引言

近年来，雾-霾天气的频发，对交通的影响和危害以及造成的灾难达到了空前的程度，成为严重影响高速公路、航空和水运安全的重要因素。此外，连续的雾-霾天气，对人民群众身体健康、生产生活和生态环境带来严重破坏。2011年“雾霾天气频繁，预警不断”主题入选“中国十大天气气候事件”，雾-霾天气不断地成为公众最关心的的话题之一，对雾-霾的研究日益引起国内外气象部门、科研人员及民众的关注(Chen et al, 2012; Watson，2002)。以吴兑为代表的研究人员率先对珠江三角洲地区的灰霾天气做了大量研究，认为灰霾天气的气溶胶成分和结构主要与当地人类活动排放的污染物、气流停滞区、强平流输送等有关(吴兑等, 2001; 2006; 2008)。此外，吴兑(2005; 2006; 2008)深入探讨了国内各地区对霾观测标准不统一的情况，认为相对湿度＜80%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾造成的；相对湿度＞90%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是雾造成的；相对湿度在80%~90%之间时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的，但其主要成分是霾。近些年上海、北京、南京和天津等大城市都逐步开展雾-霾天气的研究，分析了雾-霾过程中气溶胶粒子的光学特性和微物理特性(龚识懿等，2012；于兴娜等，2012；杨军等，2010；过宇飞等，2013；姚青等，2012a；蔡子颖等，2014；熊亚军等，2015)。但对雾-霾形成机理、扩散模式等方面的研究尚未深入开展(张恩红等，2012；王博妮等，2014)，同时，引起雾-霾产生的因素多且复杂，与各地大气污染物成分(Deng et al, 2008; Liu et al, 2009; )、地理环境、污染物源地多寡、季节、天气系统位置等诸多因素均有密切联系，关于雾-霾成因和机制的研究任重道远。

2013年1月中国东部地区出现了多次严重的雾-霾天气，并伴有严重的空气污染。张人禾等(2014)从大气环流背景和雾-霾演变天气演变两个方面，分析了气象条件在这次雾-霾天气中的作用。陈瑞敏等(2014)从污染物浓度与地面气象要素的关系及中低层环流形势的角度进行分析，2013年1月12—16日，江苏省出现了一次范围大、持续时间长、强度大、污染重的雾-霾天气过程(刘梅等，2014)。1月13—14日全省大部分地区能见度低于0.5 km，持续的雾-霾天气对高速公路、航空、水上交通等运输造成较大影响。1月14日凌晨，江苏大部分高速公路封闭，90多趟长途班车晚点，158班车次被迫停开；京杭运河苏北段封航，中山码头、板桥汽渡实施交通管制，停止摆渡，500余艘船舶滞留；禄口机场航班大面积延误。同时对民众健康也造成严重影响，很多老慢支、咽炎、过敏性鼻炎、哮喘等病人在雾-霾天气中感到不适。据新华社记者统计，1月13—14日儿童咳嗽、哮喘的就诊量是过去同期的2倍，呼吸道门诊人数比平时多10%~20%，呼吸科的病人也增加了3~5成。鉴于此次连续性雾-霾天气过程社会影响很严重，因此，选取2013年1月12—16日江苏地区连续性雾-霾天气过程为研究对象，利用FNL资料、NOAA的GDAS资料结合空气污染资料、常规气象资料等，分析本次雾-霾过程中的高低空环流形势、气象条件、层结结构和边界层特征、污染演化过程及气流的后向轨迹等，以期深入认识雾-霾的形成和维持机制，为预报预测提供科学依据。在本次研究中，雾和霾具有交替存在、混合转换等特点，在凌晨相对湿度较高时，能见度低于1 km为雾天气，日出后气温上升，相对湿度减小，雾转换成霾，能见度上升到1~10 km，雾和霾均能造成能见度不同程度的下降。因此，为便于表述，将雾和霾统称为雾-霾。

1 雾-霾天气过程概述

江苏省1月常年平均雾日为2.7 d、霾日为1.6 d，2013年1月出现了24 d雾-霾天气，其中1月12—16日出现的大范围连续性雾-霾天气尤为严重，17日受南下冷空气的影响，能见度上升，雾-霾区域范围缩小并逐渐消散。

根据中国气象局《地面气象观测规范》及《霾的观测和预报等级》将相对湿度大于95%，能见度低于1 km作为雾的判断标准；相对湿度小于80%，能见度低于10 km作为霾的判定标准；能见度小于10 km，相对湿度为80%~90%时，如果PM_2.5质量浓度大于75 μg·m^-3，则是为霾，若PM_2.5质量浓度小于75 μg·m^-3，则定义为雾。

这次雾-霾天气是一次大范围的污染天气过程，图 1为江苏2013年1月11—17日江苏省主要城市AQI指数序列图。11—17日全省的AQI值均＞100，首要污染物主要是可吸入颗粒物。其中13日南京市的AQI值为223，达到了重度污染级别，淮安市在16日AQI值为190，达到了中度污染级别，至此全省均被长达5 d的高浓度污染雾-霾天气所笼罩。17日随着冷空气的东移南下，偏北大风对污染颗粒有清除作用，全省空气质量指数明显减小。

1.1 雾-霾期间环流形势

大范围雾-霾天气总是发生在极为有利的天气形势下。在500 hPa高度场上(图略)，从雾-霾开始到结束，在贝加尔湖附近始终存在一高压脊，在鄂霍次克海附近有一低涡，低槽与温度槽大致平行，没有特别明显的冷平流。平均场受西北偏西气流控制，有利于夜间辐射降温和下沉增温，使得近地层的污染物颗粒聚集，同时可阻挡高纬度地区冷空气的大规模渗透，高空形势极为平稳。

图 2是1月12—16日5 d平均环流形势场。在925 hPa上(图 2a)，江苏处在反气旋环流东部，有暖温度脊经过，并始终位于0℃线以内，存在暖区当中。中低层暖性结构的长期维持，是雾-霾持续存在的一个主要原因。

从平均海平面气压场来看(图 2b)，单一冷性高压控制华北华东地区，而随着多日无明显冷空气的补充，位置少动，同时等压线较稀疏，地面基本呈静小风状态，不利于水汽和污染物颗粒的扩散。此外在高压的控制下，有利于夜间地表辐射降温，为雾的形成提供触发机制。17日受较强冷空气影响，冷高压逐渐变性，持续雾-霾天气结束。

总之，高空环流形势平稳的变化、中低层的暖平流、持续稳定少动的地面高压场分布为本次雾-霾天气的持续发生发展提供有利的环流形势。

1.2 能见度的演变特征

1月12日至16日夜间，江苏地区的能见度一直维持在2 km以下，整个雾-霾持续了约6 d，尤其在13日夜间到15日早晨，1 km以下的低能见度浓雾天气累计持续时间约为50 h。从全省典型时次的能见度分布演变(图 3)，12日20时雾从南通和盐城南部开始发展，13日08时雾区扩展到沿江苏南及淮北地区，午后能见度逐步上升到1 km左右；13日23时全省处在雾区中，低于0.2 km的浓雾呈区域性分布；14日08时雾强度加强，全省大范围出现了能见度低于0.1 km的浓雾天气，直到12时浓雾自东南—西北向减弱，减弱后的东南部地区能见度维持在1 km左右，西北部地区能见度逐渐上升到0.5 km，这一时段是雾-霾过程发展的鼎盛阶段；14日20时左右，西北部地区能见度又下降到0.1 km，浓雾区域逐渐向西扩展，其他地区能见度低于1 km；15日08时能见度逐渐上升，全省大部分地区能见度维持在1 km左右；15日20时江苏东部地区能见度低于1 km，其他地区能见度低于1.2 km，16日08时淮北被雾气笼罩；其他地区能见度维持在2 km，16日20时雾区逐渐消散，能见度逐步回升，17日08时，徐州局部地区能见度仍低于1 km以下，其他地区能见度都显著上升，本次连续性雾-霾天气过程消散。

1.3 地面气象要素特征分析

南京是本次雾-霾天气过程重点影响地区之一。图 4是本次过程中南京站能见度与相对湿度、气压、温度、风速、PM_2.5、PM₁₀浓度的逐时平均变化序列。能见度的变化受气象条件和污染物颗粒的共同影响。由图 4分析可知，在本次过程中，气压整体呈升高的趋势，16日傍晚随着冷空气东移南下到江苏后，气压升高到1030 hPa，但整个过程中气压梯度变化较小，在14日早晨和夜间能见度下降到0.2 km以下，气压值略有升高，有助于辐射降温，水汽凝结对雾的形成有利。相对湿度与能见度和气温呈一致的反相位变化关系，能见度降到最低时，相对湿度最高，气温最低。风速与能见度关系复杂，对于辐射雾阶段，风速和能见度呈正相位关系；对于平流雾阶段，偏东风风速在6 m·s^-1左右都能产生雾，此次过程平均风速稳定维持在3 m·s^-1以下，风速的变化形成微弱的扰动为雾-霾的持续形成提供一定的条件。PM_2.5和PM₁₀浓度变化趋势基本一致，并维持在150 μg·m^-3以上，13日前期两者浓度达到了此次过程的峰值分别为334和426 μg·m^-3，16日后期随着冷空气东移南下，雾-霾消散，能见度上升，PM_2.5和PM₁₀浓度减小。

根据能见度、相对湿度和PM_2.5、PM₁₀浓度的变化表明，此次过程中，雾、霾阶段性特征较明显。1月13、14、15日凌晨时段，相对湿度在95%以上，温度较低，能见度低于0.5 km局部不足0.2 km，为典型的雾天气特征；中午雾消后至晚间20:00左右，这一时段气温升高，相对湿度减小，PM_2.5和PM₁₀浓度增大，能见度维持在2 km左右，为霾天气特征，16日08:00至17日02:00也为霾天气。

综合各气象要素的变化特征，持续变化较小的气压梯度和较低的风速以及相对湿度的增大和PM_2.5、PM₁₀的浓度的变化是此次雾-霾天气产生和维持的主要原因。

1.4 层结结构和混合层高度

从1月13日08时至17日08时南京站探空资料时间剖面图分析(图 5)，13日边界层为西南风，风速为1~4 m·s^-1，中高空为偏北风，这种高低空配置形成的逆温为雾-霾的形成提供稳定的大气层结，同时低空微弱的西南气流向雾-霾区输送一定的水汽，13日夜间雾-霾区范围扩展到全省，但随着弱冷空气补充南下，14日早晨中低空转为一致的西北风，露点锋区从850 hPa下降到925 hPa以下，下沉气流在925 hPa附近形成下沉逆温层，像一个干暖盖子一样阻止上下层水汽和动量的垂直交换，将水汽和污染物颗粒聚集在低层，大气层结更加稳定，辐射降温明显有利于辐射雾的形成和维持，此外低层较小的风速形成的微弱的扰动使水汽饱和逆温层扩展到一定的高度，在低层形成强度很大的浓雾(彭双姿等, 2012)。14日夜间到15日早晨低层为4~6 m·s^-1偏东气流，将东海的水汽源源不断地输送到内陆，使得近地层水汽饱和，并在925 hPa附近形成露点锋区中心，为大雾的形成提供高湿条件，中高空转为10~12 m·s^-1的西南暖湿气流，低空扰动随着风速增大而加大，使得低层能量和水汽交换加强，逆温层高度被抬升，混合层高度较前几日有所提高，雾层增厚，全省大部分地区能见度低于0.1 km。15日上午随着气温升高，相对湿度减小，逆温层减弱，能见度有所好转。16日高空有冷空气渗透，中高空为一致的西北风，但前期天空云系较多，仍以阴天和雾-霾天气为主。17日随着冷空气高压的东移南压，中高层北风加强，逆温层被破坏，能见度升高，雾-霾消散。

混合层高度是影响污染物在垂直方向扩散的主要气象要素，代表污染物在垂直方向上被扩散的范围(徐芙蓉等，2003)。当混合层高度较低时，污染物在垂直方向得不到很好的扩散，污染物浓度就越大，空气质量指数(AQI)就越高，能见度就越低，在混合层高度长时间维持较低时，就会出现连续的高浓度污染天气。图 6是利用Nozaki法(马金等，2011)计算的1月12—17日的混合层高度与AQI的变化曲线。由图可见，雾-霾期间，日最大混合层高度低于1 km，13日最大混合层高度不足0.6 km，对应的AQI达到了峰值。混合层高度与AQI呈反相位变化，混合层高度越高，相应的AQI值越低，有利于大气污染物的扩散；混合层高度越低，AQI值越高，污染物颗粒被聚集在低层不易扩散，空气污染严重，能见度相应的就越低。

2 雾-霾过程中的大气污染状况

能见度下降和持续性污染与PM_2.5和PM₁₀浓度增长有关(姚青等，2012b)。图 7是南京市1月13—17日雾-霾过程中能见度与PM_2.5和PM₁₀浓度的变化曲线图。PM_2.5和PM₁₀浓度的增长时段与能见度降低时段基本一致。受前期冷空气势力偏弱、持续无降水、空气污染扩散气象条件差等影响，南京已有10余天的雾-霾天气，尤其在1月13日前期PM_2.5和PM₁₀质量浓度分别维持在300 μg·m^-3左右和400 μg·m^-3以上，这也是13日早晨沿江苏南地区出现浓雾的原因之一，13日午后随着雾-霾的消弱，能见度上升，PM_2.5和PM₁₀浓度下降；13日夜间至14日早晨，除南京等地区外，全省都被强浓雾笼罩，PM_2.5和PM₁₀浓度未超过200 μg·m^-3；1月14日夜间至15日早晨，包括南京在内的江苏西南部，出现了强浓雾，相对湿度达到了98%，这一时段PM_2.5浓度在150 μg·m^-3左右，PM₁₀浓度约为220 μg·m^-3，两者浓度较14日白天明显下降；15日白天至17日前期，南京站的能见度基本稳定2 km以下，随着能见度的小幅变化，相应的PM_2.5和PM₁₀浓度也有所变化；17日随着冷空气南下，冷锋过境带来的流动性强的干冷大风将低层的污染物快速清除，能见度转好，PM_2.5和PM₁₀浓度迅速下降。

PM_2.5/PM₁₀用来作为颗粒物富集程度的表征手段，与能见度呈反相位变化(图略)。本次过程中，PM_2.5/PM₁₀变化在0.60以上，当能见度连续低于0.2 km时，PM_2.5/PM₁₀比值低于0.65，随着能见度的上升，对应的PM_2.5/PM₁₀比值增大，最大时可接近0.80。1月17日当冷空气影响江苏后，PM_2.5/PM₁₀快速下降，这表明空气中的PM_2.5浓度减小，进而导致贡献给气溶胶的数浓度和表面积减少，从而影响到大气中可见光的投射，这是能见度转好的主要原因之一。

综合来看，相对湿度和PM_2.5在污染物颗粒中的富集，是能见度下降和持续性污染的首要原因。当相对湿度低于90%时，PM_2.5的浓度是影响能见度的主要因素；当能见度低于1 km时，PM_2.5和PM₁₀的浓度减小，相对湿度成为影响能见度的主要因子，强冷空气带来的大风降温是污染物颗粒被快速清除的重要动力机制。

3 气流轨迹分析

此次雾-霾过程给人们的交通出行和身体健康带了严重危害，其污染物来源值得人们重视。利用美国NOAA研发的HYSPLITE-4模型来分析此次雾-霾天气中污染物的输送过程。以南京(32.00°N、119.00°E)为参考点，考虑到混合层高度和区域尺度，选取0.1、0.5、1 km作为高度层，分别计算2013年1月14、15、16和17日20:00后向72 h的气流轨迹，以追踪到达南京的气团过去72 h的输送轨迹，用于分析不同高度上污染物的气团来源。1月14日20时中低层吹偏东风，南京污染物的来源并非只有本地污染造成的，0.1和0.5 km污染物主要来自山东胶州一带，经黄海被偏东风输送途经江苏盐城、淮安到达南京，1 km的高空轨迹来源于安徽东部及江苏淮北地区(图 8a)。图 8b表明15日20时1 km的高空轨迹污染物来源于安徽西南部，气流在输送途中受黄山和大别山山脉的阻挡发生转折，由于低层偏东风强劲，0.5 km轨迹源于海上到苏北中部经偏南气流到苏南后到达南京，0.1 km轨迹也源于黄海上，在移动中携带大量水汽向东南方向移动，进入上海、浙江，转而向北到安徽后到达南京。16日20时受冷空气的渗透，污染源主要来自山东北部地区(图 8c)。17日20时强冷空气南下影响江苏，低层来自蒙古地区的干冷空气经吉林、辽宁、渤海湾、山东半岛到达南京(图 8d)，强降温作用将逆温层打破，高低空一致的偏北风带来的冷平流快速发展，混合层高度增大，清除了污染物颗粒所需的高湿静稳环境，本次雾-霾过程在18日14时彻底消散。

从图 8可以看出，根据不同高度的输送通道和地形的影响，本次雾-霾过程中污染物源输送可以分为四类：① 来源于黄海上；② 来源于本地的局地污染(苏南和苏北)；③ 来自北方(东北、华北和山东)；④ 最后一类来源于安徽地区，这一结论与任雅斌等(2012)的研究结果一致。空气质量的好坏源头是污染物的排放，当不利于污染物扩散的天气形势出现时，需及时关闭影响空气质量的污染排放单位。

4 结论

对2013年1月12—16日江苏地区连续性雾-霾天气过程的高低空环流形势、气象条件、层结结构、污染演化过程、气流的后向轨迹等方面进行了分析，研究表明：

(1) 高空环流形势平稳的变化、中低层的暖平流、地面高压场分布为雾-霾天气的发生提供有利的气象条件。

(2) 持续变化较小的气压梯度、较低的风速、相对湿度的增大，以及PM_2.5和PM₁₀的浓度的变化为雾-霾形成和发展提供有利条件；雾-霾发生期间，低层都存在不同程度的逆温现象；混合层高低直接影响能见度变化，当混合层高度越低时，AQI就越高，污染就越严重，能见度越小。

(3) 相对湿度增大和PM_2.5在污染物颗粒中的富集，是能见度下降和持续性污染的首要原因，当相对湿度低于90%时，PM_2.5的浓度是影响能见度的主要因素；PM_2.5和PM₁₀的浓度及相对湿度成为影响能见度的主要因子，强冷空气带来的大风降温是污染物颗粒被快速清除的重要动力机制。

(4) 根据HYSPLITE-4模型分析南京污染物来源的主要可分为4类：① 来源于黄海上；② 来源于本地的局地污染(苏南和苏北)；③ 来自北方(东北、华北和山东)污染物的输送；④ 来源于安徽地区。