高速公路霧的生消過程與預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)

高速公路霧的生消過程與預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)

1輻射霧觀測研究隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，霧的危害越來越明顯。尤其是對現(xiàn)代化的交通運(yùn)輸事業(yè),危害極大。滬寧高速公路建成通車不久,就因霧而發(fā)生了連環(huán)撞車事件,造成20余人傷亡和重大經(jīng)濟(jì)損失。因而研究高速公路沿線霧的生消過程,并在此基礎(chǔ)上建立霧的預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)十分必要。國外在過去的20多年中,進(jìn)行了多次霧的外場試驗(yàn)。70年代初,英國在貝福德郡卡丁頓、美國在紐約附近的埃爾邁拉山谷對霧開展了外場綜合觀測;70年代末起,紐約州阿爾巴尼實(shí)施了一項(xiàng)輻射霧外場計(jì)劃,歷時(shí)數(shù)年;1989年11月10~17日在意大利波河谷地進(jìn)行了山谷霧試驗(yàn)。這些試驗(yàn)揭示了霧的物理化學(xué)特性,加深了影響霧的生消的動(dòng)力和熱力過程的認(rèn)識。近年來,中國霧的研究越來越多。1989~1990年,中國重慶對霧進(jìn)行了大規(guī)模探測試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜地形下大城市霧的許多新的特點(diǎn)。然而對輻射霧發(fā)展過程中的一些重要特點(diǎn),如霧的多層結(jié)構(gòu)及發(fā)展的爆發(fā)性等都極少為人注意。波河河谷霧試驗(yàn)雖發(fā)現(xiàn)霧層在垂直方向突然發(fā)展的特征,但那是霧層平流所致。觀測研究輻射霧的這些特征對加深輻射霧發(fā)展物理過程的認(rèn)識很有意義。為研究高速公路霧的預(yù)測預(yù)警系統(tǒng),1996年冬,滬寧線上南京湯山站進(jìn)行了霧的觀測。用滴譜儀對霧取樣,分析霧的微物理結(jié)構(gòu);用ADAS飛艇對大氣邊界層探測,研究霧在生消過程中邊界層結(jié)構(gòu)演變特征。霧滴譜取樣大約每10分鐘1次,飛艇探空每小時(shí)1次。1996年12月27~31日,滬寧線上連續(xù)出現(xiàn)了5天大霧。利用27日的觀測資料,研究了輻射霧發(fā)展的物理過程,特別是對形成時(shí)的雙層結(jié)構(gòu),輻射霧發(fā)展的爆發(fā)性特征,進(jìn)行了詳細(xì)的分析。2霧頂特征和高度霧是近地面空氣達(dá)到飽和時(shí)水汽在氣溶膠粒子上凝結(jié)(或凝華)為水滴(或冰晶)而使能見距離降低到1000m以內(nèi)的天氣現(xiàn)象。由于近地層空氣中氣溶膠粒子的增多及其本身的輻射,霧往往形成于接近飽和的空氣中。作者多次觀測到,一般城市相對濕度大于98%時(shí),能見距離就可能小于1km。霧區(qū)上界是通過ADAS對大氣邊界層的探測資料分析得出的。因?yàn)樵陟F頂上下,相對濕度、溫度、比濕等存在著明顯的躍變特征,風(fēng)速差異比較大。如圖1所示,在相對濕度的時(shí)間剖面圖中,霧頂部除相對濕度大于98%外,其上等值線密集,梯度大(圖1b),即向上遞減很快。由于霧頂?shù)妮椛淅鋮s,其上逆溫結(jié)構(gòu)明顯,因而在氣溫的時(shí)間剖面圖上,霧頂之上等溫線密集,向上遞增(圖1a)。強(qiáng)逆溫中心往往就在霧頂或其上幾十米處(圖7)。由于霧頂處水汽發(fā)生凝結(jié),比濕先是向霧頂之上遞減,達(dá)最小值后又急劇增大,因而在比濕的時(shí)間剖面圖中,霧頂之上等比濕線同樣密集,其梯度達(dá)最大值(圖1c)。由于霧形成時(shí),湍流混合不能很強(qiáng),因而在風(fēng)速的時(shí)間剖面圖上,霧在形成階段,風(fēng)速很小,一般小于0.5m/s,霧頂向上發(fā)展時(shí),其時(shí)在伸展層風(fēng)速亦小于0.5m/s。綜合以上特征可以確定霧區(qū)。其實(shí)在每次觀測的溫、濕、風(fēng)廓線圖上,很易分析出霧頂,但要準(zhǔn)確地確定霧頂高度,則要求探空儀在此高度上下測點(diǎn)密集。在這次霧過程的觀測中,ADAS測點(diǎn)間距在100m以下為5~15m,100m以上為15~25m。因此,本文確定的霧頂高度最大誤差20m左右。圖1d給出了12月27日霧區(qū)的時(shí)空演變情況。3輻射霧開發(fā)的物理過程輻射霧生消過程大致可劃分為4個(gè)階段,即生成階段、發(fā)展階段、成熟階段和消散階段。下面就12月27日例子,分別分析各階段的主要特征。3.1貼地氣層有霧形成的過程26日晚,晴空無云,地面微風(fēng),輻射降溫強(qiáng)。27日01時(shí),形成了厚為31m、強(qiáng)度達(dá)2.5℃/100m的貼地逆溫層和45~117m之間、平均強(qiáng)度為1.8℃/100m的低空逆溫層。以后空氣繼續(xù)冷卻,逆溫層加厚,強(qiáng)度也逐漸加大。由02時(shí)30分至04時(shí),地面降溫率最大,達(dá)到1.8℃/h,貼地逆溫層頂達(dá)到82m,并在16m高度形成強(qiáng)度為17.8℃/100m的最強(qiáng)逆溫中心,其下氣層風(fēng)速小于0.5m/s(圖2a,圖7)。此時(shí)貼地3m氣層空氣達(dá)到飽和,并有霧形成。水汽凝結(jié)過程中,地面比濕急劇下降。與此同時(shí),低空逆溫層上升到94~174m高度層,并在320m以上又出現(xiàn)逆溫結(jié)構(gòu)(這里暫叫中空逆溫層)。05時(shí),地面霧層加厚到6m,地面溫度仍在下降,貼地逆溫層開始離開地面,強(qiáng)度有所減弱。值得注意的是,此時(shí)在低空和中空逆溫層底部,由于溫度下降,相對濕度增大到95%左右06時(shí),地面溫度繼續(xù)下降,霧頂升高到13m。霧內(nèi)溫度先是隨高度超絕熱遞減,中上部為逆溫,霧頂之上逆溫增強(qiáng),強(qiáng)中心抬至23~43m之間,中心強(qiáng)度加大到22.9℃/100m比濕(q)分布的特點(diǎn)是,霧內(nèi)隨高度遞減,霧頂之上達(dá)最小值,而后隨高度急劇遞增,在中空逆溫層底下為比濕大值區(qū)(見圖3b)。此時(shí)一個(gè)明顯的變化是,低空逆溫與中空逆溫之間的氣層氣溫繼續(xù)下降,相對濕度上升,從而使原來低空和中空逆溫底部的相對濕度為95%的氣層上下相聯(lián),并在153~168m之間,相對濕度增大到98%以上,其上出現(xiàn)新的逆溫層(圖2b),可以認(rèn)為這里開始有霧形成(嚴(yán)格地說,此時(shí)應(yīng)屬層云,為敘述方便,暫稱為空中霧)。由以上分析可以看出,輻射霧形成階段的特點(diǎn)是,在地面降溫率達(dá)最大,并在20m以下形成最強(qiáng)輻射逆溫中心時(shí),貼地氣層形成了霧;隨著地面繼續(xù)輻射降溫,霧頂在貼地層緩慢上升,貼地逆溫層開始離開地面;同時(shí)在低空和中空逆溫層底部氣溫下降,出現(xiàn)相對濕度為95%的大值區(qū),并逐漸連成一體,其中出現(xiàn)凝結(jié)層這種霧的雙層結(jié)構(gòu)為霧層爆發(fā)性發(fā)展醞釀條件。3.2地面霧層溫度分布隨高度的變化隨著霧層光學(xué)厚度的增加,地面輻射失熱下降,地面溫度開始上升。加上霧層大量潛熱的釋放,自06時(shí)至07時(shí),地面氣溫升高了1.2℃。與此同時(shí),霧頂輻射冷卻開始明顯起來,結(jié)果是霧層厚度迅速增長到35m。這時(shí)霧層底部溫度隨高度超絕熱遞減,遞減率達(dá)到-3.2℃/100m,中上部遞減率減小,近似等溫,貼地逆溫層已被抬升到霧頂之上。隨著霧頂輻射冷卻增強(qiáng),霧頂以上氣層輻射能向下傳輸特別明顯,06時(shí)以后的1個(gè)小時(shí),大約在160m以下氣層氣溫大幅度下降,最大降溫率達(dá)2.5℃左右(圖3a)。但相對濕度并未增大,因?yàn)樵诮禍氐耐瑫r(shí),濕度也在減小,比濕最大減小值達(dá)1.3g/kg,而在50m以下比濕明顯增大(圖3b)。這表明上層高濕區(qū)向下輸送水汽,為霧頂向上發(fā)展提供條件。此時(shí)除中空逆溫層聚集大量水汽外,在低空逆溫層也出現(xiàn)了一個(gè)比濕的次極大區(qū),這里正是空中霧區(qū)所在。07時(shí)日出以后,地面霧層氣溫繼續(xù)上升,風(fēng)速明顯增大(1.2~1.9m/s),地面蒸發(fā)增強(qiáng),湍流混合明顯增強(qiáng),到08時(shí),地面霧頂抬至48m。150~200m氣層溫度大幅度下降,其上氣層水汽繼續(xù)下傳,使得空中霧層厚度有所增大,低空逆溫層被抬升到182m,即空中霧層之上,在逆溫層下仍維持一個(gè)比濕次極大區(qū)(圖3b)。此后,地面霧迅速向上增長,空中霧迅速向下發(fā)展,09時(shí)上下霧區(qū)相連,霧層爆發(fā)性增厚,霧頂高度達(dá)到162m(圖3d)。這時(shí)比濕次極大區(qū)已不存在,逆溫強(qiáng)中心也移到霧頂附近。在圖3a中可以看到,這段發(fā)展期間,地面霧層繼續(xù)升溫,霧頂之上氣溫繼續(xù)下降,結(jié)果霧層內(nèi)出現(xiàn)了近乎濕絕熱分布,溫度遞減率平均為0.66℃/100m(圖3a上09時(shí)廓線)。這時(shí)多層逆溫已不存在,但霧頂之上逆溫層一直伸展到觀測的最大高度(480m)。圖3b表明,霧層爆發(fā)性發(fā)展時(shí),上層高濕區(qū)濕度明顯下降,地面霧區(qū)比濕明顯增大,霧層內(nèi)比濕隨高度微弱遞減,近乎均勻分布。此時(shí)風(fēng)速分布除霧區(qū)下部較大外,霧層中上部均小于0.5m/s,處于準(zhǔn)靜風(fēng)狀態(tài)。但在霧頂之上,大約250m高度層,風(fēng)速超過2.5m/s。由以上分析可以看出,發(fā)展階段的主要特征是,地面開始增溫,進(jìn)而霧區(qū)由下而上增熱,霧頂輻射冷卻明顯,湍流混合作用明顯增強(qiáng),上層高溫高濕區(qū)向下輸送水汽和熱量,地面露和土壤水份的蒸發(fā)補(bǔ)充了霧底水汽,結(jié)果地面霧向上,空中霧層向下迅速發(fā)展,使霧層爆發(fā)性增厚。3.3遞減率410m的影響09時(shí)以后,霧體進(jìn)入成熟階段。由于地面吸收太陽輻射增溫,霧層氣溫隨時(shí)間繼續(xù)升高,大約每小時(shí)升高0.5℃左右,但霧層內(nèi)溫度隨高度分布始終按濕絕熱遞減率遞減,平均為-0.6℃/100m。霧頂之上逆溫強(qiáng)度有起伏變化,但始終維持著強(qiáng)逆溫層,而且逆溫強(qiáng)中心始終在霧頂附近(圖4、圖7)。這階段,霧頂輻射冷卻仍比較強(qiáng),雖有太陽直接輻射,但霧吸收的短波輻射仍比長波輻射失熱小,而且上層高濕區(qū)水汽繼續(xù)向下輸送,所以霧頂高度僅在162~196m高度層起伏變化(圖4a)。此時(shí)霧層內(nèi)風(fēng)速較大,但霧層上下風(fēng)速差別不大?？梢姵墒祀A段霧的基本特征是,霧層比較穩(wěn)定,霧內(nèi)溫度呈濕絕熱遞減率分布。3.4不同發(fā)展階段的霧滴譜分布隨著太陽輻射的增強(qiáng),11時(shí)以后,地面相對濕度開始緩慢減小,能見距離逐漸加大。12時(shí),地面相對濕度96%,能見距離500m左右,而霧頂相對濕度仍為100%,并抬高到225m(圖4b)。由于這次霧霧頂之上逆溫層始終未被破壞,因而這次霧當(dāng)日未能消散,只不過午后地面相對濕度有所減小,能見距離800m左右,霧的主體抬升到逆溫層下成為低云。據(jù)28日00時(shí)和07時(shí)探空,逆溫層抬升到400~440m以上高空,低云聚積在逆溫層下厚約300m的高度層,此時(shí)地面相對濕度仍為94%,能見距離仍不超過1km。在霧宏觀發(fā)展過程中,霧的微物理結(jié)構(gòu)是不斷變化的。按照上述霧生消過程的4個(gè)階段來研究地面觀測的霧滴譜,可以發(fā)現(xiàn)不同發(fā)展階段的霧滴譜有很大差異(圖5),能見度也因此有明顯變化(圖6)。在生成階段(后期),數(shù)密度、含水量都達(dá)到了全過程的最大值,不僅小滴多,譜也很寬,因而能見度很小。這是由于此時(shí)地面降溫率大,大量氣溶膠粒子被凝結(jié)核化,湍流垂直交換很弱,霧體集聚在貼地氣層。在發(fā)展(一)階段(6~7時(shí)),各種尺度霧滴數(shù)密度都減小,尤其是小滴減小更為明顯,因而含水量驟降,能見度明顯增大。這是由于霧體開始增溫,湍流增強(qiáng),使地面小滴向上混合,霧頂向上發(fā)展,而地面水汽含量減小。在發(fā)展(二)階段(7~9時(shí)),即霧層爆發(fā)性增厚階段,霧滴數(shù)密度大量增加,含水量增大,但平均半徑減小。這是由于日出后地面蒸發(fā)增強(qiáng),水汽含量增大,從而有大量凝結(jié)核核化,凝結(jié)成小霧滴,同時(shí)能見距離減小到100m以內(nèi),此時(shí)由于整個(gè)霧層湍流混合增強(qiáng),有可能使上部霧滴向地面霧層混合。在成熟階段,地面霧滴數(shù)密度和含水量起伏變化,霧滴譜分布序列圖(圖略)也表現(xiàn)出起伏變化,說明這一階段核化、凝結(jié)、碰并、蒸發(fā)以及沉降等微物理過程十分活躍,湍流垂直交換作用也比較大。在消散階段,由于氣溫升高,地面霧以蒸發(fā)為主,各檔霧滴(尤其是小滴)數(shù)都明顯減少,含水量明顯減小,因而能見距離增大。4輻射逆溫層的多層結(jié)構(gòu)由于湍流混合作用隨高度是分層的,因而動(dòng)量、熱量、水汽的輸送也是不連續(xù)的,從而出現(xiàn)了逆溫層的多層結(jié)構(gòu)。即除了貼地逆溫層外,還有低空和中空逆溫(圖7)。逆溫層內(nèi)為比濕極大區(qū),聚集著大量水汽,這為霧層增厚提供了水汽來源。每個(gè)逆溫層下,都有相對濕度極大區(qū),以致形成凝結(jié)層。即逆溫隨高度的分層結(jié)構(gòu),導(dǎo)致了霧在形成和發(fā)展階段的雙層結(jié)構(gòu),這對霧層厚度爆發(fā)性發(fā)展醞釀了條件。霧在發(fā)展后期,一直到消散階段,逆溫分層結(jié)構(gòu)消散,變成了霧頂之上單一的逆溫層。這個(gè)逆溫層直到午后也未被破壞,甚至有所加強(qiáng)(圖7),因而霧層一直未散,成為逆溫層下的低云。除霧頂輻射冷卻作用外,霧頂之上層不斷增溫對逆溫層維持和增強(qiáng)起著重要作用。這由圖1a可以看出,從05時(shí)起,300m以上氣溫一直在升高,據(jù)文獻(xiàn)分析,這是暖平流和下沉增溫所致。輻射霧形成的主要原因是地面的輻射冷卻,這是無疑的。但由于在低層穩(wěn)定大氣中,熱量、動(dòng)量及水汽輸送的基本方式是湍流混合,因而湍流混合在霧的發(fā)展過程中的作用不可忽視。為了研究這個(gè)問題,我們計(jì)算了梯度里查遜數(shù)Ri隨高度的分布。計(jì)算公式為其中g(shù)是重力加速度,T0是地面絕對溫度,T2、T1和u2、u1分別為z2、z1處的溫度和平均風(fēng)速。計(jì)算結(jié)果見圖2~圖4。Ri=0.25為臨界里查孫數(shù),當(dāng)Ri<0.25時(shí),則表示存在著較強(qiáng)的湍流混合作用,當(dāng)Ri>0.25,則說明湍流混合作用很弱,甚至根本不存在湍流運(yùn)動(dòng)。因而圖中僅給出了-0.5<Ri<1.0的曲線,這正是我們所關(guān)心的區(qū)域,而Ri>1.0的曲線,已超出了本圖范圍,圖中Ri=1.0的垂直線,實(shí)際數(shù)均大于1.0。如圖2所示,地面霧形成以后,霧層內(nèi)湍流運(yùn)動(dòng)逐漸產(chǎn)生和加強(qiáng),并隨著Ri<0.25層的增厚而增厚。06時(shí),從地面到13m,Ri=0.0,與此同時(shí),霧層增厚到13m。此時(shí),在50、150m高度上下,都存在著湍流混合作用,在這些湍流混合層內(nèi)溫度下降,相對濕度增大的區(qū)域,產(chǎn)生了凝結(jié)現(xiàn)象。湍流混合層的上部為逆溫層或逆溫強(qiáng)度中心。可見,在夜間輻射逆溫層內(nèi),湍流混合作用隨高度是分層的,這不僅導(dǎo)致了逆溫強(qiáng)中心的分層結(jié)構(gòu)(圖7),也是輻射霧形成和發(fā)展時(shí)多層結(jié)構(gòu)的主要原因。06時(shí)以后,在150m高度的湍流混合層逐步向下延伸,從而使空中霧層向下擴(kuò)展如圖3c所示,08時(shí)已與其下的湍流混合層結(jié)合在一起,結(jié)果導(dǎo)致空中霧層與地面霧層相接,上下霧層連成一體,霧層爆發(fā)性增厚(圖3d)。由此可以得出,湍流混合層的發(fā)展