天津平流霧過程及其空中微物理特征個例研究

楊軍,高雅,吳彬貴,董琪如,王兆宇,胡漢峰

摘要 2016/2017冬季在天津開展了平流霧微物理特征觀測試驗(yàn)，結(jié)合距地66 m高度處霧滴譜和255 m氣象塔大氣邊界層資料，借助突變和趨勢一致性非參數(shù)檢驗(yàn)方法對重度霾后接連發(fā)生的兩次平流霧過程發(fā)展階段進(jìn)行客觀劃分，揭示霧體內(nèi)部一定高度處霧滴微物理特征和尺度分布特征的觀測事實(shí)，討論其生消演變規(guī)律。結(jié)果表明，伴隨西南暖濕平流，飽和層首先在空中出現(xiàn)并向地面擴(kuò)展，霧過程中成熟階段觀測高度范圍內(nèi)升溫，霧層處于中性或弱不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)。66 m高度處大霧滴持續(xù)存在，微物理特征與地面能見度準(zhǔn)同步變化，數(shù)濃度高值出現(xiàn)在成熟階段初期，而含水量、特征直徑高值出現(xiàn)在成熟階段后期，對應(yīng)成熟階段后期霧滴數(shù)濃度減少、地面能見度小幅躍升。消散階段各尺度數(shù)濃度因霧滴蒸發(fā)同步減小。

關(guān)鍵詞 平流霧;微物理特征;尺度譜分布;霾

霧是具有垂直結(jié)構(gòu)特征的大氣水物質(zhì)演變現(xiàn)象，霧滴尺度譜分布、含水量等相關(guān)微物理特性是霧的最基本物理屬性，其垂直分布決定了整個霧層的生消演變規(guī)律，是霧數(shù)值模型開發(fā)、預(yù)報、遙感等應(yīng)用研究的科學(xué)基礎(chǔ)，也是當(dāng)前面臨的瓶頸（Gultepe et al.，2007）。

長期以來，霧滴微物理特征的直接觀測主要在地面（即霧層的底部）進(jìn)行（李子華等，2011;陸春松等，2011;趙麗娟和牛生杰，2012;呂晶晶等，2014;費(fèi)冬冬等，2016;董瑩等，2021），對霧層內(nèi)部微物理特征的認(rèn)識十分有限。到目前為止，限于觀測條件，對空中霧體內(nèi)部霧滴尺度譜分布及其微物理特征量的認(rèn)識僅有以下零星結(jié)果。1959年秋季，Okita （1962）利用氣球（升限約300 m）在日本北海道測量了山地濃霧的液水含量、霧滴數(shù)濃度隨高度的分布，多數(shù)個例顯示含水量和數(shù)濃度在霧層中上部較大，這種垂直結(jié)構(gòu)有利于地面毛毛雨的形成。NASA支持Cornell航空實(shí)驗(yàn)室（CAL）于1970年秋季在紐約州開展了以人工消霧為目的的外場觀測實(shí)驗(yàn)，利用17 m氣象塔和飛機(jī)獲得了霧微物理特征的垂直結(jié)構(gòu)，顯示局地生成的輻射霧隨高度和持續(xù)時間增加其譜寬變窄、平均半徑減?。≒ilié et al.，1975）。與上述結(jié)果不同的是，1974和1975年夏季在美國舊金山西海岸利用250 m電視塔觀測了平流霧譜分布隨高度的變化特征，發(fā)現(xiàn)無論是平均尺度還是液水含量均隨高度升高而增大（Goodman，1977）。隨后Pinnick et al.（1978）于1976年冬季在德國Grafenwhr利用氣球（升限約250 m，濃霧期間實(shí)際約150 m）攜帶前向散射粒譜儀也測得從地面至150 m高度（未能達(dá)到霧頂）霧滴譜明顯變寬、數(shù)濃度增大。1992年在美國數(shù)地進(jìn)行的飛機(jī)探測表明，平流霧峰值直徑在低層為4～8 μm，向上往霧體高層則增大到12～20 μm，含水量最大值亦出現(xiàn)在霧體中上層，而輻射霧大滴和高數(shù)濃度出現(xiàn)在近地面50 m高度范圍內(nèi)（Zak，1994）。由于霧微物理垂直結(jié)構(gòu)在遙感探測中的重要性，加之與云微物理垂直結(jié)構(gòu)的差異，Egli et al.（2015）利用氣球攜帶改進(jìn)的云滴譜探頭，并結(jié)合調(diào)頻連續(xù)波云雷達(dá)、云高儀、能見度儀等，在德國Linden進(jìn)行霧滴譜的垂直探測，通過霧滴譜確定液水含量的垂直廓線。結(jié)果顯示，含水量的垂直結(jié)構(gòu)在部分霧過程的成熟階段與理論廓線較為一致，而在發(fā)展和消散階段則差異較大。類似目的的觀測試驗(yàn)還在德國波河谷地（Fuzzi et al.，1992;Heintzenberg，1992）開展，得到兩個高度的微物理特征。除此之外，鮮見相似研究報道。

以上零星研究得到了空中霧滴譜及其積分特征量垂直結(jié)構(gòu)的初步結(jié)果，但結(jié)論不完全一致，且有限的認(rèn)識尚無法滿足相關(guān)科學(xué)問題和業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要。例如在實(shí)際應(yīng)用中，多采用均勻的垂直分布（Hutchison，2002）、或者可逆絕熱含水量廓線、或者直接利用云厚和光學(xué)厚度建立垂直廓線的簡單經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（Brenguier et al.，2000）。而且不同地理環(huán)境、霧的不同發(fā)展階段、不同物理機(jī)制組合造成了霧垂直結(jié)構(gòu)更具有多樣性，針對不同霧過程及生消階段進(jìn)一步認(rèn)識空中霧微物理垂直結(jié)構(gòu)的基本規(guī)律是相關(guān)研究的基礎(chǔ)。

針對空中霧微物理特征探測的迫切性（Gultepe et al.，2007;Niu et al.，2010），2016/2017年冬季在天津開展了霧過程外場觀測試驗(yàn)，本文選取2016年12月31日至2017年1月1日重度霾后接連發(fā)生的兩次平流霧過程，將距地面66 m高度霧微物理探測與氣象塔邊界層探測相結(jié)合，在對霧過程發(fā)展階段客觀劃分的基礎(chǔ)上，討論霧過程的發(fā)展規(guī)律，揭示關(guān)于霧層內(nèi)部一定高度霧滴微物理特征的觀測事實(shí)，增加對霧微物理演變規(guī)律的科學(xué)認(rèn)識。

1 觀測與資料處理

1.1 觀測概況

觀測于2016/2017年冬季進(jìn)行，F(xiàn)M-120型霧滴譜儀位于天津市氣象局預(yù)警中心大樓樓頂平臺，距地高度66 m。大氣邊界層資料來自天津城市氣候監(jiān)測站255 m大氣邊界層氣象塔（117°12′E，39°04′N），塔上120、200 m高度處設(shè)置大氣顆粒物監(jiān)測儀，常規(guī)氣象要素15層。地面設(shè)備包括前向散射能見度儀和常規(guī)要素（表1）。

觀測區(qū)域周邊為城市建成區(qū)下墊面，東邊距海岸線約58 km。樓頂平臺與氣象塔相距2.9 km，考慮本文研究時段背景大氣條件和平流霧的水平均勻性（如表2），認(rèn)為兩位置66 m高度處大氣狀態(tài)具有一致性，下文分析中地面能見度與空中霧微物理參數(shù)的時間演變規(guī)律也表明了該一致性。

霧滴譜資料采用切尾均值（Rosenberger and Gasko，1983）得到分鐘數(shù)濃度尺度譜分布，在此基礎(chǔ)上計算液水含量等統(tǒng)計特征量。天氣形勢分析使用NCEP全球再分析資料和MICAPS地面常規(guī)氣象資料。

1.2 霧發(fā)展階段客觀劃分方法

對霧過程發(fā)展階段的客觀劃分，有助于準(zhǔn)確揭示其階段性微物理特征和演變機(jī)制。但長期以來，霧過程發(fā)展階段多為主觀劃分。Maier et al.（2013）采取氣象、水文等領(lǐng)域時間序列突變分析中廣泛應(yīng)用的非參數(shù)統(tǒng)計方法（Kundzewicz and Robson，2004;Li et al.，2005），利用霧過程的能見度和霧滴微物理參數(shù)觀測結(jié)果，提出了霧過程發(fā)展階段的客觀劃分方法。

該方法分3步進(jìn)行：1）可能變點(diǎn)識別：要素時間序列發(fā)生趨勢性改變的變點(diǎn)是過程發(fā)展階段劃分的基礎(chǔ)，可采用Mann and Whitney（1947）提出并經(jīng)Pettitt（1979）完善的Mann-Whitney同質(zhì)性檢驗(yàn)方法識別可能變點(diǎn);2）變化趨勢顯著性檢驗(yàn)：從可能變點(diǎn)位置將時間序列分割為兩段序列，使用Mann-Kendall趨勢檢驗(yàn)分別確認(rèn)兩段曲線是否存在顯著的變化趨勢，若存在顯著變化趨勢則進(jìn)行下一步;3）變化趨勢一致性檢驗(yàn)：對于具有顯著變化趨勢的兩段序列，對要素-時間雙累積曲線進(jìn)行雙側(cè)t檢驗(yàn)，確認(rèn)兩段序列變化趨勢是否具有顯著差異。若具有顯著差異，則認(rèn)為第1步識別的可能變點(diǎn)為過程發(fā)展階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。以上檢驗(yàn)顯著性水平均取0.05。

對于通過檢驗(yàn)的變點(diǎn)分割的兩段序列，再次分別進(jìn)行變點(diǎn)識別，直至序列段中無符合條件的變點(diǎn)為止。利用得到的可能變點(diǎn)，結(jié)合要素序列及其雙累積曲線，可對要素序列發(fā)展階段進(jìn)行客觀劃分，從而更準(zhǔn)確地得到霧過程階段性特征。

2 霧過程概況

2016年12月29日至2017年1月1日華北、黃淮出現(xiàn)大范圍霧和霾過程，前期以霾為主，12月31日至次年1月1日天津到河北中南部大范圍濃霧發(fā)展，局地能見度低于50 m，天津受到重度霾和特強(qiáng)濃霧影響。

12月31日華北地區(qū)500 hPa受平直西風(fēng)氣流控制，脊前負(fù)渦度平流對地面的加壓作用促進(jìn)了地面均壓場的維持。天津位于地面高壓西北側(cè)（圖1a），低層反氣旋環(huán)流外圍西南氣流引導(dǎo)暖濕空氣向天津地區(qū)輸送，并在夜里加強(qiáng)（圖1b），為霧的形成與維持提供了水汽條件。31日全天，從北京、天津往西南方向一直到邯鄲均被大范圍霧區(qū)持續(xù)覆蓋，天津城市效應(yīng)使得該大范圍霧區(qū)東北部形成無霧缺口（圖2a）。

31日下午隨著低層西南氣流的平流輸送作用，霧區(qū)進(jìn)一步向東北方向發(fā)展。從圖2b可以看到，1月1日09：00（北京時，下同）均勻霧區(qū)覆蓋了整個天津市范圍。

本文觀測點(diǎn)地面水平能見度低于1 000 m的時段從31日15：23開始，至1日12：41結(jié)束（圖3），以該時段作為本文研究的時間范圍。考慮1日01：00前后能見度兩次升高到893 m（1日00：13及01：27），該時間前后霧過程均經(jīng)歷了發(fā)展、成熟、減弱的過程，因此將研究時間范圍進(jìn)一步劃分為兩次霧過程：F1和F2，時間范圍分別為31日15：23—1日00：13、1日01：27—12：41。

從氣象塔觀測結(jié)果（圖4，數(shù)據(jù)采集器故障導(dǎo)致16：00—00：01缺測）來看，霧過程及其前后觀測點(diǎn)近地層均以西南氣流為主。31日霧前05：00—08：00底層明顯降溫、穩(wěn)定度增大并出現(xiàn)等溫、逆溫現(xiàn)象。隨后塔層上部降溫，到14：15塔層高度范圍內(nèi)氣溫降至本過程最低狀態(tài)，為平流霧的發(fā)展提供了冷的近地層條件。14：15以后，塔層范圍內(nèi)持續(xù)升溫，能見度于15：23降到1 000 m以下，F(xiàn)1過程結(jié)束前的00：10與開始時刻15：23相比，除250 m高度升溫1.4 ℃外，其下各層均升溫2.1～2.4 ℃。吳彬貴等（2008）和蔡子穎等（2012）研究天津平流霧的生消及不同發(fā)展階段的溫、濕、風(fēng)垂直結(jié)構(gòu)時指出，西南暖濕平流和西北干冷平流對平流霧的生消起重要作用。

從相對濕度來看，霧前塔層上部先存在飽和層，伴隨降溫過程自上而下相對濕度逐漸增大，30、20、10、5 m高度先后于07：55、08：02、08：43、09：26達(dá)到飽和。雖然濕度達(dá)到飽和，但由于處于重度霾狀態(tài)，霧前能見度一直處于1 000～2 000 m。

F2過程03：00前后120 m以下有微弱降溫，但與F1過程相同的是，隨后濃霧維持期間同樣伴隨溫度上升，整個F2過程塔層高度范圍內(nèi)均處于飽和狀態(tài)。從06：30開始，個別高度開始有弱西北風(fēng)出現(xiàn)，溫度小幅下降，上層降溫幅度略大于近地層。溫度廓線及其遞減率在濃霧階段及其前后較為一致，推斷霧頂應(yīng)高于200 m，即微物理觀測所在高度處于霧層中下部。

研究時段當(dāng)?shù)厝粘?、日落時間分別約為07：30、17：00，以上近地層溫度變化基本沒有顯示出太陽短波輻射加熱的日變化特點(diǎn)。濃霧階段伴隨西南暖濕氣流，觀測高度范圍內(nèi)升溫，且溫度層結(jié)接近或略大于對流層平均減溫率，處于中性或弱不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)。以上特點(diǎn)結(jié)合天氣形勢來看，本文研究對象主要表現(xiàn)為平流霧特征。

3 微物理特征

利用2.2節(jié)階段劃分方法，對F1、F2兩次霧過程2 m能見度和66 m霧滴液水含量、數(shù)濃度和平均半徑（分鐘值）進(jìn)行變點(diǎn)分析，得到霧過程發(fā)展階段轉(zhuǎn)換時刻（圖5）。因此將兩次霧過程按地面能見度分別劃分為3個階段，以F1A、F1B、F1C和F2A、F2B、F2C表示，A、B、C分別對應(yīng)形成、成熟、消散階段。

兩次霧過程能見度時間變化的共同特點(diǎn)有：F1過程21：02—22：49、F2過程08：04—10：07兩時段能見度均較前一階段有小幅度升高但明顯低于消散階段，對應(yīng)空中含水量處于整個過程的高值階段。分析F2過程的塔層廓線，從06：30開始，個別高度開始有弱偏北風(fēng)出現(xiàn)，溫度小幅下降，在水汽充足條件下這種降溫對應(yīng)了低能見度的維持以及08：00—10：00霧滴凝結(jié)增大、含水量增加。

圖5顯示，F(xiàn)1過程含水量、數(shù)濃度開始顯著增大的時刻（17：45、17：39）與地面能見度降到最低階段的時刻（17：54）基本吻合、僅略早10 min左右。含水量、數(shù)濃度最后一個變點(diǎn)（22：57、22：56）與能見度快速升高時刻偏晚僅在10 min之內(nèi)。F2過程含水量、數(shù)濃度、表面積平均直徑最后變點(diǎn)與霧過程結(jié)束前能見度快速增大時刻（10：07）一致。該過程能見度第1個變點(diǎn)（02：20）與數(shù)濃度和含水量（02：36）也基本匹配。

上述地面能見度與空中微物理參數(shù)的變點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系表明本文霧過程在地面至66 m甚至更高范圍內(nèi)具有同步生消的特點(diǎn)，再次說明研究時段大氣狀態(tài)水平較均勻，同時也表明該變點(diǎn)分析方法對霧過程不同要素具有適用性。

從圖5還可進(jìn)一步看到，兩次霧過程含水量與表面積平均直徑的高值均出現(xiàn)在成熟階段的后期，與之相反數(shù)濃度高值出現(xiàn)在成熟階段初始時段，這是重污染大氣背景大量顆粒物競爭水分與霧過程濕清除的共同結(jié)果。Goodman（1977）在大陸西海岸夏季平流霧研究中也同樣觀測到霧滴平均直徑隨時間持續(xù)增長至霧消散前一階段的現(xiàn)象。

表3給出了由分鐘數(shù)據(jù)統(tǒng)計的霧過程不同階段能見度與微物理特征量，每一過程的時間范圍基于圖5中微物理特征量的變點(diǎn)，并結(jié)合成熟階段的要素特征確定，與地面能見度階段劃分有數(shù)分鐘至十幾分鐘的差異。從表中可以看到，兩次霧過程在3個不同階段能見度平均值相近，其中F2過程成熟階段平均能見度略低于F1過程成熟階段，但F2過程最低能見度略大于F1過程。F2過程略低的平均能見度對應(yīng)了相比F1過程略高的含水量和特征直徑，但F2過程霧滴數(shù)濃度較F1過程小，這可能是由于F1過程顆粒物濃度高（圖6），導(dǎo)致霧滴數(shù)濃度大，但尺度偏小。另從圖6還可看到，隨著F1過程開始，PM2.5和PM10均迅速下降，表明重度霾背景條件下平流霧的有效清除作用。這種清除效應(yīng)在F2過程消散前亦表現(xiàn)明顯，F(xiàn)2過程結(jié)束后顆粒物濃度又有所上升。

4 霧滴尺度譜分布特征

為揭示空中霧滴的尺度特征，圖7給出了基于分鐘數(shù)據(jù)得到的兩次霧過程不同發(fā)展階段的平均數(shù)濃度尺度譜分布，各階段時間范圍如表3。由圖可見，小粒子端存在4～5 μm的數(shù)濃度峰值，特別是受前期重度霾影響的F1A階段也是如此。這不同于大量局地輻射霧形成階段的譜分布規(guī)律，即核化過程形成霧滴，其后逐步增長，開始階段霧滴數(shù)濃度譜傾向于隨尺度增大而遞減（Price，2011）。這說明本文霧過程從開始便受到上游霧滴平流輸入的影響。兩次過程3個階段均在18～20 μm附近出現(xiàn)數(shù)濃度峰值，這一現(xiàn)象還有待進(jìn)一步研究。

雖然兩次霧過程66 m高度處微物理特征量與其他地面相對清潔環(huán)境的觀測結(jié)果相比偏低，但從數(shù)濃度尺度譜分布（圖7）來看，大滴依然存在，即成熟階段存在直徑40 μm以上的大滴，

這與大量平流霧地面觀測結(jié)果一致。Goodman （1977）觀測發(fā)現(xiàn)毛毛雨滴在海岸平流霧（低云）上部形成并向下沉降，使得各高度均有大滴存在。而對輻射霧微物理特性垂直分布觀測結(jié)果，Egli et al.（2015）認(rèn)為由于重力沉降作用，霧層下部霧滴譜分布更寬。本文霧過程與Goodman （1977）不同的是，背景污染程度大，霧區(qū)上游位于河北南部，水汽條件較之夏季向岸海洋濕團(tuán)弱，因此大霧滴存在但含量偏低，沒有毛毛雨出現(xiàn)。

消散階段與成熟階段譜型相似，各尺度霧滴數(shù)濃度同步增減，表明從成熟階段到消散階段各尺度霧滴均蒸發(fā)變小變少。F1消散階段各尺度霧滴數(shù)濃度大于形成階段，這與兩次過程連續(xù)發(fā)生有關(guān)，F(xiàn)1C結(jié)束和F2A開始的能見度均在1 000 m以下。兩次過程消散階段大滴均多于形成階段，與圖5中霧滴尺度持續(xù)增長至消散階段前相對應(yīng)。消散階段與形成階段相比大滴多、小滴少，說明消散階段能見度從數(shù)百米回升到1 000 m以上的過程中，小滴減少的比大滴快，同樣反映的是霧滴蒸發(fā)的結(jié)果。

5 結(jié)論與討論

通過對天津兩次連續(xù)平流霧過程距地66 m高度霧滴譜及255 m氣象塔外場試驗(yàn)結(jié)果分析，得到如下觀測事實(shí)：

1）飽和層首先自空中向地面擴(kuò)展，隨后66 m高度霧微物理特征與地面能見度同步演變，表明平流霧過程可在一定高度范圍內(nèi)準(zhǔn)同步發(fā)展。

2）濃霧階段伴隨西南暖濕氣流，觀測高度范圍內(nèi)升溫，溫度層結(jié)接近或略大于對流層平均減溫率，霧層處于中性或弱不穩(wěn)定層結(jié)狀態(tài)。

3）數(shù)濃度高值出現(xiàn)在霧過程成熟階段初期，成熟階段后期含水量、特征直徑持續(xù)增長到過程最大值，但霧滴數(shù)濃度減少，對應(yīng)地面能見度小幅升高。

4）66 m高度霧滴部分來自平流輸入，雖然微物理特征參數(shù)值偏低，但大霧滴持續(xù)存在。消散階段與成熟階段譜型相似，即消散過程各尺度霧滴數(shù)濃度同步蒸發(fā)減少。

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Advection fog process and its microphysical properties：a case study in Tianjin

YANG Jun1，GAO Ya1，WU Bingui2，DONG Qiru2，WANG Zhaoyu3，HU Hanfeng1

1Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Tianjin Institute of Meteorological Science，Tianjin 300074，China;

3Tianjin Weather Modification Office，Tianjin 300074，China

The microphysical characteristics observation test of advection fog was carried out in Tianjin in the winter of 2016/2017.Combined with the droplet spectrum at a height of 66 m above the ground and the atmospheric boundary layer data of 255 m meteorological tower，the development stages of two consecutive advection fog processes after heavy haze were objectively divided by means of change-point detection and trend consistency nonparametric test，which reveals the observation facts of droplet microphysical characteristics and size distribution characteristics at a certain height in the fog，and discusses the evolution law of its generation and disappearance.The results show that with the southwest warm and humid advection，the saturated layer first appears in the air and extends to the ground.During the fog process，the temperature rises within the observation height range in the mature stage，and the fog layer is in a neutral or weakly unstable stratification state.At the height of 66 m，large fog droplets persist，and the microphysical characteristics change quasi synchronously with the ground visibility.The high value of number concentration appears in the early stage of maturity，while the high value of water content and characteristic diameter appears in the late stage of maturity，corresponding to the decrease of fog droplet number concentration and a small jump in ground visibility in the late stage of maturity.In the dissipation stage，the number concentration of each size decreases synchronously due to droplet evaporation.

advection fog;microphysical property;size distribution;haze

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200516012

（責(zé)任編輯：劉菲）