北京地區冬季重污染期間的霧層特征

田潤澤，徐峻，張眾志，唐枷榕，程苗苗

中國環境科學研究院

2013年1月，中國中東部地區出現了多次重污染事件，其中12—15日的重污染過程持續時間最長，污染程度最嚴重[1]。在此次冬季重污染過程中，北京地區重污染以干霾與霧霾的形式交替出現[2]，1月霧天多達（14±3.35）d，且多與重污染時段重合[3]，霧滴與氣溶膠共存是北京地區此次污染過程的主要特征之一。北京AERONET站點觀測到霧層蒸發產生了殘余氣溶膠[4]，CALIPSO星載激光雷達觀測到平流霧頂存在大量氣溶膠[3]，近地面的霧滴中也檢測出大量無機鹽[5]，霧滴與氣溶膠在特定情況下可相互轉化。由此可見，北京地區此次重污染過程伴隨了一系列霧的過程，但以往對于重污染的研究重點關注氣溶膠的時空分布[3-4,6-7]，輻射特性[6,8]，來源解析[9-11]等，對重污染過程中霧的研究相對較少。

國內學者在北京[12-15]、天津[16-23]、南京[24-26]等地對霧進行過大量的觀測研究。但這些研究中大部分是較清潔天氣狀況下對霧層的研究，且受限于觀測條件，很少有學者能針對重污染過程中霧層的垂直結構和層結詳細描述。張光智等[13]使用系留氣艇與鐵塔數據分析了2001年2月的一次大霧過程，較為詳細觀測了霧的熱力和動力結構特征，但關注點更多集中在污染物作為凝結核以及起霧前低空風切變對大霧形成的影響。趙玉廣等[27]曾對2013年1月11—15日華北平原持續性大霧過程進行分析，但其更多的是關注地面氣象要素統計特征與大尺度環流特征。郭麗君等[28]使用微波輻射計描述了2009—2013年期間北京地區多次大霧天氣過程，其中包括本研究時段，但受限于觀測垂直分辨率(50～250 m)，僅能識別出平流霧過程，并沒有對霧層中溫濕結構特征進行詳細分析。

2013年1月12—15日，伴隨著北京地區重污染過程每天清晨都有霧存在。利用南郊觀象臺L波段探空儀數據，地面氣象與PM2.5濃度觀測數據，MODIS以及VISSR衛星影像，詳細探討了此次重污染過程中霧的形成發展過程的重要特征，以期探究北京地區冬季的近地面霧層對輻射、層結、污染擴散等方面的影響。

1 材料與方法

1.1 L波段秒級探空資料與水汽訂正

垂直探空資料采用北京南郊觀象臺的L波段探空儀數據，南郊觀象臺 (116.47°E，39.80°N)，又稱北京市氣象臺，位于北京市大興區亦莊鎮，為典型的城市氣象觀測站。南郊觀象臺的L波段探空儀每日施放2次，施放時間約為北京時間07:15和19:15。秒級資料在近地層垂直分辨率可達3～5 m，可以提供較高精度的溫度、濕度、氣壓和風廓線，用于判斷霧層的高度范圍、大氣層結穩定性、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，其測量精度受氣壓、溫度、太陽輻射等因素影響較大，國外對Vaisala RS92、Vaisala RS80、MODEM等探測儀研究發現[29-30]，探測的相對濕度偏干約5%～30%。國內使用的L波段探空儀在相對濕度超過60%時，也存在較為明顯的干偏差[31-33]。郝民等[32-33]借鑒了英國氣象局探空濕度訂正方法，提出了分段線性函數的訂正方法，計算公式如下：

式中：Δf為相對濕度的修正量；fcrit為相對濕度的修訂閾值，即相對濕度超過60%進行濕度訂正；fob為觀測到的相對濕度。

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

1.2 地面觀測資料

地面氣象觀測數據來源于南郊觀象臺，用于判斷地面霧層的生成與消散時間，輔助判斷平流霧的到達時間等。其中2 m高度處的溫度與濕度，10 m高度處的2 min平均風向與風速以及地表溫度均為整點觀測值，僅能見度的觀測間隔為3 h。逐小時PM2.5濃度觀測數據來源于美國駐華大使館網站(http://www.stateair.net)，觀測點位于朝陽區安家樓(116.47°E，39.95°N)。

1.3 MODIS與VISSR衛星影像

極軌衛星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，0.46～0.48 μm)，并進行非線性拉伸處理，星下點分辨率約500 m。夜間紅外圖像使用大氣窗區通道數據(band 31，10.78～11.28 μm)，星下點分辨率約1 km。MODIS在北京地區每天共觀測4次，觀測時間約為02:00、11:00、13:00和23:00。

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

2 結果與討論

2013年1月12—15日北京地區500 hPa高空氣壓場一直處于平直的西風帶或為弱高壓脊控制，地面等壓線稀疏[1,34]。在穩定的環流形勢下，地面觀測顯示（圖1），重污染期間2 m高度平均風速低于2 m/s，不利于污染物的稀釋和擴散，PM2.5濃度在13日一度接近900 μg/m3。且相對濕度一直維持在60%以上，較弱的風速以及充沛的水汽條件利于霧的形成[35-37]。因此在12—15日重污染過程中，北京地區每天清晨均有霧存在，12日清晨為發展充分的輻射霧，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日清晨為持續發展的平流霧，分別對應圖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——發展充分的輻射霧

11日19:15探空顯示〔圖2(b)〕，近地層的露點溫度比溫度低5 ℃以上，近地層較干燥，相對濕度低于70%，據此判斷北京上空沒有霧。12日01:45的MODIS紅外圖像〔圖2(c)〕也能較清晰地看見北京地區下墊面紋理，可見霧仍未生成。地面觀測資料顯示，從前一夜開始地表溫度持續下降，到12日05:00達到極小值，此時相對濕度接近90%。由于地面相對濕度自動觀測采用濕敏電容傳感器，余君等[38-39]發現在溫度低于0 ℃，相對濕度大于80%時，儀器觀測的偏干誤差超過5%。因此實際大氣相對濕度更高，05:00后地表溫度快速上升，也表明地表受到霧層加熱作用，據此判定12日的霧約在05:00生成。北京地區1月日出時間約07:30，但日出后霧層并未消散，12:00以前相對濕度一直維持在85%以上。其他資料觀測證實，11:00南郊觀象臺能見度小于500 m，11:10的MODIS衛星圖像〔圖2(d)〕觀測到北京地區仍有薄霧存在，至12:00后地面相對濕度大幅下降，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)〕，近地層風速小于1 m/s，自地面至250 m高度以下相對濕度達到95%〔圖2(b)〕，150 m以下為近中性層結且比濕混合均勻，近中性層結上方有強逆溫，這些特征表明近地層出現輻射霧，由于霧層中呈近中性層結，所以是發展充分的輻射霧。這與Roach、Price等[36-37,40-41]在卡丁頓觀測到經典的充分發展的輻射霧結構特征一致，國內在天津[19-20]、南京[24-25]等地也觀測到呈現相同結構的輻射霧。

11日夜間開始，晴空輻射冷卻作用下[42-43]，19:15探空中即出現貼地逆溫，從地面至200 m高度存在3段不同強度的逆溫，因此，整個低層大氣處于較強的靜穩狀態，此時沒有霧生成。當輻射霧形成以后，霧層上部產生強輻射冷卻[44]，同時地表接收霧層發射的長波輻射溫度上升，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”的結構下，湍流發展，貼地逆溫消失，霧層中（160 m以下）逐漸呈現出中性層結〔圖2(a)〕，比濕在其中混合較均勻〔圖2(b)〕。霧層頂的強輻射冷卻作用，一方面造成霧頂附近的逆溫加強，并促使低層大氣層結發生較顯著的轉變，另一方面促進霧頂附近的水汽凝結加劇，形成逆濕結構[24-25]。以上構成判別輻射霧充分發展階段和霧頂高度的重要依據。

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果，在600～1 400 m高度區間的比濕顯著增大，證明存在較強的水汽輸送，因此13日清晨的霧為平流霧。值得注意的是整個霧層高度段內風向并不一致，1 100～1 300 m區間為一致的西南風，700～1 100 m區間為一致的東南風，13日清晨的霧應是由2層具有不同源地的平流霧組成。比濕與溫度在1 100 m處均出現較為明顯的躍變，表明這2層平流霧的溫度與濕度性質存在較大差異。

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，西南方向的保定—石家莊一線均有大片的霧生成，霧層區域顏色較為均勻，下墊面紋理不可見。東南方向的霧顏色較深，說明霧層溫度高，高度較低；西南方向的霧顏色較淺，說明霧層溫度低，高度較高，這與13日清晨探空觀測到的水汽輸送方向一致。13日MODIS紅外圖像〔圖3(d)〕顯示，北京上空已經出現了平流霧，霧層西南—東北方向分布狹長，且有絲帶狀結構，因此是西南保定—石家莊一線的平流霧到達。13日白天西南方向平流霧一直持續〔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)〕，受高空較強的西風影響，北京上空平流霧已經消散。

2.2.3 近地層霧生成與消散

相對于高空的平流霧，近地層在12日夜間—13日清晨則經歷了輻射霧生成—近地層霧加深—近地層霧消亡3個階段。

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250 m以下相對濕度高于85%，近地層整體為逆溫穩定結構，整層靜風，說明輻射霧已經生成，霧層高度約250 m。地面觀測也證實，18:00后相對濕度接近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，由于京津冀地區無云過境，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處風速由 1 m/s迅速增至3 m/s以上，水汽平流輸送增強，比濕從1.9 g/kg迅速躍升至2.3 g/kg，能見度降至1 km以下，近地面霧加深，且此時風向為東南風，對應于2.2.2節描述的天津—渤海一線低層平流霧的到達。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的影響，2 m處溫度與地表溫度仍在緩慢升高，相對濕度低于85%，近地層霧層消散。此外北京南郊觀象臺為城市下墊面，又處于冬季供暖季，具有明顯的熱島效應[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溫度明顯比郊區高，城市地區偏干偏熱的下墊面條件同樣促進近地面霧層的消散。

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時探空資料顯示〔圖4(a)(b)〕，近地面整層為靜風，120 m高度以下相對濕度接近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。衛星資料顯示，14日MODIS紅外圖像〔圖4(c)〕顯示北京地區晴空，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，霧層受到太陽短波加熱蒸發，至10:00地面相對濕度低于90%，霧層已經消散。11:00的MODIS真彩圖〔圖4(d)〕也反映出北京城區霧層已經消散。

相較12日清晨的輻射霧，14日霧層生成時間晚約2 h，霧層底部并不存在中性層結，而是較強的貼底逆溫，且一直延續到400 m高度，層結相對穩定。這是由于輻射霧發展初期，霧層淺薄且液態水含量較少，輻射效應弱，不能有效補償地表的輻射降溫。這也符合南京[24-25]、卡丁頓[36,41]、Cabauw[16]等地觀測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到飽和，霧層生成時間更晚。另一方面，12日清晨受偏南風輸送的水汽影響〔圖2(a)(b)〕，相較前一晚大氣低層(200～800 m)比濕大幅升高，400 m處比濕達到2.2 g/kg；而14日清晨受到干燥偏北風影響〔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%。在輻射霧發展過程中，霧層頂部的水汽缺乏，抑制了輻射霧的發展。先前的研究也證實[24]，輻射霧生成后，湍流混合的增強引起熱量，動量及水汽的垂直輸送，特別是霧層上方高濕區向下輸送的水汽，對輻射霧的發展起重要作用。

2.4 15日清晨——持續發展的平流霧

14日晚探空顯示〔圖5(a)(b)〕，北京上空已經出現了平流霧，300～1 000 m風向為較一致的南風，相對濕度超過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高度相對濕度接近95%，1 450 m處存在強逆溫、逆濕結構，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日晚探空發現5 500 m以上存在深厚的云層，但15日清晨探空未發現云層，從夜間紅外云圖〔圖5(e)(f)〕可見，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，霧層內較強的對流活動，以及云層過境后霧頂的強冷共同促進了平流霧的發展。14日晚1 600 m高度以下均為南風，風速約6～10 m/s，高空平流輸送的大量水汽為霧層發展提供了良好的水汽條件，1 200 m以下比濕均超過2 g/kg；從大氣層結上看，14日夜間與15日清晨霧層內均為近中性層結，且水汽接近飽和，具有良好的對流發展條件;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，逆濕結構偏弱。云層過境后，霧頂輻射冷卻效應增強，促進霧層發展，至15日清晨探空，霧頂出現強逆溫，逆濕結構，霧層加高區域(950～1 450 m)平均降溫幅度約5 ℃。

地面觀測資料顯示，14日夜間—15日清晨，地面相對濕度一直低于85%，表明近地面沒有霧生成。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]。但高空平流霧產生的下行長波輻射，補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，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 霧對污染的影響

一般認為，霧的生成總伴隨大氣靜穩條件[13,35-36]，但本研究結果表明，平流霧的到來和輻射霧的形成都改變了低層大氣的層結，進而影響近地層的垂直擴散能力，可能會對地面的污染起到一定的緩解能力。

13日清晨平流霧到達之前，12日晚探空表明近地層（0～200 m）為弱穩定結構，800 m以下存在3段不同強度逆溫，大氣層結處于強穩定狀態，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，霧層通過長波輻射，冷卻霧層上部，同時加熱低層大氣，大氣層結由穩定結構向不穩定的近中性層結轉變，近地層的垂直擴散能力改善。至13日清晨探空，700 m以下均為近中性層結，地面PM2.5濃度由平流霧到達前的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速，且前一晚探空顯示，近地層為逆溫結構，垂直擴散能力較差，PM2.5濃度呈現持續上升的趨勢。然而12日輻射霧生成后，PM2.5濃度水平上升的趨勢減緩，甚至出現短暫的下降，而后又急劇上升。輻射霧形成并充分發展，近地層由原先的逆溫變為近中性，垂直擴散能力應該有所增強，有使PM2.5濃度升高趨勢放緩的傾向。

有學者認為霧層形成后帶來湍流和擴散能力的加強，可使高層污染物向下輸送，造成地面污染物濃度升高[12]，但這種情況發生在清潔地區，北京是超大城市，本地污染排放較高[50]，應不在其列。還有研究認為，霧層中湍流的增強將加速液滴和PM2.5的碰并，從而提升顆粒物的清除效率[51]。可見，霧層導致的擴散和清除過程對于PM2.5濃度影響的方向性并不一致，實際影響PM2.5濃度的因素可能還會有排放的短時變化。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 結論

（1）12日清晨為發展充分的輻射霧，霧頂高度約為250 m，上層為強逆溫，逆濕結構，底部呈現中性層結，比濕在該層混合均勻。輻射霧形成到充分發展，近地層由逆溫結構向不穩定的近中性層結轉變，垂直擴散能力有所增強。

（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—石家莊一線輸送的平流霧，下層為東南方向天津—渤海一線輸送的平流霧。平流霧到達前，北京上空800 m高度以下均為穩定層結；平流霧到達后，霧層通過長波輻射效應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，較大改善了近地面的擴散條件，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，整層為強逆溫，逆濕結構。與12日充分發展的輻射霧不同，14日清晨不利的水汽條件抑制了輻射霧進一步發展。

（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。高層云過境后，霧頂輻射冷卻增強，并促進平流霧繼續發展，至15日清晨霧頂抬升約500 m。且持續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，北京地區冬季重污染期間，每天的霧在形成過程、垂直結構、層結等方面差異非常大，涉及邊界層氣象和輻射等諸多過程，因此，針對重污染期間霧層，以及其在污染和輻射等方面效應的研究有待加強。