引言

雾是水汽凝结(华)物悬浮于大气边界层内使水平能见度降至1 km以下时的天气现象，具有影响范围广、发生概率高的特点(杨军等，2011)。雾造成的低能见度会对交通安全、植物生长、人体健康、建筑物、电力设施等带来诸多的不利影响(黄玉生等，1992；Niu et al，2010b；张伟等，2021；严文莲等，2018；方春刚和郭学良，2019；王庆等，2021；梁卫等，2021)，能直接或间接影响人类活动，带来的经济损失有时不亚于龙卷风、飓风(Gultepe et al，2007)。因此，及时、准确地预报雾天气过程具有重要的意义。

在天气预报过程中，大雾的预报准确率不高，深入理解雾的微物理过程，对于雾的微物理过程参数化、数值预报、气候模式、遥感等水平的提高等具有重要意义(胡朝霞等，2011；Liu et al，2011；贾星灿和郭学良，2012；王庆等，2019；朱承瑛等，2018；祖繁等，2020；王宏斌等，2021)。雾的预报水平受限于对雾在不同时空尺度下的理化过程的理解，其形成、发展、消散是热力、动力、微物理过程相互作用的结果。目前国内外在雾的微物理观测和试验研究方面已取得了很多成果，揭示了不同类型雾的微物理和宏观物理结构。1958年，Eldridge(1961)观测了两次雾过程，发现雾滴尺度越小，数量越多。1979年11月，Gerber(1981)通过观测一次辐射雾发现湍流能控制雾的发展，雾准周期振荡的平均周期为18 min，近饱和湍涡的湍流混合是雾形成和雾滴谱拓宽的主要原因。1994年11月，Wendish et al(1998)观测了意大利北部波河流域的雾，发现大多数雾滴谱分布是双峰型，其演变有两个典型阶段，在第二阶段雾滴谱呈准周期振荡变化，周期为10~15 min。中国早在1958年即开展了云雾观测。1968—1969年，南方各省份做过一次雾的普查，对雾的微物理结构做了初步观测(李子华，2001)。1996年，黄建平等(1998)、李子华等(1999)分别观测了沪宁地区和南京两次浓雾的微物理结构特征，其中在沪宁地区的观测发现雾的含水量、谱宽等存在周期为20~30 min的振荡现象。2010年3月、2011年2—3月，张舒婷等(2013)、岳岩裕等(2013)分别对广东湛江地区海雾的微物理结构进行了观测，发现湍流的参与使雾滴混合均匀，使平均直径趋向平均化，同时使雾体内部和外部交流空气。

由于雾在时间和空间分布不均匀，仍需要大量不同条件环境和在垂直方向上的观测来深入了解其物理机制。但限于观测条件，关于雾的微物理特征的垂直观测数据很少，国内外已有的研究多借助于系留气艇和气象铁塔来获取数据，对雾垂直微物理结构特征的了解不多。1959年，Okita(1962)在日本观测了四次辐射雾过程中的含水量、数密度等微物理特征的垂直廓线。结果表明：一般的雾主要通过凝结增长，在雾或层云顶部附近存在半径约为50 μm或更大的大滴，这是产生毛毛雨的必要条件。1976年，Pinnick et al(1978)在西德利用系留气球观测了雾、霾过程中的谱分布、数密度等垂直分布特征。发现半径大于4 μm的雾滴数浓度在150 m高度的垂直方向上显著增加。1989年，Fuzzi et al(1992)在意大利北部波河流域利用50 m高的铁塔观测了雾的微物理结构。2011—2012年，Egli et al(2015)在德国利用系留气球观测了两次辐射雾过程的微物理垂直结构, 其结果表明，在雾生命期的成熟阶段，实测和理论液水含量剖面之间的趋势和梯度十分一致，并强调了现有的关于雾微物理特征垂直分布知识的匮乏。

本文利用常规气象要素、能见度、边界层探空等资料对2019年1月12日和13日两次浓雾过程的天气背景及宏观发展过程进行分析；利用气象铁塔获得的地面和20 m高度处雾的微物理量观测数据，对不同阶段(形成、发展、成熟、消散)地面与空中微物理特征参量、雾滴谱及微物理参量间相关性进行分析，总结出演变规律及差异性，进一步提高对浓雾生消过程的认识。

1 观测地点、仪器及数据处理

2019年1月2—15日，在安徽省淮南市寿县气象局(海拔高度为26 m)进行了为期14 d的雾外场观测试验，场地四周都为农田，下垫面条件均一。

试验利用美国DMT公司生产的FM-100型和FM-120型雾滴谱仪，分别观测了距地面约1 m高度处和气象塔20 m高度处雾的微物理结构。两台雾滴谱仪采样频率均为1 Hz，其中，FM-100型雾滴谱仪分20档，FM-120型雾滴谱仪分30档；由于两台雾滴谱仪第一档起始范围不确定，分别为 < 2 μm和< 3 μm，且该档中大多为干气溶胶粒子，因此在数据处理中均去除了第一档(李子华等，2011)，FM-100型和FM-120型雾滴谱仪计算雾滴的直径范围分别为2~50 μm、3~50 μm。利用芬兰Vaisala公司生产的系留气球探测系统观测了有雾期间的边界层结构，内容包括温度和气压。能见度、湿度、风速等地面常规气象要素数据来自观测场内的自动气象观测站。

为了分析雾滴的碰并和收集效率，引入自动转化阈值，根据Liu et al(2005;2006)，阈值方程一般描述为：

$ T=\frac{P}{P_0}=\left[\frac{\int_{r_{\mathrm{c}}}^{\infty} r^6 n(r) \mathrm{d} r}{\int_0^{\infty} r^6 n(r) \mathrm{d} r}\right]\left[\frac{\int_{r_{\mathrm{c}}}^{\infty} r^3 n(r) \mathrm{d} r}{\int_0^{\infty} r^3 n(r) \mathrm{d} r}\right] $

(1)

式中：T是自动转化阈值，其变化范围在0~1，值越大表示碰并和收集效率越高，碰并过程越强；P是自动转化率；P₀代表自动转化后的转化速度；r是雾滴半径；r_c是自动转化的临界半径，其表达式为(Liu et al，2004)：

$ r_{\mathrm{c}} \approx 4.09 \times 10^{-4} \beta_{\mathrm{con}}^{1 / 6} \frac{N^{1 / 6}}{\mathrm{LWC}^{1 / 3}} $

(2)

式中：β_con=1.15×10²³是经验系数，N表示数浓度，LWC表示液态水含量。

本文先对1月12日、13日两次雾过程期间FM-100型、FM-120型雾滴谱仪数据均做1分钟内的切尾平均，然后利用测得的雾滴大小分布数据，计算出雾过程中含水量、数浓度、平均直径、谱宽、自动转化阈值等微物理特征参量，再取能见度 < 1000 m、LWC≥0.001 g·m^-3的数据作为有雾阶段。边界层内温度、气压廓线数据也先做了分钟平均，再根据压高公式得到相应高度数据。

2 结果分析 2.1 雾过程概况

在2019年1月11日20:00至13日20:00(北京时，下同)500 hPa的天气图上(图略)，安徽省上空主要受平直西风带上的偏西气流控制；地面图上(图略)，安徽省一直处于高压均压区内。雾发生前约一周内，均为多云、小雨或小雪天气，相对湿度大致保持在80%以上。由于天空无云，近地面风速较小，12日、13日夜间地面均有较强的辐射降温，两次雾过程主要受辐射降温影响，均属于辐射雾。12日雾消散后为阴天，白天地面相对湿度一直在85%以上，风速总体在3 m·s^-1以下，为13日浓雾的形成提供了水汽条件。12日的雾过程形成于00:40，消散于08:39，共维持了约8 h，整个过程能见度在02:46达到最低值(75 m)。13日的雾过程形成于02:38，消散于11:11，共维持了约8 h 40 min，能见度在08:43达到最低值(67 m)。

图 1a和1b分别为12日和13日两次雾过程前后温度的垂直分布廓线。在雾形成前，11日22:57，近地面形成了一个高度为34 m、温度约为3℃的近似等温层，由于地面持续辐射冷却，在12日00:41地面雾形成的同时，近地面存在厚为62 m、强度为0.8 ℃·(100 m)^-1的贴地逆温层，此后地面持续降温。04:50，此时逆温层已从地表上移，逆温强度也增大到4.0 ℃·(100 m)^-1。随着雾不断发展加厚，地面辐射降温减少，且由于日出后太阳辐射加强，地面温度开始上升，逆温层不断上移，07:10逆温层上升到85~150 m高度，逆温强度减弱至2.5 ℃·(100 m)^-1。地表持续升温使逆温层逐渐上移且强度不断减弱。而在13日，雾形成前2小时及雾过程中近地面始终存在很强的贴地逆温，雾过程期间逆温层顶高度在70~170 m，逆温层之上为近似等温层，浓雾在日出(07:12)后仍维持了大约4 h才消散。强逆温结构的维持能使近地面大气层结保持稳定状态，大量水汽集中在近地面，对于雾的长时间维持和发展起着重要作用(邓雪娇等，2002)。13日雾过程中强逆温的维持为浓雾过程提供了充足的水汽，也使地面温度在日出之后没有很快升高，是浓雾在日出后仍长时间维持的主要原因。

由表 1可知，两次雾过程在地面和20 m高度处的数浓度(N)、平均直径(D_ave)相差不大，但LWC和谱宽(D_max)的地面数据明显大于20 m高度处数据，尤其是LWC，地面数据是20 m高度处的2倍以上，说明在地面大雾滴相对小雾滴的数量比20 m高度多。13日，地面和20 m高度处的数浓度均是12日的2倍左右，LWC也略大于12日，且D_ave、D_max在地面和20 m高度都分别略小于12日，说明与12日相比，13日雾过程小雾滴的数量远远多于大雾滴，这可能与13日雾过程中贴地强逆温的存在有关，逆温使水汽抑制在逆温层内，充足的水汽使核化、凝结过程较为活跃且持久，小雾滴供应充足，使得13日雾在地面附近的强度比12日强。

2.2 雾过程的发展阶段分析

图 2、图 3分别是12日和13日两次浓雾过程，地面与20 m高度处的雾滴微物理特征量时间序列。根据雾过程中地面能见度及微物理特征参量的差异，将雾划分为形成、发展、成熟、消散阶段。12日雾过程具体划分为：形成阶段(00:40—01:00)、发展阶段(01:01—01:42)、成熟阶段(01:43—07:27)、消散阶段(07:28—08:39)。根据地面和20 m高度处的各物理量的差异，将成熟阶段分为两个阶段：成熟阶段前期(01:43—03:34)和成熟阶段后期(03:35—07:27)。13日雾过程具体划分为：形成阶段(02:38—03:15)、发展阶段(03:16—04:00)、成熟阶段前期(04:01—08:19)、成熟阶段后期(08:20—10:20)、消散阶段(10:21—11:10)。

在地面雾形成和发展阶段，20 m高度处的N、LWC、D_ave、D_max都很小且基本保持不变。成熟阶段前期，20 m高度处N迅速增加，其他微物理特征量也逐渐增大，但各物理量值总体小于地面。从图 2、图 3可以看出，在成熟阶段前期图中虚线框内，地面和20 m高度处的LWC、N和D_ave都分别有相反的变化趋势，从发展阶段到成熟阶段前期，地面LWC、N和D_ave都先不断波动增大直到峰值，之后都有一个先急剧减小又回升的过程，与此同时，20 m高度对应的各微物理特征量都有一个先急剧增大又回落的过程。说明浓雾中存在垂直方向的上下层交换，这可能与湍流运动等有关。湍流扩散对动量、热量和水汽的垂直输送、雾滴碰并增长起着重要作用。浓雾进入增强阶段以后，湍流不仅能向上输送热量和水汽，使大量凝结核核化增长，而且能促进雾滴之间的碰并使大滴显著增长(刘端阳，2011)。成熟阶段后期和消散阶段，20 m高度处各物理量曲线和地面基本重合，变化趋势也基本一致。可能是由于雾凝结释放潜热和地面加热增强了雾中的湍流混合强度(姚青等，2018)，使雾在垂直方向变得均匀(赵丽娟，2012)。但两次雾过程在垂直方向上变得均匀的时间有所差异，13日雾在垂直方向上变得均匀的时间明显晚于12日，可能与13日浓雾过程中始终存在贴地强逆温，抑制了湍流运动和雾层上下层交换有关。

在地面，12日雾过程T的大值区与LWC、N、D_max大值区相对应，即成熟阶段碰并效率较高，当D_max>27.5 μm时，碰并效率明显升高，T最大值出现在03:04，为0.70。说明雾在形成和发展阶段地面以核化、凝结增长为主，成熟阶段碰并效率增大，使D_max拓宽，LWC增大。与12日相比，13日雾过程中地面雾的T大值区的范围和数值都较小，T值较大、碰并过程较强的阶段只在成熟阶段后期。在20 m高度，两次雾过程的T值均几乎为0，说明20 m高度雾碰并过程并不活跃。

2.3 雾滴谱分布特征

两次雾过程地面和空中的不同阶段与总过程平均雾滴谱分布分别如图 4、图 5所示。由图可知，两次雾过程雾滴谱从形成到消散阶段，都经历了谱宽从逐渐拓宽到收缩，谱线先上抬再下降的过程。在地面雾形成、发展、消散阶段，雾滴谱均为单峰分布，谱宽较窄，成熟阶段由于碰并过程活跃，使大雾滴数量增加，雾滴谱明显拓宽的同时变为双峰分布。20 m高度处直径大于10 μm左右的大雾滴较少，谱宽较窄，一直为单峰结构。两次雾过程总的雾滴谱在地面谱型均为双峰结构，20 m高度处谱型均为单峰结构，20 m高度谱宽分别窄于地面7.5 μm、8.5 μm。说明20 m高度大雾滴的数量明显少于地面，雾滴生长可能主要以凝结增长为主。

13日雾过程在地面、20 m高度处谱宽分别比12日大3 μm、2 μm，但直径大于10 μm的雾滴谱线在12日雾成熟阶段上抬的范围明显大于13日，大雾滴的数量相对13日更多。直径大于10 μm的雾滴数密度在雾成熟阶段增长及消散阶段下降的速率最为明显，对D_ave和LWC的影响较大。两次雾过程雾滴谱演变与Price(2011)在英国东南部卡丁顿地区观测的7次雾过程期间典型雾滴谱演变特征相似：最初雾滴谱为直径小于10 μm左右的单峰分布，大概4~5 h之后，雾滴谱拓宽，变为双峰或偏态分布。

2.4 微物理量关系

雾过程中D_ave、N与LWC三者之间的关系可以反映雾滴核化、凝结和碰并等微物理过程的影响(Niu et al，2010a)。图 6和图 7分别为两次雾整个雾过程LWC与N、LWC与D_ave、N与D_ave之间的相关性分析。两次雾过程在地面，LWC与N、LWC与D_ave之间均有较强的正相关，N与D_ave之间分别为不相关和很弱的正相关。20 m高度，LWC与N之间为较弱的正相关，LWC与D_ave之间为较强的正相关，N与D_ave之间在12日为较弱的负相关，13日为较弱的正相关。不同于之前在南京、湛江地区观测到的整个雾过程期间各微物理特征量之间均呈正相关性的结果(张舒婷等，2013；Niu et al，2010a；Lu et al，2013)。

在地面，12日雾N与D_ave变化范围均较大，且N与D_ave之间呈不相关(图 6c)，13日雾N与D_ave之间呈较弱的正相关(图 7c)，与之前的很多研究中认为一般情况下雾滴平均直径与数浓度呈反比的认识不同(黄建平等，1998；黄玉生等，2000；唐浩华等，2002)。但与Niu et al(2010a)、Lu et al(2013)在南京雾的研究中发现整个雾过程中N与D_ave之间呈正相关的现象相同。Lu et al(2013)认为N与D_ave之间是呈正相关、负相关或不相关，取决于整个雾过程中由于碰并失去小雾滴和由于核化凝结补充小雾滴这两个过程的强弱。若由于核化凝结补充小雾滴的过程强于由于碰并失去小雾滴的过程，则N与D_ave之间就呈正相关。再从图 6a可知，整个雾过程LWC与N之间呈较强的正相关，如果是以碰并过程为主导，大雾滴碰并小雾滴之后，会使N减小，D_ave增大，大雾滴对含水量的贡献较大，会使得LWC增大，使N与LWC之间呈负相关。由此说明碰并过程不是整个雾过程的主导过程，整个雾过程的优势过程可能是核化凝结，同时碰并过程也具有重要作用。

20 m高度处的N与D_ave在12日呈弱的负相关(图 6f)，13日呈弱的正相关(图 7f)。根据两次雾过程LWC与N均呈弱的正相关(图 6d、图 7d)，且20 m高度T值在整个雾过程中几乎为零(图 2f、图 3f)可知，碰并过程在20 m高度处很弱，不会是影响此处雾的主要微物理过程，20 m高度处的雾可能主要受核化凝结过程的影响。N与D_ave在12日呈弱的负相关，13日呈弱的正相关的原因，可能有以下两方面：与地面相比，20 m高度处的N、LWC都明显小于地面(表 1)，20 m高度谱宽也明显小于地面(图 4、图 5)，大雾滴的数量很少，这可能与湍流运动有关，较强的湍流运动会使雾团与未饱和空气团发生混合，导致部分雾滴蒸发，同时使得不断有新的凝结核核化、凝结增长，造成大部分雾滴都直径较小，使N与D_ave的相关性不大(赵丽娟，2012)；另外，还可能与夹卷混合过程有关，云雾中的非均匀夹卷混合机制认为，云雾滴越靠近干空气，越容易蒸发，而远离干空气的云滴基本不受影响，造成云雾滴D_ave基本不变，但N减小，也会造成N与D_ave的相关性不强(Baker and Latham, 1979；陆春松和徐晓齐，2021)。

为进一步了解整个雾过程中雾滴核化、凝结和碰并等微物理过程的变化，进一步对不同阶段三个微物理特征参量之间的相关性进行了分析。图 8和图 9分别为12日和13日两次浓雾过程不同阶段LWC与N、LWC与D_ave、N与D_ave之间的相关性分析。

在地面，两次浓雾过程形成、发展和成熟阶段前期各微物理特征量之间均呈正相关，LWC、N、D_ave增长明显，说明这几个阶段雾中微物理过程以核化、凝结增长为主，其中在成熟阶段前期，由图 2f、图 3f可知T值较大，碰并收集效率较高，说明同时有碰并过程发生。成熟阶段后期，LWC、N明显减小，D_ave变化不大，LWC与N、LWC与D_ave之间仍呈正相关，但N与D_ave之间呈负相关，说明此阶段除了核化凝结，碰并过程也较活跃，打破了N与D_ave的正相关。由上文可知，可能由于此阶段雾在垂直方向发生了上下层交换，促进了雾滴之间的碰并。消散阶段，三个特征量均显著减小，各个特征量之间呈强的正相关，由图 2f、图 3f可知，消散阶段T值很小，说明碰并效率不高，该阶段可能以重力沉降、蒸发等过程为主。从形成、发展再到成熟阶段，三个微物理量之间的相关关系大致从较强的正相关到弱的正相关或负相关，说明碰并作用逐渐增强，各参量之间的正相关性不断被削弱，与Lu et al(2013)在南京观测到的几次个例发展趋势相类似。

如图 8d~8e所示，两次浓雾过程在形成和发展阶段还没有发展到20 m高度。在成熟阶段前期，20 m高度LWC、N与D_ave明显增大，各物理量之间均呈正相关，说明此阶段以核化、凝结过程为主。成熟阶段后期，N与LWC相关性变化不大，LWC与D_ave的正相关性有所减弱，D_ave与N从正相关变为负相关，由上文可知20 m高度在此阶段T值很小，碰并过程并不活跃，这一阶段仍以核化凝结过程为主。D_ave与N从正相关变为负相关，可能与上文中提到的湍流运动、夹卷混合等因素有关。吴诗晓等(2021)对雾不同阶段夹卷混合机制的研究也表明，成熟阶段雾中以极端非均匀夹卷混合机制为主，N和LWC同时减小，D_ave基本保持不变，会使D_ave与N从正相关变为不相关。13日20 m高度雾在成熟阶段后期，D_ave与N、LWC相关性均较差，雾滴直径在6 μm左右集中，在海雾中也有这样的现象，张舒婷等(2013)认为这可能与湍流混合作用有关，湍流带动了小雾滴随湍流运动，促进了小雾滴生长；同时湍流促进了雾体内外空气交换，使N增大，而D_ave变化很小。

3 结论

2019年1月12日和13日，利用雾滴谱仪在安徽省淮南市寿县连续观测了两次浓雾期间地面与空中微物理量的演变。根据其演变将雾划分为形成、发展、成熟、消散四个阶段，比较了不同阶段地面与20 m高度雾滴谱分布及各微物理参量差异。得到结论如下：

(1) 稳定的天气系统、良好的水汽条件，使寿县连续两天出现浓雾。两次雾过程均在辐射冷却条件下形成，为辐射雾；13日雾过程中由于强逆温结构始终维持，使水汽抑制在逆温层内，让雾在地面附近的强度强于12日，并在日出后仍维持较长时间。

(2) 20 m高度雾形成时间晚于地面，在地面雾形成、发展和成熟阶段前期，地面数浓度、液态含水量、平均直径、谱宽都整体大于20 m高度处，其中在成熟阶段前期，地面和20 m高度处的液态含水量、数浓度和平均直径都分别呈相反的变化趋势，雾中发生上下层之间的交换。在成熟阶段后期和消散阶段，可能由于雾凝结释放潜热、地面加热等过程增加了雾中的湍流混合强度，各微物理特征量在地面和20 m高度变化曲线逐渐重合，雾在垂直方向上变得均匀。13日雾在垂直方向上变得均匀的时间远远晚于12日，可能与贴地强逆温的存在抑制了湍流运动和雾层上下层交换有关。

(3) 两次雾过程平均雾滴谱分布在地面均呈双峰分布，20 m高度处均为单峰分布且谱宽明显小于地面。在地面，整个雾过程中核化、凝结增长过程占主导，同时碰并过程也具有重要作用。20 m高度大雾滴的数量明显少于地面，雾滴生长主要以凝结增长为主。

(4) 地面雾从形成、发展再到成熟阶段，碰并过程逐渐增强，数浓度、液态含水量、平均直径之间的相关关系大致从较强的正相关到弱的正相关或负相关。20 m高度雾从成熟阶段前期到后期，平均直径与数浓度从正相关变为负相关，可能与湍流运动、夹卷混合等因素有关。