现阶段由于工业化发展、汽车尾气的排放和燃煤供暖等，造成大量的细粒子颗粒物的排放，从而导致了雾-霾天气的日益加剧(过宇飞等，2013；刘爱君等, 2004；伍红雨等，2011)，有些细粒子产生后，并不是简单的存在于环境中，它会参与大气环境中的一些化学变化，产生新的颗粒物，带来二次污染(牛彧文等，2006；张小曳等，2012；张懿华，2011)，除此之外，雾-霾还会导致能见度下降(白志鹏等，2006；吴兑等，2006；于凤莲等，2002)，引发交通事故，有些直径较小的颗粒物可以直接吸入人体(蒋红梅等，2011；曲红梅等，2006)，对人体造成伤害(蔡子颖等，2012；邱勇等，2011；万征等，2011；岳常丽等，2009；张蕴晖等，2006)，所以对其研究就显得非常重要。本文对影响北京的一次雾-霾天气过程进行了探测记录，对其能够持续及消散的气象条件作了简要分析。同时，通过将激光雷达探测数据和L波段探空雷达数据的对比，对激光雷达的雾-霾探测能力作了初步分析，要更深层次了解细粒子激光雷达对雾-霾过程的探测能力还需进一步研究。

激光雷达数据源自安装在北京市观象台的一台细粒子时空探测激光雷达，该激光雷达采用的激光发射功率为400 mW，发出355和532 nm两种波长的激光脉冲，单脉冲能量20 mJ，激光束经准直后发散角小于1 mrad，激光束直径约3 mm，在探测过程中，激光脉冲进入大气后，大气中的粒子对激光产生米散射，其中方向为180°的散射即后向散射被激光雷达的接收系统接收，接收后由雷达的探测系统将接收到的回波信号反演成消光系数。通过消光系数的强度分布就可以直观地看到细粒子的空间分布情况，该雷达的探测理想有效范围白天是8 km，夜晚是15 km。研究所用台站仪器为常规探测仪器。

北京市南郊观象台2014年2月20—26日探测到了一次雾-霾天气过程，过程中地面气象要素变化非常明显(图 1)，从19日00:00至27日23:59温度、湿度、能见度和风速等气象要素的变化情况看，20日进入重污染天气后，地面能见度急剧下降，由30 km左右下降到1 km左右，相对湿度由原来的25%上升到80%左右，温度从20日开始也持续升高，这种情况一直持续到26日16时左右，此时开始出现降雨，颗粒物被雨水冲刷而沉降，颗粒物的浓度得以降低，同时26日夜间、27日凌晨冷空气开始进入北京，从图 1气温的日平均变化图中可以看到，26日为气温的转折点，气温开始下降，受冷空气的影响，空气流动变大，地面风速增大，从图 1中可以看出，风速从26日的2 m·s^-1逐渐变大到27日的6 m·s^-1, 大的风速有利于颗粒物的快速扩散，降雨和由冷空气带来的大风最终促使强雾-霾天气的彻底结束，地面能见度重新上升到30 km左右，相对湿度下降到20%左右，气象要素恢复到雾-霾之前的状态。这次雾-霾天气之所以能够持续这么长时间，与对其有利的气象条件是分不开的，在这次雾-霾过程中，相对湿度和风速的变化情况(图 1)，这段时间相对湿度一直保持在50%以上，风速大多在2 m·s^-1以下，大的湿度容易形成雾滴(刘梅等, 2014；马翠平等，2014)，降低大气透明度，能见度在一般情况下和湿度是呈负相关的(李学彬等，2007；孙景群，1985)，湿度大时能见度往往是低的，持续的大湿度给这次雾-霾天气创造了条件，持续的小风速不利于颗粒物的迅速扩散，促使了颗粒物的大量堆积，造成了这次雾-霾过程的持续，除此之外，通过分析南郊观象台19—26日这段时间的高空探测的数据发现，从近地面到3 km范围内，每天几乎都有逆温层和低云的存在，逆温层和低云团的笼罩，使得大气垂直对流受阻(姜大膀等，2011；康志明等，2005；刘焕彬等，2005；饶晓琴等，2008；王玮等，2009；张礼春等，2013)，也是导致雾-霾持续不散的原因之一。

图 1 2014年2月19—27日气象要素变化曲线 Fig. 1 Variation curve of meteorological elements in 19-27 February 2014

细粒子激光雷达对该次雾-霾的探测，图 2是从19—27日逐日细粒子激光雷达探测的消光系数数据，消光系数和色标的对应关系如图，在消光系数越大说明雾-霾越严重，表现在图中就是颜色偏红色，每幅图基本上都是一天的数据，从前一日00:00至第二日的23:59，例如图 2a就是从2014年2月19日00:05—23:56。从图中可以看出，19日探测到的消光系数强度并不是很大，说明此时颗粒物的浓度相对较低，从20日开始近地面消光系数特别强，说明开始进入强雾-霾天气。随着过程的深入，雾-霾垂直厚度由起初的几百米逐渐增加, 最厚时达到2.0 km左右，其中21—24日雾-霾垂直方向上升到了较大的高度，说明雾-霾垂直方向较为严重。但就近地面而言，24和25日全天、26日16时之前，激光雷达近地面几乎全红色，没有一丝缝隙，显示雾-霾较为严重。从图中还可以看到每天中午雾-霾垂直高度会低一些，这是由于中午太阳辐射变强，使大气对流运动活跃，使雾-霾减轻的缘故，整个过程激光雷达探测的结果是20日进入雾-霾天气，26日下午16时后近地面雾-霾逐渐消散，整个天气过程演变和地面设备探测结果吻合很好，特别是在探测雾-霾的开始和结束的时间点上和地面仪器对照得很好，从一定程度上说明激光雷达对此次雾-霾过程探测的合理性。

图 2 2014年2月19—27日激光雷达探测的消光系数随高度变化情况 Fig. 2 Changes of extinction coefficients detected by the lidar along with height in 19-27 February 2014

对雾-霾垂直高度的探测，这里还利用了L波段探空雷达，探空数据在雾-霾期间有两个特征，有明显逆温层存在和近地面的高湿区段，并且逆温层和高湿区段中的湿度峰值区在同一高度出现，如果探空数据中，从近地面开始，湿度基本保持在一个较高的值不变，且风速在这段高度较小，在满足这种气象要素条件下，如果在某个逆温层上方湿度迅速降低，出现一个突变，上文讨论中提到能见度和湿度呈负相关，湿度迅速降低，能见度应该是随之迅速好转，并且在逆温层上方大气不再受逆温层屏蔽，空气流动通畅，有利于颗粒物水汽的迅速扩散，也是雾-霾扩散的有利性条件，那么可以判断，在该逆温层和湿度峰值同时出现(同时也是湿度迅速降低开始)处上方，雾-霾迅速减轻，甚至消失，从而认为该位置所在高度探空探测确定的雾-霾的最低垂直高度。对于雾-霾高度的确定，以往也有文章指出霾有一定的厚度并以逆温层为上界(刘攸弘，2004)，这里加上湿度骤减这个条件来描述雾-霾高度更加确切，之所以把该方法确定的雾-霾高度说成雾-霾最低高度，是因为这种方法确定的雾-霾高度可能会比实际偏低，因为是把湿度峰值处定为了雾-霾高度，实际上在湿度转折点以上，湿度由大变小还有一个过渡区，该区域应该也是雾从有到无的一个过渡区，但是由于湿度究竟降低到多少，雾全部消散不好确定，这里就把雾-霾开始消散之前的这个高度当作了探空确定的雾-霾高度，雾-霾垂直方向消散的过渡区没算，实际中应该比这个高度要高。这里说是雾-霾高度是一个通称，由于高空数据只有湿度，没有垂直颗粒物数据，所以这里说的雾-霾更偏重于雾。此外，为了减小误差只选探空资料中很明显满足上面条件的数据与激光雷达探测数据作对比，对于存在争议的和暂不能确定的资料这里没有采用。图 3为研究所选的探空数据资料，在图 3四幅图中已标出了由探空所确定的雾-霾垂直高度，并将该高度列于表 1，激光雷达探测的雾-霾高度在图 2中用黑色廓线表示，该高度也列于表 1，两者确定的高度已在激光雷达探测图 2中标出，图中所标① 是探空确定的雾-霾垂直高度，② 是指激光雷达探测的雾-霾垂直高度，虽然探空确定的雾-霾高度已是雾-霾最低高度，但对比可发现激光雷达探测的雾-霾垂直高度总体还是要比探空确定的偏低，出现这种情况的原因：激光雷达在功率一定的情况下，穿透能力有限，在遇到水汽较重的雾-霾天气时，信号衰减严重，到最后就变成了无效的拖尾信号，反演出的就是一些噪点，导致了探测出的有效高度会偏低一些，从20日微波辐射计和激光雷达探测结果的对比来看(图 4)，接近05时水汽有一个向下输送的过程，如图中椭圆形框所示，水汽在向下输送的同时，还在不断地加重，到达地面后，在0.2~1.3 km区域湿度达到了饱和状态，在水汽往下输送前，从地面到1.2 km的高度范围内湿度基本保持在80%左右，在1.2~3.0 km湿度处于80%~100%的混合态，这种情况下，由于湿度在地面到1.2 km的范围内在80%左右，激光信号在这段区域没有被削减得很多，仍然有足够的能量穿透了1.2~3.0 km这段湿度处于80%~100%的混合态区域，此时激光雷达探测高度接近3.0 km，和微波辐射计探测到的高湿度区的高度基本一致，在水汽下降后，高湿区接地，从近地面到1.3 km出现湿度基本为100%的完全饱和区，在这种湿度基本饱和的情况下，激光雷达探测高度下降到了0.4 km，比微波辐射计和L波段探空雷达探测的结果要偏低的多，而微波辐射计和同一时段的探空数据探测结果基本一致，说明在这种情况下，激光雷达信号会被雾滴水汽大大削弱，导致其探测结果偏低，以该雷达为例此时只能探测到离地面四五百米的高度，实际上根据探空数据可知，雾-霾的垂直高度至少为1.3 km，所以这时激光雷达探测的结果已不能准确地描述雾-霾垂直方向的分布情况。在雾-霾进入前和结束后，19和27日能见度基本都在10 km以上，有的时段能见度甚至在20 km以上，接近洁净大气，这种情况下，激光雷达探测高度应该是最理想的高度，从这两天激光雷达反演图(图 4a)中可以发现，实际探测高度在4~5 km，这就说明该激光雷达实际探测最大高度范围为4~5 km，比所给的理想高度8~10 km偏低。

图 3 2014年2月20—22日探空数据 (a) 20日07时, (b) 20日19时, (c) 21日07时, (d) 22日19时 Fig. 3 Upper air sounding data in 20-22 February 2014 (a) 07:00 BT 20 February, (b) 19:00 BT 20 February, (c) 07:00 BT 21 February, (d) 19:00 BT 22 February

表 1 Table 1

表 1 2014年2月20—22日探空数据和激光雷达探测结果对比 Table 1 Comparison of sounding data and lidar detection result 探测时间/BT 激光雷达强信号垂直高度/km 探空垂直确定重度雾-霾高度/km 在垂直高湿区段内相对湿度数值 近地面逆温层起始至终止高度/km 地面能见度/m 20日07时 0.40 1.30 80%~100% 0.62~0.89 770 20日19时 1.30 1.24 75%~90% 1.19~1.34 750 21日07时 1.30 1.36 70%~90% 1.34~1.50 760 22日19时 1.92 2.04 70%~90% 2.00~2.17 1000

表 1 2014年2月20—22日探空数据和激光雷达探测结果对比 Table 1 Comparison of sounding data and lidar detection result

图 4 2014年2月20日激光雷达(a)和微波辐射计(b)反演图 Fig. 4 Inversion maps of lidar (a) and microwave radiometer (b) in 20 February 2014

本文利用细粒子激光雷达和台站现有探测仪器对北京的一次雾-霾天气过程进行综合分析，给出了该次雾-霾能够持续的气象条件和细粒子激光雷达探测结果和性能分析：

(1) 相对湿度始终维持在50%以上，风速在2 m·s^-1以下，不利于颗粒物的迅速扩散。逆温层和云团的持续存在，逆温层使大气层结稳定，大气对流减弱，颗粒物大量积累，云团的存在也阻止了颗粒物向高空的扩散，综合以上两个主要因素最终造成了这次雾-霾天气过程。

(2) 降水对颗粒物的冲刷、湿沉降作用以及冷空气的到来使得地面风力增大，促使了这次天气过程雾-霾的消散。

(3) 细粒子激光雷达对该次雾-霾天气过程近地面的探测结果和地面仪器探测结果吻合较好，此外，从激光雷达探测的垂直廓线图中可以看出，每天中午雾-霾的垂直高度要比早上和晚上稍低。

(4) 通过L波段探空雷达和细粒子激光雷达两种探测手段确定雾-霾垂直高度，发现激光雷达确定的雾-霾垂直高度总体要比L波段探空雷达确定的高度偏低，通过与微波辐射计探测结果的对比，发现在水汽较重、相对湿度接近饱和状态时，偏低表现得更加明显，此时激光雷达探测高度只能达到四五百米，已不能正确地反映雾-霾的垂直分布。