天津平流雾过程及其空中微物理特征个例研究

杨军,高雅,吴彬贵,董琪如,王兆宇,胡汉峰

摘要 2016/2017冬季在天津开展了平流雾微物理特征观测试验，结合距地66 m高度处雾滴谱和255 m气象塔大气边界层资料，借助突变和趋势一致性非参数检验方法对重度霾后接连发生的两次平流雾过程发展阶段进行客观划分，揭示雾体内部一定高度处雾滴微物理特征和尺度分布特征的观测事实，讨论其生消演变规律。结果表明，伴随西南暖湿平流，饱和层首先在空中出现并向地面扩展，雾过程中成熟阶段观测高度范围内升温，雾层处于中性或弱不稳定层结状态。66 m高度处大雾滴持续存在，微物理特征与地面能见度准同步变化，数浓度高值出现在成熟阶段初期，而含水量、特征直径高值出现在成熟阶段后期，对应成熟阶段后期雾滴数浓度减少、地面能见度小幅跃升。消散阶段各尺度数浓度因雾滴蒸发同步减小。

关键词 平流雾;微物理特征;尺度谱分布;霾

雾是具有垂直结构特征的大气水物质演变现象，雾滴尺度谱分布、含水量等相关微物理特性是雾的最基本物理属性，其垂直分布决定了整个雾层的生消演变规律，是雾数值模型开发、预报、遥感等应用研究的科学基础，也是当前面临的瓶颈（Gultepe et al.，2007）。

长期以来，雾滴微物理特征的直接观测主要在地面（即雾层的底部）进行（李子华等，2011;陆春松等，2011;赵丽娟和牛生杰，2012;吕晶晶等，2014;费冬冬等，2016;董莹等，2021），对雾层内部微物理特征的认识十分有限。到目前为止，限于观测条件，对空中雾体内部雾滴尺度谱分布及其微物理特征量的认识仅有以下零星结果。1959年秋季，Okita （1962）利用气球（升限约300 m）在日本北海道测量了山地浓雾的液水含量、雾滴数浓度随高度的分布，多数个例显示含水量和数浓度在雾层中上部较大，这种垂直结构有利于地面毛毛雨的形成。NASA支持Cornell航空实验室（CAL）于1970年秋季在纽约州开展了以人工消雾为目的的外场观测实验，利用17 m气象塔和飞机获得了雾微物理特征的垂直结构，显示局地生成的辐射雾随高度和持续时间增加其谱宽变窄、平均半径减小（Pilié et al.，1975）。与上述结果不同的是，1974和1975年夏季在美国旧金山西海岸利用250 m电视塔观测了平流雾谱分布随高度的变化特征，发现无论是平均尺度还是液水含量均随高度升高而增大（Goodman，1977）。随后Pinnick et al.（1978）于1976年冬季在德国Grafenwhr利用气球（升限约250 m，浓雾期间实际约150 m）携带前向散射粒谱仪也测得从地面至150 m高度（未能达到雾顶）雾滴谱明显变宽、数浓度增大。1992年在美国数地进行的飞机探测表明，平流雾峰值直径在低层为4～8 μm，向上往雾体高层则增大到12～20 μm，含水量最大值亦出现在雾体中上层，而辐射雾大滴和高数浓度出现在近地面50 m高度范围内（Zak，1994）。由于雾微物理垂直结构在遥感探测中的重要性，加之与云微物理垂直结构的差异，Egli et al.（2015）利用气球携带改进的云滴谱探头，并结合调频连续波云雷达、云高仪、能见度仪等，在德国Linden进行雾滴谱的垂直探测，通过雾滴谱确定液水含量的垂直廓线。结果显示，含水量的垂直结构在部分雾过程的成熟阶段与理论廓线较为一致，而在发展和消散阶段则差异较大。类似目的的观测试验还在德国波河谷地（Fuzzi et al.，1992;Heintzenberg，1992）开展，得到两个高度的微物理特征。除此之外，鲜见相似研究报道。

以上零星研究得到了空中雾滴谱及其积分特征量垂直结构的初步结果，但结论不完全一致，且有限的认识尚无法满足相关科学问题和业务应用的需要。例如在实际应用中，多采用均匀的垂直分布（Hutchison，2002）、或者可逆绝热含水量廓线、或者直接利用云厚和光学厚度建立垂直廓线的简单经验关系（Brenguier et al.，2000）。而且不同地理环境、雾的不同发展阶段、不同物理机制组合造成了雾垂直结构更具有多样性，针对不同雾过程及生消阶段进一步认识空中雾微物理垂直结构的基本规律是相关研究的基础。

针对空中雾微物理特征探测的迫切性（Gultepe et al.，2007;Niu et al.，2010），2016/2017年冬季在天津开展了雾过程外场观测试验，本文选取2016年12月31日至2017年1月1日重度霾后接连发生的两次平流雾过程，将距地面66 m高度雾微物理探测与气象塔边界层探测相结合，在对雾过程发展阶段客观划分的基础上，讨论雾过程的发展规律，揭示关于雾层内部一定高度雾滴微物理特征的观测事实，增加对雾微物理演变规律的科学认识。

1 观测与资料处理

1.1 观测概况

观测于2016/2017年冬季进行，FM-120型雾滴谱仪位于天津市气象局预警中心大楼楼顶平台，距地高度66 m。大气边界层资料来自天津城市气候监测站255 m大气边界层气象塔（117°12′E，39°04′N），塔上120、200 m高度处设置大气颗粒物监测仪，常规气象要素15层。地面设备包括前向散射能见度仪和常规要素（表1）。

观测区域周边为城市建成区下垫面，东边距海岸线约58 km。楼顶平台与气象塔相距2.9 km，考虑本文研究時段背景大气条件和平流雾的水平均匀性（如表2），认为两位置66 m高度处大气状态具有一致性，下文分析中地面能见度与空中雾微物理参数的时间演变规律也表明了该一致性。

雾滴谱资料采用切尾均值（Rosenberger and Gasko，1983）得到分钟数浓度尺度谱分布，在此基础上计算液水含量等统计特征量。天气形势分析使用NCEP全球再分析资料和MICAPS地面常规气象资料。

1.2 雾发展阶段客观划分方法

对雾过程发展阶段的客观划分，有助于准确揭示其阶段性微物理特征和演变机制。但长期以来，雾过程发展阶段多为主观划分。Maier et al.（2013）采取气象、水文等领域时间序列突变分析中广泛应用的非参数统计方法（Kundzewicz and Robson，2004;Li et al.，2005），利用雾过程的能见度和雾滴微物理参数观测结果，提出了雾过程发展阶段的客观划分方法。

该方法分3步进行：1）可能变点识别：要素时间序列发生趋势性改变的变点是过程发展阶段划分的基础，可采用Mann and Whitney（1947）提出并经Pettitt（1979）完善的Mann-Whitney同质性检验方法识别可能变点;2）变化趋势显著性检验：从可能变点位置将时间序列分割为两段序列，使用Mann-Kendall趋势检验分别确认两段曲线是否存在显著的变化趋势，若存在显著变化趋势则进行下一步;3）变化趋势一致性检验：对于具有显著变化趋势的两段序列，对要素-时间双累积曲线进行双侧t检验，确认两段序列变化趋势是否具有显著差异。若具有显著差异，则认为第1步识别的可能变点为过程发展阶段的转折点。以上检验显著性水平均取0.05。

对于通过检验的变点分割的两段序列，再次分别进行变点识别，直至序列段中无符合条件的变点为止。利用得到的可能变点，结合要素序列及其双累积曲线，可对要素序列发展阶段进行客观划分，从而更准确地得到雾过程阶段性特征。

2 雾过程概况

2016年12月29日至2017年1月1日华北、黄淮出现大范围雾和霾过程，前期以霾为主，12月31日至次年1月1日天津到河北中南部大范围浓雾发展，局地能见度低于50 m，天津受到重度霾和特强浓雾影响。

12月31日华北地区500 hPa受平直西风气流控制，脊前负涡度平流对地面的加压作用促进了地面均压场的维持。天津位于地面高压西北侧（图1a），低层反气旋环流外围西南气流引导暖湿空气向天津地区输送，并在夜里加强（图1b），为雾的形成与维持提供了水汽条件。31日全天，从北京、天津往西南方向一直到邯郸均被大范围雾区持续覆盖，天津城市效应使得该大范围雾区东北部形成无雾缺口（图2a）。

31日下午随着低层西南气流的平流输送作用，雾区进一步向东北方向发展。从图2b可以看到，1月1日09：00（北京时，下同）均匀雾区覆盖了整个天津市范围。

本文观测点地面水平能见度低于1 000 m的时段从31日15：23开始，至1日12：41结束（图3），以该时段作为本文研究的时间范围。考虑1日01：00前后能见度两次升高到893 m（1日00：13及01：27），该时间前后雾过程均经历了发展、成熟、减弱的过程，因此将研究时间范围进一步划分为两次雾过程：F1和F2，时间范围分别为31日15：23—1日00：13、1日01：27—12：41。

从气象塔观测结果（图4，数据采集器故障导致16：00—00：01缺测）来看，雾过程及其前后观测点近地层均以西南气流为主。31日雾前05：00—08：00底层明显降温、稳定度增大并出现等温、逆温现象。随后塔层上部降温，到14：15塔层高度范围内气温降至本过程最低状态，为平流雾的发展提供了冷的近地层条件。14：15以后，塔层范围内持续升温，能见度于15：23降到1 000 m以下，F1过程结束前的00：10与开始时刻15：23相比，除250 m高度升温1.4 ℃外，其下各层均升温2.1～2.4 ℃。吴彬贵等（2008）和蔡子颖等（2012）研究天津平流雾的生消及不同发展阶段的温、湿、风垂直结构时指出，西南暖湿平流和西北干冷平流对平流雾的生消起重要作用。

从相对湿度来看，雾前塔层上部先存在饱和层，伴随降温过程自上而下相对湿度逐渐增大，30、20、10、5 m高度先后于07：55、08：02、08：43、09：26达到饱和。虽然湿度达到饱和，但由于处于重度霾状态，雾前能见度一直处于1 000～2 000 m。

F2过程03：00前后120 m以下有微弱降温，但与F1过程相同的是，随后浓雾维持期间同样伴随温度上升，整个F2过程塔层高度范围内均处于饱和状态。从06：30开始，个别高度开始有弱西北风出现，温度小幅下降，上层降温幅度略大于近地层。温度廓线及其递减率在浓雾阶段及其前后较为一致，推断雾顶应高于200 m，即微物理观测所在高度处于雾层中下部。

研究时段当地日出、日落时间分别约为07：30、17：00，以上近地层温度变化基本没有显示出太阳短波辐射加热的日变化特点。浓雾阶段伴随西南暖湿气流，观测高度范围内升温，且温度层结接近或略大于对流层平均减温率，处于中性或弱不稳定层结状态。以上特点结合天气形势来看，本文研究对象主要表现为平流雾特征。

3 微物理特征

利用2.2节阶段划分方法，对F1、F2两次雾过程2 m能见度和66 m雾滴液水含量、数浓度和平均半径（分钟值）进行变点分析，得到雾过程发展阶段转换时刻（图5）。因此将两次雾过程按地面能见度分别划分为3个阶段，以F1A、F1B、F1C和F2A、F2B、F2C表示，A、B、C分别对应形成、成熟、消散阶段。

两次雾过程能见度时间变化的共同特点有：F1过程21：02—22：49、F2过程08：04—10：07两时段能见度均较前一阶段有小幅度升高但明显低于消散阶段，对应空中含水量处于整个过程的高值阶段。分析F2过程的塔层廓线，从06：30开始，個别高度开始有弱偏北风出现，温度小幅下降，在水汽充足条件下这种降温对应了低能见度的维持以及08：00—10：00雾滴凝结增大、含水量增加。

图5显示，F1过程含水量、数浓度开始显著增大的时刻（17：45、17：39）与地面能见度降到最低阶段的时刻（17：54）基本吻合、仅略早10 min左右。含水量、数浓度最后一个变点（22：57、22：56）与能见度快速升高时刻偏晚仅在10 min之内。F2过程含水量、数浓度、表面积平均直径最后变点与雾过程结束前能见度快速增大时刻（10：07）一致。该过程能见度第1个变点（02：20）与数浓度和含水量（02：36）也基本匹配。

上述地面能见度与空中微物理参数的变点对应关系表明本文雾过程在地面至66 m甚至更高范围内具有同步生消的特点，再次说明研究时段大气状态水平较均匀，同时也表明该变点分析方法对雾过程不同要素具有适用性。

从图5还可进一步看到，两次雾过程含水量与表面积平均直径的高值均出现在成熟阶段的后期，与之相反数浓度高值出现在成熟阶段初始时段，这是重污染大气背景大量颗粒物竞争水分与雾过程湿清除的共同结果。Goodman（1977）在大陆西海岸夏季平流雾研究中也同样观测到雾滴平均直径随时间持续增长至雾消散前一阶段的现象。

表3给出了由分钟数据统计的雾过程不同阶段能见度与微物理特征量，每一过程的时间范围基于图5中微物理特征量的变点，并结合成熟阶段的要素特征确定，与地面能见度阶段划分有数分钟至十几分钟的差异。从表中可以看到，两次雾过程在3个不同阶段能见度平均值相近，其中F2过程成熟阶段平均能见度略低于F1过程成熟阶段，但F2过程最低能见度略大于F1过程。F2过程略低的平均能见度对应了相比F1过程略高的含水量和特征直径，但F2过程雾滴数浓度较F1过程小，这可能是由于F1过程颗粒物浓度高（图6），导致雾滴数浓度大，但尺度偏小。另从图6还可看到，随着F1过程开始，PM2.5和PM10均迅速下降，表明重度霾背景条件下平流雾的有效清除作用。这种清除效应在F2过程消散前亦表现明显，F2过程结束后颗粒物浓度又有所上升。

4 雾滴尺度谱分布特征

为揭示空中雾滴的尺度特征，图7给出了基于分钟数据得到的两次雾过程不同发展阶段的平均数浓度尺度谱分布，各阶段时间范围如表3。由图可见，小粒子端存在4～5 μm的数浓度峰值，特别是受前期重度霾影响的F1A阶段也是如此。这不同于大量局地辐射雾形成阶段的谱分布规律，即核化过程形成雾滴，其后逐步增长，开始阶段雾滴数浓度谱倾向于随尺度增大而递减（Price，2011）。这说明本文雾过程从开始便受到上游雾滴平流输入的影响。两次过程3个阶段均在18～20 μm附近出现数浓度峰值，这一现象还有待进一步研究。

虽然两次雾过程66 m高度处微物理特征量与其他地面相对清洁环境的观测结果相比偏低，但从数浓度尺度谱分布（图7）来看，大滴依然存在，即成熟阶段存在直径40 μm以上的大滴，

这与大量平流雾地面观测结果一致。Goodman （1977）观测发现毛毛雨滴在海岸平流雾（低云）上部形成并向下沉降，使得各高度均有大滴存在。而对辐射雾微物理特性垂直分布观测结果，Egli et al.（2015）认为由于重力沉降作用，雾层下部雾滴谱分布更宽。本文雾过程与Goodman （1977）不同的是，背景污染程度大，雾区上游位于河北南部，水汽条件较之夏季向岸海洋湿团弱，因此大雾滴存在但含量偏低，没有毛毛雨出现。

消散阶段与成熟阶段谱型相似，各尺度雾滴数浓度同步增减，表明从成熟阶段到消散阶段各尺度雾滴均蒸发变小变少。F1消散阶段各尺度雾滴数浓度大于形成阶段，这与两次过程连续发生有关，F1C结束和F2A开始的能见度均在1 000 m以下。两次过程消散阶段大滴均多于形成阶段，与图5中雾滴尺度持续增长至消散阶段前相对应。消散阶段与形成阶段相比大滴多、小滴少，说明消散階段能见度从数百米回升到1 000 m以上的过程中，小滴减少的比大滴快，同样反映的是雾滴蒸发的结果。

5 结论与讨论

通过对天津两次连续平流雾过程距地66 m高度雾滴谱及255 m气象塔外场试验结果分析，得到如下观测事实：

1）饱和层首先自空中向地面扩展，随后66 m高度雾微物理特征与地面能见度同步演变，表明平流雾过程可在一定高度范围内准同步发展。

2）浓雾阶段伴随西南暖湿气流，观测高度范围内升温，温度层结接近或略大于对流层平均减温率，雾层处于中性或弱不稳定层结状态。

3）数浓度高值出现在雾过程成熟阶段初期，成熟阶段后期含水量、特征直径持续增长到过程最大值，但雾滴数浓度减少，对应地面能见度小幅升高。

4）66 m高度雾滴部分来自平流输入，虽然微物理特征参数值偏低，但大雾滴持续存在。消散阶段与成熟阶段谱型相似，即消散过程各尺度雾滴数浓度同步蒸发减少。

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Advection fog process and its microphysical properties：a case study in Tianjin

YANG Jun1，GAO Ya1，WU Bingui2，DONG Qiru2，WANG Zhaoyu3，HU Hanfeng1

1Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Tianjin Institute of Meteorological Science，Tianjin 300074，China;

3Tianjin Weather Modification Office，Tianjin 300074，China

The microphysical characteristics observation test of advection fog was carried out in Tianjin in the winter of 2016/2017.Combined with the droplet spectrum at a height of 66 m above the ground and the atmospheric boundary layer data of 255 m meteorological tower，the development stages of two consecutive advection fog processes after heavy haze were objectively divided by means of change-point detection and trend consistency nonparametric test，which reveals the observation facts of droplet microphysical characteristics and size distribution characteristics at a certain height in the fog，and discusses the evolution law of its generation and disappearance.The results show that with the southwest warm and humid advection，the saturated layer first appears in the air and extends to the ground.During the fog process，the temperature rises within the observation height range in the mature stage，and the fog layer is in a neutral or weakly unstable stratification state.At the height of 66 m，large fog droplets persist，and the microphysical characteristics change quasi synchronously with the ground visibility.The high value of number concentration appears in the early stage of maturity，while the high value of water content and characteristic diameter appears in the late stage of maturity，corresponding to the decrease of fog droplet number concentration and a small jump in ground visibility in the late stage of maturity.In the dissipation stage，the number concentration of each size decreases synchronously due to droplet evaporation.

advection fog;microphysical property;size distribution;haze

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200516012

（責任编辑：刘菲）