濟(jì)南冬季霧的微物理結(jié)構(gòu)及其對(duì)能見度的影響

王慶樊明月李季張洪生

1山東省人民政府人工影響天氣辦公室，濟(jì)南250031

2山東省氣象科學(xué)研究所，濟(jì)南250031

3山東省氣象局大氣探測(cè)保障中心，濟(jì)南250031

1 引言

霧是近地層空氣中懸浮著大量水滴、冰晶微粒而使水平能見度小于1 km 的天氣現(xiàn)象。霧能使大氣能見度降低，特別是出現(xiàn)大霧等級(jí)以上天氣過程時(shí)，與之相伴隨的低能見度往往會(huì)對(duì)交通造成影響，甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡（Pagowski et al.,2004;劉端陽等,2009;李子華等,2011）。秋冬季節(jié)是霧霾多發(fā)的高峰期，因大霧造成的交通事故時(shí)有發(fā)生，2018年11月12日，青銀高速山東高唐段發(fā)生2起因大霧引發(fā)的交通事故，造成16輛車碰撞起火燃燒、2人死亡、9人受傷（來源于聊城高速交警）。20世紀(jì)80年代以來，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展以及全球冬季變暖的氣候背景下，環(huán)境污染加劇，大氣污染背景場(chǎng)下的邊界層結(jié)構(gòu)可能更有利于形成強(qiáng)濃霧，使霧的強(qiáng)度更強(qiáng)、范圍更大，持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)（賈星燦和郭學(xué)良,2012），而交通運(yùn)輸作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈，對(duì)低能見度天氣影響的反映愈加敏感，因此霧的預(yù)報(bào)、預(yù)警受到公眾的普遍關(guān)注。由于大霧的形成、發(fā)展以及對(duì)能見度的影響等物理機(jī)理十分復(fù)雜，目前對(duì)霧的預(yù)報(bào)、預(yù)警遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，大霧的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率亟待提高（馬學(xué)款等,2007;包云軒等,2013）。

霧中的大氣能見度與其微物理結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，霧滴大小、液態(tài)含水量等微物理量直接影響大氣的消光系數(shù)（Kunkel,1984），進(jìn)而影響大氣能見度，而且霧滴譜分布及其演變過程與霧的生命周期（形成、發(fā)展和消散）密切相關(guān)，但是在霧的能見度預(yù)報(bào)模式中很難得到精確體現(xiàn)（Müller et al.,2010），相關(guān)的數(shù)值模式需要更好的微物理參數(shù)化，這些參數(shù)優(yōu)化通常需要霧的數(shù)濃度、液態(tài)含水量和平均半徑等微物理特征量（Meyer et al.,1980;Stoelinga and Warner,1999;黃建平等,2000;Gultepe et al.,2006,2009;Gultepe and Milbrandt,2007;侯夢(mèng)玲等,2017），因此開展微物理結(jié)構(gòu)特征等方面的研究對(duì)霧的預(yù)報(bào)、預(yù)警極為重要，也是很多學(xué)者研究的熱點(diǎn)問題（岳巖裕等,2013;張舒婷等,2013;于華英等,2015）。

國(guó)外關(guān)于霧微物理方面的研究起步較早（Taylor,1917;Kuroiwa,1951），20世紀(jì)60年代以來，國(guó)內(nèi)在衡山、舟山、重慶、上海、滬寧高速公路、南嶺大瑤山、南京等地陸續(xù)開展霧的綜合觀測(cè)研究（許煥斌,1964;楊中秋等,1989;李子華等,1993,1999;鮑寶堂等,1995;黃建平等,1998;吳兌等,2007;陸春松等,2010），大大提高了對(duì)霧物理化學(xué)特性的認(rèn)識(shí)。霧滴譜分布與霧的形成、發(fā)展和消散過程密切相關(guān)（Müller et al.,2010），Meyer et al.（1980）通過對(duì)一次輻射霧（霾）的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)能見度由2.1 km 下降到1.4 km 的時(shí)候，其譜分布在5 min 間隔里發(fā)生了很大變化，且在霧最濃的時(shí)候，霧滴譜出現(xiàn)了多峰分布。Spencer et al.（1976）提出，對(duì)霧滴生長(zhǎng)過程產(chǎn)生影響的原因主要是核化作用產(chǎn)生更多的小霧滴，導(dǎo)致對(duì)蒸汽的競(jìng)爭(zhēng)加劇。Eldridge（1961,1966,1971）分析了霧滴譜分布、含水量以及能見度的變化特征，提出影響霧中大氣能見度的兩個(gè)主要因素是霧滴譜分布和液態(tài)含水量，并嘗試建立了大氣能見度與含水量的關(guān)系。Gultepe et al.（2006）提出了新的大氣能見度參數(shù)化方案，認(rèn)為大氣能見度是霧滴數(shù)濃度和含水量的函數(shù)。李子華等（1993）通過對(duì)重慶冬季霧的微物理結(jié)構(gòu)研究發(fā)現(xiàn)，重慶冬季霧中含水量雖小，但霧中能見度卻很低，導(dǎo)致能見度低的主要因素是霧中存在著數(shù)密度很大的小霧滴。吳兌等（2007）通過對(duì)南嶺大瑤山地冬季霧宏、微觀結(jié)構(gòu)與能見度研究發(fā)現(xiàn)，南嶺山地濃霧實(shí)質(zhì)上是出現(xiàn)在相對(duì)較高海拔上的低云，與中國(guó)過去研究較多的輻射霧差別較大；霧含水量與能見度呈明顯的反相關(guān)關(guān)系，含水量較大時(shí)能見度較小。黃輝軍等（2010）通過對(duì)茂名地區(qū)海霧含水量的演變及其與大氣水平能見度的分析發(fā)現(xiàn)，在相同的含水量區(qū)間，不同的大氣能見度樣本表現(xiàn)出明顯不同的譜分布特征，在相同高數(shù)濃度區(qū)間的情況下，導(dǎo)致大氣能見度降低的主要原因是含水量增大。綜上表明，霧滴譜分布、微物理過程以及微物理結(jié)構(gòu)特征等與能見度密切相關(guān)，而霧的微物理特征具有明顯的地域性特點(diǎn)，不同的地形和生態(tài)，不同的環(huán)境條件和氣候背景，霧的微物理結(jié)構(gòu)及其演變，霧的生成、消散以及對(duì)大氣能見度的影響具有明顯的差異。

濟(jì)南位于山東半島的中西部，地形復(fù)雜，南臨泰山，北靠黃河，地勢(shì)南高北低。近幾年來，受經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及地形影響，環(huán)境污染加劇，冬季霧增多。在2016年12月19日至2017 年1月9日22 d 的時(shí)間里，受靜穩(wěn)天氣影響，濟(jì)南接連出現(xiàn)大范圍霧霾天氣，大霧以上等級(jí)天氣達(dá)15 d，期間無影山站觀測(cè)的最低能見度只有36 m，導(dǎo)致作為空中交通樞紐的濟(jì)南遙墻國(guó)際機(jī)場(chǎng)多班次航班暫停起降，多個(gè)高速路口關(guān)閉，嚴(yán)重影響了工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活。目前針對(duì)山東內(nèi)陸霧的研究主要集中在成因分析（梅嬋娟和張燦,2016;孫興池等,2017;于麗娟等,2017）、數(shù)值預(yù)報(bào)（夏凡和楊曉霞,2017;夏凡和李昌義, 2018）以及冬季霧的微物理結(jié)構(gòu)特征（王慶等,2019a,2020）、個(gè)例分析（王慶等,2019b）等方面，關(guān)于霧中微物理結(jié)構(gòu)、微物理過程及其對(duì)能見度的影響等方面的研究尚未涉及。本文利用霧滴譜儀觀測(cè)的微物理資料、自動(dòng)氣象站（無影山站D6066）加密觀測(cè)以及常規(guī)氣象觀測(cè)等資料，對(duì)2016年12月至2017年1月濟(jì)南出現(xiàn)的10次大霧以上天氣過程不同強(qiáng)度霧的微物理結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析，研究了不同強(qiáng)度霧中的微物理過程及強(qiáng)度，探討了微物理結(jié)構(gòu)、微物理過程及其對(duì)能見度的影響，以期為濟(jì)南冬季霧的短臨預(yù)報(bào)、相關(guān)模式的微物理參數(shù)優(yōu)化提供微物理依據(jù)。

2 觀測(cè)儀器及資料可靠性分析

2.1 觀測(cè)儀器

2016年，山東省人民政府人工影響天氣辦公室從美國(guó)DMT 公司引進(jìn)一臺(tái)FM-120型霧滴譜儀，該儀器布設(shè)在山東省氣象局（36.36°N，117°E，海拔高度170.3 m）人影樓樓頂，是山東內(nèi)陸布設(shè)的首臺(tái)霧滴譜儀。觀測(cè)時(shí)利用激光前向散射原理，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)云霧過程微物理資料的連續(xù)觀測(cè)，共分30檔，范圍為直徑（D）2～50μm 的云（霧）滴，采樣面積為0.24 mm2、頻率為1 s-1，抽氣口速度約15 m s-1，觀測(cè)的物理量主要有空氣溫度（T）、粒子數(shù)濃度（Nc）、不同尺度粒子數(shù)量、液態(tài)含水量（LWC）、粒子有效直徑（ED）、中值體積直徑（MVD）等。

2.2 資料說明和處理方法

本文所用的資料主要有霧滴譜儀觀測(cè)資料、自動(dòng)氣象站加密觀測(cè)資料、常規(guī)氣象資料以及空氣質(zhì)監(jiān)站觀測(cè)資料等，其中自動(dòng)氣象站（無影山站D6066）位于山東省氣象局院內(nèi)，與霧滴譜儀之間的直線距離約為100 m，加密觀測(cè)為每5 min 1次，能見度、風(fēng)向、風(fēng)速、相對(duì)濕度等宏觀資料來自無影山站（D6066）。泉城廣場(chǎng)和藍(lán)翔技?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測(cè)站與山東省氣象局大院直線距離分別為4.8 km、3.8 km，觀測(cè)頻率均為1 h-1，PM2.5質(zhì)量濃度資料來自上述兩站，部分缺測(cè)時(shí)次資料用前后兩個(gè)時(shí)次進(jìn)行插值。溫度以及數(shù)濃度、液態(tài)含水量等微物理資料來自FM-120型霧滴譜儀，10次霧過程共采集樣本618737個(gè)（見表1），由于期間部分秒次有缺測(cè)，因此將資料進(jìn)行每分鐘平均，平均后獲得樣本10554個(gè)。另外，由于無影山站加密觀測(cè)資料為每5 min 1次，因此在分析能見度與數(shù)濃度、液態(tài)含水量等的對(duì)應(yīng)關(guān)系時(shí)，將數(shù)濃度、液態(tài)含水量等每分鐘平均資料又進(jìn)行了每5 min 平均，共獲得樣本2117個(gè)。

表1 2016年12月至2017 年1月觀測(cè)的濟(jì)南10次霧過程的宏觀特征Table 1 Macro-characteristicsof 10-fog events observed in Jinan from December 2016 to January 2017

其中，r 為霧滴半徑；n(r)為霧滴譜分布函數(shù)；Pas為抽氣口速度；Sas為采樣面積；f(r)為歸一化霧滴譜分布函數(shù)，表示各檔霧滴所占比例的分布情況；rδ為第δ 階平均半徑，表示霧滴總數(shù)的第δ 個(gè)平均半徑； Kex1為歸一化消光系數(shù)，表示單個(gè)霧滴的平均消光系數(shù)。

2.3 資料可靠性分析

考慮到觀測(cè)資料準(zhǔn)確性對(duì)分析結(jié)果的影響，本文利用霧滴譜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)霧中大氣能見度進(jìn)行估算，并與自動(dòng)站實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)霧滴譜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性進(jìn)行了初步檢驗(yàn)。

氣象能見度主要取決于大氣的消光系數(shù)，根據(jù)Koschmieder 大氣能見度公式（Kunkel,1984），霧中能見度（V）與大氣消光系數(shù)（Kex）之間具有如下關(guān)系：

ε取0.05，則：

其中，re為有效半徑（單位：μm）。

利用公式（17）以及霧滴譜儀觀測(cè)的液態(tài)含水量（LWC）、有效直徑（ED）等數(shù)據(jù)，對(duì)10次大霧期間與無影山站能見度觀測(cè)時(shí)刻相對(duì)應(yīng)的2117個(gè)樣本的能見度進(jìn)行估算，并與無影山站能見度實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比（圖1）。從圖1中可以看出，利用有效半徑和液態(tài)含水量估算的能見度與實(shí)測(cè)值在變化趨勢(shì)上具有較好的一致性。表明FM-120型霧滴譜儀在其觀測(cè)范圍內(nèi)對(duì)10次大霧過程的觀測(cè)資料是可靠的。

2.4 霧過程概況

表1列出的是2016年12月至2017年1月觀測(cè)的10次大霧以上天氣過程的宏觀特征。根據(jù)霧形成的物理原因（Roach et al.,1976;鄒進(jìn)上等,1982;Meyer and Lala,1990;李子華等,2008;Kora?in et al.,2014），將10次冬季霧分為三類：平流輻射霧、輻射霧、蒸發(fā)（雨）霧。平流輻射霧持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，能見度最低，最低能見度36 m；輻射霧次之，最低能見度112 m；蒸發(fā)霧持續(xù)時(shí)間最短，最低能見度440 m。霧發(fā)生時(shí)濕度較大，相對(duì)濕度均在90%以上，地面主導(dǎo)風(fēng)向以偏北風(fēng)為主，風(fēng)速較小，平均風(fēng)速一般不超過2 m s-1，10次霧過程中只有1次蒸發(fā)（雨）霧平均風(fēng)速達(dá)2.1 m s-1，這主要與其伴隨的天氣系統(tǒng)有關(guān)，平流輻射霧和輻射霧平均風(fēng)速均在1.6 m s-1以下。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同強(qiáng)度霧的微物理結(jié)構(gòu)特征

圖1 2016年12月至2017年1月濟(jì)南10次大霧過程2117個(gè)樣本能見度計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.1 The comparison of calculated values and the observed values of visibility for 2117 samples for 10-fog events in Jinan from December 2016 to January 2017

中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 27964-2011）“霧的預(yù)報(bào)等級(jí)”（國(guó)家氣象中心,2012）根據(jù)能見度（V）對(duì)霧的等級(jí)進(jìn)行了如下劃分：1000 m≤V<10000 m 為輕霧，500 m≤V<1000 m 為大霧，200 m≤V<500 m 為濃霧，50 m≤V<200 m 為強(qiáng)濃霧，V<50 m 為特強(qiáng)濃霧。依據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)以及無影山站能見度實(shí)測(cè)值，對(duì)10次冬季霧過程收集的分鐘平均資料進(jìn)行霧等級(jí)劃分，取得大霧樣本（N）5672個(gè)，濃霧樣本2164個(gè)，強(qiáng)濃霧樣本2075個(gè)，特強(qiáng)濃霧樣本226個(gè)。表2和圖2分別給出了四種等級(jí)霧的微物理量和平均譜分布特征，從中可見：（1）大霧平均譜型呈現(xiàn)“單峰”結(jié)構(gòu)，峰值直徑為4μm，峰值處霧滴數(shù)為8.24μm-1，平均滴譜最窄，最大霧滴直徑只有12μm；濃霧平均譜型呈現(xiàn)“雙峰”結(jié)構(gòu)，峰值直徑分別為5μm、14 μm，第一峰值直徑處霧滴數(shù)為38.41 μm-1，最大霧滴直徑達(dá)32μm；強(qiáng)濃霧平均譜型呈現(xiàn)“三峰”結(jié)構(gòu)，峰值直徑分別為5μm、14μm、22μm，第一峰值直徑處霧滴數(shù)為123.55μm-1，D≥26μm 的大滴段曲線位于最上方，大滴數(shù)量最多，最大霧滴直徑達(dá)50μm；特強(qiáng)濃霧平均譜型呈現(xiàn)“三峰”結(jié)構(gòu)，峰值直徑分別為5μm、14μm、18～20μm，第一峰值處霧滴數(shù)為232.37μm-1，小滴數(shù)量最多，D<26μm 的小滴段曲線位于最上方，最大霧滴直徑為46μm，比強(qiáng)濃霧中的要小。

表2 2016 年12月至2017年1月觀測(cè)的濟(jì)南不同強(qiáng)度（能見度）霧的微物理結(jié)構(gòu)特征Table 2 Microphysical characteristics for different thickness(visibility)fogs observed in Jinan from December 2016 to January 2017

圖2 2016年12月至2017年1月觀測(cè)的濟(jì)南不同強(qiáng)度（能見度）霧的平均譜分布Fig.2 Average droplet spectrum for different thickness(visibility)fogs observed in Jinan from December 2016 to January 2017.n(D)and D represent droplet distribution function and fog droplet diameter,respectively

（2）隨著霧強(qiáng)度增大，數(shù)濃度、液態(tài)含水量、中值體積直徑、有效直徑、平均半徑等微物理量平均值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，特強(qiáng)濃霧最大，強(qiáng)濃霧次之，大霧最小，但是平均平方半徑、D≥30μm 特大滴平均數(shù)的最大值并未出現(xiàn)在特強(qiáng)濃霧中，而是出現(xiàn)在強(qiáng)濃霧中，說明強(qiáng)濃霧中存在的大霧滴較多，霧滴分布很不均勻。（3）大霧和濃霧中平均半徑和平均離散度等較小，霧中以小霧滴為主，粒子分布比較均勻，由于霧滴數(shù)量較少，個(gè)別譜出現(xiàn)較大的離散度；在強(qiáng)濃霧和特強(qiáng)濃霧中，平均半徑和平均離散度等較大，大霧滴增多，粒子分布很不均勻。（4）在強(qiáng)濃霧中，數(shù)濃度、液態(tài)含水量以及D≥30μm 特大滴數(shù)等微物理量起伏變化最大，各微物理量最大值均出現(xiàn)在強(qiáng)濃霧中。如強(qiáng)濃霧中平均數(shù)濃度僅為102.75 cm-3，明顯小于特強(qiáng)濃霧（205.68 cm-3），但數(shù)濃度范圍為2.33～1238.25 cm-3，比特強(qiáng)濃霧起伏變化（7.47～820.98 cm-3）更大，另外2個(gè)微物理量也存在相似的特征。

上述統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，對(duì)于V≥200 m 的霧，能見度與數(shù)濃度、液態(tài)含水量等各微物理量均存在較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，微物理量增大，能見度減小，但是對(duì)于V<200 m 強(qiáng)濃霧等級(jí)以上的霧，譜寬、D≥30μm 大滴數(shù)、平均平方半徑等微物理量對(duì)能見度的指示意義不穩(wěn)定，其最大值均出現(xiàn)在強(qiáng)濃霧中，而不是出現(xiàn)在特強(qiáng)濃霧中。因此，為了尋找對(duì)濟(jì)南冬季霧中能見度具有指示意義的微物理量，重點(diǎn)分析V<200 m 強(qiáng)濃霧等級(jí)以上霧中的微物理特征，并將強(qiáng)濃霧等級(jí)以上霧分為V<50 m、50 m≤V<100 m、100 m≤V<200 m 三類進(jìn)行詳細(xì)分析。表3和圖3分別給出了V<50 m、50 m≤V<100 m以及100 m≤V<200 m 三種強(qiáng)度霧的微物理量和平均譜分布，從中可以發(fā)現(xiàn)：（1）數(shù)濃度與消光系數(shù)具有相似的變化趨勢(shì)，最大值均出現(xiàn)在特強(qiáng)濃霧中，50 m≤V<100 m 次之，100 m≤V<200 m 最?。灰簯B(tài)含水量、中值體積直徑、有效直徑、D≥30μm 特大滴數(shù)、平均半徑、平均平方半徑、平均立方半徑等微物理量具有相似的變化趨勢(shì)，其最大值均出現(xiàn)在50 m≤V<100 m 的強(qiáng)濃霧中，特強(qiáng)濃霧次之，100 m≤V<200 m 最小。（2）特強(qiáng)濃霧中霧滴數(shù)量最多，50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中液態(tài)含水量最大；與50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧相比，特強(qiáng)濃霧中霧滴更小，小霧滴所占的比例更大，粒子分布更均勻。（3）50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中，數(shù)濃度、液態(tài)含水量以及D≥30μm 特大滴數(shù)等微物理量起伏變化最大，其最大值均出現(xiàn)在該強(qiáng)度的霧中。（4）三種強(qiáng)度霧平均譜型均呈現(xiàn)“三峰”結(jié)構(gòu)，特強(qiáng)濃霧峰值直徑分別為5μm、14 μm、20 μm，50 m≤V<100 m 和100 m≤V<200 m 強(qiáng)濃霧均為5μm、14μm、22 μm，第三峰值直徑大于特強(qiáng)濃霧；特強(qiáng)濃霧中最大霧滴直徑為46 μm，小于50 m≤V<100 m 和100 m≤V<200 m 強(qiáng)濃霧（均為50 μm）；在D≤12μm 的小滴段，特強(qiáng)濃霧的譜分布曲線位于最上方，其小滴數(shù)最多，50 m≤V<100 m 次之，100 m≤V<200 m 最少；在直徑12～34μm 的中滴段，50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧的譜分布曲線位于最上方，中滴數(shù)最多，特強(qiáng)濃霧次之，100 m≤V<200 m 最少；在直徑36～50 μm 的大滴段，50 m≤V<100 m 大滴數(shù)最大，100 m≤V<200 m 次之，特強(qiáng)濃霧最少，特別是直徑46μm 以上的特大滴，特強(qiáng)濃霧中幾乎沒有。

表3 2016 年12月至2017年1月觀測(cè)的濟(jì)南強(qiáng)濃霧等級(jí)以上三種強(qiáng)度（能見度）霧的微物理結(jié)構(gòu)特征Table 3 Microphysical characteristics of three thickness(visibility)fogs in heavy or extremely dense fogs observed in Jinan from December 2016 to January 2017

綜上可得如下初步結(jié)論：（1）濟(jì)南冬季霧中，數(shù)濃度與消光系數(shù)具有較好的正相關(guān)關(guān)系，對(duì)能見度具有一定的指示意義。（2）液態(tài)含水量、離散度等對(duì)能見度的指示意義不穩(wěn)定，對(duì)于V≥100 m的強(qiáng)濃霧等級(jí)以下天氣，能見度與液態(tài)含水量具有一定的反相關(guān)關(guān)系，對(duì)于V<100 m 的強(qiáng)濃霧等級(jí)以上天氣，液態(tài)含水量、離散度的最大值均出現(xiàn)在50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中，而不是特強(qiáng)濃霧中。

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，圖4給出了大霧等級(jí)以上霧中能見度（V）與數(shù)濃度（Nc）、液態(tài)含水量（LWC）、離散度（S）的相關(guān)關(guān)系（樣本數(shù)N=1974）。從中可見：（1）在可信度α=0.05的情況下，能見度與數(shù)濃度、液態(tài)含水量以及離散度（S）均具有一定的反相關(guān)關(guān)系，隨著能見度的增大，數(shù)濃度整體呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，但是在50 m≤V<100 m 和V<50 m 兩種強(qiáng)度的霧中，液態(tài)含水量和離散度隨能見度的變化趨勢(shì)出現(xiàn)異常改變，在V<50 m 的特強(qiáng)濃霧中，液態(tài)含水量和離散度普遍小于50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧。（2）從相關(guān)系數(shù)來看，離散度與能見度反相關(guān)程度（相關(guān)系數(shù)R=0.4670）明顯偏弱，這可能主要與200 m≤V<1000 m 強(qiáng)濃霧等級(jí)以下的霧中霧滴較少、離散度較發(fā)散有關(guān)。能見度與數(shù)濃度反相關(guān)程度（R=0.8683）比與液態(tài)含水量的（R=0.8645）略偏高，這可能主要與液態(tài)含水量在50 m≤V<200 m 和V<50 m 兩種低能見度霧中變化趨勢(shì)的異常改變有關(guān)。（3）高數(shù)濃度與低能見度具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而高液態(tài)含水量并不總是與低能見度相對(duì)應(yīng)，特別是在V<50 m 的特強(qiáng)濃霧中，液態(tài)含水量出現(xiàn)了減少的現(xiàn)象，這與上述結(jié)論是吻合的。

上述分析可見，F(xiàn)M-120型霧滴譜儀觀測(cè)的數(shù)濃度對(duì)濟(jì)南冬季霧中的大氣能見度具有較好的指示意義，液態(tài)含水量、離散度對(duì)能見度指示意義不穩(wěn)定，其異常改變主要出現(xiàn)在V<50 m 和50 m≤V<100 m 兩種強(qiáng)度霧中。在V<50 m 的濟(jì)南冬季特強(qiáng)濃霧中含有大量的小霧滴，而50 m≤V<100 m強(qiáng)濃霧中液態(tài)含水量最大，直徑30μm 以上的大霧滴最多，最大霧滴直徑最大，粒子分布很不均勻。下面主要分析V<50 m、50 m≤V<100 m 這兩種強(qiáng)度霧中微物理量與光學(xué)特征（有效半徑、消光系數(shù)）的關(guān)系。

圖3 2016年12月至2017年1月觀測(cè)的強(qiáng)濃霧等級(jí)以上三種強(qiáng)度（能見度）濟(jì)南冬季霧的平均譜分布Fig.3 Average droplet spectrum of three thickness(visibility)fogs in heavy or extremely dense fogs observed in Jinan from December 2016 to January 2017

圖4 2016年12月至2017年1月濟(jì)南10次大霧過程能見度（V）與（a）數(shù)濃度（N c）、（b）液態(tài)含水量（LWC）、（c）離散度（S）的散點(diǎn)分布及其擬合函數(shù)Fig.4 Scatter diagrams and fitting functions between visibility (V),and (a)numerical concentration(N c),(b)liquid water content (LWC),(c) relative dispersion of thedroplet size distribution (S)for 10-fog events in Jinan from December 2016 to January 2017.R,α, N represent correlation coefficient,significancelevel,samplenumber, respectively

圖5 2016年12月至2017年1月濟(jì)南10 次大霧過程兩種強(qiáng)度霧中有效半徑（r e）與液態(tài)含水量（LWC）和數(shù)濃度（N c）比值的散點(diǎn)分布及其擬合函數(shù)：（a）V<50 m；（b）50 m≤V<100 mFig.5 Scatter diagrams and fitting functions between the effective radius(r e)and the ratio of liquid water content(LWC)and number concentration(N c)in 10-fog eventswith two thicknessfogs in Jinan from December 2016 to January 2017:(a)V<50 m;(b)50 m≤V<100 m

圖5給出了兩種強(qiáng)度霧中有效半徑（re）與液態(tài)含水量（LWC）和數(shù)濃度（Nc）比值之間的擬合關(guān)系。從中可見，在顯著性水平α=0.05的情況下，有效半徑與液態(tài)含水量和數(shù)濃度的比值均呈現(xiàn)較好的冪函數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)R均在0.9以上。兩條擬合曲線的交點(diǎn)分別為（0,0）和（1.47×10-4,4.63），當(dāng)液態(tài)含水量與數(shù)濃度的比值大于1.47×10-4（圖5虛線所示）時(shí)，在有效半徑相同的情況下，特強(qiáng)濃霧中液態(tài)含水量與數(shù)濃度的比值要小于50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中的比值，即特強(qiáng)濃霧中霧滴更小。

圖6給出了兩種強(qiáng)度霧中消光系數(shù)與數(shù)濃度、液態(tài)含水量對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖，從中可見，在液態(tài)含水量相同的情況下，特強(qiáng)濃霧中消光系數(shù)更大，在數(shù)濃度相同的情況下，50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中消光系數(shù)更大。分析表明，在液態(tài)含水量相同的情況下，特強(qiáng)濃霧中較高的數(shù)濃度導(dǎo)致更大的消光系數(shù)，而在數(shù)濃度相同的情況下，50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中較高的液態(tài)含水量導(dǎo)致更大的消光系數(shù)。

圖7給出了根據(jù)公式（11）計(jì)算的兩種強(qiáng)度霧中歸一化消光系數(shù)（Kex1）和離散度、有效半徑對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)分布圖。從圖中可見，雖然在特強(qiáng)濃霧中霧滴更小，但是在離散度（或譜型）、有效半徑相同的情況下，特強(qiáng)濃霧中歸一化消光系數(shù)似乎比50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧偏大。

綜上分析表明，與50 m≤V<100 m 的強(qiáng)濃霧相比，在V<50 m 的特強(qiáng)濃霧中，數(shù)濃度大，大霧滴和液態(tài)含水量偏少，霧滴平均尺度偏小，離散度小，粒子分布更加均勻，在譜型、有效半徑相同的情況下其歸一化消光系數(shù)似乎更大，而且霧滴數(shù)量明顯偏大，消光系數(shù)大，能見度惡化。

3.2 微物理特征、微物理過程的分析

3.2.1個(gè)例分析

3.2.1.1不同發(fā)展階段微物理量特征、微物理過程的反演分析

圖8給出了過程1大霧持續(xù)期間能見度（V）、氣溫（T）、地面風(fēng)速（Ws）、數(shù)濃度（Nc）、液態(tài)含水量（LWC）、D≥30 μm 大滴數(shù)、平均半徑（ r）以及離散度（S）隨時(shí)間的演變特征。從中可見，在整個(gè)霧發(fā)展過程中，微物理結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。通常，物理量隨時(shí)間的變化可以用下式表示：

其中， d/d t為個(gè)別變化，表示流點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)中其物理量隨時(shí)間的變化； ?/?t為局地變化，表示固定空間點(diǎn)上物理量隨時(shí)間的變化；V·?為平流變化，表示沿著運(yùn)動(dòng)方向物理量的不均勻分布引起的平流變化。因此，對(duì)于一個(gè)固定空間點(diǎn)上的物理量，其變化可用下式來表示：

圖6 2016年12月至2017年1月濟(jì)南10次大霧過程兩種強(qiáng)度（V<50 m；50 m≤V<100 m）霧中消光系數(shù)（K ex）與（a）數(shù)濃度（N c）、（b）液態(tài)含水量（LWC）對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)分布Fig.6 Scatter diagrams between extinction coefficient (K ex)and (a)number concentration (N c),(b)liquid water content (LWC)in 10-fog eventswith two thickness (V<50 m;50 m≤V<100 m)fogs in Jinan from December 2016 to January 2017

圖7 2016年12 月至2017年1月濟(jì)南10 次大霧過程兩種強(qiáng)度（V<50 m；50 m≤V<100 m）霧中歸一化消光系數(shù)（K ex1）與（a）離散度（S）、（b）有效半徑（r e）對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)分布Fig.7 Scatter diagrams between normalized extinction coefficient(K ex1)and(a)relative dispersion of the droplet size distribution(S),(b)effective radius (r e)in 10-fog eventswith two different thickness(V<50 m;50 m≤V<100 m) fogsin Jinan from December 2016 to January 2017

如果風(fēng)速很小或者物理量分布比較均勻，則平流變化很小，有 ?/?t ≈d/d t。從地面風(fēng)速隨時(shí)間的演變來看，地面風(fēng)速起伏變化不大，基本不超過4 m s-1，大多在2 m s-1以下，而且從地面風(fēng)速與D≥30μm 大滴數(shù)隨時(shí)間的演變來看，兩者之間對(duì)應(yīng)關(guān)系并不穩(wěn)定，在發(fā)展階段，風(fēng)速較小，但是D≥30 μm 大滴數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)增多的趨勢(shì)，進(jìn)入成熟階段，風(fēng)速開始起伏增大，但是D≥30μm 大滴數(shù)卻出現(xiàn)減少的趨勢(shì)。綜上分析可見，在此次霧發(fā)展過程中，平流作用對(duì)微物理結(jié)構(gòu)變化影響較小，微物理結(jié)構(gòu)的變化主要與霧中發(fā)生的微物理過程有關(guān)，D≥30μm 大滴增多主要?jiǎng)t與霧中啟動(dòng)的非湍流碰并（以下簡(jiǎn)稱碰并）增長(zhǎng)有關(guān)。

根據(jù)整個(gè)霧過程不同發(fā)展階段的物理量變化特征還可以發(fā)現(xiàn)：（1）形成階段，數(shù)濃度、液態(tài)含水量較小，且呈現(xiàn)比較一致的緩慢增加的趨勢(shì)，平均半徑則呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，D≥30μm 大滴數(shù)量很少，呈現(xiàn)不連續(xù)的間斷分布狀態(tài)，離散度變化不大，說明該階段以核化和凝結(jié)增長(zhǎng)為主，霧滴譜較窄，碰并增長(zhǎng)很弱，偶有間斷的碰并過程發(fā)生，但連續(xù)的碰并過程并未啟動(dòng)；發(fā)展階段，數(shù)濃度在初期經(jīng)歷了緩慢的增大后迅速增加，之后增速放緩，而液態(tài)含水量、平均半徑在初期出現(xiàn)減小之后顯著增大，D≥30μm 大滴數(shù)呈現(xiàn)先間斷、后連續(xù)并迅速增大的分布狀態(tài)，離散度則呈現(xiàn)先緩慢增大，后明顯增大的趨勢(shì)，說明該階段前期，核化和凝結(jié)增長(zhǎng)仍占主導(dǎo)，大量的小滴爭(zhēng)食大氣中的水分導(dǎo)致大滴生長(zhǎng)受限，之后隨著數(shù)濃度的增大，開始啟動(dòng)連續(xù)的碰并增長(zhǎng)過程，D≥30μm 大滴數(shù)、平均半徑增大，同時(shí)大霧滴在碰并過程中消耗大量的小霧滴，數(shù)濃度增幅放緩；成熟階段，數(shù)濃度、液態(tài)含水量、D≥30μm大滴數(shù)、平均半徑、離散度均呈現(xiàn)“增大—減小”的振蕩變化特征，但是與其他微物理量相比，數(shù)濃度的起伏變化較小，表明該階段碰并過程增強(qiáng)，與核化、凝結(jié)增長(zhǎng)同時(shí)發(fā)揮主導(dǎo)作用，一方面碰并增長(zhǎng)過程消耗大量小霧滴，使數(shù)濃度下降，另一方面，大量的凝結(jié)核通過核化和凝結(jié)增長(zhǎng)形成新的霧滴，使數(shù)濃度總體變化不大；減弱階段，數(shù)濃度和液態(tài)含水量均呈現(xiàn)起伏下降的趨勢(shì)，平均半徑先減小后變化平穩(wěn)，離散度明顯減小，平穩(wěn)變化一段時(shí)間后逐漸增大，說明該階段核化、凝結(jié)以及碰并過程迅速減弱，霧滴數(shù)量不斷減少，離散度呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。（2）在整個(gè)霧過程中，數(shù)濃度與液態(tài)含水量、數(shù)濃度與平均半徑呈現(xiàn)大致同升同降的趨勢(shì)；能見度與地面溫度均呈現(xiàn)振蕩下降—振蕩上升變化趨勢(shì)，而數(shù)濃度、液態(tài)含水量等微物理量則呈現(xiàn)振蕩上升—振蕩下降的特征，即能見度與地面溫度具有大致相同的變化趨勢(shì)，與各微物理量呈現(xiàn)大致相反的變化趨勢(shì)。表明核化、凝結(jié)增長(zhǎng)（或霧滴蒸發(fā)）是濟(jì)南冬季霧發(fā)展過程中最主要的微物理過程，在整個(gè)過程中起主導(dǎo)作用；溫度與核化、凝結(jié)增長(zhǎng)等過程密切相關(guān)，溫度下降（升高）是核化增強(qiáng)（減弱）、凝結(jié)增長(zhǎng)（霧滴蒸發(fā)）的主要原因，導(dǎo)致數(shù)濃度、液態(tài)含水量等微物理量增加（或減少）。碰并過程主要發(fā)生在發(fā)展和成熟階段，在生成和減弱階段很弱，以未碰并或偶發(fā)碰并為主。

圖8 2016年12月19～21日濟(jì)南大霧過程（a）能見度（V）、（b）氣溫（T）、（c）地面風(fēng)速（W s）、（d）數(shù)濃度（N c）、（e）液態(tài)含水量（ LWC）、（f）D≥30μm 大滴數(shù)、（g）平均半徑（ r）以及（h）離散度（S）隨時(shí)間的演變Fig.8 The evolutions of (a) visibility(V),(b)temperature(T),(c) wind speed(W s),(d)droplet number concentration(N c),(e)liquid water content(LWC),(f)fog droplets with diameter more than 30μm(D≥30μm fog droplets),(g)mean radius( r),and(h)relative dispersion of the fog droplet

圖8 （續(xù)）Fig.8(Continued)

3.2.1.2不同強(qiáng)度霧中微物理特征、微物理過程的反演分析

圖9給出了過程1中一段強(qiáng)濃霧后來演變?yōu)樘貜?qiáng)濃霧期間（12月20日00:35～03:25）各物理量隨時(shí)間的演變，其中00:35～01:20定義為強(qiáng)濃霧時(shí)段（50 m≤V<100 m），01:20～03:25定義為特強(qiáng)濃霧時(shí)段，能見度在50 m 以下的有21個(gè)時(shí)次，超過50 m 的有5個(gè)時(shí)次。從中可以發(fā)現(xiàn)：（1）強(qiáng)濃霧階段，地面風(fēng)速（Ws）起伏變化不大，一般在2 m s-1以下，隨著溫度起伏下降，能見度逐漸惡化，數(shù)濃度、液態(tài)含水量、D≥30μm特大滴數(shù)呈現(xiàn)較為一致的起伏增大趨勢(shì)，平均半徑則呈現(xiàn)增大—減小—增大—平穩(wěn)的變化特點(diǎn)，離散度起伏變化較大，粒子分布很不均勻。表明該階段碰并過程增強(qiáng)，與核化、凝結(jié)過程同時(shí)發(fā)揮主導(dǎo)作用，D≥30μm 特大滴數(shù)增多，離散度增大。（2）在特強(qiáng)濃霧階段，地面風(fēng)速呈現(xiàn)起伏增大的趨勢(shì)；數(shù)濃度總體呈現(xiàn)起伏增大趨勢(shì)，但前期變化較平穩(wěn)，后期明顯增大；平均半徑呈現(xiàn)起伏減小的變化趨勢(shì)，說明該階段小霧滴增多、所占比例增大；液態(tài)含水量出現(xiàn)了振蕩變化的特點(diǎn)，首先呈現(xiàn)與數(shù)濃度相反的變化趨勢(shì)，數(shù)濃度增大，液態(tài)含水量減小，然后液態(tài)含水量逐漸增大，并呈現(xiàn)與數(shù)濃度較為一致的變化趨勢(shì)，后期液態(tài)含水量變化不大，但數(shù)濃度顯著增大；D≥30μm 大滴數(shù)的變化趨勢(shì)與液態(tài)含水量大致相似，但后期迅速減少；離散度在前期達(dá)到最大值之后，呈現(xiàn)逐漸減小的變化趨勢(shì)。綜合數(shù)濃度與平均半徑、數(shù)濃度與液態(tài)含水量、D≥30μm 大滴數(shù)、離散度以及地面風(fēng)速隨時(shí)間的演變情況進(jìn)行分析，該階段核化和凝結(jié)增長(zhǎng)仍占主導(dǎo)，小霧滴增多，碰并過程則呈現(xiàn)減弱趨勢(shì)。（3）綜上分析可以推測(cè)，與強(qiáng)濃霧相比，特強(qiáng)濃霧中碰并過程可能更弱，小霧滴更多，導(dǎo)致能見度惡化。

圖9 2016年12月19～21日濟(jì)南大霧過程強(qiáng)濃霧時(shí)段和特強(qiáng)濃霧時(shí)段（a）能見度（V）、（b）氣溫（T）、（c）地面風(fēng)速（W s）、（d）數(shù)濃度（N c）、（e）液態(tài)含水量（LWC）、（f）D≥30μm 大滴數(shù)、（g）平均半徑（ r）以及（h）離散度（S）隨時(shí)間的演變Fig.9 Theevolutions of (a)visibility (V),(b)temperature(T),(c)wind speed (W s),(d)fog droplet number concentration (N c),(e)liquid water content(LWC),(f)fog droplets with diameter more than 30μm(D≥30μm fog droplets),(g)mean radius( r),and(h)relative dispersion of the fog droplet sizedistribution (S)with timein heavy and extremely dense fogsin Jinan during 19-21 December 2016

3.2.2不同強(qiáng)度霧中碰并過程強(qiáng)度分析

根據(jù)Liu et al.（2005,2006）研究結(jié)果，云中任意物理量自動(dòng)轉(zhuǎn)化率可概括為

其中，P 是自動(dòng)轉(zhuǎn)化率；P0是自轉(zhuǎn)化開始后的率函數(shù)；fT是描述自轉(zhuǎn)化過程的閾值函數(shù)，可用來表示自動(dòng)轉(zhuǎn)化過程的臨界狀態(tài)，其表達(dá)式由Liu et al.（2006,2007）推導(dǎo)得出：

通常P 表示云滴向雨滴胚胎的自動(dòng)轉(zhuǎn)化率，能近似反映霧中碰并過程的強(qiáng)弱。利用公式（20）～（22），對(duì)濟(jì)南不同強(qiáng)度霧中數(shù)濃度自動(dòng)轉(zhuǎn)化率（PN）、液態(tài)含水量自動(dòng)轉(zhuǎn)化率（PL）及其自動(dòng)轉(zhuǎn)化率函數(shù)（PN0、PL0）進(jìn)行計(jì)算（結(jié)果見表4）。從表中可見：（1）在500 m≤V<1000 m 的大霧中，云滴向雨滴胚胎的自動(dòng)轉(zhuǎn)化率均為0；在200 m≤V<500 m的濃霧中，發(fā)生碰并的樣本占比很小，僅為0.98%，平均數(shù)濃度和液態(tài)含水量自轉(zhuǎn)化率分別為9.08×10-8cm-3s-1、2.82×10-17g cm-3s-1；在100 m≤V<200 m 強(qiáng)濃霧，出現(xiàn)碰并的樣本占比為21.83%，平均數(shù)濃度和液態(tài)含水量自轉(zhuǎn)化率分別為7.91×10-6cm-3s-1、4.05×10-15g cm-3s-1；在50 m≤V<100 m 的強(qiáng)濃霧中，發(fā)生碰并的樣本占比為63.07%，平均數(shù)濃度和液態(tài)含水量自轉(zhuǎn)化率分別為4.19×10-5cm-3s-1、2.06×10-14g cm-3s-1；在V<50 m 的特強(qiáng)濃霧中，發(fā)生碰并的樣本占比為54.42%，平均數(shù)濃度和液態(tài)含水量自轉(zhuǎn)化率分別為1.28×10-5cm-3s-1、3.10×10-16g cm-3s-1，均小于50 m≤V<100 m 的強(qiáng)濃霧。（2）分析表明，在V≥200 m 的濟(jì)南冬季霧中，碰并過程很少發(fā)生；在100 m≤V<200 m 的強(qiáng)濃霧中，以未碰并或間斷碰并為主；碰并過程主要出現(xiàn)在V<100 m 強(qiáng)濃霧和特強(qiáng)濃霧中，與V<50 m的特強(qiáng)濃霧相比，50 m≤V<100 m 的強(qiáng)濃霧中碰并過程發(fā)生的概率更大、強(qiáng)度更強(qiáng)。

表4 2016 年12月至2017年1月濟(jì)南10次霧過程中不同強(qiáng)度（能見度）霧的自動(dòng)轉(zhuǎn)化率和自動(dòng)轉(zhuǎn)化率函數(shù)Table4 The autoconversion rate and autoconversion rate function in 10-fog events with different thickness(visibility)fogs observed in Jinan from December 2016 to January 2017

圖10給出了濟(jì)南特強(qiáng)濃霧和50 m≤V<100 m強(qiáng)濃霧中發(fā)生自轉(zhuǎn)化過程的樣本自轉(zhuǎn)化率散點(diǎn)分布圖。從中可見，對(duì)于發(fā)生自轉(zhuǎn)化過程的樣本，在率函數(shù)、數(shù)濃度以及液態(tài)含水量相同的情況下，特強(qiáng)濃霧中自轉(zhuǎn)化率普遍小于50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧，即特強(qiáng)濃霧中碰并強(qiáng)度較弱，這與3.2.1.2節(jié)的結(jié)論是吻合。

3.2.3進(jìn)一步討論

通過對(duì)濟(jì)南不同強(qiáng)度濟(jì)南霧中微物理結(jié)構(gòu)以及數(shù)濃度、液態(tài)含水量自轉(zhuǎn)化率特征分析發(fā)現(xiàn)，在濟(jì)南冬季特強(qiáng)濃霧中含有大量的小霧滴，但各微物理量的最大值、最大的起伏變化并未出現(xiàn)在特強(qiáng)濃霧中，而是出現(xiàn)在50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中，這可能與50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中較強(qiáng)的碰并增長(zhǎng)有關(guān)，碰撞過程中產(chǎn)生的并合和破碎（王鵬飛和李子華,1989），可能是導(dǎo)致50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中數(shù)濃度等微物理量產(chǎn)生較大起伏的主要原因。

另外，Liu et al.（2004, 2005, 2006）在推導(dǎo)自轉(zhuǎn)化率公式時(shí)只考慮了小粒子之間的碰并過程，未考慮大粒子碰并小粒子的過程，雖然利用該公式計(jì)算結(jié)果分析的微物理過程能較好地解釋濟(jì)南不同強(qiáng)度冬季霧微物理結(jié)構(gòu)特征的差異，但是該結(jié)果是否能真實(shí)地反映濟(jì)南冬季霧中發(fā)生的微物理過程，還存在不確定性，需要在以后的試驗(yàn)和研究中進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 冬季霧中能見度影響因子的探討

圖10 2016年12月至2017年1月濟(jì)南10次霧過程中特強(qiáng)濃霧和強(qiáng)濃霧的自動(dòng)轉(zhuǎn)化率和自動(dòng)轉(zhuǎn)化率函數(shù)的散點(diǎn)分布：（a）P N-P N0；（b）P L-P L0；（c）P N-N c；（d）P L-LWCFig.10 Scatter diagrams of autoconversion rate and autoconversion rate function in 10-fog events with heavy fogs and extremely dense fogs in Jinan from December 2016 to January 2017:(a) P N-P N0;(b)P L-P L0;(c)P N-N c;(d)P L-LWC.P N and P L represent autoconversion rate of number concentration and autoconversion rate of liquid water content,respectively;P N0 and P L0 represent autoconversion rate function of number concentration and autoconversion ratefunction of liquid water content,respectively

通過對(duì)濟(jì)南10次冬季霧期間霧滴譜儀觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算的能見度理論值（Vt）與實(shí)測(cè)值（V）深入分析（圖1）發(fā)現(xiàn)，利用有效半徑和液態(tài)含水量估算的能見度與實(shí)測(cè)值雖然在變化趨勢(shì)上具有較好的一致性，但比實(shí)測(cè)值大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。圖11給出了V<500 m（N=866）以及V≥500 m（N=1251）霧中能見度理論值和實(shí)測(cè)值對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖及其相關(guān)關(guān)系。從中可見，兩種強(qiáng)度霧中，其能見度理論值與實(shí)測(cè)值大致呈線性關(guān)系，在V≥500 m 的霧中，能見度理論值比實(shí)測(cè)值約大2個(gè)數(shù)量級(jí)（y=72.36x-1602），在V<500 m 的霧中，理論值比實(shí)測(cè)值約大1個(gè)數(shù)量級(jí)（y=22.49x-1408），而且霧強(qiáng)度越大，差異越小。究其原因，可能主要有兩方面的原因：（1）濟(jì)南冬季霧觀測(cè)期間，大氣層結(jié)非常穩(wěn)定，長(zhǎng)時(shí)間的逆溫結(jié)構(gòu)使大量的氣溶膠粒子在濟(jì)南低層大氣中聚集，這些氣溶膠粒子所產(chǎn)生的消光系數(shù)是影響大氣能見度的重要因素。（2）FM-120霧滴譜儀的觀測(cè)范圍為直徑2～50μm 的霧滴，無法捕捉到直徑2μm 以下的小霧滴，導(dǎo)致計(jì)算的消光系數(shù)偏小。

下面分析影響霧中能見度的主要因素。Liu（1992）引入兩個(gè)統(tǒng)計(jì)學(xué)參量偏度（Sk）和峰度（Ku）來分析滴譜的實(shí)際分布特征，并將其運(yùn)用到滴譜譜型的擬合分析中。

圖11 2016年12 月至2017年1月濟(jì)南10次霧過程中兩種強(qiáng)度（V<500 m；V≥500 m）霧的能見度理論值（V t）和實(shí)測(cè)值（V）對(duì)應(yīng)的散點(diǎn)圖及其擬合函數(shù)Fig.11 Scatter diagram and fitting functions between the calculated visibility(V t)and the observed visibility(V)in 10-fog events with two thickness(V<500 m;V≥500 m)fogs in Jinan from December 2016 to January 2017

當(dāng)Sk=Ku=0時(shí)，譜型為正態(tài)分布；當(dāng)Sk>0時(shí)，為正偏分布；當(dāng)Sk<0時(shí)，為負(fù)偏分布；當(dāng)Ku>0時(shí)，譜型呈現(xiàn)尖峰態(tài)分布；當(dāng)Ku<0時(shí)，呈現(xiàn)低峰態(tài)分布。

對(duì)于Gamma 分布，有

圖12 給出了10次霧過程每分鐘平均譜的Cs、Ck散點(diǎn)分布（N=10554），從圖中可見，散點(diǎn)大多在y=x 直線附近，每分鐘平均譜大致符合Gamma分布，部分存在較大偏離可能與截?cái)嘧V有關(guān)，公式推導(dǎo)時(shí)直徑區(qū)間是（0，∞），而實(shí)際霧滴譜直徑區(qū)間是(2,50)μm，導(dǎo)致強(qiáng)度較弱的窄譜霧出現(xiàn)較大的偏離。

根據(jù)霧滴譜資料計(jì)算的能見度理論值對(duì)霧強(qiáng)度進(jìn)行分類，并結(jié)合Sk、Ku、Cs、Ck以及離散度（S）等參數(shù)，來分析不同強(qiáng)度霧的微物理特征。表5給出了根據(jù)能見度理論值劃分的不同強(qiáng)度霧的物理參數(shù)，從中可見，隨著Vt（V 的理論值）的增大，數(shù)濃度和液態(tài)含水量逐漸減小；分鐘平均譜主要以正偏分布為主，但是在Vt≥3000 m 的霧中，出現(xiàn)偏向小滴一端的分鐘平均譜，說明在強(qiáng)度小的霧中，以小滴為主；在Vt<1000 m 的霧中，數(shù)濃度和液態(tài)含水量最大，大滴較多且分布比較均勻，平均譜較好地服從Gamma 分布。

表6給出了不同強(qiáng)度霧的Gamma 分布擬合參數(shù)及其在不同區(qū)間的積分?jǐn)?shù)濃度，從中可見，根據(jù)能見度理論值劃分的不同強(qiáng)度霧均較好地服從Gamma 分布，且相關(guān)程度較高（R均在0.97以上）；利用擬合的Gamma 分布函數(shù)在直徑（2,50）μm 區(qū)間對(duì)6種不同強(qiáng)度霧的積分?jǐn)?shù)濃度比霧滴譜儀觀測(cè)的數(shù)濃度（見表5）略偏小，但擬合結(jié)果具有較好的代表性；直徑2μm 以下的小霧滴所占比例很小，均小于8%。

表5 根據(jù)2016年12月至2017 年1月濟(jì)南10次大霧過程能見度理論值劃分的不同強(qiáng)度霧的物理參量Table5 Physical parameters with different intensities(visibility)fogs according to the calculated values of visibility obtained from 10-fog events in Jinan from December 2016 to January 2017

表6 根據(jù)2016 年12月至2017 年1月濟(jì)南10次大霧過程中能見度理論值劃分的不同強(qiáng)度霧的Gamma 分布擬合參數(shù)、數(shù)濃度擬合值和實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)以及不同區(qū)間數(shù)濃度積分結(jié)果Table 6 The fitting parameters of gamma distribution function,correlation coefficients between fitted number concentrationsand measured ones,and integrated number concentration of different interval in different intensities(visibility)according to the calculated values of visibility of 10-fog events in Jinan from December 2016 to January 2017

擬合和積分結(jié)果表明，霧滴譜儀無法觀測(cè)的小霧滴雖然對(duì)能見度有一定影響，但由于所占比例較小，對(duì)能見度的影響不是很大。因此，對(duì)于污染大氣，導(dǎo)致能見度理論值比實(shí)測(cè)值大很多的主要影響因子可能是低層大氣存在的大量的氣溶膠粒子。

圖13給出了2016年12月19日15:00至21日17:00濟(jì)南大霧過程（個(gè)例1）無影山站能見度、泉城廣場(chǎng)和藍(lán)翔技校質(zhì)監(jiān)站PM2.5質(zhì)量濃度隨時(shí)間的演變。從圖中可以看出，兩站觀測(cè)的PM2.5質(zhì)量濃度在數(shù)值上雖有差異，但變化趨勢(shì)具有較好的一致性。大霧期間，PM2.5大多在250 μg m-3以上，達(dá)到嚴(yán)重污染的程度，說明期間大氣中存在大量的氣溶膠粒子。另外PM2.5質(zhì)量濃度大值區(qū)與能見度低值區(qū)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是對(duì)應(yīng)關(guān)系并不穩(wěn)定，在霧的形成和消散階段，兩者具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但是發(fā)展和成熟階段，兩者之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系不顯著，PM2.5質(zhì)量濃度明顯下降，這可能與發(fā)展和成熟階段數(shù)濃度和液態(tài)含水量增大，大霧滴增多，部分污染物隨大霧滴沉降到地面引起。

上述分析表明，對(duì)于污染大氣，基于霧滴譜儀觀測(cè)資料來估算霧中的大氣能見度是不夠的，必須同時(shí)考慮氣溶膠粒子的影響。Liu et al.（2017）通過對(duì)近50年來我國(guó)大霧微物理研究成果分析發(fā)現(xiàn)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在近30年的城市化進(jìn)程中，霧的微觀物理結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了一些其他國(guó)家沒有出現(xiàn)的特殊特征，城市化導(dǎo)致霧滴數(shù)濃度增加，霧滴大小和霧水含量降低，能見度降低。可見，對(duì)于污染大氣中的霧，其能見度與大氣中存在的氣溶膠粒子密切相關(guān)，霧強(qiáng)度越大，數(shù)濃度、液態(tài)含水量以及大霧滴越多，隨大霧滴沉降到地面的氣溶膠粒子越多，能見度理論值與實(shí)測(cè)值的差異越小。但是，由于目前缺乏霧滴譜和氣溶膠的同步觀測(cè)資料，上述結(jié)論還具有不確定性，需要在以后的試驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)論

圖13 2016年12月19～21日濟(jì)南大霧過程無影山站能見度，泉城廣場(chǎng)、藍(lán)翔技校質(zhì)監(jiān)站PM2.5質(zhì)量濃度隨時(shí)間的演變Fig.13 The evolutions of the visibility from Wuyingshan station,and the quality concentrations of PM2.5 from Quancheng Square station and Lanxiang Technical School station during thefogs in Jinan during 19-21 December 2016

本文利用濟(jì)南10次冬季霧過程霧滴譜儀和自動(dòng)氣象站等的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析了濟(jì)南不同強(qiáng)度冬季霧的微物理結(jié)構(gòu)特征，研究了其中的微物理過程，探討了微物理結(jié)構(gòu)、微物理過程及強(qiáng)度對(duì)能見度的影響，得出如下主要結(jié)論：（1）濟(jì)南冬季霧強(qiáng)度不同，其譜分布特征具有明顯的差異，大霧平均譜型呈現(xiàn)“單峰”結(jié)構(gòu)，濃霧平均譜型呈現(xiàn)“雙峰”結(jié)構(gòu)，強(qiáng)濃霧和特強(qiáng)濃霧平均譜型均呈現(xiàn)“三峰”結(jié)構(gòu)，霧在變濃的過程中，譜型由“單峰”結(jié)構(gòu)逐漸向“多峰”結(jié)構(gòu)發(fā)展。（2）濟(jì)南冬季霧中，數(shù)濃度、液態(tài)含水量、離散度與能見度均呈現(xiàn)一定的反相關(guān)關(guān)系，數(shù)濃度與能見度反相關(guān)程度最高，對(duì)能見度具有較好的指示意義；液態(tài)含水量、離散度對(duì)能見度的指示意義不穩(wěn)定，對(duì)于V≥100 m 強(qiáng)濃霧等級(jí)以下的天氣，液態(tài)含水量與能見度具有較好的反相關(guān)關(guān)系，對(duì)于V<100 m 強(qiáng)濃霧等級(jí)以上的天氣，液態(tài)含水量的變化趨勢(shì)出現(xiàn)異常改變，與能見度反相關(guān)關(guān)系不顯著。（3）在有效半徑相同的情況下，特強(qiáng)濃霧中霧滴更??；在液態(tài)含水量一定的情況下，特強(qiáng)濃霧中較高的數(shù)濃度導(dǎo)致更大的消光系數(shù)；在數(shù)濃度一定的情況下，50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中較高的液態(tài)含水量導(dǎo)致更大的消光系數(shù)；在譜型、有效半徑相同的情況下，特強(qiáng)濃霧中歸一化消光系數(shù)似乎更大。（4）環(huán)境溫度與霧滴核化、凝結(jié)增長(zhǎng)密切相關(guān)，溫度下降（升高）導(dǎo)致霧滴核化增強(qiáng)（減弱）、凝結(jié)增長(zhǎng)（霧滴蒸發(fā)）；核化、凝結(jié)增長(zhǎng)是濟(jì)南冬季霧中最主要的微物理過程，在整個(gè)霧過程中發(fā)揮主導(dǎo)作用；碰并增長(zhǎng)主要發(fā)生在發(fā)展和成熟階段，在生成和消散階段很弱，以未碰并或偶發(fā)碰并為主。（5）自轉(zhuǎn)化率計(jì)算結(jié)果表明，在V≥200 m的濟(jì)南冬季霧中，碰并過程很少發(fā)生；在100 m≤V<200 m 的強(qiáng)濃霧中，以未碰并或間斷碰并為主；碰并過程主要出現(xiàn)在V<100 m 強(qiáng)濃霧和特強(qiáng)濃霧中；與V<50 m 的特強(qiáng)濃霧相比，50 m≤V<100 m的強(qiáng)濃霧中碰并過程發(fā)生的概率更大、強(qiáng)度更強(qiáng)；在濟(jì)南冬季特強(qiáng)濃霧中含有大量的小霧滴，但各微物理量的最大值及其最大的起伏變化并未出現(xiàn)在特強(qiáng)濃霧中，而是出現(xiàn)在50 m≤V<100 m 的強(qiáng)濃霧中，這可能與50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中較強(qiáng)的碰并增長(zhǎng)有關(guān)，碰撞過程中產(chǎn)生的并合和破碎，可能是導(dǎo)致50 m≤V<100 m 強(qiáng)濃霧中微物理量發(fā)生較大起伏變化的主要原因。（6）利用自轉(zhuǎn)化率計(jì)算結(jié)果分析的微物理過程及其強(qiáng)度能較好地解釋濟(jì)南不同強(qiáng)度冬季霧中微物理結(jié)構(gòu)特征的差異，但是由于自轉(zhuǎn)化率公式在推導(dǎo)時(shí)引用了一些假定，該結(jié)果是否能真實(shí)地反映濟(jì)南冬季霧中發(fā)生的微物理過程，還存在不確定性，需要在以后的試驗(yàn)和研究中進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。（7）利用霧滴譜資料計(jì)算的能見度與能見度實(shí)測(cè)值在變化趨勢(shì)上具有較好的一致性，但比實(shí)測(cè)值大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)，這可能主要與霧中大量的氣溶膠粒子有關(guān)。對(duì)于污染大氣，基于霧滴譜儀觀測(cè)資料來估算霧中的大氣能見度是不夠的，必須同時(shí)考慮氣溶膠粒子對(duì)能見度的影響。

致謝 非常感謝劉延剛博士在論文修改過程中給予的指導(dǎo)和幫助！同時(shí)，也非常感謝審稿專家和編輯老師為本文付出的心血和汗水！