引言

雾是指悬浮在近地层大气中的大量微细水滴或冰晶的可见集合体。近年来伴随着社会经济的发展，雾对社会生产和生活造成的不良影响日益严重^[1-3]。国外有关雾的研究很多，仅在美国的气象相关文献中检索，“雾”的结果便达4700余次；国内对于雾的研究也很多，自1950年以来，雾作为一种特殊的天气现象一直被详细地观测和记录，并且从20世纪80年代至今，科研工作者利用地面观测^[4-6]、小球探空^[7-8]、模式模拟^[9-10]等观测研究手段对雾发生的规律、生消过程进行了细致的研究。但雾作为边界层中一种重要的天气现象，除了大尺度的环流特征，边界层结构对其生消也产生重要的影响^[11-20]在其发生过程中，雾中独特的辐射和污染物扩散方式、积聚特征^[21-27]也有别于其他天气过程。本文以2010年11月28日至12月2日天津大雾为例，利用天津边界层气象塔获取的高分辨率边界层相关数据，揭示雾过程中温度场、湿度场、风场的垂直结构演变过程，寻找雾生消规律、雾中能量平衡、污染物积聚和扩散规律，从而研究天津大雾生成触发和维持过程的机理。

1 资料和方法

本文观测点为天津边界层观测站(39°04′N、117°10′E)，主要仪器如下：15层慢响应风、温、湿传感器，分别安装在气象观测塔5、10、20、30、40、60、80、100、120、140、160、180、200、220和250 m高度处，Belfort公司MODEL 6000型前向散射能见度仪；Kipzone公司CN 4四分量辐射仪。观测期间仪器运行正常，数据的收集和处理进行严格质量控制。

2 天津雾过程及其时空变化

2010年11月30日至12月2日天津发生雾天气，市区能见度低于1 km，最高相对湿度达到95%以上(图 1)，雾形成前，高空为平直的环流，大气斜压性极小，地面气压系统较弱，低层有西南气流输送水汽，此次雾过程影响范围极广，北至吉林、南至广州，二十多个东部沿海省(市)受到影响，影响时间超过24 h，属于典型的平流雾。

11月29日04时天津城区低层大气由于持续东风和偏东气流水汽输送，相对湿度呈上升趋势，至第二日太阳升起前，气温降至最低，11月29日07时能见度降至5 km左右，相对湿度达到87%，形成雾Ⅰ(轻雾)，而太阳升起后雾消亡，能见度恢复至7 km以上，相对湿度降至65%。在11月29日18时，大气由高层向低层，相对湿度开始增加，直至11月30日00时，整层相对湿度超过80%，能见度下降至4 km，根据水汽变化情况，本文将11月29日18—23时这个时期称为雾Ⅱ(平流雾)的将要发生阶段，在雾的将要发生阶段到雾的成熟阶段还有一个过程，随着相对湿度的持续增加，24时后天津城区能见度降至1 km，最高地面相对湿度达到95%以上，且持续保持到2010年12月1日下午15时，该时期称为雾Ⅱ的成熟时期，在这以后的12时，仍有一段低能见度高相对湿度雾的维持时期，直至12月2日04—10时雾开始消散，能见度由1 km左右恢复至10 km，相对湿度由90%以上，快速下降至60%左右。

为方便研究，根据这次雾过程的发生和消减阶段观测高度、垂直相对湿度的变化(图 2)，将11月28日至12月3日天津的雾过程分为如下几个阶段：(1) 雾Ⅰ(轻雾)前：11月28日20时至11月29日03时；(2) 雾Ⅰ发生：11月29日04—06时；(3) 辐射雾持续：11月29日07—08时；(4) 雾Ⅰ消减：11月29日09—12时；(5) 雾Ⅱ(平流雾)前：11月29日13—17时；(6) 雾Ⅱ(平流雾)将要发生：11月29日18—23时；(7) 雾Ⅱ(平流雾)维持：11月30日00时至12月2日04时；(8) 雾Ⅱ(平流雾)成熟期(地面能见度小于1 km，相对湿度大于85%)：11月30日23时至12月1日15时；(9) 雾Ⅱ(平流雾)消减：12月2日04—10时；(10) 雾Ⅱ(平流雾)后：12月2日10—18时。

3 天津雾过程的热力和动力结构特征 3.1 湿度和温度垂直结构特征

雾的生成与大气边界层结构特征密切相关。由图 3显示雾Ⅰ前塔层高度相对湿度维持在50%，随后在80~100 m高度明显增加，并向两边扩散，形成雾Ⅰ。当雾形成后，80~160 m形成相对湿度高值区，其值达到90%，而随着太阳升起雾消减，地面相对湿度降至60%附近，但由于低层大气持续的偏东气流水汽输送，水汽随高度上升呈现上升趋势，当地面相对湿度下降的时候，高空仍存在一个高湿区，为雾Ⅱ(平流雾)的产生提供水汽基础。雾Ⅱ(平流雾)发生后，相对湿度由高层向低层开始逐渐增加，体现水汽由上往下的输送，在雾成熟期，整层相对湿度达到93%，地面相对湿度为91.6%，城市冠层高度(40~60 m)以上形成高于95%相对湿度高湿区。雾消散过程中相对湿度由高空先开始下降，最后整层相对湿度降至30%左右。

图 4显示在雾Ⅰ前边界层存在明显逆温，当雾Ⅰ发生后，逆温层起始高度有所升高，由原先30 m抬高至100 m，当太阳升起后，逆温瓦解，雾消散。在雾Ⅱ(平流雾)发生前，并没有明显的逆温存在，大气每100 m温度递减率为1.31℃，属于不稳定层结，随着雾的发生，雾内部形成中性大气(每100 m温度递减率维持在0.93~0.98℃)，直至雾消散，中性层结瓦解，雾层变薄。在雾的消散过程中，通过边界层气象塔观测呈现雾顶(120 m)向上存在明显逆温，当雾消散以后，大气重新处于不稳定状态。

3.2 风场垂直结构特征

华北地区秋冬季雾的生成，一般在高层大气多有平直环流，在低层大气有西南气流提供水汽输送，地面气压系统较弱，大气斜压性极小，从而形成小风或者静风的天气。图 5和表 1显示雾Ⅰ前和发生过程中，地面风速维持在1.5 m·s^-1以下，风速较小，但边界层内风切变保持在一个正常水平，每百米维持2 m·s^-1的风速变化，当雾Ⅰ发生消散时，风速并没有明显的增加。

在雾Ⅱ(平流雾)发生前，边界层风场发生明显改变，每百米风速增率明显减弱，地面风速降至1 m·s^-1以下，为雾的生成提供基础，当雾发生后，上层风速开始明显减小，雾的成熟期地面风速仅为0.57 m·s^-1，上下风速保持一致，即使在250 m高空，风速也小于1 m·s^-1，在雾消散过程中，可以发现风速明显的增加，且上层风速增加幅度大于地面，随着风速的增加，雾由高空向低空逐渐消散。

风向对雾的水汽输送有重要的帮助(表 1)。此次过程中雾Ⅰ发生前后地面呈现东风和偏东风，250 m呈现东南风，为雾的形成提供水汽，而雾消散后，低层大气为持续的偏东风水汽输送，其为雾Ⅱ(平流雾)的形成提供了水汽条件，当平流雾发生后，到雾的成熟阶段，在地面和250 m高度，呈现明显的西风，在雾的成熟阶段，由于风速减小，风向并不明显，直至雾的消散阶段，当风向转向西北风后，风速开始增加，直至雾Ⅱ(平流雾)消散。

4 天津雾过程的辐射特征

雾和霾一样都是低能见度天气，雾中低能见度由悬浮的雾水滴造成，霾的低能见度由空气中各种悬浮的颗粒物造成，相对湿度较低。有雾发生时，雾滴还会影响长波辐射传输，使长波辐射达到新的平衡。图 6给出雾过程前后短波辐射和长波辐射的变化：雾Ⅱ(平流雾)发生后，到达地面的太阳辐射减少大约2/3，在雾的成熟期到达地面的短波太阳辐射仅为雾前的1/6；雾的维持阶段，尤其是雾成熟期的夜间，大气长波辐射明显上升，与地面长波辐射接近，受雾滴的影响，雾中近地面长波辐射达到平衡，净长波辐射为0；同样的观测结果也曾出现于徐祥德等^[22]的研究。低能见度、相对湿度达到饱和、净长波辐射为0是判断雾的3个条件，而净长波辐射为0是雾天气现象特有的辐射特征，可用来区分雾和霾天气。

5 天津雾过程中污染物的积聚和扩散特征 5.1 颗粒物的积聚和扩散特征

通常在雾形成前近地层有强逆温，不利污染扩散，而雾形成后雾层内的近中性层结相对有利于雾区内污染物的散布。但雾顶更强的逆温使得污染物难以向上扩散，造成整个雾区内污染物浓度加重。因此，雾发生时雾区内污染物浓度相对较高。雾形成前各种污染物的变化基本是一致的，但雾发生以后，水溶性的大气污染物浓度会随着雾的成熟而降低，在雾消散后会明显增加。

统计雾Ⅱ(平流雾)发生到消减过程中污染物的变化情况，此次过程天津城区PM₁₀的浓度为224.52 μg·m^-3，是国家二级标准的1.5倍，12月均值的1.08倍；PM_2.5浓度为182.46 μg·m^-3，是美国EPA标准的2.8倍，12月均值的2.16倍；PM₁浓度为155.28 μg·m^-3，均达到重污染等级。在此次过程中，颗粒物富集明显，尤其是小粒子，PM_2.5/PM₁₀从日常的0.51，发展到雾前的0.7~0.8，在平流雾维持和成熟阶段PM_2.5/PM₁₀高达0.84~0.86，PM₁/PM₁₀达到0.73(表 2)。

同时在整个雾的发生前后，大气气溶胶含量与大气层结的变化和湍流的发展密切相关，雾Ⅰ前有明显的逆温，大气气溶胶含量较高，雾Ⅰ发生后，低层逆温瓦解，气溶胶含量有所减少，随着太阳升起，大气湍流增强，气溶胶呈谷值，在平流雾发生前，PM₁一直维持在100 μg·m^-3，而随着雾区的形成，气溶胶浓度不断累积，雾的成熟期PM₁达到180 μg·m^-3，当雾消散后，由于风速的增加且转向西北风，PM₁₀呈增加趋势，PM_2.5和PM₁含量明显降低，此时虽然大气中PM₁₀含量仍较高，但由于小粒子的减少，大气水平能见度明显好转，大气重新处于不稳定状态，而后PM₁₀含量降低。

5.2 气态污染物的积聚和扩散特征

此次雾过程天津城区4种气态污染物(SO₂、NO—NO₂—NO_X、O₃和CO)呈现出如下特征：(1) 类似SO₂、NO—NO₂—NO_X等的水溶性气态污染物，在雾成熟期会进入雾滴，雾滴在雾发展过程中会通过水汽凝结或碰并过程增大尺度，加快重力沉降，使得雾中SO₂、NO—NO₂—NO_X相对雾的前后为谷值；(2) 雾本身对光有明显的减弱作用，所以在雾中O₃含量较低，此次过雾中O₃维持在3~4 ppb，是12月均值的2/5，NO₂/NO的比例甚至不到1，雾的形成抑制光化学烟雾的产生，但同时雾中NO—NO₂—NO_X含量也较高，而NO_X的峰值则主要出现在雾前和雾成熟期结束后到雾彻底消减前；(3) 雾形成的天气形势和大气层结也有利于气态污染物的积聚，此次过程SO₂均值为48.89 ppb，略高于12月均值，NO_X均值为112 ppb，是12月均值的2.4倍，CO均值为2.43 ppm略高于12月均值，O₃均值为3.6 ppb，是12月均值的2/5，雾成熟期间SO₂均值为42.67 ppb、NO_X均值为78.30 ppb，O₃均值1.11 ppb，CO均值2.42 ppm，在雾的成熟期大气中气态污染物含量略小于雾的整个发生过程。

6 结论

(1)2010年11月28日至12月2日天津城区出现雾天气，此次雾过程分为两个阶段，雾Ⅰ发生后离地面80~100 m高度首先出现水汽凝结，随后向高空和地面蔓延。雾Ⅱ(平流雾)发生后水汽由高空向低空输送。

(2) 雾Ⅱ(平流雾)发生前，大气属于不稳定层结，随着雾的发生，雾内部呈中性大气层结，直至雾消散，中性层结瓦解，雾层变薄，观测到雾顶上部出现逆温层，当雾消散以后，大气重新处于不稳定状态。

(3) 在雾的维持阶段，尤其雾成熟期夜间，大气长波辐射明显上升，与地面长波辐射接近。受雾滴的影响，雾中近地面长波辐射达到平衡，净长波辐射为0，可用此区分雾和霾天气。

(4) 通过此次观测显示在雾形成前，近地层往往存在强逆温，不利于大气污染物的扩散，而雾形成后雾层内近中性层结相对有利于雾区内大气污染物的散布。但雾顶更强的逆温层使得污染物难以向上扩散，造成整个雾区内大气污染物浓度加重。因此，雾发生时雾区内污染物浓度相对较高。雾形成前各种大气污染物的变化基本是一致的，但雾发生以后，水溶性的大气污染物和光化学烟雾会随着雾的成熟而降低，在雾消散后会明显增加。