中国东部地区雾的长期变化特征及其影响因子

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雾是一种危害性较大的低能见度天气现象,其长期变化特征包括两个方面,雾频次(雾日)与雾生命时间(持续时间)。前人研究表明,雾长期变化的影响因子为气候变化、城市化(指土地利用改变引起的热岛干岛效应)、气溶胶。过去50年,中国东部气候发生显著变化,同时,城市化快速发展、气溶胶污染加重。雾作为一种发生在近地面的云,对这些因子的响应程度应该更强,变化特征可能较为显著。然而,这三个因子对雾的影响交织在一起,很少有研究将它们的贡献区分开来。因此,定量揭示雾与三个影响因子的关系,确立对雾变化起主导作用的因子,有助于理解气候变化与人为活动如何影响自然环境、云雾物理、气溶胶-云相互作用,为减轻雾的危害提供理论依据。本研究利用1960-2012年全国地面长期气象数据,分析我国三大城市群(京津冀、长三角、珠三角)雾日与霾日长期变化趋势,结果表明:霾日呈显著增长趋势。雾日呈先增后减趋势,转折点发生于80至90年代,且大城市雾日下降时间提前于小城市约5~15年。根据一个基于多元线性回归的统计方法,定量分离与计算了三个影响因子在不同城市发展阶段对雾变化的相对贡献。在城市发展初期(1960-1985),气溶胶增多对雾日增多具有主要促进作用(45~85%),而在城市发展快速期(1985-2012),气溶胶的促进作用减弱,城市热岛、干岛的抑制效应增强,成为最主要的贡献因子(53~60%)。在整体研究时段(1960-2012),气溶胶对雾起促进作用(20~40%),城市化、气溶胶贡献之和至少是气候变化的1.6倍。长期资料分析结果表明,在城市快速发展阶段,热岛、干岛对雾的抑制作用强于气溶胶的促进作用。为深入剖析城市化、气溶胶影响雾的机制,及揭示两者影响程度的相对强弱,本研究利用天气-化学在线耦合模式WRF-Chem,对一场大雾过程进行模拟。数值实验表明,城市热岛、干岛效应抑制近地面雾,使雾推迟形成、提前消散、雾水浓度(LWC)降低;然而,城市化导致的上升气流能促进抬升冷却与水汽辐合,可能会使上层雾增强。气溶胶整体上对雾起促进作用,使LWC增加,雾滴数浓度增多,平均半径减小;并且进一步实验表明,我国当前污染水平可能是一直促进雾的。当城市化与气溶胶共同作用时,城市化效应远强于气溶胶效应,气溶胶效应相比之下可忽略。进一步对LWC作过程分析发现,在微物理、边界层、平流过程中,城市发展(城市化与气溶胶)对微物理过程的影响最大(52.1%);在各微物理过程中,城市发展对凝结/蒸发过程的影响最大(72.7%)。本研究利用1960-2010年江苏与安徽气象站人工记录的天气现象数据,分析雾持续时间的变化趋势。90%以上的站点经历了雾持续时间的显著增加,雾持续时间的延长主要体现为白天雾消散推迟。通过背景站与非背景站的比较,发现雾持续时间增加是由气溶胶污染加重引起的。气溶胶的作用体现为气溶胶-辐射相互作用(ARI;直接效应)与气溶胶-云相互作用(ACI;间接效应)。因此利用WRF-Chem模式对一次大雾过程进行模拟,揭示了ARI与ACI影响雾生命时间的机制与相对贡献。该个例中,ACI效应使雾提前形成、推迟消散、持续时间延长约1 hr;相比之下ARI效应微弱,仅使雾持续时间延长3 min。这是因为在污染情形下生成大量更小的雾滴,抑制雾滴沉降,有利于雾的维持;且雾滴消光能力远强于气溶胶,阻挡更多太阳辐射,抑制雾消散。进一步实验表明,在不同水汽含量、污染水平、敏感性实验设置下,ACI对雾持续时间的影响均远强于ARI的影响。以上结果揭示了中国东部雾长期变化特征,阐述与评估了诸多因子影响雾变化的机理与贡献。据此可推断未来中国城市地区雾变化情况。假设城市面积扩大、污染加重,则雾日频次会降低,而雾持续时间会增加。因此对气溶胶需要采取有效减排措施,以降低雾持续时间,减轻雾天气的危害。
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