黨張利，褚永偉，滕 微*

（1.中國氣象局旱區(qū)特色農(nóng)業(yè)氣象災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警與風(fēng)險管理重點實驗室，寧夏 銀川 750002；2.寧夏人工影響天氣中心，寧夏 銀川 750002）

霧是由大量懸浮在近地層空氣中的微小水滴或冰晶組成的能見度小于1 km 的天氣現(xiàn)象，是近地層空氣中水汽凝結(jié)（或凝華）的產(chǎn)物。持續(xù)的大霧天氣會嚴(yán)重影響交通安全及物流運輸效率，甚至威脅電力供電安全。影響寧夏地區(qū)的霧有2 種：一種是平流霧，主要是由于暖濕空氣流經(jīng)冷的陸面，冷卻降溫而形成的霧；一種是輻射霧，主要是空氣因輻射冷卻，達到過飽和而形成的霧。輻射霧發(fā)生在晴朗、微風(fēng)、近地面、水汽比較充分的夜間或早晨，多形成于近地層輻射逆溫層中。國內(nèi)學(xué)者對霧展開了多方面的研究，對不同區(qū)域霧的發(fā)生頻率進行了統(tǒng)計[1]，對不同區(qū)域霧發(fā)生的天氣類型進行了總結(jié)[2]，利用數(shù)值模擬方法研究了霧的形成機理[3]，并結(jié)合特種觀測資料，對霧微觀特征進行了分析[4]。針對高山霧宏、微觀特征的研究主要集中在廬山、南嶺等地區(qū)[5-6]。寧夏地區(qū)李鳳琴等[7]對寧夏霧的天氣背景進行了分析；納麗等[8]對寧夏霧的氣候特征進行了分析；周翠芳等[9]對寧夏霧的時空分布和預(yù)報方法進行了研究；張智等[10]對寧夏霧霾氣候變化進行了研究。隨著六盤山區(qū)霧滴譜儀設(shè)備的運行，筆者也對六盤山區(qū)霧宏、微觀特征展開了一些研究[11]，但主要是針對個例資料進行的分析。

六盤山氣象站位于寧夏固原市六盤山地區(qū)，海拔高度為2 842 m，年平均氣溫為1.5 ℃，年平均相對濕度為69%，年霧日數(shù)可達153.4 d。為探究六盤山云霧個性特征，六盤山、隆德、涇源氣象觀測站（以下簡稱六盤山站、隆德站、涇源站）安裝了前向散射能見度儀。2019 年基于六盤山地形云野外科學(xué)試驗基地的建設(shè)，六盤山站院內(nèi)布設(shè)了一臺FM-120 霧滴譜儀，該設(shè)備可以對霧的微物理特征量進行連續(xù)觀測。本文利用2014—2018 年六盤山站、隆德站、涇源站能見度儀觀測資料，對六盤山區(qū)霧發(fā)生的宏觀特征進行分析；同時利用2019—2020 年六盤山站霧滴譜儀，對云霧滴譜微觀特征量進行統(tǒng)計分析，以期為今后人工消霧和云霧降水提供理論依據(jù)。

1 儀器簡介

前向散射能見度儀是基于大氣顆粒物的前向散射原理設(shè)計而成的，其通過HY-V 35 能見度傳感器測量小體積空氣對光的散射系數(shù)，得到采樣氣體的消光系數(shù)，從而獲得氣象光學(xué)能見度。FM-120 霧滴譜儀由美國DMT 公司生產(chǎn)，可觀測粒徑為2～50 μm，采樣面積為0.24 mm2，采樣頻率為1 Hz，核心部件為固態(tài)激光二極管。霧滴譜儀是通過激光前向散射技術(shù)測量云霧粒徑分布的光學(xué)儀器，能夠?qū)崟r運算并顯示粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、有效直徑和中值體積直徑等測量參數(shù)。粒子數(shù)濃度是單位體積內(nèi)某粒子的個數(shù)；液體水質(zhì)量濃度是單位體積的空氣中所含有液態(tài)水的質(zhì)量；將取樣霧滴按體積大小順序進行累積，中值體積直徑是指累積值為取樣霧滴體積總和的50%時所對應(yīng)的霧滴直徑；當(dāng)顆粒的某一物理特性與同質(zhì)球形顆粒相同或相近時，用該球形顆粒的直徑代表這個實際顆粒的直徑，該球形顆粒的直徑即為有效直徑。霧滴譜儀的技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 FM-120 霧滴譜儀技術(shù)參數(shù)表

2 資料與方法

本文根據(jù)能見度儀和雨量計觀測結(jié)果，將六盤山站1 年的天氣過程分為無霧過程、有霧有降水過程和有霧無降水過程，能見度≤1.0 km 記為霧過程，降水量≥0.1 mm 記為降水過程，霧過程挑選標(biāo)準(zhǔn)為連續(xù)3 h 分鐘能見度≤1.0 km，無霧過程是連續(xù)3 h 能見度＞1.0 km。在發(fā)生霧過程期間，只要出現(xiàn)降水，就將該過程確定為有霧有降水過程?；陟F和降水過程的挑選方法，本文對隆德站、涇源站、六盤山站2014—2018 年能見度資料進行統(tǒng)計，分析六盤山區(qū)霧年、月、日變化特征，同時對六盤山站2019 年12 月1 日至2020 年11 月30 日能見度資料進行統(tǒng)計分析，確定無霧過程、有霧有降水過程和降水過程，分析不同能見度和降水過程云的霧滴譜特征。

3 霧的宏觀統(tǒng)計特征

2014—2018 年六盤山區(qū)霧具有明顯的年、月、季、日變化特征，如圖1 所示。六盤山站霧日數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于隆德站和涇源站。六盤山區(qū)年平均霧日數(shù)為53.7 d；六盤山站5 年累計霧日數(shù)為667 d，涇源站為131 d，隆德站為7 d（圖1a）。六盤山站在2018 年出現(xiàn)霧日數(shù)最多，高達158 d；2016 年出現(xiàn)霧日數(shù)最少，為105 d。涇源站在2015 年出現(xiàn)霧日數(shù)最多，為30 d；2016 年出現(xiàn)霧日數(shù)最少，為22 d。隆德站年累計出現(xiàn)霧日數(shù)為7 d，2017 年未出現(xiàn)霧天，2014—2016 年出現(xiàn)霧日數(shù)均為2 d。六盤山區(qū)的霧過程具有明顯的月變化，2014—2018 年月平均累計出現(xiàn)霧日數(shù)為62.1 d。六盤山站月平均累計出現(xiàn)霧日數(shù)為55.6 d，涇源站為10.9 d，隆德站為0.6 d（圖1b）。六盤山站9 月平均累計出現(xiàn)霧日數(shù)最多，為87 d；涇源站10 月平均累計出現(xiàn)霧日數(shù)最多，為28 d；隆德站11 月平均累計出現(xiàn)霧日數(shù)最多，為3 d。此外，六盤山區(qū)霧具有明顯的季節(jié)變化。六盤山站、隆德站、涇源站秋季出現(xiàn)霧日數(shù)的頻率最高。其中，六盤山站秋季出現(xiàn)霧日數(shù)為43.6 d，涇源站為12.6 d，隆德站不到1 d。六盤山站冬季出現(xiàn)霧日數(shù)最低，涇源站和隆德站夏季出現(xiàn)霧日數(shù)最低。另外，霧的觀測數(shù)據(jù)易受值班人員的影響，白天數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性較高，08:00—20:00 以外的觀測次數(shù)明顯減少。隆德站、涇源站、六盤山站在08:00出現(xiàn)霧的頻次最高。六盤山站08:00 平均出現(xiàn)霧日數(shù)為88 d，14:00—15:00 平均出現(xiàn)霧日數(shù)最少，為69.6 d；涇源站平均出現(xiàn)霧日數(shù)最多的時刻也是08:00，為19.2 d，13:00—14:00 平均出現(xiàn)霧日數(shù)最少，為6.6 d；隆德站僅在08:00—11:00 出現(xiàn)霧，其中08:00 也是出現(xiàn)霧次數(shù)最多的時刻（圖1c）。

圖1 2014—2018 年六盤山區(qū)霧的年、月、日變化

綜上所述，六盤山區(qū)秋季霧變化最多，六盤山站霧最少日數(shù)出現(xiàn)在冬季，隆德站和涇源站霧最少日數(shù)出現(xiàn)在夏季。在08:00—20:00 時段，08:00 是六盤山區(qū)霧日數(shù)最多的時刻，午后出現(xiàn)霧日數(shù)最少，隆德站以輻射霧為主。

4 霧的微觀統(tǒng)計特征

本文基于六盤山站DNQ 1 前向散射能見度儀和FM-120 霧滴譜儀觀測結(jié)果，對2019 年12 月1日至2020 年11 月30 日六盤山站50 次低能見度云霧天氣過程（30 次有霧有降水過程，20 次有霧無降水過程）和124 次非霧過程進行統(tǒng)計分析。

六盤山站霧滴譜儀年平均粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、中值體積直徑、有效直徑分別為37.74 個/cm3，0.01 g/m3，3.40 μm，3.18 μm。有霧期間平均粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、中值體積直徑、有效直徑分別為138.65 個/cm3，0.03 g/m3，7.03 μm，6.57 μm；無霧期間以上各物理量分別為0.38 個/cm3，0 g/m3，1.55 μm，1.50 μm；有霧無降水期間粒子數(shù)濃度為10.29～234.80 個/cm3，液態(tài)水質(zhì)量濃度為0～0.03 g/m3，中值體積直徑為2.26～8.61 μm，有效直徑為2.10～7.81 μm；有霧有降水期間粒子數(shù)濃度為75.08～471.81 個/cm3，液態(tài)水質(zhì)量濃度為0.01～0.14 g/m3，中值體積直徑為5.56～16.05 μm，有效直徑為5.38～14.42 μm。

由此可見，有霧階段霧滴粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、中值體積直徑、有效直徑均大于無霧階段，霧滴譜各個微物理特征量的變化情況與有霧階段一致，也表明有霧階段的微物理特征量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無霧階段。六盤山站霧滴譜的月變化情況如圖2 所示。由圖2 可知，六盤山站霧滴粒子數(shù)濃度較大的月份為8—12 月，粒子數(shù)濃度最大的月份是11 月，為100.93 個/cm3；液態(tài)水質(zhì)量濃度最大的月份是9 月，為0.08 g/m3；有效直徑和中值體積直徑最大的月份也是9 月，為8.5～9.5 μm。有霧階段粒子數(shù)濃度最大的月份是11 月，為342.15 個/cm3；液態(tài)水質(zhì)量濃度最大的月份是8 月，為0.09 g/m3；有效直徑和中值體積直徑最大的月份是8—10 月，為9.5～10.7 μm。無霧階段粒子數(shù)濃度的量級基本為100個/cm3，液態(tài)水質(zhì)量濃度的量級為10-5～10-6g/m3，有效直徑和中值體積直徑為0.2～3.5 μm。

圖2 六盤山站霧滴譜的月變化

六盤山站霧滴譜的日變化情況如圖3 所示。由圖3 可知，有霧階段霧滴粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、中值體積直徑、有效直徑均大于無霧階段?？傮w情況：粒子數(shù)濃度夜間較大，其值最大的時段是01:00—04:00 和18:00—22:00，為60～70 個/cm3；液態(tài)水質(zhì)量濃度最大的時段是18:00—19:00，為0.04～0.05 g/m3；有效直徑和中值體積直徑變化較平穩(wěn)，其值最大的時段是06:00—07:00，為4～6 μm。有霧階段各物理量的變化與總體情況一致，但量值明顯要大，其中粒子數(shù)濃度最大值為136.80 個/cm3（03:00），液態(tài)水質(zhì)量濃度最大值為0.09 g/m3（19:00），有效直徑和中值體積直徑最大值分別為11.83 μm，10.83 μm（07:00）。

圖3 六盤山站霧滴譜的日變化

六盤山站云霧譜分布情況如圖4 所示。由圖4可知，云滴譜呈單峰分布，與之前的分析結(jié)果一致，有霧期間粒子數(shù)濃度的量級是無霧期間的102倍。有霧階段粒徑峰值為6 μm，對應(yīng)的霧滴數(shù)濃度為33.64 cm-3·μm-1；非降水時，云霧滴譜的峰值粒徑為5 μm，對應(yīng)的霧滴數(shù)濃度為0.11 cm-3·μm-1。在峰值粒徑2～7 μm 處，有降水和無降水時的霧滴譜完全吻合；隨著粒徑的增大，兩者的粒子數(shù)濃度差值越來越大，在20 μm 處達到最大值。

圖4 六盤山站云霧譜分布

5 結(jié)論

（1）六盤山區(qū)霧具有明顯的年、季、月、日變化特征。2014—2018 年六盤山區(qū)年平均出現(xiàn)霧日數(shù)為53.7 d，月平均出現(xiàn)霧日數(shù)為22.4 d，秋季出現(xiàn)霧日數(shù)最多，08:00 出現(xiàn)霧日數(shù)頻次最高，08:00 —20:00出現(xiàn)霧日數(shù)頻次最少。六盤山站年霧日數(shù)最高為158 d，9 月霧出現(xiàn)日數(shù)最多，為87 d；隆德站僅在08:00—11:00 出現(xiàn)霧，由能見度觀測資料可知，隆德站霧是由于輻射冷卻形成的。

（2）六盤山站有霧階段的粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度、粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無霧階段，2 個階段的粒子數(shù)濃度相差102個量級，液態(tài)水質(zhì)量濃度相差103個量級。粒徑雖然都在小滴范圍，但有霧階段的粒徑為5～6 μm，而無霧階段的粒徑為0.1～3.5 μm。

（3）六盤山站霧滴譜具有明顯的月、日變化特征。霧滴粒子數(shù)濃度、液態(tài)水質(zhì)量濃度以及粒徑高值月份為8—10 月，粒子數(shù)濃度和液態(tài)水質(zhì)量濃度日高值時段為18:00—20:00，粒徑高值時段為06:00—07:00。霧滴譜呈單峰分布，無霧階段的峰值粒徑小于霧發(fā)生時的霧滴粒徑，有霧有降水時的中滴和大滴粒子數(shù)濃度高于有霧無降水時。