11  2016年12月至2017年1月济南10次雾过程中两种强度(V<500 m;V≥500 m)雾的能见度理论值(Vt)和实测值(V)对应的散点图及其拟合函数

    Figure  11.  Scatter diagram and fitting functions between the calculated visibility (Vt) and the observed visibility (V) in 10-fog events with two thickness (V<500 m;V≥500 m) fogs in Jinan from December 2016 to January 2017

    图  12  2016年12月至2017年1月济南10次大雾过程每分钟平均谱偏度偏离系数(Cs)和峰度偏离系数(Ck)散点分布及拟合函数

    Figure  12.  Scatter diagram and fitting function between deviation coefficients of skewness (Cs) and kurtosis(Ck) of average spectrum per minute in 10-fog events in Jinan from December 2016 to January 2017

    图  13  2016年12月19~21日济南大雾过程无影山站能见度,泉城广场、蓝翔技校质监站PM2.5质量浓度随时间的演变

    Figure  13.  The evolutions of the visibility from Wuyingshan station, and the quality concentrations of PM2.5 from Quancheng Square station and Lanxiang Technical School station during the fogs in Jinan during 19–21 December 2016

    表  1  2016年12月至2017年1月观测的济南10次雾过程的宏观特征

    Table  1.   Macro-characteristics of 10-fog events observed in Jinan from December 2016 to January 2017

    过程编号 雾类型 大雾开始
    时间
    大雾消散
    时间
    采集样本数 地面主导
    风向
    最大风速/
    m s−1
    最小风速/
    m s−1
    平均风速/
    m s−1
    相对湿度 最低能见度/m
    1 平流辐射雾 2016年12月
    19日15:30
    2016年12月
    21日16:50
    177660 NE 4.4 0 1.59 92.6% 36
    2 平流辐射雾 2016年12月
    21日20:00
    2016年12月
    22日12:45
    45900 NW 2.7 0 1.10 94.3% 541
    3 辐射雾 2016年12月
    22日22:55
    2016年12月
    23日03:10
    16560 NE和NW 2.6 0 1.05 95.0% 112
    4 蒸发(雨)雾 2016年12月
    25日16:25
    2016年12月
    25日17:10
    4560 E 2.4 1.0 1.63 92.7% 624
    5 蒸发(雨)雾 2016年12月
    26日01:40
    2016年12月
    26日15:00
    48060 NE 4.7 0.7 2.1 94.5% 440
    6 辐射雾 2016年12月
    29日02:55
    2016年12月
    29日10:00
    25560 NW 1.6 0 0.72 92.8% 335
    7 平流辐射雾 2017年1月
    2日01:30
    2017年1月
    3日06:45
    19697 NE和NW 3.3 0 1.11 94.8% 60
    8 平流辐射雾 2017年1月
    3日22:20
    2017年1月
    6日12:40
    224520 NE和NW 3.9 0 1.13 94.8% 51
    9 蒸发(雨)雾 2017年1月
    6日20:45
    2017年1月
    7日06:00
    33360 NE和NW 2.9 0 1.15 90.2% 595
    10 辐射雾 2017年1月
    9日00:45
    2017年1月
    9日07:05
    22860 W 3.6 0.4 1.53 93.1% 112
    注:表中时间为北京时(下同);2017年1月2日07:00后因雾滴谱仪故障缺测11 h;大雾开始时间选取的是能见度开始呈现下降趋势、且能见度由1000 m以上首次下降到1000 m以下的时间;大雾消散时间则是能见度开始呈现上升趋势、且能见度由1000 m以下首次上升到1000 m以上的时间。
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    表  2  2016年12月至2017年1月观测的济南不同强度(能见度)雾的微物理结构特征

    Table  2.   Microphysical characteristics for different thickness (visibility) fogs observed in Jinan from December 2016 to January 2017

    雾的强度 数浓度/cm−3 液态含水量/g m−3 中值体积直径/μm 有效直径/μm
    平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值
    特强浓雾(N=226) 205.68 7.47~820.98 0.03620 0.00341~0.14618 14.34 8.14~20.94 10.25 7.16~14.69
    强浓雾(N=2075) 102.75 2.33~1238.25 0.02593 0.00018~0.37345 13.82 4.26~26.10 9.94 4.15~20.75
    浓雾(N=2164) 25.69 1.98~306.42 0.00169 0.00012~0.08480 5.37 4.08~21.51 4.81 3.95~15.28
    大雾(N=5672) 5.82 0.05~87.86 0.00027 0.00000~0.00668 4.62 0.68~17.43 4.28 0.68~10.36
    雾的强度 D≥30 μm雾滴数 平均半径/μm 平均平方半径/μm2 离散度
    平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值
    特强浓雾(N=226) 0.52 0.05~3.50 2.66 2.26~3.22 9.02 6.26~15.64 0.52 0.39~0.77
    强浓雾(N=2075) 0.79 0.0~9.62 2.61 1.86~4.55 9.29 3.73~34.43 0.52 0.20~1.00
    浓雾(N=2164) 0.02 0.0~3.4 2.04 1.81~3.30 4.54 3.5~16.15 0.28 0.19~0.79
    大雾(N=5672) 0.0 0.0~0.2 1.98 1.66~2.84 4.36 2.88~21.51 0.30 0.19~1.47
    注:N表示样本数。
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    表  3  2016年12月至2017年1月观测的济南强浓雾等级以上三种强度(能见度)雾的微物理结构特征

    Table  3.   Microphysical characteristics of three thickness (visibility) fogs in heavy or extremely dense fogs observed in Jinan from December 2016 to January 2017

    雾的强度 数浓度/cm−3 液态含水量/g m−3 中值体积直径/μm 有效直径/μm D≥30 μm雾滴数
    平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值
    V<50 m
    N=226)
    205.68 7.47~820.98 0.03620 0.00341~0.14618 14.34 8.14~20.94 10.25 7.16~14.69 0.52 0.05~3.50
    50 m≤V<100 m
    N=907)
    144.93 4.27~1238.25 0.04238 0.00061~0.37345 16.83 5.19~25.00 11.91 4.73~19.66 1.26 0.00~9.62
    100 m≤V<200 m
    N=1026)
    64.74 2.33~361.06 0.01249 0.00019~0.12607 11.38 4.26~26.10 8.36 4.15~20.75 0.43 0.00~6.95
    雾的强度 平均半径/μm 平均平方半径/μm2 平均立方半径/μm3 离散度 消光系数/m−1
    平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值
    V<50 m
    N=226)
    2.66 2.26~3.22 9.02 6.26~15.64 45.56 24.74~124.68 0.52 0.39~0.77 0.04123 0.00265~0.16419
    50 m≤V<100 m
    N=907)
    2.83 1.98~4.55 11.34 4.25~32.97 73.32 10.70~351.42 0.59 0.28~0.92 0.03764 0.00108~0.16614
    100 m≤V<200 m
    N=1026)
    2.42 1.86~4.47 7.67 3.73~34.43 40.32 7.85~381.82 0.46 0.20~1.00 0.01295 0.00038~0.09637
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    表  4  2016年12月至2017年1月济南10次雾过程中不同强度(能见度)雾的自动转化率和自动转化率函数

    Table  4.   The autoconversion rate and autoconversion rate function in 10-fog events with different thickness (visibility) fogs observed in Jinan from December 2016 to January 2017

    雾的强度 PN0/cm−3 s−1 PN/cm−3 s−1 PL0/g cm−3 s−1 PL/g cm−3 s−1 PN=0样本占比
    平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值
    50 m≤V<100 m
    N=5672)
    8.88×
    10−8
    8.94×10−14
    2.1×10−5
    0 0 1.18×
    10−17
    3.28×10−24
    4.36×10−15
    0 0 100%
    200 m≤V<500 m
    N=2164)
    6.96×
    10−6
    4.25×10−10
    2.52×10−3
    9.08×
    10−8
    0~1.08×
    10−4
    1.71×
    10−15
    1.83×10−20
    8.17×10−13
    2.82×
    10−17
    0~3.52×
    10−14
    99.08%
    100 m≤V<200 m
    N=1026)
    1.38×
    10−4
    3.61×10−9
    5.33×10−3
    7.91×
    10−6
    0~1.01×
    10−3
    5.39×
    10−14
    1.67×10−19
    2.34×10−12
    4.50×
    10−15
    0~4.90×
    10−13
    78.17%
    50 m≤V<100 m
    N=907
    7.87×
    10−4
    1.51×10−7
    3.07×10−2
    4.19×
    10−5
    0~3.63×
    10−3
    3.23×
    10−13
    9.51×10−18
    1.09×10−11
    2.06×
    10−14
    0~1.29×
    10−12
    36.93%
    V<50 m
    N=226)
    4.94×
    10−4
    3.56×10−6
    7.37×10−3
    1.28×
    10−6
    0~1.09×
    10−4
    1.07×
    10−13
    9.51×10−16
    1.58×10−12
    3.10×
    10−16
    0~2.34×
    10−14
    45.58%
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    表  5  根据2016年12月至2017年1月济南10次大雾过程能见度理论值划分的不同强度雾的物理参量

    Table  5.   Physical parameters with different intensities (visibility) fogs according to the calculated values of visibility obtained from 10-fog events in Jinan from December 2016 to January 2017

    雾的强度 数浓度/cm−3 液态含水量/g m−3 离散度(S
    平均值 范围值 平均值 范围值 平均值 范围值
    Vt<1000 m (N=1456) 161.65 18.59~1238.25 0.04056 0.00508~0.37345 0.56 0.26~0.87
    1000 m≤Vt<2000 m (N=560) 47.65 5.99~87.86 0.00558 0.00235~0.01786 0.43 0.2~0.91
    2000 m≤Vt<3000 m (N=520) 33.15 5.54~49.84 0.00245 0.00149~0.00815 0.36 0.2~0.92
    3000 m≤Vt<12000 m (N=2694) 16.81 0.14~36.61 0.00083 0.00022~0.00457 0.29 0.19~1.53
    12000 m≤Vt<30000 m (N=1680) 6.11 0.09~10.52 0.00026 0.00004~0.00047 0.32 0.2~1.39
    Vt≥30000 m (N=3644) 1.51 0.05~4.33 0.00007 0~0.00020 0.32 0.18~1
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    表  6  根据2016年12月至2017年1月济南10次大雾过程中能见度理论值划分的不同强度雾的Gamma分布拟合参数、数浓度拟合值和实测值的相关系数以及不同区间数浓度积分结果

    Table  6.   The fitting parameters of gamma distribution function, correlation coefficients between fitted number concentrations and measured ones, and integrated number concentration of different interval in different intensities (visibility) according to the calculated values of visibility of 10-fog events in Jinan from December 2016 to January 2017

    雾的强度 Gamma分布拟参数 相关系数(R D∈(2, 50)积分结果 D∈(0, 2)积分结果
    N0 μ λ 数浓度/cm−3 数浓度/cm−3 占比
    Vt<1000 m (N=1456) 4.341×10−2 13.88 2.818 0.9739 149.57 4.39 2.94%
    1000 m≤Vt<2000 m (N=560) 4.078×10−6 30.83 6.599 0.9803 42.39 0.33 0.78%
    2000 m≤Vt<3000 m (N=520) 5.363×10−7 35.15 7.643 0.9850 30.71 0.2 0.65%
    3000 m≤Vt<12000 m (N=2694) 1.244×10−4 25.64 5.834 0.9869 16.46 0.42 2.55%
    12000 m≤Vt<30000 m (N=1680) 7.31×10−4 22.06 5.266 0.9948 6.02 0.32 5.35%
    Vt≥3000 0m (N=3644) 1.395×10−3 17.49 4.221 0.9975 1.43 0.11 7.69%
    注:表中的所有相关系数均通过显著性水平为0.05的显著性检验。
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  • 收稿日期:  2019-12-17
  • 网络出版日期:  2020-11-27

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