雾霾过程分类及其微物理特征

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1、*雾霾过程分类及其微物理特征1,21311杨军，牛忠清，石春娥，刘端阳，李子华（1.南京信息工程大学大气物理与大气环境重点实验室,南京210044；2.中国气象局云雾物理环境重点开放实验室；3.安徽省气象科学研究所,合肥230031）摘要2007年冬季南京出现了连续14天的雾霾过程，雾阶段共有6次，通过外场试验获得了的大气气溶胶和雾滴尺度谱分布同步观测资料，根据能见度和含水量将雾霾过程划分为雾、轻雾、湿霾、霾4个不同阶段，其中湿霾为非水的已吸湿气溶胶粒子造成水平能见度<1.0km的状况，并在此分类的基础上分析了不同阶段雾滴和气溶胶粒子的微物理特征。结果表明，1

2、）雾、湿霾阶段的相对湿度平均为95%、91%，轻雾和霾阶段平均相对湿度接近，均为79%。4个阶段的主要发生顺序为霾↔轻雾→湿霾→雾→湿霾→轻雾↔霾，雾前湿霾阶段持续时间长于雾后。2）尺度>2µm以雾滴为主的粗粒子数浓度、表面积浓度和体积浓度在雾阶段均显著大于其他3个阶段，其中霾阶段浓度最低。雾滴表面积浓度和体积浓度谱在5µm、13µm及21.5µm处分别存在峰值，对雾水体积和液水含量的贡献最大的尺度范围为10~30µm，而轻雾、湿霾和霾阶段粗粒子谱均为单峰型。3）尺度>0.010µm的细粒子表面积浓度谱形在雾和湿霾阶段、轻雾和霾阶段分别相似，雾和湿霾阶段数浓度

3、占优势的尺度范围分别为0.04~0.13µm和0.02~0.14µm，轻雾及霾阶段数浓度优势粒子尺度范围均为0.02~0.06µm。4个阶段数浓度最大差异出现在0.020~0.060µm范围，从高到低依次为轻雾、霾、湿霾、雾。<0.015µm、0.015~0.080µm和>0.080µm的气溶胶粒子最高数浓度分别出现在霾、轻雾和雾阶段。从霾、轻雾、湿霾到雾的转换过程中，以0.060~0.090µm为界，小粒子减少，大粒子增多。4）雾霾演变过程中，细粒子的数浓度与平均直径整体上呈显著负相关关系。总数浓度在轻雾阶段最高、雾阶段最低、霾和湿霾阶段相当。总表面积和体积

4、浓度最高为雾和湿霾阶段，轻雾和霾阶段依次减小。雾和湿霾阶段的气溶胶粒子平均尺度相当，轻雾与霾阶段最小。关键词：雾；霾；大气气溶胶；尺度谱分布；南京1引言伴随着工业、交通和城市化的迅猛发展，大气中的颗粒物含量增多，我国很多城市雾日减少，霾日剧[1~5]增。雾霾天气除了造成低能见度对交通运输、工农业生产具有严重危害外，还由于其复杂的化学成分和沉降过程给人体健康和生态环境带来多种不利影响。所产生的这些危害本质上决定于雾滴和气溶胶的数浓度、尺度谱分布、化学性质等特性。这些特性除了受气象条件和大气中化学活性气体成分的影响之外，[6]在很大程度上还受控于雾滴与气溶胶粒子的

5、物理、化学相互作用过程。浓雾发生时，伴随逆温层的存在，大气稳定，气溶胶粒子在逆温层下累积。气溶胶粒子作为凝结核，为雾的形成提供了必要的物质条件。同时，气溶胶粒子的增多在夜晚可影响长波辐射，改变近地层温度分[7,8]布状态，从而影响雾的形成和发展。气溶胶粒子的增加通过对光的衰减直接导致能见度降低，或通过增加凝结核数量间接导致能见度降低。在相同的水汽条件下，后者将会增大雾滴的数浓度，大量的小雾滴引[9,10][11]起能见度更大幅度的减小。Bott等曾用一维辐射雾模式，采用详细的微物理参数化方案和不同（城市、乡村及海洋）气溶胶尺度谱得出了气溶胶粒子对雾的整个生命周

6、期产生的直接效应。[12]另一方面，雾对气溶胶也有影响。Pandis等计算认为，持续时间短的雾，不足以使多数气溶胶粒子基金项目：中国气象局云雾物理环境重点开放实验室开放课题项目（2009006）；公益性行业（气象）科研专项（GYHY(QX)2007-6-26）；江苏省自然科学基金重点招标项目（BK2007727）；国家自然科学基金项目（40775010）作者简介：杨军（1971~），男，博士，副教授，主要研究方向为大气物理学与大气环境，E-mail:jyang@nuist.edu.cn1通过雾滴的湿清除过程移出大气。随着雾的消散，经历了非均相化学反应的雾滴蒸发

7、后形成新的气溶胶粒[13]子，这些新生成的气溶胶粒子往往吸湿性较强，在浓度较高时产生霾。而持续时间长的雾过程对气溶胶[14]粒子浓度的影响则与此不同，Jocob等在美国圣华金山谷观测表明，在长时间维持的雾过程中，雾滴对气溶胶粒子的沉降作用较强，限制了雾中气溶胶的累积，引起气溶胶粒子浓度下降。对雾霾期间雾滴和气溶胶粒子物理特性进行观测研究是准确认识雾霾过程的环境效果的基础。南京每[4,15]年浓雾日约30d左右，89.9%的浓雾事件发生在10月至次年4月，加之长江三角洲经济总量大、发展快、人口密度大，环境负荷重，空气中气溶胶粒子浓度显示出增加趋势，自20世纪90

8、年代以来，南京每[2]年霾日数均超过1