北京2009～2013年期間持續(xù)性大霧的類型、垂直結(jié)構(gòu)及物理成因

郭麗君　郭學(xué)良中國氣象科學(xué)研究院云霧物理環(huán)境重點實驗室，北京00082南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京20044

北京2009～2013年期間持續(xù)性大霧的類型、垂直結(jié)構(gòu)及物理成因

郭麗君1, 2郭學(xué)良1
1中國氣象科學(xué)研究院云霧物理環(huán)境重點實驗室，北京100081
2南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報預(yù)警與評估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

郭麗君，郭學(xué)良. 2016. 北京2009～2013年期間持續(xù)性大霧的類型、垂直結(jié)構(gòu)及物理成因 [J]. 大氣科學(xué), 40 (2): 296?310.Guo Lijun, Guo Xueliang. 2016. The type, vertical structure and physical formation mechanism of persistent heavy fog events during 2009–2013 in the Beijing region [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (2): 296?310, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14275.

北京地區(qū)持續(xù)性大霧天氣近幾年呈顯著增加趨勢，但由于缺乏高時間分辨率的霧微物理和大氣廓線數(shù)據(jù)，限制了對大霧垂直結(jié)構(gòu)和物理成因的深入了解。本文基于美國Radiometrics公司生產(chǎn)的35通道MP-3000A型微波輻射計廓線儀（Microwave Radiometer Profiler，簡稱MWRP）及常規(guī)氣象和衛(wèi)星觀測資料分析研究了2009～2013年期間北京地區(qū)13次大霧天氣過程的類型、垂直結(jié)構(gòu)特征及其產(chǎn)生的物理成因。按照霧產(chǎn)生的基本條件，將13次大霧天氣主要劃為平流霧和蒸發(fā)霧兩類，輻射霧存在于持續(xù)性大霧過程中，不做單獨劃分。平流霧的平均霧頂高度不超過1.0 km，而蒸發(fā)霧的平均霧頂高度在0.5～1.5 km之間。平流霧主要是由來自西南和東南的暖濕平流移經(jīng)北京地區(qū)冷下墊面后冷卻降溫過程產(chǎn)生，強逆溫的形成有利于霧的持續(xù)發(fā)展。而蒸發(fā)霧是由本地區(qū)降水蒸發(fā)冷卻形成，或是冷平流移經(jīng)暖濕下墊面形成。按照微波輻射計連續(xù)觀測的霧宏微觀垂直結(jié)構(gòu)特征，將13次大霧天氣過程又劃分為單一霧結(jié)構(gòu)和云霧共存結(jié)構(gòu)，并采用衛(wèi)星和地面氣象觀測數(shù)據(jù)對部分典型霧個例進行了比較驗證研究。結(jié)果表明，在13次大霧天氣中，平流霧和蒸發(fā)霧各占69%和31%。由此說明北京地區(qū)持續(xù)性大霧天氣主要是由暖濕平流過程和降水蒸發(fā)冷卻過程造成，與天氣過程的異常密切相關(guān)。單一霧結(jié)構(gòu)僅占15%，而云霧共存結(jié)構(gòu)占近85%，且持續(xù)三天以上的大霧天氣基本具有云霧共存結(jié)構(gòu)。

Founded bythe Special Scientific Research Fund of Meteorological Public Welfare Profession of China (Grant GYHY200806001), the Postgraduates Research Innovation of Jiangsu Higher Education Institutions (Grant CXZZ13_0511), the Special Foundation of Chinese Academy of Meteorological Sciences (Grant 2011Z005)

1　引言

霧是近地面空氣中懸浮的大量水滴或冰晶微粒而使水平能見度降到1 km以下的天氣現(xiàn)象。在穩(wěn)定的大氣邊界層結(jié)構(gòu)下，污染物的長時間累積和霧水環(huán)境會產(chǎn)生物理化學(xué)反應(yīng)過程，對人類健康會造成嚴重的危害。近幾年，我國霧霾天氣頻發(fā)，有關(guān)霧的微物理、數(shù)值模擬和產(chǎn)生條件研究也呈現(xiàn)增加趨勢（何暉等，2009；吳彬貴等，2010；陸春松等，2010；李子華等，2011；賈星燦和郭學(xué)良，2012；張舒婷等，2013；岳巖裕等，2013；于華英等，2015）。

霧天氣的統(tǒng)計研究表明，霧的類型、垂直結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生機理非常復(fù)雜，與輻射、天氣過程、邊界層結(jié)構(gòu)、下墊面狀況、氣溶膠含量等密切相關(guān)。依據(jù)霧產(chǎn)生的物理成因，主要分為冷卻霧和蒸發(fā)霧（李子華等，2008）。冷卻霧主要包括輻射霧和平流霧。輻射霧由輻射降溫引起，一般發(fā)生在反氣旋和均壓場內(nèi)，晴夜、靜風(fēng)和高相對濕度有利于輻射霧的形成（Roach et al., 1976; Meyer and Lala, 1990）。平流霧是暖濕平流經(jīng)過冷下墊面冷卻形成，一般發(fā)生在地面氣旋暖區(qū)、冷海面和海岸附近，風(fēng)速較輻射霧更大（Kora?in et al., 2014）。蒸發(fā)霧是冷平流移經(jīng)暖濕下墊面，由暖濕下墊面蒸發(fā)的水汽進入冷區(qū)凝結(jié)形成，或者是降水在冷區(qū)蒸發(fā)冷卻形成。蒸發(fā)霧可以發(fā)生在湖面和海面上（Kora?in et al., 2014），降水蒸發(fā)霧常發(fā)生在鋒面暖區(qū)。Tardif and Rasmussen（2008）總結(jié)了降水蒸發(fā)霧的物理成因，并統(tǒng)計了發(fā)生在紐約附近降水蒸發(fā)霧的天氣形勢，在9種天氣形勢中暖鋒前部和弱槽型發(fā)生的頻率最高，都高達17%。Tardif and Rasmussen（2007）在紐約霧的統(tǒng)計分析中考慮了云底高度、云量和降水等信息，根據(jù)成因?qū)㈧F分為5類，除了常見的輻射霧和平流霧外，還有降水霧、蒸發(fā)霧、云接地霧，并發(fā)現(xiàn)云接地霧發(fā)生在有降水并伴隨近地面溫度下降的情況下，出現(xiàn)在冬季和春季的可能性較大。

平流霧和降水霧往往具有云霧共存結(jié)構(gòu)特征。在層云接地的過程中，云頂?shù)妮椛浣禍貢鹪苾?nèi)的不穩(wěn)定，冷卻的空氣和云滴以湍流渦動的形式向下傳輸，云底之下蒸發(fā)的水汽在冷卻的環(huán)境下導(dǎo)致層云接地（Oliver et al., 1978; Pilié et al., 1979）。在低云向海霧轉(zhuǎn)化的研究中，云頂?shù)妮椛浣禍厥堑驮坪秃Ｑ髮踊旌虾屠鋮s的重要機制（Kora?in et al., 2001）。Westcott and Kristovich（2009）對伴有低云和降水的陸地濃霧進行了氣候?qū)W統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)57%的霧都發(fā)生在有低云存在的情況下，并通過個例分析得到，濃霧發(fā)生在弱降水之后，降水的蒸發(fā)加濕了低層大氣并達到飽和狀態(tài)，冷卻作用克服了弱暖平流的增溫并使低層大氣達到過飽和，同時紅外云圖表明，發(fā)展深厚的云隨著低壓系統(tǒng)移到霧發(fā)生地點演變成低云，低云的輻射降溫促進了凌晨濃霧的形成。尹球和徐紹祖（1994）在數(shù)值研究輻射霧的生消機制時發(fā)現(xiàn)，云層具有增加向下長波輻射通量起保溫的作用，也具有阻擋太陽輻射的作用。1.5 km處的云層能有效阻止霧的形成并加快霧的消散，而4.5 km處的云層未能阻止霧的形成反而阻礙了霧的消散。

霧的垂直結(jié)構(gòu)不僅受局地氣象要素變化的影響，還受平流、降水、低云和天氣系統(tǒng)的影響，如輻射霧頂高度一般在幾百米左右，而平流霧受暖濕平流的影響具有更高的頂高度。由于觀測手段的限制，霧的垂直結(jié)構(gòu)研究比較困難，目前的一些觀測研究一般借助氣象鐵塔或系留氣艇獲取溫濕廓線，以揭示產(chǎn)生霧的邊界層結(jié)構(gòu)（Fuzzi et al., 1992, 1998；吳彬貴等，2008）。Pinnick et al.（1978）利用球載光散射氣溶膠計數(shù)器研究了霧滴和霾粒子的數(shù)濃度和尺度分布的垂直結(jié)構(gòu)特征。Egli et al. （2015）利用系留汽艇獲取溫度、濕度、液態(tài)水含量、霧滴數(shù)濃度和有效半徑的垂直廓線，分析了霧在不同發(fā)展階段的微物理垂直結(jié)構(gòu)特征。此外，一些主動遙感設(shè)備也應(yīng)用到霧的垂直結(jié)構(gòu)研究中，如激光雷達、毫米波雷達和云高儀等。Tomine et al. （1991）利用移動式激光雷達調(diào)查了云霧衰減系數(shù)的垂直結(jié)構(gòu)特征，發(fā)現(xiàn)衰減系數(shù)與溫度和風(fēng)的變化有密切關(guān)系，同時衰減系數(shù)的分層指示了霧的分層結(jié)構(gòu)。Boers et al.（2013）利用35 GHz雷達研究了雷達反射率和能見度的關(guān)系，結(jié)果表明即使能見度低于100 m，雷達反射率也不會超過－25 dBZ，在霧形成和蒸發(fā)階段雷達反射率和能見度的關(guān)系不同。Hamazu et al.（2003）利用35 GHz雷達觀測輻射霧、平流霧和海霧，獲得了雷達反射率因子的水平和垂直分布。Nowak et al.（2008）結(jié)合云雷達和激光云高儀探測霧和低云的邊界，云高儀可以有效探測到云（霧）底高度，云雷達更適合探測云頂高度，并且干燥環(huán)境時比降水條件時的探測效果更好。

大量霧的研究基本局限在地面觀測試驗，如霧滴譜、含水量等（Li et al., 1994; Niu et al., 2010; Quan et al., 2011; Lu et al., 2013）。通過探空可以獲取大氣溫濕層結(jié)狀況，但很難直接獲取霧微物理垂直分布結(jié)構(gòu)。氣象鐵塔可獲取300 m以下的氣象要素廓線信息，但依然存在探測高度受限的問題。因此目前對霧垂直微物理結(jié)構(gòu)特征的了解不多。

最近幾年多通道微波輻射計已經(jīng)開始應(yīng)用在霧的監(jiān)測和數(shù)值模式驗證研究中，如Ware et al. （2003）研究了發(fā)生在2001年2月16日科羅拉多州Boulder市的一次上坡霧過程，對比了MM5 （Mesoscale Model 5）模式預(yù)報和微波輻射計探測的溫濕度和液態(tài)水廓線結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，微波輻射計可以清晰地反映霧的溫濕結(jié)構(gòu)和液態(tài)水含量的垂直結(jié)構(gòu)，而模式預(yù)報的卻是云過境的過程，Knupp et al.（2009）對同一個例的研究中發(fā)現(xiàn)，相對濕度和液態(tài)水路徑的急劇變化指示了霧的形成和發(fā)展。Gultepe and Milbrandt（2007）在安大略湖南部一次暖霧的研究中，從微波輻射計的相對濕度和液態(tài)水含量廓線變化中看出層云被抬升至1 km以上，1 km以下霧的相對濕度接近100%。Guo et al.（2015）在中國華北一次持續(xù)性霧霾的研究中通過相對濕度廓線的變化揭示了輻射霧向平流霧的轉(zhuǎn)化過程。雖然關(guān)于微波輻射計反演液態(tài)水含量精度有待進一步提高（Solheim et al., 1998; Crewell et al., 2009），但液態(tài)含水量的垂直分布有助于判斷云霧的發(fā)展高度和強度。

盡管多通道微波輻射計廓線儀可獲得高時間分辨率的溫濕度廓線數(shù)據(jù)，對揭示霧的結(jié)構(gòu)、演變過程和物理成因非常重要，但目前大部分研究工作僅限于個例研究。近幾年北京地區(qū)大霧天氣呈顯著增加趨勢，但由于缺乏比較系統(tǒng)的霧觀測數(shù)據(jù)，對該地區(qū)霧的類型、垂直結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的物理成因研究不足。為進一步提高對北京持續(xù)性大霧天氣形成原因的認識，本文利用美國Radiometrics公司生產(chǎn)的35通道MP-3000A型微波輻射計在2009～2013年期間觀測的北京地區(qū)秋冬季的13次大霧天氣過程，分析了霧的類型、垂直結(jié)構(gòu)及產(chǎn)生機理，并依據(jù)衛(wèi)星、地面氣象觀測數(shù)據(jù)和探空數(shù)據(jù)對部分典型個例進行了檢驗研究。

2　觀測數(shù)據(jù)及處理

本研究使用的Radiometrics公司生產(chǎn)的兩臺35通道MP-3000A型微波輻射計廓線儀（MicroWave Radiometer Profiler，簡稱MWRP）型號分別為MP-3055A和MP-3069A（簡稱為3055和3069），觀測試驗期間分別安裝在河北省涿州市氣象局和北京市海淀區(qū)國家氣象局大院。3055從2009年4月至2010年10月在北京觀測，從2010年11月至2012年7月在涿州觀測，3069從2010年5月至2013 年12月一直在北京觀測。本研究統(tǒng)計分析了兩臺微波輻射計在涿州和北京觀測到的13次霧天氣過程。

MWRP的35個通道包括V波段（51～59 GHz）的14個通道和K波段（22～30 GHz）的21個通道，實際探測中只用到了其中的22個通道。兩臺MWRP均采用相同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反演算法，反演產(chǎn)品包括：可降水量（PWV）、液態(tài)水路徑（LWP），以及溫度（T）、水汽密度（ρ）、相對濕度（RH）和液態(tài)水含量（LWC）的垂直廓線，廓線數(shù)據(jù)具有58個高度層，0.5 km以下、0.5～2 km之間和2～10 km之間的高度分辨率分別是50 m、100 m和250 m。

PWV和LWP是單位面積內(nèi)垂直路徑上水汽和液態(tài)水總量。其反演技術(shù)已經(jīng)有三十幾年的歷史，PWV的均方根誤差大致在1 mm以內(nèi)（Westwater et al., 2005）。劉紅燕等（2009）對比了北京地區(qū)微波輻射計與探空和GPS測量水汽的差異，MWRP反演PWV與探空和GPS的平均偏差分別為0.281 cm 和0.322 cm。由于缺乏對云水的外場觀測使得LWP的驗證比較困難（Westwater et al., 2005）。MWRP可以實時獲取溫濕度和LWC廓線，但數(shù)據(jù)的準確性直接影響分析結(jié)果的可靠性。MWRP以天頂方向垂直遙感大氣廓線時，落在天線罩上的降水會影響大氣發(fā)射的輻射，導(dǎo)致反演結(jié)果出現(xiàn)錯誤（Ware et al., 2013），因此，本文研究中，剔除了強降水導(dǎo)致反演異常的數(shù)據(jù)。

MWRP對溫濕度廓線的反演是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立溫濕度和亮溫之間的關(guān)系，再由觀測的多通道亮溫反演出高達10 km的溫濕廓線。本研究中3069探測的10個霧個例時次（08:00和20:00，北京時，下同）的溫濕度廓線的反演精度已由常規(guī)氣象探空數(shù)據(jù)檢驗，3055探測的1個霧個例的邊界層內(nèi)溫濕度廓線反演精度已由系留氣艇探空數(shù)據(jù)檢驗（郭麗君和郭學(xué)良，2015）。但受探測能力的限制，對LWC廓線的檢驗比較困難。Ware et al.（2003）曾對比探空測量和MWRP反演的LWC廓線，兩者對云探測的一致性在50%左右，但Crewell et al. （2009）認為微波輻射計不具備提供準確液態(tài)水垂直分布的能力。由于MWRP只能獲取最低一層云的LWC廓線（Ware et al., 2003; Westwater et al., 2005），因此云霧共存時，MWRP只能探測到霧的LWC廓線，需要RH垂直廓線補充霧層以上的水汽飽和程度情況，然后通過Terra/Aqua-Modis[Terra 和Aqua衛(wèi)星上搭載的中分辨率成像光譜儀（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer），簡稱Terra/Aqua-Modis]的可見光云圖、FY-2E（風(fēng)云2E靜止衛(wèi)星）IR1通道（10.3～11.3 μm）的紅外云圖檢驗云存在的情況。

使用2011年12月4日在河北涿州開展的典型霧—霾觀測試驗期間的霧滴譜儀（Fog Monitor，簡稱FM）的LWC數(shù)據(jù)對MWRP MP-3055A近地面的LWC進行檢驗。MWRP反演的LWC數(shù)據(jù)產(chǎn)品的精度是10?3g m?3，遠小于霧滴譜儀的精度（10?6g m?3）。2011年12月4日04:45～04:58的13分鐘內(nèi)，LWC從10?5g m?3急劇增加到10?2g m?3量級，MWRP的LWC變化較為平緩，雖然兩者不能完全一一對應(yīng)，但是在量級的變化上較為一致，對應(yīng)RH的變化特征，當RH=100%時MWRP的LWC均達到了0.02 g m?3以上。MWRP的LWC廓線數(shù)據(jù)是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立先驗LWC和亮溫之間的關(guān)系，再由觀測的多通道亮溫反演出LWC廓線，LWC的準確性受亮溫的探測精度、先驗LWC算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的影響，很難達到直接探測的精度。

另外，本文還使用了地面氣象觀測數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)和NCEP（National Centers for Environmental Prediction）/NCAR（National Center for Atmospheric Research）再分析資料數(shù)據(jù)。

圖1　2011年12月4日MWRP反演的地面LWC和FM探測的LWC對比Fig. 1 Comparison between liquid water content (LWC) retrieved from MWRP (Microwave Radiometer Profiler) and LWC observed by FM (Fog Monitor) on 4 December 2011

3　持續(xù)性大霧的一般特征

在統(tǒng)計霧過程時，對持續(xù)幾天的霧天氣過程中出現(xiàn)的短暫減弱和降水情況沒有分開進行統(tǒng)計，而是視為一個霧過程。霧的類型依據(jù)其形成的物理成因劃分。13次霧過程的微波輻射計觀測型號，霧開始時間、持續(xù)時間、類型以及云霧共存情況和物理成因見表1。

表1　北京2009～2013年13次霧過程的微波輻射計型號、霧開始時間、持續(xù)時間、類型、云存在情況和物理成因Table 1　MWRP (Microwave Radiometer Profiler) observation models, occurrence times, durations, types, cloud conditions, and physical mechanisms for 13 foggy processes in the Beijing region

通過對表1中13次霧的成因分析可知，平流霧是北京地區(qū)持續(xù)性大霧的主要類型，其比例高到69%，來自西南和東南方向的持續(xù)性暖濕平流是造成霧持續(xù)性發(fā)展、影響范圍大的主要原因，通常持續(xù)平流霧的西側(cè)邊界受太行山影響邊界清晰。蒸發(fā)霧發(fā)生的比例占31%，由降水蒸發(fā)冷卻形成，或是冷平流移經(jīng)暖濕下墊面形成。13次持續(xù)性大霧發(fā)展的過程中也存在輻射降溫影響，如個例6是在先有輻射霧形成的情況下，降水的發(fā)生促使了降水蒸發(fā)霧的發(fā)展。所以，在霧發(fā)展演變的過程中，往往存在多種形成機制。

在13次霧過程中，持續(xù)時間均達到了13 h以上，都具有持續(xù)性發(fā)展的特點，對于長達幾十小時甚至100 h以上的霧天氣，其間存在暫時霧減弱或消散的現(xiàn)象。單層輻射霧往往存在于持續(xù)性大霧過程中，由于持續(xù)時間短，沒有作為單獨類型列出。

為方便統(tǒng)計分析，以LWC≥0.02 g m?3定義為霧區(qū)的范圍，霧區(qū)的最高邊界則為霧頂高度。該閾值的選擇主要基于第2節(jié)中對LWC的檢驗結(jié)果，目的是獲取強霧區(qū)。RH作為另一參考量，若只有霧存在，水汽飽和區(qū)域的最高邊界為霧頂高度，若有云存在，水汽飽和區(qū)的最高邊界為云頂高度，所以RH=100%區(qū)域的最高邊界表示霧或云頂高度。針對每次霧天氣過程，統(tǒng)計整個過程中的平均霧頂高度、最低霧頂高度和最高霧（云）頂高度，以及在不考慮強降水的異常觀測時每次過程中最大和平均的PWV和LWP，以及每次過程中最強的逆溫強度、厚度及所在高度。表2 給出了13次霧過程中用LWC表示的最低、最高和平均霧頂高度（HLWC, min、HLWC, max和HLWC, ave）以及用RH表示的最低、最高和平均云頂高度（HRH, min、HRH, max和HRH, ave），分為以下兩種情況：

（1）以LWC≥0.02 g m?3表示霧區(qū)時，霧區(qū)的最高邊界表示霧頂，所有個例的平均霧頂高度HLWC, ave在640 m左右，其中最低的霧頂高度HLWC, min在350 m，最高的霧頂高度HLWC, max在1.8 km。無云存在時平流霧的HLWC, ave分別為0.660 km（個例1）和0.527 km（個例2），云霧共存時不同平流霧個例的HLWC, ave變化區(qū)間為0.481～0.818 km，蒸發(fā)霧的HLWC, ave變化區(qū)間為0.473～1.458 km之間。

（2）由于RH和LWC的反演原理不同，參考以RH=100%表示水汽達到飽和的區(qū)域。以往的研究中以相對濕度90%左右作為云邊界的閾值（Crewell et al., 2009; Ware et al., 2003; Knupp et al., 2009），而通過MWRP和探空資料的誤差分析可知MWRP反演RH在2～5 km偏高（郭麗君和郭學(xué)良，2015），本研究選擇100%作為閾值以避免MWRP過高的虛假反演，所以在低層水汽飽和區(qū)比霧區(qū)范圍小。以RH=100%表示霧區(qū)時計算平均云（霧）頂高度的數(shù)據(jù)量比用LWC表示時偏少，不足以代表整個霧過程的平均霧頂高度。如果是單一霧結(jié)構(gòu)，水汽飽和區(qū)的上邊界表示的是霧頂高度，如果是云霧共存結(jié)構(gòu)，其上邊界表示的是云頂高度，所以用RH=100%表示的云頂高度H可以彌補LWC有限的反演高度。單一霧結(jié)構(gòu)時RH表示的霧頂高度HRH與LWC表示的霧頂高度HLWC有一定的差異，霧頂高度的兩種表現(xiàn)方式的差異來源于MWRP 對LWC和RH的反演原理的差異和算法的誤差。本研究霧個例中，云霧共存結(jié)構(gòu)占總霧個例85%左右，HRH, max在表示云霧共存結(jié)構(gòu)的最高云頂高度時均在3.5 km以上，最低云底高度HRH, max為0 km說明霧在發(fā)展過程中近地面達到水汽飽和。

表2　北京地區(qū)13次霧個例的霧（云）頂高度統(tǒng)計Table 2　The statistics of fog or cloud top heights for 13 cases in the Beijing region

通過以上的統(tǒng)計分析可知，平流霧的平均霧頂高度一般不超過1 km，而蒸發(fā)霧的平均霧頂高度與其發(fā)展程度密切相關(guān)，最低為0.5 km左右，最高可以達到1.4 km以上。用微波輻射計的LWC閾值表示霧區(qū)的上邊界來定義霧頂高度更合理，但有降水時的LWC偏高，不能反映霧水的含量。以RH=100%表示的霧區(qū)范圍偏小，云霧共存結(jié)構(gòu)的HRH,ave已經(jīng)不能代表平均霧頂高度，但HRH,max可以補充霧區(qū)以上的云頂高度信息。表3給出了13次霧過程中最大、平均PWV和LWP，以及最強逆溫強度、逆溫厚度和逆溫層底高度。

PWV和LWP的變化與外界輸送和局地產(chǎn)生有關(guān)，LWP在一定程度上指示和反映了霧和云的發(fā)展強度。在秋季（9～11月）霧個例中（個例1～2、4～6），云霧共存結(jié)構(gòu)的PWVmax（PWVave）在2.17～6.54 cm（1.50～6.11 cm）之間，單一霧結(jié)構(gòu)的PWVmax（PWVave）在1.19～2.23 cm（0.78～1.56 cm）之間。冬季（12月到次年2月）霧個例中（個例3、7～13），都是云霧共存結(jié)構(gòu)，PWVmax（PWVave）在0.73～1.96 cm（0.43～1.06 cm）。單一霧結(jié)構(gòu)時LWP代表的是垂直方向上霧水的垂直累積含量，當有云存在時，代表整層大氣內(nèi)霧水和云水在垂直方向上的共同累積含量。LWPmax（LWPave）與PWVmax（PWVave）具有相似的特點，冬季時比秋季較低，秋季時單一霧結(jié)構(gòu)總體上比秋季云霧共存結(jié)構(gòu)的LWPmax（LWPave）偏低。LWCmax反映了每次霧發(fā)展過程中的最強階段，個例3～8中都有云系產(chǎn)生了降水，導(dǎo)致LWCmax高達0.13 g m?3以上（除個例8降雪較弱外），而其他個例中霧的LWCmax都在0.04～0.11 g m?3之間。

協(xié)助酒實施人力成本控制機制，使酒店在精簡員工隊伍的同時，注重員工素質(zhì)的全面發(fā)展。最大限度的降低企業(yè)員工數(shù)量，減少人力資源成本支出。酒店通過提供一部分培訓(xùn)費用，提高多技能員工的薪酬待遇等方式鼓勵員工學(xué)習(xí)專業(yè)技能。人力資源部每周都有員工培訓(xùn)計劃，邀請業(yè)務(wù)骨干就各種服務(wù)技能進行針對性的培訓(xùn)為員工營造了良好的發(fā)展環(huán)境，調(diào)動了員工學(xué)習(xí)、工作積極性，而員工素質(zhì)的提高也提升了服務(wù)水平，也為酒店帶來了更好的效益，真正實現(xiàn)了酒店與員工的雙贏。

逆溫層是霧產(chǎn)生的重要條件，是影響霧發(fā)展強度和持續(xù)時間的重要因素，在整層大氣中，可存在多層逆溫層的可能。表3給出每一次霧過程中出現(xiàn)的最強逆溫。強逆溫的厚度在50～200 m之間，主要以近地面的逆溫為主，也存在高層逆溫的情況（個例1、9、11、12）。

表3　北京地區(qū)13次霧個例的PWV、LWP、LWC和最強逆溫的統(tǒng)計Table 3　The statistics of PWV( Precipitable Water Vapor), LWP (Liquid Water Path), LWC (Liquid Water Content), and the strongest inversion for 13 cases in the Beijing region

4　典型大霧的垂直結(jié)構(gòu)特征

微波輻射計提供了溫濕度和液態(tài)水含量的時空分布特征，結(jié)合地面氣象觀測數(shù)據(jù)、探空數(shù)據(jù)、NCEP/NCAR 再分析資料和衛(wèi)星云圖等資料，可分析不同典型類型霧的形成機制及垂直結(jié)構(gòu)特征。10 km內(nèi)的高度可能存在多層逆溫結(jié)構(gòu)，但對逆溫的計算只選取某時間時的最強逆溫層。本文選取具有代表性云霧共存結(jié)構(gòu)的持續(xù)性大霧天氣個例7、10、13，持續(xù)時間均達到78 h以上，研究了垂直結(jié)構(gòu)特征。

4.1蒸發(fā)霧

蒸發(fā)霧是冷平流移經(jīng)暖濕下墊面，由暖濕下墊面蒸發(fā)的水汽進入冷區(qū)后凝結(jié)形成，或者是降水在冷區(qū)蒸發(fā)冷卻形成（本文稱前種情況為蒸發(fā)霧，后種情況為降水蒸發(fā)霧）。2012年12月12～16日北京、天津、河北南部等地經(jīng)歷了大范圍雨雪和霧天氣。

由每3小時一次地面氣象觀測資料可知，北京地區(qū)12月12日08:00～14:00、12日17:00至13 日17:00、13日20:00至14日14:00、14日17:00 至16日02:00、16日05:00～17:00和16日20:00期間交替出現(xiàn)雪、霧霾、雪、霧、雪和霧天氣現(xiàn)象，圖2a、b給出了其中兩次比較明顯的云系移動影響到北京的衛(wèi)星紅外云圖。三次發(fā)生霧霾的時段12 日17:00～13日17:00、14日17:00至16日02:00 和16日20:00的前期均出現(xiàn)降雪過程，降雪與霧交替出現(xiàn)。

第一次霧發(fā)生的天氣形勢如圖3a和b，由于地面受到前期降雪的影響，北京及周邊河北、天津地區(qū)的地面相對濕度較高（90%以上），溫度較低（－10°C左右），而925 hPa層的濕度較低（85%左右），溫度較高（－7°C左右），這種結(jié)構(gòu)有利于雪升華過程產(chǎn)生的水汽在向上擴散過程中，發(fā)生凝結(jié)而形成霧滴，1400～2000 m之間逆溫層的形成使水汽凝結(jié)過程發(fā)生在近地面，從而形成大霧天氣，因此，此次霧應(yīng)該屬于蒸發(fā)霧，如果伴隨降雪過程，亦可稱為降水蒸發(fā)霧。第二次霧過程中，15日14:00 925 hPa層受西北弱冷平流的影響，出現(xiàn)干冷層（圖3c），而地面受前期降水的影響，仍然處于暖濕狀態(tài)，而且溫度高于0°C（圖3d），導(dǎo)致地面融化雪水蒸發(fā)水汽上升冷卻凝結(jié)成霧滴，地面觀測到霧天氣是由于冷平流移經(jīng)暖濕下墊面形成的霧，屬于比較典型的蒸發(fā)霧。第三次霧過程與第二次霧過程產(chǎn)生機理相似，這里不再繼續(xù)討論。

由此可見，在此次持續(xù)性的大霧天氣過程出現(xiàn)的霧過程，其產(chǎn)生機制并不完全相同。第一次霧過程類似于上層暖下層冷的結(jié)構(gòu)中，暖雨滴下落到近地面蒸發(fā)形成降水霧，其本質(zhì)是蒸凝過程（王鵬飛和李子華，1989；嚴文蓮等，2010）。

圖4a給出了PWV、LWP和云霧頂高度隨時間的演變特征。降雪剛結(jié)束時霧頂高度HLWC較高，隨著平流的影響，HLWC逐漸降低。由圖4b可知，整個蒸發(fā)霧過程中，最大逆溫強度不超過1.2°C (100 m)?1，整個過程中多次出現(xiàn)多層逆溫，這與高層的暖平流影響和霧頂?shù)妮椛浣禍赜嘘P(guān)。

2013年1月華北地區(qū)經(jīng)歷了多次強霧霾天氣過程，具有持續(xù)時間長、范圍廣、部分地區(qū)霧強度大等特點（張人禾等，2014；王躍思等，2014）。2013 年1月共有4次霧過程：11～15日、19～21日、22～23日和27～31日。

10～15日霧形成和發(fā)展過程：該次霧霾天氣持續(xù)時間長達110 h，影響了中國中東部大部分地區(qū)，包括華北地區(qū)、山東西部、河南東部和蘇皖大部分地區(qū)。地面天氣形勢表明，華北地區(qū)主要受弱高壓控制，其間不斷受到弱低氣壓系統(tǒng)影響。925 hPa的氣象要素場表明，西南暖濕平流的增強和西北干冷平流的侵入呈現(xiàn)不斷反復(fù)交替的特點，以2013 年1月13日為例說明平流霧過程（圖5a、b）。13 日08:00 925 hPa上來自西北方向的干冷氣團強度減弱，西南暖濕氣流影響到北京、天津等地，提供了充足的水汽條件，同時地面溫度偏低，有利于暖濕平流移經(jīng)冷下墊面形成霧。發(fā)展到14日02:00西北弱冷空氣再次影響到華北地區(qū)，霧的強度減弱，但并沒有改變大的天氣形勢，到14日20:00冷空氣的減弱和暖濕空氣的增強再次出現(xiàn)如圖5a、b的天氣形勢特點。所以該次大霧天氣過程是受天氣系統(tǒng)影響的平流霧類型。

圖6給出了MWRP探測的氣象要素廓線的時間演變情況。由圖6a可知，霧發(fā)生時1 km以下的溫度都是在0°C以下，屬于冷霧。圖6b中霧期間近地面水汽密度ρ可高達到3 g m?3。圖6c顯示的RH與圖6d顯示的LWC的變化比較一致，最強的LWC出現(xiàn)在1月13日凌晨。在ρ和RH垂直分布圖中，三次霧過程中近地面霧區(qū)上空對應(yīng)4.5 km高度處均出現(xiàn)了短暫的高濕區(qū)，有FY-2E IR1云圖可以判斷11日上午高空存在零星的云，也可以判斷從14日夜晚到15日上午有來自西南方向的云系影響到北京。

圖2　風(fēng)云2E靜止衛(wèi)星紅外1通道云圖（色標為亮溫值，單位：K）：（a）2012年12月13日22:00；（b）2012年12月15日22:00Fig. 2　FY-2E (geostationary satellites) IR1 (Infrared Radiation 1) infrared cloud images (color bar represents the value of brightness temperature, units: K) at (a) 2200 BT (Beijing Time) 13 December 2012 and (b) 2200 BT 15 December 2012

圖3　2012年12月（a、b）12日20:00、（c、d）15日14:00 925 hPa等壓面（左列）和地面（右列）的溫度場（綠色等值線，單位：°C）、相對濕度場（顏色填充）和風(fēng)場（風(fēng)羽）Fig. 3　Temperature (green isoline, units: °C), RH (relative humidity, color shading), and wind (wind barbs) distribution at (a, c) 925 hPa and (b, d) the surface at (a, b) 2000 BT 12 December 2012 and (c, d) 1400 BT 15 December 2012

圖4　2012年12月11～17日云霧參數(shù)的時間演變情況：（a）綠色散點代表LWC表示的霧頂高度，藍色散點代表RH表示的云頂高度，上、下實線分別代表PWV（單位：cm）和LWP（單位：mm），其中黑色實線代表無降水時段，紅色實線代表有降水時段；(b) 逆溫強度I [單位：°C (100 m)?1]、逆溫厚度HIT（Inversion thickness，單位：km）和逆溫底所在高度HIB（Inversion base，單位：km）Fig. 4　Temporal cloud and fog physical parameters during 11–17 December 2012: (a) The top height of fog related to LWC (green dots), the top height of fog related to RH (blue dots), the upper and lower solid lines are PWV (Precipitable Water Vapor, units: cm) and LWP (Liquid Water Path, units: mm), respectively, with the black part representing PWV and LWP during the non-precipitation period and the red part PWV and LWP during the precipitation period. (b) Intensity, thickness and base of inversion

圖5　2013年1月13日08:00（a）925 hPa等壓面和（b）地面的溫度場（綠色等值線，單位：°C）、相對濕度場（顏色填充）以及風(fēng)場（風(fēng)羽）Fig. 5　Temperature (green isoline, units: °C), RH (color shading), and wind (wind barbs) distribution at 0800 BT 13 January 2013 at (a) 925 hPa and (b) the surface

用LWC表示的平均HLWC在550 m，而RH表示的云頂高度在4.5 km左右（見圖7a）。從圖7b可以看出，強逆溫主要出現(xiàn)在周期性霧的間隔期，即兩次霧過程之間，且發(fā)生在近地面附近，這說明穩(wěn)定的邊界層結(jié)構(gòu)是促使霧形成和再次發(fā)展的重要原因。而霧發(fā)展的過程中逆溫通常是發(fā)生在0.4 km和1 km附近，這主要與925 hPa暖平流的影響有關(guān)。

27～31日霧形成和發(fā)展過程與10～15日大霧天氣的主要差別在于不同天氣系統(tǒng)的影響和云霧共存的垂直結(jié)構(gòu)。一個差別是受不同天氣系統(tǒng)的影響，北京受西北高壓向東南方向移動的影響，從27日晚到31日，先是受到穩(wěn)定的高壓控制，后受到高壓后部的影響，地面風(fēng)向由偏西風(fēng)轉(zhuǎn)為偏東風(fēng)。由圖8可知，925 hPa上華北地區(qū)受到洋面高壓后部的控制，并在西南氣流的影響下輸送了充足的水汽，暖濕平流移動到冷下墊面形成平流霧。另一個差別在于，同樣具有云霧共存的垂直結(jié)構(gòu)特點，但該次霧過程先有平流霧生成，后又有云系移到霧區(qū)的上空。

圖6　2013年1月11～20日北京站MP-3069A型號微波輻射計廓線儀的（a）T（單位：°C）、（b）ρ（單位：g m?3）、（c）RH和（d）LWC（單位：g m?3）廓線隨時間的演變，圖中黑色橫杠代表降水時段Fig. 6　Time–height distributions of (a) T (Temperature, units: °C ), (b) ρ (vapor density, units: g m?3), (c) RH, and (d) LWC (units: g m?3) from MWRP (MicroWave Radiometer Profiler) MP-3069A at Beijing during 11–20 January 2013. The black bar denotes the precipitation period

圖7　同圖4，但為2013年1月11～15日Fig. 7　Same as Fig. 4, but for 11–15 January 2013

圖8　2013年1月30日08:00（a）925 hPa等壓面和（b）地面的溫度場（綠色等值線，單位：°C）、相對濕度場（顏色填充）和風(fēng)場（風(fēng)羽）Fig. 8　Temperature (green isoline, units: °C), RH (color shading), and wind (wind barbs) distribution at 0800 BT 30 January 2013 at (a) 925 hPa and (b) the surface

圖9　Terra/Aqua-Modis可見光云圖：（a）2013年1月29日13:30；（b）2013年1月30日10:55Fig. 9　Visible cloud image of Terra/Aqua-Modis (Terra/Aqua–MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer) at (a) 1330 BT 29 January 2013 and (b) 1055 BT 30 January 2013

圖10　風(fēng)云2E靜止衛(wèi)星紅外1通道云圖（色標為亮溫值，單位：K）：（a）2013年1月29日13:30；（b）2013年1月30日11:00Fig. 10　FY-2E IR1 infrared cloud images (color bar represents the value of brightness temperature, units: K) at (a) 1330 BT 29 January 2013 and (b) 1100 BT 30 January 2013

由圖9a和圖10a可見，2013年1月29日平流霧的范圍覆蓋華北東南部、山東和河南北部等地區(qū)。由圖9b和圖10b可知，在地面有霧的情況下，30日云區(qū)覆蓋了華北、山東和河南北部等地區(qū)。1 月29日地面觀測天氣現(xiàn)象是霧，對比29日可見光云圖（圖9a）和紅外云圖（圖10a），由于29日深厚的平流霧在可見光云圖上呈現(xiàn)白亮的特點，而紅外云圖呈現(xiàn)色調(diào)較暗的均勻云區(qū)。而30日的可見光云圖（圖9b）上紋理清晰，紅外云圖（圖10b）也呈現(xiàn)不均勻的色調(diào)，均具有云的特點。從FY-2E IR1紅外云圖動畫（圖略）可以判斷，2013年1月30日00:00～16:00有來自西側(cè)的云系，和2013年1月31日14:00到2月1日08:00來自西南方向的盾狀云系邊緣影響北京。

27～31日的霧過程首先在27日晚上形成霧，28日午后減弱，29日午后再次發(fā)展成平流霧，隨著30～31日兩次云系的影響，構(gòu)成云霧共存的平流霧結(jié)構(gòu)特征，發(fā)展到31日有降水形成。由圖11a、b可知，29日午后2 km以下的高度層內(nèi)溫度逐漸升高、水汽不斷增強，具備“暖濕”條件，與925 hPa氣象要素場的分析結(jié)果一致。由溫度層結(jié)可知，1 km高度附近處存在逆溫，這與暖平流的影響有關(guān)，提供了穩(wěn)定的邊界層條件。與RH和LWC表示的霧區(qū)很一致，由于平流霧的發(fā)展較深厚，LWC達到0.08 g m?3，霧頂高度達到1.5 km左右。近地面平流霧發(fā)展深厚，且有云系覆蓋，由于云的阻擋作用，減弱了太陽輻射對穩(wěn)定邊界層結(jié)構(gòu)的破壞，減少了霧滴的蒸發(fā)。同時由于云發(fā)射向下的長波輻射，增加了云霧共存體系內(nèi)的溫度，增強了分子的熱運動，促使水汽的向上擴散凝結(jié)成霧滴，導(dǎo)致霧不斷向上發(fā)展，霧層變厚（見圖11d）中30日霧區(qū)由低到高的變化趨勢）。31日受高層云系的影響產(chǎn)生降雪（水），導(dǎo)致高LWC值。

圖11　同圖6，但為2013年1月21～31日Fig. 11 Same as Fig. 6, but for 21–31 January 2013

PWV和LWP的變化與云霧的演變過程基本一致（圖12）。27日晚到28日上午霧的HLWC在500 m左右，29日平流霧的HLWC也在350～500 m左右，但是隨著平流霧的發(fā)展，30日受云的影響霧頂高度逐漸升高，HLWC上升到1.5 km以上，而云頂高度HRH在5 km左右。整個過程中最強的逆溫發(fā)生在28日下午到29日上午之間，即前一次霧后和下一次霧前的間隔期，近地面逆溫有利于29日霧的形成，30日以后發(fā)展成云霧共存結(jié)構(gòu)以后，依然受暖平流影響逆溫存在于1 km左右。

圖12　同圖4，但為2013年1月27～30日Fig. 12　Same as Fig. 4, but for 27–30 January 2013

5　結(jié)論與討論

本文統(tǒng)計了北京地區(qū)2009～2013年秋冬季微波輻射計觀測的持續(xù)性大霧天氣過程的數(shù)據(jù)，結(jié)合NCEP/NCAR再分析資料、探空資料和地面氣象觀測數(shù)據(jù)劃分了北京地區(qū)霧的主要類型，并針對典型霧個例進行了比較深入的分析，探討了霧的形成發(fā)展的物理機制。主要結(jié)論如下：

（1）通過北京地區(qū)秋冬季13次霧個例的統(tǒng)計和分析，依據(jù)霧形成的物理機理，將霧主要劃分為平流霧和蒸發(fā)霧，再依據(jù)云存在情況，劃分為單一霧結(jié)構(gòu)和云霧共存結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，北京地區(qū)持續(xù)性大霧天氣以平流霧為主，比例高達69%，其次是蒸發(fā)霧占31%，而其中云霧共存結(jié)構(gòu)占到85%，說明該地區(qū)頻發(fā)的持續(xù)性大霧天氣與天氣過程的異常變化有密切的關(guān)系。

（2）北京地區(qū)霧的垂直結(jié)構(gòu)和持續(xù)時間的統(tǒng)計結(jié)果表明，平流霧的平均霧頂高度不超過1 km，而蒸發(fā)霧的平均霧頂高度與其發(fā)展程度有關(guān)。對同類型霧，強逆溫有利于霧的維持和發(fā)展。持續(xù)性天氣系統(tǒng)的影響是導(dǎo)致霧持續(xù)性發(fā)展的主要原因，通常伴有云霧共存結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致大霧的持續(xù)時間可以達到100 h以上。

（3）云霧共存結(jié)構(gòu)是北京地區(qū)持續(xù)性大霧天氣的重要垂直結(jié)構(gòu)特征，它是由邊界層霧和高層云共同構(gòu)成的系統(tǒng)。

（4）典型持續(xù)性大霧天氣個例研究表明：蒸發(fā)霧發(fā)展過程中存在多種霧的形成機制，包括降水粒子蒸發(fā)（升華）冷卻凝結(jié)和弱冷平流移經(jīng)暖下墊面使蒸發(fā)水汽冷卻凝結(jié)形成霧滴。兩次平流霧都是西南暖濕氣流移經(jīng)北京地區(qū)冷下墊面造成的，但都伴隨高層有云形成，云的存在對平流霧的持續(xù)發(fā)展有促進作用，導(dǎo)致霧頂高度升高，同時高層逆溫的形成也有利于霧的維持。

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The Type, Vertical Structure and Physical Formation Mechanism of Persistent Heavy Fog Events during 2009–2013 in the Beijing Region

GUO Lijun1, 2and GUO Xueliang1
1 Key Laboratory for Cloud Physics, Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing 100081
2 Collaborative Innovation Center on Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044

The tendency of heavy fog events has increased rapidly in recent years in the Beijing region. A betterunderstanding of the vertical structure and physical formation mechanism of these heavy fog events is limited due to a lack of high temporal resolution data of fog microphysics and atmospheric profiling data. In this study, we investigated the type, vertical structure and physical formation mechanism of 13 fog events in autumn and winter in Beijing based on the atmospheric profiling data of Microwave Radiometer Profiles (MWRPs) with 35 channels produced by Radiometrics Corporation and routine meteorological and satellite data. We classified the 13 fog events into advection fog and evaporation fog from their basic formation processes. Radiation fog as part of the persistent process was not listed alone. The average top height of advection fog was less than 1.0 km, and that of precipitation evaporation fog was between 0.5 km and 1.5 km. Advection fog in the Beijing region was mainly caused by the cooling process of warm and wet flow advection from the southwest and southeast moving over a cold underlying surface. The strong inversion formed was favorable to the sustained development of the fog events. Evaporation fog was caused by the cooling process of water vapor evaporated from falling raindrops, or the cooling process due to cold air advection. We also categorized the 13 fog events into those with single fog structure and those with fog–cloud structure, based on the vertical structure observed by MWRP. Some typical cases were further verified by satellite and surface meteorological observation data. The results show that advection fog and evaporation fog accounted for 69% and 31% of the 13 fog episodes, respectively, indicating that the heavy long-lasting fog events in Beijing were mainly caused by advection and precipitation processes, which was closely related to the abnormal weather process. The proportion of single-structure fog was only about 15%, while that with a co-existing structure of low-level fog and high-level cloud reached about 85%. Severe fog events, lasting for more than three days, were almost all characterized by a fog–cloud structure.

Fog type, Vertical structure, Multi-channel microwave radiometer profiler, Beijing

公益性行業(yè)（氣象）科研專項GYHY200806001，江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃項目CXZZ13_0511，中國氣象科學(xué)研究院基本科研業(yè)務(wù)專項2011Z005

霧類型垂直結(jié)構(gòu)特征地基35通道微波輻射計北京地區(qū)

1006-9895(2016)02-0296-15

P426.4

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1505.14275

2014-09-28；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期 2015-05-20

郭麗君，女，1987年出生，博士研究生，主要從事云降水物理的研究。E-mail: taojia992@163.com

郭學(xué)良，E-mail: guoxl@mail.iap.ac.cn