田润泽，徐峻，张众志，唐枷榕，程苗苗

中国环境科学研究院

2013年1月，中国中东部地区出现了多次重污染事件，其中12—15日的重污染过程持续时间最长，污染程度最严重[1]。在此次冬季重污染过程中，北京地区重污染以干霾与雾霾的形式交替出现[2]，1月雾天多达（14±3.35）d，且多与重污染时段重合[3]，雾滴与气溶胶共存是北京地区此次污染过程的主要特征之一。北京AERONET站点观测到雾层蒸发产生了残余气溶胶[4]，CALIPSO星载激光雷达观测到平流雾顶存在大量气溶胶[3]，近地面的雾滴中也检测出大量无机盐[5]，雾滴与气溶胶在特定情况下可相互转化。由此可见，北京地区此次重污染过程伴随了一系列雾的过程，但以往对于重污染的研究重点关注气溶胶的时空分布[3-4,6-7]，辐射特性[6,8]，来源解析[9-11]等，对重污染过程中雾的研究相对较少。

国内学者在北京[12-15]、天津[16-23]、南京[24-26]等地对雾进行过大量的观测研究。但这些研究中大部分是较清洁天气状况下对雾层的研究，且受限于观测条件，很少有学者能针对重污染过程中雾层的垂直结构和层结详细描述。张光智等[13]使用系留气艇与铁塔数据分析了2001年2月的一次大雾过程，较为详细观测了雾的热力和动力结构特征，但关注点更多集中在污染物作为凝结核以及起雾前低空风切变对大雾形成的影响。赵玉广等[27]曾对2013年1月11—15日华北平原持续性大雾过程进行分析，但其更多的是关注地面气象要素统计特征与大尺度环流特征。郭丽君等[28]使用微波辐射计描述了2009—2013年期间北京地区多次大雾天气过程，其中包括本研究时段，但受限于观测垂直分辨率(50～250 m)，仅能识别出平流雾过程，并没有对雾层中温湿结构特征进行详细分析。

2013年1月12—15日，伴随着北京地区重污染过程每天清晨都有雾存在。利用南郊观象台L波段探空仪数据，地面气象与PM2.5浓度观测数据，MODIS以及VISSR卫星影像，详细探讨了此次重污染过程中雾的形成发展过程的重要特征，以期探究北京地区冬季的近地面雾层对辐射、层结、污染扩散等方面的影响。

1 材料与方法

1.1 L波段秒级探空资料与水汽订正

垂直探空资料采用北京南郊观象台的L波段探空仪数据，南郊观象台 (116.47°E，39.80°N)，又称北京市气象台，位于北京市大兴区亦庄镇，为典型的城市气象观测站。南郊观象台的L波段探空仪每日施放2次，施放时间约为北京时间07:15和19:15。秒级资料在近地层垂直分辨率可达3～5 m，可以提供较高精度的温度、湿度、气压和风廓线，用于判断雾层的高度范围、大气层结稳定性、高空平流方向等重要特征。

由于L波段探空仪采用的是碳湿敏电阻，其测量精度受气压、温度、太阳辐射等因素影响较大，国外对Vaisala RS92、Vaisala RS80、MODEM等探测仪研究发现[29-30]，探测的相对湿度偏干约5%～30%。国内使用的L波段探空仪在相对湿度超过60%时，也存在较为明显的干偏差[31-33]。郝民等[32-33]借鉴了英国气象局探空湿度订正方法，提出了分段线性函数的订正方法，计算公式如下：

式中：Δf为相对湿度的修正量；fcrit为相对湿度的修订阈值，即相对湿度超过60%进行湿度订正；fob为观测到的相对湿度。

原始的L波段探空仪数据在雾层区域的相对湿度约85%，低于理论观测值(＞90%)。采用式（1）修正后，雾层区域相对湿度升高约7%，与理论雾层相对湿度更加吻合，因此结果与讨论部分均使用修正后的数据。

1.2 地面观测资料

地面气象观测数据来源于南郊观象台，用于判断地面雾层的生成与消散时间，辅助判断平流雾的到达时间等。其中2 m高度处的温度与湿度，10 m高度处的2 min平均风向与风速以及地表温度均为整点观测值，仅能见度的观测间隔为3 h。逐小时PM2.5浓度观测数据来源于美国驻华大使馆网站(http://www.stateair.net)，观测点位于朝阳区安家楼(116.47°E，39.95°N)。

1.3 MODIS与VISSR卫星影像

极轨卫星Terra与Aqua所搭载的MODIS(中分辨率成像光谱仪)，由于空间分辨率较高，用于识别辐射雾的生消、雾的空间分布、平流雾源地等特征。MODIS真彩图采用三通道融合方法(红，0.62～0.67 μm；绿，0.54～0.57 μm；蓝，0.46～0.48 μm)，并进行非线性拉伸处理，星下点分辨率约500 m。夜间红外图像使用大气窗区通道数据(band 31，10.78～11.28 μm)，星下点分辨率约1 km。MODIS在北京地区每天共观测4次，观测时间约为02:00、11:00、13:00和23:00。

FY-2F静止卫星搭载的VISSR(可见光红外自旋扫描辐射仪)，具有较高的时间分辨率，红外IR1通道(10.3～11.3 μm)的最小观测间隔为0.5 h，但星下点分辨率仅为4 km，因此仅用于识别北京上空高空云层的过境时间。

2 结果与讨论

2013年1月12—15日北京地区500 hPa高空气压场一直处于平直的西风带或为弱高压脊控制，地面等压线稀疏[1,34]。在稳定的环流形势下，地面观测显示（图1），重污染期间2 m高度平均风速低于2 m/s，不利于污染物的稀释和扩散，PM2.5浓度在13日一度接近900 μg/m3。且相对湿度一直维持在60%以上，较弱的风速以及充沛的水汽条件利于雾的形成[35-37]。因此在12—15日重污染过程中，北京地区每天清晨均有雾存在，12日清晨为发展充分的辐射雾，13日清晨为2层相连的平流雾，14日清晨为初生的辐射雾，15日清晨为持续发展的平流雾，分别对应图1中Ⅰ～Ⅳ阶段。

图1 2013年1月12—15日地面气象要素与PM2.5浓度的日变化Fig.1 Diurnal variation of surface meteorological elements and PM2.5 concentrations in January 12-15, 2013

2.1 12日清晨——发展充分的辐射雾

11日19:15探空显示〔图2(b)〕，近地层的露点温度比温度低5 ℃以上，近地层较干燥，相对湿度低于70%，据此判断北京上空没有雾。12日01:45的MODIS红外图像〔图2(c)〕也能较清晰地看见北京地区下垫面纹理，可见雾仍未生成。地面观测资料显示，从前一夜开始地表温度持续下降，到12日05:00达到极小值，此时相对湿度接近90%。由于地面相对湿度自动观测采用湿敏电容传感器，余君等[38-39]发现在温度低于0 ℃，相对湿度大于80%时，仪器观测的偏干误差超过5%。因此实际大气相对湿度更高，05:00后地表温度快速上升，也表明地表受到雾层加热作用，据此判定12日的雾约在05:00生成。北京地区1月日出时间约07:30，但日出后雾层并未消散，12:00以前相对湿度一直维持在85%以上。其他资料观测证实，11:00南郊观象台能见度小于500 m，11:10的MODIS卫星图像〔图2(d)〕观测到北京地区仍有薄雾存在，至12:00后地面相对湿度大幅下降，雾层消散。

图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日清晨探空显示〔图2(a)〕，近地层风速小于1 m/s，自地面至250 m高度以下相对湿度达到95%〔图2(b)〕，150 m以下为近中性层结且比湿混合均匀，近中性层结上方有强逆温，这些特征表明近地层出现辐射雾，由于雾层中呈近中性层结，所以是发展充分的辐射雾。这与Roach、Price等[36-37,40-41]在卡丁顿观测到经典的充分发展的辐射雾结构特征一致，国内在天津[19-20]、南京[24-25]等地也观测到呈现相同结构的辐射雾。

11日夜间开始，晴空辐射冷却作用下[42-43]，19:15探空中即出现贴地逆温，从地面至200 m高度存在3段不同强度的逆温，因此，整个低层大气处于较强的静稳状态，此时没有雾生成。当辐射雾形成以后，雾层上部产生强辐射冷却[44]，同时地表接收雾层发射的长波辐射温度上升，使得贴近地面的大气辐射冷却减弱甚至有所升温[36]，“上冷下暖”的结构下，湍流发展，贴地逆温消失，雾层中（160 m以下）逐渐呈现出中性层结〔图2(a)〕，比湿在其中混合较均匀〔图2(b)〕。雾层顶的强辐射冷却作用，一方面造成雾顶附近的逆温加强，并促使低层大气层结发生较显著的转变，另一方面促进雾顶附近的水汽凝结加剧，形成逆湿结构[24-25]。以上构成判别辐射雾充分发展阶段和雾顶高度的重要依据。

2.2 13日清晨——2层相连的平流雾

2.2.1 2层平流雾

13日清晨700～1 300 m高度段相对湿度接近100%〔图3(b)〕，表明该高度段有雾层存在，且相较于前一晚探空结果，在600～1 400 m高度区间的比湿显著增大，证明存在较强的水汽输送，因此13日清晨的雾为平流雾。值得注意的是整个雾层高度段内风向并不一致，1 100～1 300 m区间为一致的西南风，700～1 100 m区间为一致的东南风，13日清晨的雾应是由2层具有不同源地的平流雾组成。比湿与温度在1 100 m处均出现较为明显的跃变，表明这2层平流雾的温度与湿度性质存在较大差异。

图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

前一夜间MODIS红外图像〔图3(c)〕显示，在北京东南方向的天津—渤海一线，西南方向的保定—石家庄一线均有大片的雾生成，雾层区域颜色较为均匀，下垫面纹理不可见。东南方向的雾颜色较深，说明雾层温度高，高度较低；西南方向的雾颜色较浅，说明雾层温度低，高度较高，这与13日清晨探空观测到的水汽输送方向一致。13日MODIS红外图像〔图3(d)〕显示，北京上空已经出现了平流雾，雾层西南—东北方向分布狭长，且有丝带状结构，因此是西南保定—石家庄一线的平流雾到达。13日白天西南方向平流雾一直持续〔图3(e)〕，雾层边缘与雾顶颜色偏黄，雾顶上方存在较多污染物[3]。至14:30〔图3(f)〕，受高空较强的西风影响，北京上空平流雾已经消散。

2.2.3 近地层雾生成与消散

相对于高空的平流雾，近地层在12日夜间—13日清晨则经历了辐射雾生成—近地层雾加深—近地层雾消亡3个阶段。

辐射雾生成阶段(12日18:00—23:00)：12日夜间探空显示〔图3(a)〕，19:15时250 m以下相对湿度高于85%，近地层整体为逆温稳定结构，整层静风，说明辐射雾已经生成，雾层高度约250 m。地面观测也证实，18:00后相对湿度接近90%并缓慢增加，地表温度略有上升并一直维持较高的温度，相较11日与13日晴空条件偏高约2 ℃。因此辐射雾约在18:00生成，由于京津冀地区无云过境，可以确定地面雾层一直存在，促使地表维持较高温度。

近地层雾加深阶段(12日23:00—13日03:00)：12日 23:00前后，10 m处风速由 1 m/s迅速增至3 m/s以上，水汽平流输送增强，比湿从1.9 g/kg迅速跃升至2.3 g/kg，能见度降至1 km以下，近地面雾加深，且此时风向为东南风，对应于2.2.2节描述的天津—渤海一线低层平流雾的到达。值得注意的是，地表受到深厚雾层辐射加热，地表温度在23:00左右的1 h内升高接近5 ℃，2 m温度升高接近2 ℃。

地面雾层消亡阶段(13日03:00以后)：03:00以后，10 m处风速快速下降至1 m/s以下，水汽的平流输送减弱，比湿降至2.0 g/kg以下。然而受高层平流雾持续的影响，2 m处温度与地表温度仍在缓慢升高，相对湿度低于85%，近地层雾层消散。此外北京南郊观象台为城市下垫面，又处于冬季供暖季，具有明显的热岛效应[45-48]，夜间MODIS红外图像〔图2(c)、图3(c)、图4(c)〕也能看出夜间晴空条件下北京市区温度明显比郊区高，城市地区偏干偏热的下垫面条件同样促进近地面雾层的消散。

图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——初生的辐射雾

07:15时探空资料显示〔图4(a)(b)〕，近地面整层为静风，120 m高度以下相对湿度接近95%，综上判断14日清晨存在较为浅薄的辐射雾，雾顶海拔高度约120 m。卫星资料显示，14日MODIS红外图像〔图4(c)〕显示北京地区晴空，整晚的晴空使得夜间地表温度一直下降，07:00地表温度降至此次重污染期间的最低值（-13.1 ℃）。因此，14日辐射雾约在清晨探空前不久生成，且在07:30日出后，雾层受到太阳短波加热蒸发，至10:00地面相对湿度低于90%，雾层已经消散。11:00的MODIS真彩图〔图4(d)〕也反映出北京城区雾层已经消散。

相较12日清晨的辐射雾，14日雾层生成时间晚约2 h，雾层底部并不存在中性层结，而是较强的贴底逆温，且一直延续到400 m高度，层结相对稳定。这是由于辐射雾发展初期，雾层浅薄且液态水含量较少，辐射效应弱，不能有效补偿地表的辐射降温。这也符合南京[24-25]、卡丁顿[36,41]、Cabauw[16]等地观测到的初生阶段辐射雾特征。

不利的水汽条件是14日辐射雾未发展充分的主要原因。一方面，14日地面比湿较12日偏低，近地面由于缺少水汽，需要更低的温度才能达到饱和，雾层生成时间更晚。另一方面，12日清晨受偏南风输送的水汽影响〔图2(a)(b)〕，相较前一晚大气低层(200～800 m)比湿大幅升高，400 m处比湿达到2.2 g/kg；而14日清晨受到干燥偏北风影响〔图4(a)(b)〕，较前一晚大气低层比湿大幅度下降，400 m高度比湿仅为1.3 g/kg，仅为12日同高度比湿的60%。在辐射雾发展过程中，雾层顶部的水汽缺乏，抑制了辐射雾的发展。先前的研究也证实[24]，辐射雾生成后，湍流混合的增强引起热量，动量及水汽的垂直输送，特别是雾层上方高湿区向下输送的水汽，对辐射雾的发展起重要作用。

2.4 15日清晨——持续发展的平流雾

14日晚探空显示〔图5(a)(b)〕，北京上空已经出现了平流雾，300～1 000 m风向为较一致的南风，相对湿度超过95%，950 m高度存在逆温，综上判断平流雾存在于300～950 m高度段。至15日清晨，300～1 450 m高度相对湿度接近95%，1 450 m处存在强逆温、逆湿结构，判断15日清晨平流雾分布在300～1 450 m高度层，相较14日晚雾层加深约500 m。此外值得注意的是，14日晚探空发现5 500 m以上存在深厚的云层，但15日清晨探空未发现云层，从夜间红外云图〔图5(e)(f)〕可见，北京上空14日午后—15日03:00一直有云层存在。

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

14—15日夜间，高空平流输送的大量水汽，雾层内较强的对流活动，以及云层过境后雾顶的强冷共同促进了平流雾的发展。14日晚1 600 m高度以下均为南风，风速约6～10 m/s，高空平流输送的大量水汽为雾层发展提供了良好的水汽条件，1 200 m以下比湿均超过2 g/kg；从大气层结上看，14日夜间与15日清晨雾层内均为近中性层结，且水汽接近饱和，具有良好的对流发展条件;此外高空云层的存在，抑制了雾层顶部的冷却，14日晚雾顶逆温，逆湿结构偏弱。云层过境后，雾顶辐射冷却效应增强，促进雾层发展，至15日清晨探空，雾顶出现强逆温，逆湿结构，雾层加高区域(950～1 450 m)平均降温幅度约5 ℃。

地面观测资料显示，14日夜间—15日清晨，地面相对湿度一直低于85%，表明近地面没有雾生成。在此期间，比湿一直维持在2.2 g/kg左右，水汽充沛，风速（1～3 m/s）适宜，这些近地面条件有利于雾层生成[36,48]。但高空平流雾产生的下行长波辐射，补偿了地表与低层大气的辐射冷却，抑制了近地面雾层的生成[49]。地表温度与温度的变化证实，较夜间晴空条件（12日与14日），夜晚最低地表温度仅为-6.4 ℃，偏高约6 ℃，最低温度仅为-5 ℃，偏高约4 ℃。

2.5 雾对污染的影响

一般认为，雾的生成总伴随大气静稳条件[13,35-36]，但本研究结果表明，平流雾的到来和辐射雾的形成都改变了低层大气的层结，进而影响近地层的垂直扩散能力，可能会对地面的污染起到一定的缓解能力。

13日清晨平流雾到达之前，12日晚探空表明近地层（0～200 m）为弱稳定结构，800 m以下存在3段不同强度逆温，大气层结处于强稳定状态，使污染物在近地层积聚，PM2.5浓度一度接近900 μg/m3。随着平流雾的到达，雾层通过长波辐射，冷却雾层上部，同时加热低层大气，大气层结由稳定结构向不稳定的近中性层结转变，近地层的垂直扩散能力改善。至13日清晨探空，700 m以下均为近中性层结，地面PM2.5浓度由平流雾到达前的750 μg/m3快速下降至 250 μg/m3。

12日清晨辐射雾生成前，地面一直维持较低的风速，且前一晚探空显示，近地层为逆温结构，垂直扩散能力较差，PM2.5浓度呈现持续上升的趋势。然而12日辐射雾生成后，PM2.5浓度水平上升的趋势减缓，甚至出现短暂的下降，而后又急剧上升。辐射雾形成并充分发展，近地层由原先的逆温变为近中性，垂直扩散能力应该有所增强，有使PM2.5浓度升高趋势放缓的倾向。

有学者认为雾层形成后带来湍流和扩散能力的加强，可使高层污染物向下输送，造成地面污染物浓度升高[12]，但这种情况发生在清洁地区，北京是超大城市，本地污染排放较高[50]，应不在其列。还有研究认为，雾层中湍流的增强将加速液滴和PM2.5的碰并，从而提升颗粒物的清除效率[51]。可见，雾层导致的扩散和清除过程对于PM2.5浓度影响的方向性并不一致，实际影响PM2.5浓度的因素可能还会有排放的短时变化。因此，揭示辐射雾阶段PM2.5浓度变化的原因，还需更深入研究。

3 结论

（1）12日清晨为发展充分的辐射雾，雾顶高度约为250 m，上层为强逆温，逆湿结构，底部呈现中性层结，比湿在该层混合均匀。辐射雾形成到充分发展，近地层由逆温结构向不稳定的近中性层结转变，垂直扩散能力有所增强。

（2）13日清晨由2层紧密相连、具有不同源地的平流雾组成，上层为西南保定—石家庄一线输送的平流雾，下层为东南方向天津—渤海一线输送的平流雾。平流雾到达前，北京上空800 m高度以下均为稳定层结；平流雾到达后，雾层通过长波辐射效应冷却雾层上部并加热低层大气，至13日清晨，700 m高度以下均为近中性层结，较大改善了近地面的扩散条件，地面PM2.5浓度从约750 μg/m3快速下降至250 μg/m3。

（3）14日清晨为初生阶段的辐射雾，雾层海拔高度约为120 m，整层为强逆温，逆湿结构。与12日充分发展的辐射雾不同，14日清晨不利的水汽条件抑制了辐射雾进一步发展。

（4）14日夜间—15日清晨平流雾一直存在，14日晚由于高空云层的存在，抑制了雾层顶部辐射冷却，雾顶逆温较弱。高层云过境后，雾顶辐射冷却增强，并促进平流雾继续发展，至15日清晨雾顶抬升约500 m。且持续的平流雾使近地层一直维持较高的温度，抑制了近地面雾的生成。

综上可见，北京地区冬季重污染期间，每天的雾在形成过程、垂直结构、层结等方面差异非常大，涉及边界层气象和辐射等诸多过程，因此，针对重污染期间雾层，以及其在污染和辐射等方面效应的研究有待加强。