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气象视距与辐射雾（霾）的微物理过程的观测研究

Michael B. Meyer, James E. Jiusto and G. Garland Lala

Atmospheric Sciences Research Center, State University of New York, Albany NY 12222

(Manuscript received 26 June 1979, in final form 25 October 1979)

摘要:在雾、霾过程期间，开展了一场边界层外场综合试验，同时进行了能见度和粒径分布观测。对几种关于能见度与气溶胶（液滴）尺度谱和相对湿度关系的经验公式进行了比较和评估。对一次浓雾演变过程的深入分析揭示了雾滴尺度谱变化的特点，同时给出一个雾中过饱和度的近似方案。

1.引言

由于雾和霾造成的能见度下降已经成为一个得到很多群体越来越多关注的问题。从准干或者亚微米水颗粒（霾）到液态水滴（雾）的转变在气象视距的相关变化中被直接体现。在测量这个微物理过程中，周期性的辐射冷却提供了理想的实验条件，因为气溶胶的尺度分布一般情况下主要随相对湿度的变化而变化。颗粒大小（和成分）、相对湿度和气象视距之间的关系在前几年已经得到很大程度的实验性和理论性的考虑（Dessens，1949；Junge，1963；Garland，1969；Hanel，1971；Covert 等，1972）。然而，获取在这些相互关系上更需要实验验证的信息，由于设备的进步和在辐射冷却项目中跨领域研究的实施，现在成为可能。

1977年秋季，在奥尔巴尼纽约州立大学的主校区进行了一次调查辐射霾、雾过程中能见度和液滴尺度谱的项目。同样进行了描述边界层特征的许多变量和数字雾模型性能的研究，但没有做报告。这次研究的主要目标在这里做一表述：1）测量美国东北部（Albany，New York）辐射霾、雾过程中典型颗粒物（液滴）尺度分布；2）把能见度的变化和气溶胶尺度谱特征、相对湿度联系起来。

2.观测试验

a.仪器和试验地点

用两个型号为225的Royco光学粒子计数器（OPCrsquo;s）测量的气溶胶谱值一般跨越一个从0.3到15.0mu;m的尺寸范围（直径）。这种使用光散射技术的粒子计数器的性能在文献中被描述过（例如：Zinky，1962；Hodkinson and Greenfield，1965；Liu等，1974）。为了使管孔直径和相关的静风光允许取样粒子的有效直径达到~15~20mu;m，Royco单元以250的样本流速运转（Davies，1968）。制造商声称其能够分辨的最大粒子浓度为~3000；对于在这种情况下的水霾和雾滴，认为反射率的变化对粒子光散射的影响是最小的。这两个仪器给粒子尺寸信息的九个通道提供了一个共同的尺寸（0.5mu;m），用来检查仪器的稳定性。在某些情况下，脉冲高度分析器连同一个一定程度上允许有更详细的尺度谱的OPC被应用。

用一个gelatin-slide撞击器系统（Jiusto，1967）补充雾中的粒径分布，尤其是直径大于15mu;m的取样粒子。在建立取样和微观方法后，滴副本是有大小的（2~46mu;m）（May，1959；Jiusto，1967）。在距水平面1.5m高度处（和气溶胶采样相同的高度），用一个能够测量超过0.016~65.0km范围的AEG-Telefunken散射光记录仪不断监测标准的气象视距。用这个仪器，来自氙气闪光灯的光被粒子散射，以10^o~120^o的角度进入一个光电倍增管，并测量周围的消光系数（和通过Koschmieder方程得到的相应的视距）（Charlson 等，1967）。

该场地站点是一大片青草地，充分地远离校园建筑物和公路，把当地腹心地域和粒子源的影响降到最低。把两个OPC功率模块、其他气象传感器控制设备和所有必需的带状图纸记录仪放置到一个的金属棚里。OPC传感器单元（1.5m水平）和散射光记录仪位于此构造几米远的位置。用一个电子气溶胶分析仪、一个云凝结核计数器和一个艾特肯粒子探测器每隔两小时获取一次额外的亚微米粒子的尺寸信息，尽管该信息没有在此分析过程中被直接应用。

b.观测资料

有一个峰值频率的辐射雾（在高压系统附近）是奥尔巴尼九月到十一月初期间雾的主要类型。当地的气候数据显示在秋季期间平均有大约10次能见度小于0.40km（0.25惯性矩）的雾发生。1977年雾季，在SUNYA站点产生了13次个例研究，从中获得了9个相当完整的数据集（表1）。一般而言，气溶胶颗粒尺度分布用OPCrsquo;s每小时获取一次。在活跃发展期间（即大的能见度变化或雾信息），取样周期增加到30min或更短。因此，这些主要的个例包括大大超过100个个体气溶胶观测值，这次研究的结果以此作为基础。

表1 1977年雾季主要的个例研究

每个个例研究以主要的兴趣变量、气象视距测量值（V)为基础分类。因为没有标准的或被广泛接受的以能见度为标准的对雾（霾）的分类出现，以下分类以考虑国家气象局、航空气象管理局的观测实践和国际雾的定义（Vlt;1km）为基础得出：

表1列出了9个主要的个例研究按日期、时间和暗度的分类。

3.结果分析

a.气象视距与气溶胶尺度谱分析的函数关系

图1描述了气象视距作为在直径范围0.3~15.0mu;m内获得的大量尺度分布的斜率（beta;）的一个函数（beta;从累积的数浓度对尺度和寻常Junge幂函数的电脑绘图中获得）。与通常在文献中被引用的典型的干气溶胶尺度分布不同，注释关于出现的实际元素的分布—从亚微干粒子到液态霾滴越过一个国外的环境湿度范围。最小二乘曲线拟合过程服从气象视距（V）的对数线性经验公式，也就是：

，

此图不包括任何浓雾数据，因为由于复杂的微滴生长特征，气溶胶尺度分布的斜率用一条直线恰当地来表示是困难的。所有在这节出现的能见度经验函数表达暗含相对湿度的影响。这是理想的情况并且是可能实现的，因为Royco取样器原位传感环境气溶胶和水滴。

在怀特费斯山相似的设备、场地位于奥尔巴尼北部130惯性矩等条件下，方程式（1）和Glassbrook(1974)获得的方程式非常相似，也就是。更大的常数（6.8对6.2）表明在奥尔巴尼场地站点给定一个斜率参数时能见度更低。这很可能是出现在半城市奥尔巴尼地区的最大爱根核（在测量谱范围以下）较大浓度的影响。

在图1中关于直线的一个大的数据点传播表明：气象视距的预测研究单独从气溶胶分布的斜率方面进行充其量是一个粗略的估计。对于这样的一个经验函数的对正，不管怎样是有一些优点的（Junge，1963；Glassbrook，1974），但是明显不能充分地反映更多现在发生的复杂的粒子尺度分布。它展现了一个一般的能见度随斜率参数beta;增加而下降的规律。在测量范围内，陡峭的斜率和较小粒子浓度的较大的增加有关。

气溶胶分布也能通过粒子总浓度（在这个个例中，）和平均直径来描述。均方根（rms）直径被应用，因为平均直径与Koschmeider著名的能见度方程（液滴大小的平方与气象视距是负相关的）一致（Koschmeider，1924）。

图1 气象视距—气溶胶尺度分布斜率（beta;）

图2和图3显示标定的气象视距与累积气溶胶浓度、均方根直径的平方成反比，分而述之，这个结论对于除了7和9的所有个例都适用。标绘的这七个个例包含一个典型的能见度分类（两次浓雾、一次轻雾、两次浓霾、两次轻霾)截面。在图2中有一个明显的负幂关系：随着粒子浓度增加气象视距减小。然而，一个显著的不连续性在1~2km区域出现，在此区域第二个负幂趋势显现。此现象解释为：从轻雾到浓雾的过渡区，直径超过1mu;m的水滴已经变得活化，并生长为一个不稳定的种类。典型的稳定霾滴直径小于1mu;m。这个位于V=1~2km的过渡区也紧密地和因为生长粒子失去对它的光谱波长的依赖而造成的光的消失同时发生（Middleton，1952）。

两个最小二乘功率曲线适于为数据计算定义简单的能见度—粒子浓度经验公式（图2）。对霾和轻雾（Vgt;1~2km):

，

对于浓雾：

，

以公里为单位，以粒子数/立方厘米为单位。

图2 气象视距—累积的气溶胶浓度

图3 气象视距—均方根直径的平方（平均表面直径的平方）

一致的竖线表示一个标准差

很明显图3中1~2km区域再次出现了中断。平均粒径在更高的能见度下基本保持不变（正如垂直虚线所表明的），在过渡区以下时我们有函数：

，

是均方根直径（mu;m）。

先前的两个图（图2和图3）明显地证明在霾条件能见度以下，衰退强烈地依赖总粒子浓度并且受到气溶胶谱中中等大小的变化最低程度地影响。超过过渡区，显示飞沫气溶胶的平均直径特征是相同的，否则气象视距下降的意义更大。因此由这些经验公式提供的物理上的洞察是最有启迪作用的。各项的绝对值将毋庸置疑地随地点和明显不同的空气质量、继续调查的问题变化。

如果在整个光谱中假定一个恒定的散射面积系数，结果就与总散射系数成比例（几乎相当于这个个例中的消光系数）。如前所述，Koschmieder的能见度公式指示了一个消光系数和气象视距之间相反的关系。对于图2、3上的数据点，事实上是如下经验表达式结果所表示的情况：

方程式（5）的斜率参数临近可能被预料的值（-1.0），但是指数中的一个小变化会产生能见度中的一个大变化。斜率的差别某种程度上很可能是由于恒定的散射面积系数的假定（2），这种假定仅对足够大的粒子有效（Johnson，1954）。

b.气象视距与相对湿度的函数关系

图4阐明了气象视距随相对湿度增加而减小的一般趋势。实曲线呈现了平均气象视距与五个区间（lt;65％、66~75％、76~85％、86~95％、gt;95％）的平均相对湿度的关系。遵循Hanel（1976）,推算出一个实证幂率表达式，如下：

，

RH是小数形式表达的相对湿度（即90％=0.90且0.58lt;RHlt;0.97）。合适的相关系数是0.99。这些数据的指数（0.67）很顺利地和Hanel为一个大陆型气溶胶引用的指数（0.64）相比较。虚曲线呈现一晚连续的测量值（个例4）。此外，还观察到一个伴随着相对湿度的增加能见度整体呈下降的趋势。在洛杉矶机场已经注意到：一个相似的模式在文献中经常被引用（Neiburger和Wurtele，1949）。

图4 平均能见度—每个相对湿度分类里的平均相对湿度

（实竖条表示一个标准偏差。）气象视距—相对湿度（个例4，虚线）

对于所有的数据，在给定相对湿度读数时，一个广阔的能见度范围可以被记录下来。因此，测定一个对所有辐射冷却过程都适用的特殊的能见度—相对湿度关系可能是毫无结果的努力。浓度和凝结核的吸湿性的变化毋庸置疑地呈现了对大部分散射的解释。

c.滴谱在浓辐射雾过程中的演变

1977年10月11日（个例5），在强烈地辐射冷却下，雾大约在07:30（当地）开始形成，并持续到10:00。气溶胶（液滴）尺度谱的演变用Royco OPCrsquo;s和脉冲高度分析器获得。

图5和图6显示雾发展过程中累积的（）和微分的（/ log)浓度各自的液滴尺度分布。曲线1和2显示了在仅仅5分钟内微滴大量生长的现象（07:25~07:30）。显然，当首先获得过饱和后，活化的雾滴生长进行地相当迅速。微滴分布向更大尺度继续变化，数浓度的增加就证明了这一点，尤其是超过1mu;m的粒子。在08:27之前，当能见度达到一个最小值（曲线4，图6），注意到：在越过亚微米霾区域的滴谱上有一个明显的双峰分布（主峰在10mu;m处；次峰在~3mu;m处）。关于大滴额外的信息（明胶滴，图7）趋向证实10mu;m处的峰并且可以勉强地指出另一个在20mu;m附近的峰。仅在辐射雾发展后一小时内就出现的直径为40mu;m的一些粒子表明｛从计算使用“大”吸湿核开始（Jiusto,1976b）｝过饱和率超过0.01％。

图5 雾发展期间累积的气溶胶光谱的时间序列 图6 雾发展期间微分的气溶胶光谱的时间

（个例5）。曲线1,07:25，V=2.1km；曲线2,07:30， 序列（个例5）。曲线1,07:25，V=2.1km；

V=1.4km；曲线3,08:00，V=0.39km；曲线4,08:27， 曲线2,07:30，V=1.4km；曲线3,08:00，V

V=0.29km。 =0.39km；曲线4,08:27，V=0.29km。

图7 08:27的滴—尺度频率分布（个例5）

在图5和图6中同样被证实的是：在稳定的霾滴和显著活化的雾滴之间有强烈的差别。注意到：在涉及的时间间隔内大多数亚微霾滴的浓度几乎是保持不变的，而超过~1mu;m的那些微滴却戏剧性地增加。这个信息也可以用来粗略估计雾中的过饱和率。图6中显示滴谱在08:27时，1.2mu;m的微滴活跃地生长。从微滴生长理论中得到，一个1.2mu;m的霾滴有一个等价的干直径~0.1mu;m（假设一个硫酸铵核）。这个尺寸的核和一般的化学合成物需要有近似0.12％过饱和来变得活化，因此给这次辐射雾中获得的最大限度过饱和一个近似值。在07:30时雾开始形成，估算的过饱和率用相同的方法计算的结果是0.05

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