引言

大气能见度可用以表征大气清洁程度^[1]，影响能见度的因素主要包括降水、雾、大风、沙尘暴和扬沙等天气现象，以及大气中广泛存在的污染性气体和气溶胶等。雾霾等低能见度天气现象给人们生产生活带来诸多不便和各种危害，因此低能见度天气现象引发了社会各阶层广泛关注^[2-6]。随着环渤海区域经济快速发展和机动车保有量迅速增长，天津地区大气污染复合型特征显著，突出体现在持续性的区域污染及低能见度天气频繁发生^[7-8]。统计分析近40年天津城区人工观测获得的大气能见度，每日14时能见度观测值的年平均值由1970年的16 km下降至2008年的13 km，低能见度(小于10 km)天气的发生频率也由1970年的16.4%升高至2008年的29.2%。

目前对京津冀地区低能见度天气的研究，多以统计分析为主，主要集中在高速公路^[9-10]、机场^[11]及区域长时间序列的能见度变化趋势上^[12-13]等，对于低能见度天气下空气污染，也多结合地面气象和地面环境监测资料进行相关性分析^[14-17]，对于低能见度天气下气溶胶浓度演变过程及垂直分布特征等方面的研究较少^[18]。

本文采用2009年10—12月的大气能见度及相关气象和环境监测数据，分析天津城区秋、冬季雾霾等低能见度天气下的气溶胶污染特征，并结合一次典型雾霾事件分析PM₁₀和PM_2.5质量浓度演变过程及其垂直分布特征，为开展低能见度事件的预报预测与调控治理提供科学依据。

1 资料与方法

本文的大气能见度和空气污染资料来源于中国气象局天津大气边界层观测站(39°04′N、117°12′E；海拔高度2.2 m；台站编号:54517)，该站点位于天津市城区南部，其北距快速路约200 m，东临友谊路—友谊南路，西面和南面主要为住宅区，交通源和生活源排放对其有一定影响。观测期为2009年10月1日至12月31日，为期92 d。大气水平能见度采用美国Belfort公司生产的M 6000型前向散射式能见度仪进行测量，PM₁₀和PM_2.5质量浓度采用美国安普公司生产的TEOM系列RP 1400a型环境颗粒物监测仪, PM₁₀质量浓度监测仪位于地面，采样管距地面3 m，四台PM_2.5质量浓度监测仪分别位于地面、大气边界层观测铁塔40、120和220 m处；逐日空气质量指数(API)采用天津市环境监测中心逐日公布的全市平均值，以前一日12时至当日12时的均值作为当日观测值。仪器参数见表 1。

常规气象资料来源于与天津大气边界层观测站位于同一位置的天津市城区国家气象观测站(台站编号:54517)，所有数据均通过质量控制和数据订正。应用美国国家海洋和大气管理局(NOAA)等研发的，提供质点轨迹、扩散及沉降分析使用的综合模式系统HYSPLIT(http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT_traj.php)分析天津气流后向轨迹，轨迹模式所采用的气象资料是美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction, NCEP)的FNL全球分析资料，并经过美国国家海洋和大气管理局大气资源实验室(NOAA-Air Resources Laboratory，ARL)的预处理模块转化成模式所需要的格式。

2 结果与讨论 2.1 2009年10—12月空气污染状况

中国气象局《地面气象观测规范》定义“雾”为大量微小水滴浮游空中，常呈乳白色，使水平能见度小于1.0 km；“轻雾”为微小水滴或已湿的吸湿性质粒所构成的灰白色的稀薄雾幕，使水平能见度大于等于1.0 km，小于10.0 km；“霾”天气则为大量极细微的干尘粒等均匀地浮游在空中，使水平能见度小于10 km的空气普遍有混浊现象，使远处光亮物微带黄、红色，使黑暗物微带蓝色^[19]。日常业务观测实践一般以目测能见度结合相对湿度区分雾、轻雾、霾等低能见度天气现象，相应的相对湿度的标准各地观测实践多有不同^[20-21]。本文参照相关气象行业标准^[22]，以相对湿度小时值高于90%，能见度小时值低于1 km作为雾的判定标准，相对湿度低于80%，能见度低于10 km作为霾的判定标准，其他能见度小时值低于10 km的时段一律记作“轻雾”，此外以能见度小时值高于10 km作为高能见度天气。如无特别说明，以下讨论所采用的能见度、相对湿度及气溶胶质量浓度等数据均采用小时值。

图 1是天津2009年10月1日至12月31日的雾、轻雾、沙尘等低能见度事件的人工观测记录及逐日空气质量指数(API)，其中低能见度事件采用天津市城区国家气象观测站人工观测数据，当一日内同时存在雾和轻雾时记作雾日。观测期合计92 d，其中沙尘天气1 d，发生在12月25日，当日API(首要污染物PM₁₀)达到187，空气质量为轻度污染；雾日6 d，分为4次连续过程，分别发生在10月29日、11月7日、11月30日至12月2日和12月10日；轻雾日41 d，大约占观测期的45%，雾和轻雾等低能见度日数达到2009年秋、冬季的一半。11月30日至12月2日的大雾天气是2009年入冬以来最强、范围最广的一次，这场广泛分布在我国中东部地区的大雾，持续时间长、强度大、范围广，为历史同期少见^[23]，根据天气现象记录，11月22—29日连续记作“轻雾”，加上之后连续3 d的雾日，天津连续11 d出现雾或轻雾天气。与之相应的是，API超标日达到25 d，大约占API有效观测日数(90 d)的28%，超标日首要污染物全部为PM₁₀，其中轻微污染15 d，轻度污染9 d，中度污染1 d，此外SO₂超标日5 d，表明可吸入颗粒物是天津秋、冬季的主要污染物，根据以往的研究成果，颗粒物尤其是细粒子同时也是造成低能见度事件的主要因素^{[14, 24]}。

表 2给出了不同低能见度事件下能见度、相对湿度、PM₁₀质量浓度、PM_2.5质量浓度及累积时间，在有效观测期(2198 h)内，雾、霾、轻雾的累积时间约占全时长的比例依次为2.4%、37.4%和10.7%，低能见度事件时长可占到观测期的50%以上，可见霾是引起低能见度事件的主要天气现象，雾的出现带有阶段性，连续性的大雾天气较少，而轻雾一般作为雾和霾的过渡阶段出现。需要说明的是，12月25日的沙尘天气按上述标准计入霾的范畴内。不同天气下气溶胶质量浓度存在较大的差异，具体体现在雾阶段气溶胶质量浓度最高，霾和轻雾日浓度相当，低能见度天气下PM₁₀和PM_2.5的质量浓度远高于观测期平均值，并且PM_2.5在PM₁₀中所占比例较高；高能见度时段往往伴随着大风天气，利于气溶胶粒子的稀释扩散，因而PM₁₀和PM_2.5质量浓度较低，约只有霾和轻雾阶段的一半，并且以粗颗粒物为主(PM_2.5/PM₁₀<0.5)。

2.2 典型雾霾日的天气演变过程

自11月22日起，我国中东部大部分地区持续发生大雾天气，中央气象台连续发布大雾预报，25日升级为大雾橙色预警，截至12月2日，中央气象台已经连续8 d发布大雾橙色预警^[23]；从11月22日至12月2日，天津城区连续11 d出现雾或轻雾天气，本文采用该次低能见度事件后期(11月29日至12月2日)的气象资料和气溶胶在线测量数据(图 2)，以判别典型雾霾天气条件下气溶胶质量浓度变化及其垂直分布特征，并采用后向轨迹模式初步分析此次污染事件的污染物来源。

11月30日至12月2日天津出现连续3 d的大雾天气，过程期间大气能见度、相对湿度、气压、气温、风向和风速的逐小时值如图 3所示。其中第一次雾过程(图中记作a过程)发生在11月30日05—10时，能见度自03时的0.94 km逐步下降，至06时达到最低值0.21 km，相对湿度则逐步升高，05—11时维持在90%以上，雾过程维持了6 h，至11时能见度达到1.19 km结束，期间气温变化较小(-1~0.6℃)，风速较小，最大值为2.7 m·s^-1，风向以西风为主，10时以后风速增大，随着相对湿度减小至90%以下，雾逐渐转化为轻雾或霾。至次日02时以后相对湿度再次增大到90%以上，形成第二次雾过程(图中记作b过程)，能见度最低值发生在12月1日06时，仅为0.09 km，此次雾过程强度高于前一次过程，表现在维持时间(9 h)和最低能见度(0.09 km)上。两次雾过程的发展阶段均伴随有相对湿度的增加和气温的下降，气温的突然降低与空气中水汽凝结吸热有关，较低的风速和连续稳定的偏西气流利于水汽聚集，两次过程中雾的消散与午后气温回升，并导致相对湿度下降有关，而消散期间能见度并没有显著降低，一般仍维持在2 km以下，雾转化为轻雾或霾。11月30日01时至12月2日10时连续58 h大气能见度低于2 km，相对湿度也基本维持在80%以上，平均风速为1.4 m·s^-1(0.5~2.7 m·s^-1)，持续高湿静稳天气利于污染物尤其是气溶胶粒子的聚集，连续的雾—轻雾—霾天气是导致11月29日至12月2日连续4 d空气质量指数API高于100的重要原因，而这4 d的首要污染物都是可吸入颗粒物PM₁₀。

以中国气象局天津大气边界层观测站为轨迹终点，选取距地面100、200和500 m处代表近地层不同高度，11月29日至12月2日每日08时气团到达本站的后向轨迹见图 4，选取08时主要是考虑到此时雾处于成熟期，且有较为完备的人工天气现象记录。11月29日08时相对湿度81%，大气能见度为2.10 km，属典型的霾天气，随着高空风向的改变，较冷的西北风逐渐取代原有偏西气流，在地面的表现即为风向由WSW转变为W，风速也有所增加(1.0 m·s^-1增至1.9 m·s^-1)。而后，气温由29日08时的-0.3℃降低至1日同期的-1.3℃，降温导致水汽进一步凝结，相对湿度的升高是造成能见度降低和雾强度增强的重要原因，12月1日08时相对湿度增至96%，大气能见度低至0.23 km，雾加强为大雾级别。

2.3 气溶胶变化特征

图 5为11月29日至12月2日地面PM₁₀和PM_2.5质量浓度，以及PM_2.5/PM₁₀的逐小时值分布。从11月29日至12月1日可以看作是雾强度逐渐增大的过程，3 d能见度±标准差依次为3.41±1.62、1.23±0.57和0.90±0.52 km，相对湿度依次为69±7%、84±7%和91±5%，相对湿度的增大和能见度的降低是雾强度增大的主要标志。气溶胶质量浓度3 d内经历了先升高后下降的过程，PM₁₀质量浓度依次为233.85±70.72、301.87±41.48和255.89±61.54 μg·m^-3, PM_2.5质量浓度依次为150.53±48.76、222.63±26.96和171.44±47.21 μg·m^-3, PM_2.5/PM₁₀依次为0.64±0.05、0.74±0.05和0.67±0.07，气溶胶尤其是PM_2.5质量浓度升高主要是由于气溶胶粒子吸湿性增长所致^[25]，而伴随着浓雾加强，空气中的水蒸气不断凝结析出，大量水溶性无机离子溶解于水滴中而脱离气溶胶粒子，造成以二次污染物为主的细粒子比含有较多地壳元素的粗粒子更易被水汽湿清除，因而PM_2.5/PM₁₀伴随雾增强而快速下降。经过连续大雾的清除后，至2日晚间，PM_2.5质量浓度降至最低，仅为20 μg·m^-3左右，而PM₁₀质量浓度下降幅度较慢，仍保持在100 μg·m^-3左右。这是由于风速增大一方面驱散大雾，快速清除气溶胶粒子，另一方面大风吹起地面扬尘，造成大气中的粗粒子增多，一定条件下维持了的PM₁₀质量浓度。

关于雾与霾的判定文献多采用地面能见度与相对湿度资料^[26-28]，也有依据长波辐射平衡作为判断水雾和重烟尘雾(霾)的方法^[29]，或采用晴空指数划分阴霾日和晴天^[30]，采用边界层气象和污染资料分析并判定雾霾的研究较少。有研究^[18]表明北京雾日不同高度PM_2.5质量浓度变化规律近似，但近地层浓度明显高于较高层，而霾日近地层内PM_2.5垂直分布均匀，表现出明显的城市群区域污染特征。本文分析11月29日至12月2日4 d近地层内40、120和220 m处PM_2.5质量浓度的垂直分布特征，可以发现分成明显的3个阶段(图 6)：11月29日霾天气下3层PM_2.5质量浓度接近一致，且呈显著的增长趋势，3层PM_2.5质量浓度平均值依次为128.43、136.27和115.29 μg·m^-3，40和120 m处PM_2.5质量浓度线性相关系数高达0.96, 120和220 m两者也达到0.71，较高的相关性表明霾日大气污染的区域性特征；11月30日至12月1日雾日期间，40和120 m处PM_2.5质量浓度比较接近，两者相关系数为0.82, 220 m处细粒子浓度显著低于近地面的两层，约为40 m处PM_2.5平均值的34%，约为120 m处的38%；12月2日以后，120和220 m处PM_2.5质量浓度较为接近，且伴随着雾的消亡快速增长，至午前(10—11时)与40 m处几乎同时达到最高值，然后3层浓度快速降低，17时左右降至仪器检出限附近，能见度也随之升高到20 km的仪器上限。

PM_2.5质量浓度的垂直分布差异可以通过相对湿度的垂直分布特征获得解释，从图 7中可见雾前(11月29日)3层高度相对湿度大体相当(60%~80%)，且变化趋势一致，这与PM_2.5质量浓度的垂直分布差异规律一致，表明霾日近地层内各高度气象特征和空气成分较为均一，表现为出显著的区域污染特征。雾日期间(11月30日至12月1日)地面相对湿度稳定维持在80%以上，120和220 m处相对湿度较低，尤其是雾强度最大的12月1日06时，地面相对湿度高于90%，而120 m处相对湿度仅为53%，220 m处则低至36%，表明雾层较薄，其厚度在120 m以内；其后随着12月1日的降温过程，水汽冷凝，相对湿度增大，雾获得了进一步发展，从1日20时至2日09时，虽然大气能见度有所增高(1.42±0.16 km)，并不完全满足本文关于雾的能见度判据(低于1 km)，但地面、120和220 m 3层相对湿度均在90%以上，表明近地层内水汽混合均匀，高相对湿度导致气溶胶发生吸湿性增长，不同高度PM_2.5浓度均逐渐增大，同时近地层逆温造成气溶胶混合均匀，至2日午间达到3层较为一致的高值。2日午后伴随着风向转变为西北风，气温也快速升高，相对湿度迅速下降，连续多日的雾霾天气消散，PM_2.5质量浓度降低，大气能见度迅速恢复至10 km以上，雾的消亡过程也代表着本轮气溶胶污染过程的结束。

3 结论

2009年10—12月天津大气能见度平均值为10.8 km，雾霾等低能见度天气占观测时长的一半以上，其中以霾天气为主, 不同天气下PM₁₀和PM_2.5质量浓度存在较大的差异, 具体体现在雾阶段气溶胶质量浓度最高, 霾和轻雾日浓度相当, 并且PM_2.5在PM₁₀中所占比例较高。

以2009年11月29日至12月2日的连续雾—霾—轻雾天气为例, 分析气溶胶质量浓度的时空分布特征：霾日近地层内PM_2.5分布均匀, 40、120和220 m处PM_2.5质量浓度平均值依次为128.43、136.27和115.29 μg·m^-3，表现出显著的区域污染特征；从11月29日至12月1日3天能见度逐日降低，相对湿度逐日增高，表明雾强度逐日增大，气溶胶质量浓度先升高后下降，系气溶胶粒子吸湿性增长与导致可溶性组份溶出的湿清除的协同作用，此外雾后大风对不同粒径粒子的扩散能力不同，是造成PM_2.5浓度迅速降低而PM₁₀浓度较高的主要原因；11月30日至12月1日雾日期间220 m处PM_2.5质量浓度分别仅为40 m处的34%和120 m处的38%，其浓度差异与相对湿度的垂直变化及逆温层高度有关，220 m处相对湿度最低至36%，远低于40和120 m处的80%以上，表明220 m在雾层以外，因而PM_2.5质量浓度较低。