北京地區(qū)冬季重污染期間的霧層特征

田潤(rùn)澤，徐峻，張眾志，唐枷榕，程苗苗

中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院

2013年1月，中國(guó)中東部地區(qū)出現(xiàn)了多次重污染事件，其中12—15日的重污染過(guò)程持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，污染程度最嚴(yán)重[1]。在此次冬季重污染過(guò)程中，北京地區(qū)重污染以干霾與霧霾的形式交替出現(xiàn)[2]，1月霧天多達(dá)（14±3.35）d，且多與重污染時(shí)段重合[3]，霧滴與氣溶膠共存是北京地區(qū)此次污染過(guò)程的主要特征之一。北京AERONET站點(diǎn)觀測(cè)到霧層蒸發(fā)產(chǎn)生了殘余氣溶膠[4]，CALIPSO星載激光雷達(dá)觀測(cè)到平流霧頂存在大量氣溶膠[3]，近地面的霧滴中也檢測(cè)出大量無(wú)機(jī)鹽[5]，霧滴與氣溶膠在特定情況下可相互轉(zhuǎn)化。由此可見(jiàn)，北京地區(qū)此次重污染過(guò)程伴隨了一系列霧的過(guò)程，但以往對(duì)于重污染的研究重點(diǎn)關(guān)注氣溶膠的時(shí)空分布[3-4,6-7]，輻射特性[6,8]，來(lái)源解析[9-11]等，對(duì)重污染過(guò)程中霧的研究相對(duì)較少。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在北京[12-15]、天津[16-23]、南京[24-26]等地對(duì)霧進(jìn)行過(guò)大量的觀測(cè)研究。但這些研究中大部分是較清潔天氣狀況下對(duì)霧層的研究，且受限于觀測(cè)條件，很少有學(xué)者能針對(duì)重污染過(guò)程中霧層的垂直結(jié)構(gòu)和層結(jié)詳細(xì)描述。張光智等[13]使用系留氣艇與鐵塔數(shù)據(jù)分析了2001年2月的一次大霧過(guò)程，較為詳細(xì)觀測(cè)了霧的熱力和動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征，但關(guān)注點(diǎn)更多集中在污染物作為凝結(jié)核以及起霧前低空風(fēng)切變對(duì)大霧形成的影響。趙玉廣等[27]曾對(duì)2013年1月11—15日華北平原持續(xù)性大霧過(guò)程進(jìn)行分析，但其更多的是關(guān)注地面氣象要素統(tǒng)計(jì)特征與大尺度環(huán)流特征。郭麗君等[28]使用微波輻射計(jì)描述了2009—2013年期間北京地區(qū)多次大霧天氣過(guò)程，其中包括本研究時(shí)段，但受限于觀測(cè)垂直分辨率(50～250 m)，僅能識(shí)別出平流霧過(guò)程，并沒(méi)有對(duì)霧層中溫濕結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行詳細(xì)分析。

2013年1月12—15日，伴隨著北京地區(qū)重污染過(guò)程每天清晨都有霧存在。利用南郊觀象臺(tái)L波段探空儀數(shù)據(jù)，地面氣象與PM2.5濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)，MODIS以及VISSR衛(wèi)星影像，詳細(xì)探討了此次重污染過(guò)程中霧的形成發(fā)展過(guò)程的重要特征，以期探究北京地區(qū)冬季的近地面霧層對(duì)輻射、層結(jié)、污染擴(kuò)散等方面的影響。

1 材料與方法

1.1 L波段秒級(jí)探空資料與水汽訂正

垂直探空資料采用北京南郊觀象臺(tái)的L波段探空儀數(shù)據(jù)，南郊觀象臺(tái) (116.47°E，39.80°N)，又稱(chēng)北京市氣象臺(tái)，位于北京市大興區(qū)亦莊鎮(zhèn)，為典型的城市氣象觀測(cè)站。南郊觀象臺(tái)的L波段探空儀每日施放2次，施放時(shí)間約為北京時(shí)間07:15和19:15。秒級(jí)資料在近地層垂直分辨率可達(dá)3～5 m，可以提供較高精度的溫度、濕度、氣壓和風(fēng)廓線(xiàn)，用于判斷霧層的高度范圍、大氣層結(jié)穩(wěn)定性、高空平流方向等重要特征。

由于L波段探空儀采用的是碳濕敏電阻，其測(cè)量精度受氣壓、溫度、太陽(yáng)輻射等因素影響較大，國(guó)外對(duì)Vaisala RS92、Vaisala RS80、MODEM等探測(cè)儀研究發(fā)現(xiàn)[29-30]，探測(cè)的相對(duì)濕度偏干約5%～30%。國(guó)內(nèi)使用的L波段探空儀在相對(duì)濕度超過(guò)60%時(shí)，也存在較為明顯的干偏差[31-33]。郝民等[32-33]借鑒了英國(guó)氣象局探空濕度訂正方法，提出了分段線(xiàn)性函數(shù)的訂正方法，計(jì)算公式如下：

式中：Δf為相對(duì)濕度的修正量；fcrit為相對(duì)濕度的修訂閾值，即相對(duì)濕度超過(guò)60%進(jìn)行濕度訂正；fob為觀測(cè)到的相對(duì)濕度。

原始的L波段探空儀數(shù)據(jù)在霧層區(qū)域的相對(duì)濕度約85%，低于理論觀測(cè)值(＞90%)。采用式（1）修正后，霧層區(qū)域相對(duì)濕度升高約7%，與理論霧層相對(duì)濕度更加吻合，因此結(jié)果與討論部分均使用修正后的數(shù)據(jù)。

1.2 地面觀測(cè)資料

地面氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于南郊觀象臺(tái)，用于判斷地面霧層的生成與消散時(shí)間，輔助判斷平流霧的到達(dá)時(shí)間等。其中2 m高度處的溫度與濕度，10 m高度處的2 min平均風(fēng)向與風(fēng)速以及地表溫度均為整點(diǎn)觀測(cè)值，僅能見(jiàn)度的觀測(cè)間隔為3 h。逐小時(shí)PM2.5濃度觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于美國(guó)駐華大使館網(wǎng)站(http://www.stateair.net)，觀測(cè)點(diǎn)位于朝陽(yáng)區(qū)安家樓(116.47°E，39.95°N)。

1.3 MODIS與VISSR衛(wèi)星影像

極軌衛(wèi)星Terra與Aqua所搭載的MODIS(中分辨率成像光譜儀)，由于空間分辨率較高，用于識(shí)別輻射霧的生消、霧的空間分布、平流霧源地等特征。MODIS真彩圖采用三通道融合方法(紅，0.62～0.67 μm；綠，0.54～0.57 μm；藍(lán)，0.46～0.48 μm)，并進(jìn)行非線(xiàn)性拉伸處理，星下點(diǎn)分辨率約500 m。夜間紅外圖像使用大氣窗區(qū)通道數(shù)據(jù)(band 31，10.78～11.28 μm)，星下點(diǎn)分辨率約1 km。MODIS在北京地區(qū)每天共觀測(cè)4次，觀測(cè)時(shí)間約為02:00、11:00、13:00和23:00。

FY-2F靜止衛(wèi)星搭載的VISSR(可見(jiàn)光紅外自旋掃描輻射儀)，具有較高的時(shí)間分辨率，紅外IR1通道(10.3～11.3 μm)的最小觀測(cè)間隔為0.5 h，但星下點(diǎn)分辨率僅為4 km，因此僅用于識(shí)別北京上空高空云層的過(guò)境時(shí)間。

2 結(jié)果與討論

2013年1月12—15日北京地區(qū)500 hPa高空氣壓場(chǎng)一直處于平直的西風(fēng)帶或?yàn)槿醺邏杭箍刂?，地面等壓線(xiàn)稀疏[1,34]。在穩(wěn)定的環(huán)流形勢(shì)下，地面觀測(cè)顯示（圖1），重污染期間2 m高度平均風(fēng)速低于2 m/s，不利于污染物的稀釋和擴(kuò)散，PM2.5濃度在13日一度接近900 μg/m3。且相對(duì)濕度一直維持在60%以上，較弱的風(fēng)速以及充沛的水汽條件利于霧的形成[35-37]。因此在12—15日重污染過(guò)程中，北京地區(qū)每天清晨均有霧存在，12日清晨為發(fā)展充分的輻射霧，13日清晨為2層相連的平流霧，14日清晨為初生的輻射霧，15日清晨為持續(xù)發(fā)展的平流霧，分別對(duì)應(yīng)圖1中Ⅰ～Ⅳ階段。

圖1 2013年1月12—15日地面氣象要素與PM2.5濃度的日變化Fig.1 Diurnal variation of surface meteorological elements and PM2.5 concentrations in January 12-15, 2013

2.1 12日清晨——發(fā)展充分的輻射霧

11日19:15探空顯示〔圖2(b)〕，近地層的露點(diǎn)溫度比溫度低5 ℃以上，近地層較干燥，相對(duì)濕度低于70%，據(jù)此判斷北京上空沒(méi)有霧。12日01:45的MODIS紅外圖像〔圖2(c)〕也能較清晰地看見(jiàn)北京地區(qū)下墊面紋理，可見(jiàn)霧仍未生成。地面觀測(cè)資料顯示，從前一夜開(kāi)始地表溫度持續(xù)下降，到12日05:00達(dá)到極小值，此時(shí)相對(duì)濕度接近90%。由于地面相對(duì)濕度自動(dòng)觀測(cè)采用濕敏電容傳感器，余君等[38-39]發(fā)現(xiàn)在溫度低于0 ℃，相對(duì)濕度大于80%時(shí)，儀器觀測(cè)的偏干誤差超過(guò)5%。因此實(shí)際大氣相對(duì)濕度更高，05:00后地表溫度快速上升，也表明地表受到霧層加熱作用，據(jù)此判定12日的霧約在05:00生成。北京地區(qū)1月日出時(shí)間約07:30，但日出后霧層并未消散，12:00以前相對(duì)濕度一直維持在85%以上。其他資料觀測(cè)證實(shí)，11:00南郊觀象臺(tái)能見(jiàn)度小于500 m，11:10的MODIS衛(wèi)星圖像〔圖2(d)〕觀測(cè)到北京地區(qū)仍有薄霧存在，至12:00后地面相對(duì)濕度大幅下降，霧層消散。

圖2 2013年1月12日的探空和MODIS影像Fig.2 Radiosonde and MODIS images on January 12, 2013

12日清晨探空顯示〔圖2(a)〕，近地層風(fēng)速小于1 m/s，自地面至250 m高度以下相對(duì)濕度達(dá)到95%〔圖2(b)〕，150 m以下為近中性層結(jié)且比濕混合均勻，近中性層結(jié)上方有強(qiáng)逆溫，這些特征表明近地層出現(xiàn)輻射霧，由于霧層中呈近中性層結(jié)，所以是發(fā)展充分的輻射霧。這與Roach、Price等[36-37,40-41]在卡丁頓觀測(cè)到經(jīng)典的充分發(fā)展的輻射霧結(jié)構(gòu)特征一致，國(guó)內(nèi)在天津[19-20]、南京[24-25]等地也觀測(cè)到呈現(xiàn)相同結(jié)構(gòu)的輻射霧。

11日夜間開(kāi)始，晴空輻射冷卻作用下[42-43]，19:15探空中即出現(xiàn)貼地逆溫，從地面至200 m高度存在3段不同強(qiáng)度的逆溫，因此，整個(gè)低層大氣處于較強(qiáng)的靜穩(wěn)狀態(tài)，此時(shí)沒(méi)有霧生成。當(dāng)輻射霧形成以后，霧層上部產(chǎn)生強(qiáng)輻射冷卻[44]，同時(shí)地表接收霧層發(fā)射的長(zhǎng)波輻射溫度上升，使得貼近地面的大氣輻射冷卻減弱甚至有所升溫[36]，“上冷下暖”的結(jié)構(gòu)下，湍流發(fā)展，貼地逆溫消失，霧層中（160 m以下）逐漸呈現(xiàn)出中性層結(jié)〔圖2(a)〕，比濕在其中混合較均勻〔圖2(b)〕。霧層頂?shù)膹?qiáng)輻射冷卻作用，一方面造成霧頂附近的逆溫加強(qiáng)，并促使低層大氣層結(jié)發(fā)生較顯著的轉(zhuǎn)變，另一方面促進(jìn)霧頂附近的水汽凝結(jié)加劇，形成逆濕結(jié)構(gòu)[24-25]。以上構(gòu)成判別輻射霧充分發(fā)展階段和霧頂高度的重要依據(jù)。

2.2 13日清晨——2層相連的平流霧

2.2.1 2層平流霧

13日清晨700～1 300 m高度段相對(duì)濕度接近100%〔圖3(b)〕，表明該高度段有霧層存在，且相較于前一晚探空結(jié)果，在600～1 400 m高度區(qū)間的比濕顯著增大，證明存在較強(qiáng)的水汽輸送，因此13日清晨的霧為平流霧。值得注意的是整個(gè)霧層高度段內(nèi)風(fēng)向并不一致，1 100～1 300 m區(qū)間為一致的西南風(fēng)，700～1 100 m區(qū)間為一致的東南風(fēng)，13日清晨的霧應(yīng)是由2層具有不同源地的平流霧組成。比濕與溫度在1 100 m處均出現(xiàn)較為明顯的躍變，表明這2層平流霧的溫度與濕度性質(zhì)存在較大差異。

圖3 2013年1月13日的探空和MODIS影像Fig.3 Radiosonde and MODIS images on January 13, 2013

2.2.2 不同的源地

前一夜間MODIS紅外圖像〔圖3(c)〕顯示，在北京東南方向的天津—渤海一線(xiàn)，西南方向的保定—石家莊一線(xiàn)均有大片的霧生成，霧層區(qū)域顏色較為均勻，下墊面紋理不可見(jiàn)。東南方向的霧顏色較深，說(shuō)明霧層溫度高，高度較低；西南方向的霧顏色較淺，說(shuō)明霧層溫度低，高度較高，這與13日清晨探空觀測(cè)到的水汽輸送方向一致。13日MODIS紅外圖像〔圖3(d)〕顯示，北京上空已經(jīng)出現(xiàn)了平流霧，霧層西南—東北方向分布狹長(zhǎng)，且有絲帶狀結(jié)構(gòu)，因此是西南保定—石家莊一線(xiàn)的平流霧到達(dá)。13日白天西南方向平流霧一直持續(xù)〔圖3(e)〕，霧層邊緣與霧頂顏色偏黃，霧頂上方存在較多污染物[3]。至14:30〔圖3(f)〕，受高空較強(qiáng)的西風(fēng)影響，北京上空平流霧已經(jīng)消散。

2.2.3 近地層霧生成與消散

相對(duì)于高空的平流霧，近地層在12日夜間—13日清晨則經(jīng)歷了輻射霧生成—近地層霧加深—近地層霧消亡3個(gè)階段。

輻射霧生成階段(12日18:00—23:00)：12日夜間探空顯示〔圖3(a)〕，19:15時(shí)250 m以下相對(duì)濕度高于85%，近地層整體為逆溫穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，整層靜風(fēng)，說(shuō)明輻射霧已經(jīng)生成，霧層高度約250 m。地面觀測(cè)也證實(shí)，18:00后相對(duì)濕度接近90%并緩慢增加，地表溫度略有上升并一直維持較高的溫度，相較11日與13日晴空條件偏高約2 ℃。因此輻射霧約在18:00生成，由于京津冀地區(qū)無(wú)云過(guò)境，可以確定地面霧層一直存在，促使地表維持較高溫度。

近地層霧加深階段(12日23:00—13日03:00)：12日 23:00前后，10 m處風(fēng)速由 1 m/s迅速增至3 m/s以上，水汽平流輸送增強(qiáng)，比濕從1.9 g/kg迅速躍升至2.3 g/kg，能見(jiàn)度降至1 km以下，近地面霧加深，且此時(shí)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，對(duì)應(yīng)于2.2.2節(jié)描述的天津—渤海一線(xiàn)低層平流霧的到達(dá)。值得注意的是，地表受到深厚霧層輻射加熱，地表溫度在23:00左右的1 h內(nèi)升高接近5 ℃，2 m溫度升高接近2 ℃。

地面霧層消亡階段(13日03:00以后)：03:00以后，10 m處風(fēng)速快速下降至1 m/s以下，水汽的平流輸送減弱，比濕降至2.0 g/kg以下。然而受高層平流霧持續(xù)的影響，2 m處溫度與地表溫度仍在緩慢升高，相對(duì)濕度低于85%，近地層霧層消散。此外北京南郊觀象臺(tái)為城市下墊面，又處于冬季供暖季，具有明顯的熱島效應(yīng)[45-48]，夜間MODIS紅外圖像〔圖2(c)、圖3(c)、圖4(c)〕也能看出夜間晴空條件下北京市區(qū)溫度明顯比郊區(qū)高，城市地區(qū)偏干偏熱的下墊面條件同樣促進(jìn)近地面霧層的消散。

圖4 2013年1月14日的探空和MODIS影像Fig.4 Radiosonde and MODIS images on January 14, 2013

2.3 14日清晨——初生的輻射霧

07:15時(shí)探空資料顯示〔圖4(a)(b)〕，近地面整層為靜風(fēng)，120 m高度以下相對(duì)濕度接近95%，綜上判斷14日清晨存在較為淺薄的輻射霧，霧頂海拔高度約120 m。衛(wèi)星資料顯示，14日MODIS紅外圖像〔圖4(c)〕顯示北京地區(qū)晴空，整晚的晴空使得夜間地表溫度一直下降，07:00地表溫度降至此次重污染期間的最低值（-13.1 ℃）。因此，14日輻射霧約在清晨探空前不久生成，且在07:30日出后，霧層受到太陽(yáng)短波加熱蒸發(fā)，至10:00地面相對(duì)濕度低于90%，霧層已經(jīng)消散。11:00的MODIS真彩圖〔圖4(d)〕也反映出北京城區(qū)霧層已經(jīng)消散。

相較12日清晨的輻射霧，14日霧層生成時(shí)間晚約2 h，霧層底部并不存在中性層結(jié)，而是較強(qiáng)的貼底逆溫，且一直延續(xù)到400 m高度，層結(jié)相對(duì)穩(wěn)定。這是由于輻射霧發(fā)展初期，霧層淺薄且液態(tài)水含量較少，輻射效應(yīng)弱，不能有效補(bǔ)償?shù)乇淼妮椛浣禍?。這也符合南京[24-25]、卡丁頓[36,41]、Cabauw[16]等地觀測(cè)到的初生階段輻射霧特征。

不利的水汽條件是14日輻射霧未發(fā)展充分的主要原因。一方面，14日地面比濕較12日偏低，近地面由于缺少水汽，需要更低的溫度才能達(dá)到飽和，霧層生成時(shí)間更晚。另一方面，12日清晨受偏南風(fēng)輸送的水汽影響〔圖2(a)(b)〕，相較前一晚大氣低層(200～800 m)比濕大幅升高，400 m處比濕達(dá)到2.2 g/kg；而14日清晨受到干燥偏北風(fēng)影響〔圖4(a)(b)〕，較前一晚大氣低層比濕大幅度下降，400 m高度比濕僅為1.3 g/kg，僅為12日同高度比濕的60%。在輻射霧發(fā)展過(guò)程中，霧層頂部的水汽缺乏，抑制了輻射霧的發(fā)展。先前的研究也證實(shí)[24]，輻射霧生成后，湍流混合的增強(qiáng)引起熱量，動(dòng)量及水汽的垂直輸送，特別是霧層上方高濕區(qū)向下輸送的水汽，對(duì)輻射霧的發(fā)展起重要作用。

2.4 15日清晨——持續(xù)發(fā)展的平流霧

14日晚探空顯示〔圖5(a)(b)〕，北京上空已經(jīng)出現(xiàn)了平流霧，300～1 000 m風(fēng)向?yàn)檩^一致的南風(fēng)，相對(duì)濕度超過(guò)95%，950 m高度存在逆溫，綜上判斷平流霧存在于300～950 m高度段。至15日清晨，300～1 450 m高度相對(duì)濕度接近95%，1 450 m處存在強(qiáng)逆溫、逆濕結(jié)構(gòu)，判斷15日清晨平流霧分布在300～1 450 m高度層，相較14日晚霧層加深約500 m。此外值得注意的是，14日晚探空發(fā)現(xiàn)5 500 m以上存在深厚的云層，但15日清晨探空未發(fā)現(xiàn)云層，從夜間紅外云圖〔圖5(e)(f)〕可見(jiàn)，北京上空14日午后—15日03:00一直有云層存在。

圖5 2013年1月15日的探空和MODIS與VISSR影像Fig.5 Radiosonde and MODIS images on January 15, 2013

14—15日夜間，高空平流輸送的大量水汽，霧層內(nèi)較強(qiáng)的對(duì)流活動(dòng)，以及云層過(guò)境后霧頂?shù)膹?qiáng)冷共同促進(jìn)了平流霧的發(fā)展。14日晚1 600 m高度以下均為南風(fēng)，風(fēng)速約6～10 m/s，高空平流輸送的大量水汽為霧層發(fā)展提供了良好的水汽條件，1 200 m以下比濕均超過(guò)2 g/kg；從大氣層結(jié)上看，14日夜間與15日清晨霧層內(nèi)均為近中性層結(jié)，且水汽接近飽和，具有良好的對(duì)流發(fā)展條件;此外高空云層的存在，抑制了霧層頂部的冷卻，14日晚霧頂逆溫，逆濕結(jié)構(gòu)偏弱。云層過(guò)境后，霧頂輻射冷卻效應(yīng)增強(qiáng)，促進(jìn)霧層發(fā)展，至15日清晨探空，霧頂出現(xiàn)強(qiáng)逆溫，逆濕結(jié)構(gòu)，霧層加高區(qū)域(950～1 450 m)平均降溫幅度約5 ℃。

地面觀測(cè)資料顯示，14日夜間—15日清晨，地面相對(duì)濕度一直低于85%，表明近地面沒(méi)有霧生成。在此期間，比濕一直維持在2.2 g/kg左右，水汽充沛，風(fēng)速（1～3 m/s）適宜，這些近地面條件有利于霧層生成[36,48]。但高空平流霧產(chǎn)生的下行長(zhǎng)波輻射，補(bǔ)償了地表與低層大氣的輻射冷卻，抑制了近地面霧層的生成[49]。地表溫度與溫度的變化證實(shí)，較夜間晴空條件（12日與14日），夜晚最低地表溫度僅為-6.4 ℃，偏高約6 ℃，最低溫度僅為-5 ℃，偏高約4 ℃。

2.5 霧對(duì)污染的影響

一般認(rèn)為，霧的生成總伴隨大氣靜穩(wěn)條件[13,35-36]，但本研究結(jié)果表明，平流霧的到來(lái)和輻射霧的形成都改變了低層大氣的層結(jié)，進(jìn)而影響近地層的垂直擴(kuò)散能力，可能會(huì)對(duì)地面的污染起到一定的緩解能力。

13日清晨平流霧到達(dá)之前，12日晚探空表明近地層（0～200 m）為弱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，800 m以下存在3段不同強(qiáng)度逆溫，大氣層結(jié)處于強(qiáng)穩(wěn)定狀態(tài)，使污染物在近地層積聚，PM2.5濃度一度接近900 μg/m3。隨著平流霧的到達(dá)，霧層通過(guò)長(zhǎng)波輻射，冷卻霧層上部，同時(shí)加熱低層大氣，大氣層結(jié)由穩(wěn)定結(jié)構(gòu)向不穩(wěn)定的近中性層結(jié)轉(zhuǎn)變，近地層的垂直擴(kuò)散能力改善。至13日清晨探空，700 m以下均為近中性層結(jié)，地面PM2.5濃度由平流霧到達(dá)前的750 μg/m3快速下降至 250 μg/m3。

12日清晨輻射霧生成前，地面一直維持較低的風(fēng)速，且前一晚探空顯示，近地層為逆溫結(jié)構(gòu)，垂直擴(kuò)散能力較差，PM2.5濃度呈現(xiàn)持續(xù)上升的趨勢(shì)。然而12日輻射霧生成后，PM2.5濃度水平上升的趨勢(shì)減緩，甚至出現(xiàn)短暫的下降，而后又急劇上升。輻射霧形成并充分發(fā)展，近地層由原先的逆溫變?yōu)榻行?，垂直擴(kuò)散能力應(yīng)該有所增強(qiáng)，有使PM2.5濃度升高趨勢(shì)放緩的傾向。

有學(xué)者認(rèn)為霧層形成后帶來(lái)湍流和擴(kuò)散能力的加強(qiáng)，可使高層污染物向下輸送，造成地面污染物濃度升高[12]，但這種情況發(fā)生在清潔地區(qū)，北京是超大城市，本地污染排放較高[50]，應(yīng)不在其列。還有研究認(rèn)為，霧層中湍流的增強(qiáng)將加速液滴和PM2.5的碰并，從而提升顆粒物的清除效率[51]?？梢?jiàn)，霧層導(dǎo)致的擴(kuò)散和清除過(guò)程對(duì)于PM2.5濃度影響的方向性并不一致，實(shí)際影響PM2.5濃度的因素可能還會(huì)有排放的短時(shí)變化。因此，揭示輻射霧階段PM2.5濃度變化的原因，還需更深入研究。

3 結(jié)論

（1）12日清晨為發(fā)展充分的輻射霧，霧頂高度約為250 m，上層為強(qiáng)逆溫，逆濕結(jié)構(gòu)，底部呈現(xiàn)中性層結(jié)，比濕在該層混合均勻。輻射霧形成到充分發(fā)展，近地層由逆溫結(jié)構(gòu)向不穩(wěn)定的近中性層結(jié)轉(zhuǎn)變，垂直擴(kuò)散能力有所增強(qiáng)。

（2）13日清晨由2層緊密相連、具有不同源地的平流霧組成，上層為西南保定—石家莊一線(xiàn)輸送的平流霧，下層為東南方向天津—渤海一線(xiàn)輸送的平流霧。平流霧到達(dá)前，北京上空800 m高度以下均為穩(wěn)定層結(jié)；平流霧到達(dá)后，霧層通過(guò)長(zhǎng)波輻射效應(yīng)冷卻霧層上部并加熱低層大氣，至13日清晨，700 m高度以下均為近中性層結(jié)，較大改善了近地面的擴(kuò)散條件，地面PM2.5濃度從約750 μg/m3快速下降至250 μg/m3。

（3）14日清晨為初生階段的輻射霧，霧層海拔高度約為120 m，整層為強(qiáng)逆溫，逆濕結(jié)構(gòu)。與12日充分發(fā)展的輻射霧不同，14日清晨不利的水汽條件抑制了輻射霧進(jìn)一步發(fā)展。

（4）14日夜間—15日清晨平流霧一直存在，14日晚由于高空云層的存在，抑制了霧層頂部輻射冷卻，霧頂逆溫較弱。高層云過(guò)境后，霧頂輻射冷卻增強(qiáng)，并促進(jìn)平流霧繼續(xù)發(fā)展，至15日清晨霧頂抬升約500 m。且持續(xù)的平流霧使近地層一直維持較高的溫度，抑制了近地面霧的生成。

綜上可見(jiàn)，北京地區(qū)冬季重污染期間，每天的霧在形成過(guò)程、垂直結(jié)構(gòu)、層結(jié)等方面差異非常大，涉及邊界層氣象和輻射等諸多過(guò)程，因此，針對(duì)重污染期間霧層，以及其在污染和輻射等方面效應(yīng)的研究有待加強(qiáng)。