六盘山区雾的宏微观特征分析

党张利，褚永伟，滕 微*

（1.中国气象局旱区特色农业气象灾害监测预警与风险管理重点实验室，宁夏 银川 750002；2.宁夏人工影响天气中心，宁夏 银川 750002）

雾是由大量悬浮在近地层空气中的微小水滴或冰晶组成的能见度小于1 km 的天气现象，是近地层空气中水汽凝结（或凝华）的产物。持续的大雾天气会严重影响交通安全及物流运输效率，甚至威胁电力供电安全。影响宁夏地区的雾有2 种：一种是平流雾，主要是由于暖湿空气流经冷的陆面，冷却降温而形成的雾；一种是辐射雾，主要是空气因辐射冷却，达到过饱和而形成的雾。辐射雾发生在晴朗、微风、近地面、水汽比较充分的夜间或早晨，多形成于近地层辐射逆温层中。国内学者对雾展开了多方面的研究，对不同区域雾的发生频率进行了统计[1]，对不同区域雾发生的天气类型进行了总结[2]，利用数值模拟方法研究了雾的形成机理[3]，并结合特种观测资料，对雾微观特征进行了分析[4]。针对高山雾宏、微观特征的研究主要集中在庐山、南岭等地区[5-6]。宁夏地区李凤琴等[7]对宁夏雾的天气背景进行了分析；纳丽等[8]对宁夏雾的气候特征进行了分析；周翠芳等[9]对宁夏雾的时空分布和预报方法进行了研究；张智等[10]对宁夏雾霾气候变化进行了研究。随着六盘山区雾滴谱仪设备的运行，笔者也对六盘山区雾宏、微观特征展开了一些研究[11]，但主要是针对个例资料进行的分析。

六盘山气象站位于宁夏固原市六盘山地区，海拔高度为2 842 m，年平均气温为1.5 ℃，年平均相对湿度为69%，年雾日数可达153.4 d。为探究六盘山云雾个性特征，六盘山、隆德、泾源气象观测站（以下简称六盘山站、隆德站、泾源站）安装了前向散射能见度仪。2019 年基于六盘山地形云野外科学试验基地的建设，六盘山站院内布设了一台FM-120 雾滴谱仪，该设备可以对雾的微物理特征量进行连续观测。本文利用2014—2018 年六盘山站、隆德站、泾源站能见度仪观测资料，对六盘山区雾发生的宏观特征进行分析；同时利用2019—2020 年六盘山站雾滴谱仪，对云雾滴谱微观特征量进行统计分析，以期为今后人工消雾和云雾降水提供理论依据。

1 仪器简介

前向散射能见度仪是基于大气颗粒物的前向散射原理设计而成的，其通过HY-V 35 能见度传感器测量小体积空气对光的散射系数，得到采样气体的消光系数，从而获得气象光学能见度。FM-120 雾滴谱仪由美国DMT 公司生产，可观测粒径为2～50 μm，采样面积为0.24 mm2，采样频率为1 Hz，核心部件为固态激光二极管。雾滴谱仪是通过激光前向散射技术测量云雾粒径分布的光学仪器，能够实时运算并显示粒子数浓度、液态水质量浓度、有效直径和中值体积直径等测量参数。粒子数浓度是单位体积内某粒子的个数；液体水质量浓度是单位体积的空气中所含有液态水的质量；将取样雾滴按体积大小顺序进行累积，中值体积直径是指累积值为取样雾滴体积总和的50%时所对应的雾滴直径；当颗粒的某一物理特性与同质球形颗粒相同或相近时，用该球形颗粒的直径代表这个实际颗粒的直径，该球形颗粒的直径即为有效直径。雾滴谱仪的技术参数如表1所示。

表1 FM-120 雾滴谱仪技术参数表

2 资料与方法

本文根据能见度仪和雨量计观测结果，将六盘山站1 年的天气过程分为无雾过程、有雾有降水过程和有雾无降水过程，能见度≤1.0 km 记为雾过程，降水量≥0.1 mm 记为降水过程，雾过程挑选标准为连续3 h 分钟能见度≤1.0 km，无雾过程是连续3 h 能见度＞1.0 km。在发生雾过程期间，只要出现降水，就将该过程确定为有雾有降水过程。基于雾和降水过程的挑选方法，本文对隆德站、泾源站、六盘山站2014—2018 年能见度资料进行统计，分析六盘山区雾年、月、日变化特征，同时对六盘山站2019 年12 月1 日至2020 年11 月30 日能见度资料进行统计分析，确定无雾过程、有雾有降水过程和降水过程，分析不同能见度和降水过程云的雾滴谱特征。

3 雾的宏观统计特征

2014—2018 年六盘山区雾具有明显的年、月、季、日变化特征，如图1 所示。六盘山站雾日数远远高于隆德站和泾源站。六盘山区年平均雾日数为53.7 d；六盘山站5 年累计雾日数为667 d，泾源站为131 d，隆德站为7 d（图1a）。六盘山站在2018 年出现雾日数最多，高达158 d；2016 年出现雾日数最少，为105 d。泾源站在2015 年出现雾日数最多，为30 d；2016 年出现雾日数最少，为22 d。隆德站年累计出现雾日数为7 d，2017 年未出现雾天，2014—2016 年出现雾日数均为2 d。六盘山区的雾过程具有明显的月变化，2014—2018 年月平均累计出现雾日数为62.1 d。六盘山站月平均累计出现雾日数为55.6 d，泾源站为10.9 d，隆德站为0.6 d（图1b）。六盘山站9 月平均累计出现雾日数最多，为87 d；泾源站10 月平均累计出现雾日数最多，为28 d；隆德站11 月平均累计出现雾日数最多，为3 d。此外，六盘山区雾具有明显的季节变化。六盘山站、隆德站、泾源站秋季出现雾日数的频率最高。其中，六盘山站秋季出现雾日数为43.6 d，泾源站为12.6 d，隆德站不到1 d。六盘山站冬季出现雾日数最低，泾源站和隆德站夏季出现雾日数最低。另外，雾的观测数据易受值班人员的影响，白天数据的准确性较高，08:00—20:00 以外的观测次数明显减少。隆德站、泾源站、六盘山站在08:00出现雾的频次最高。六盘山站08:00 平均出现雾日数为88 d，14:00—15:00 平均出现雾日数最少，为69.6 d；泾源站平均出现雾日数最多的时刻也是08:00，为19.2 d，13:00—14:00 平均出现雾日数最少，为6.6 d；隆德站仅在08:00—11:00 出现雾，其中08:00 也是出现雾次数最多的时刻（图1c）。

图1 2014—2018 年六盘山区雾的年、月、日变化

综上所述，六盘山区秋季雾变化最多，六盘山站雾最少日数出现在冬季，隆德站和泾源站雾最少日数出现在夏季。在08:00—20:00 时段，08:00 是六盘山区雾日数最多的时刻，午后出现雾日数最少，隆德站以辐射雾为主。

4 雾的微观统计特征

本文基于六盘山站DNQ 1 前向散射能见度仪和FM-120 雾滴谱仪观测结果，对2019 年12 月1日至2020 年11 月30 日六盘山站50 次低能见度云雾天气过程（30 次有雾有降水过程，20 次有雾无降水过程）和124 次非雾过程进行统计分析。

六盘山站雾滴谱仪年平均粒子数浓度、液态水质量浓度、中值体积直径、有效直径分别为37.74 个/cm3，0.01 g/m3，3.40 μm，3.18 μm。有雾期间平均粒子数浓度、液态水质量浓度、中值体积直径、有效直径分别为138.65 个/cm3，0.03 g/m3，7.03 μm，6.57 μm；无雾期间以上各物理量分别为0.38 个/cm3，0 g/m3，1.55 μm，1.50 μm；有雾无降水期间粒子数浓度为10.29～234.80 个/cm3，液态水质量浓度为0～0.03 g/m3，中值体积直径为2.26～8.61 μm，有效直径为2.10～7.81 μm；有雾有降水期间粒子数浓度为75.08～471.81 个/cm3，液态水质量浓度为0.01～0.14 g/m3，中值体积直径为5.56～16.05 μm，有效直径为5.38～14.42 μm。

由此可见，有雾阶段雾滴粒子数浓度、液态水质量浓度、中值体积直径、有效直径均大于无雾阶段，雾滴谱各个微物理特征量的变化情况与有雾阶段一致，也表明有雾阶段的微物理特征量远远大于无雾阶段。六盘山站雾滴谱的月变化情况如图2 所示。由图2 可知，六盘山站雾滴粒子数浓度较大的月份为8—12 月，粒子数浓度最大的月份是11 月，为100.93 个/cm3；液态水质量浓度最大的月份是9 月，为0.08 g/m3；有效直径和中值体积直径最大的月份也是9 月，为8.5～9.5 μm。有雾阶段粒子数浓度最大的月份是11 月，为342.15 个/cm3；液态水质量浓度最大的月份是8 月，为0.09 g/m3；有效直径和中值体积直径最大的月份是8—10 月，为9.5～10.7 μm。无雾阶段粒子数浓度的量级基本为100个/cm3，液态水质量浓度的量级为10-5～10-6g/m3，有效直径和中值体积直径为0.2～3.5 μm。

图2 六盘山站雾滴谱的月变化

六盘山站雾滴谱的日变化情况如图3 所示。由图3 可知，有雾阶段雾滴粒子数浓度、液态水质量浓度、中值体积直径、有效直径均大于无雾阶段。总体情况：粒子数浓度夜间较大，其值最大的时段是01:00—04:00 和18:00—22:00，为60～70 个/cm3；液态水质量浓度最大的时段是18:00—19:00，为0.04～0.05 g/m3；有效直径和中值体积直径变化较平稳，其值最大的时段是06:00—07:00，为4～6 μm。有雾阶段各物理量的变化与总体情况一致，但量值明显要大，其中粒子数浓度最大值为136.80 个/cm3（03:00），液态水质量浓度最大值为0.09 g/m3（19:00），有效直径和中值体积直径最大值分别为11.83 μm，10.83 μm（07:00）。

图3 六盘山站雾滴谱的日变化

六盘山站云雾谱分布情况如图4 所示。由图4可知，云滴谱呈单峰分布，与之前的分析结果一致，有雾期间粒子数浓度的量级是无雾期间的102倍。有雾阶段粒径峰值为6 μm，对应的雾滴数浓度为33.64 cm-3·μm-1；非降水时，云雾滴谱的峰值粒径为5 μm，对应的雾滴数浓度为0.11 cm-3·μm-1。在峰值粒径2～7 μm 处，有降水和无降水时的雾滴谱完全吻合；随着粒径的增大，两者的粒子数浓度差值越来越大，在20 μm 处达到最大值。

图4 六盘山站云雾谱分布

5 结论

（1）六盘山区雾具有明显的年、季、月、日变化特征。2014—2018 年六盘山区年平均出现雾日数为53.7 d，月平均出现雾日数为22.4 d，秋季出现雾日数最多，08:00 出现雾日数频次最高，08:00 —20:00出现雾日数频次最少。六盘山站年雾日数最高为158 d，9 月雾出现日数最多，为87 d；隆德站仅在08:00—11:00 出现雾，由能见度观测资料可知，隆德站雾是由于辐射冷却形成的。

（2）六盘山站有雾阶段的粒子数浓度、液态水质量浓度、粒径远远大于无雾阶段，2 个阶段的粒子数浓度相差102个量级，液态水质量浓度相差103个量级。粒径虽然都在小滴范围，但有雾阶段的粒径为5～6 μm，而无雾阶段的粒径为0.1～3.5 μm。

（3）六盘山站雾滴谱具有明显的月、日变化特征。雾滴粒子数浓度、液态水质量浓度以及粒径高值月份为8—10 月，粒子数浓度和液态水质量浓度日高值时段为18:00—20:00，粒径高值时段为06:00—07:00。雾滴谱呈单峰分布，无雾阶段的峰值粒径小于雾发生时的雾滴粒径，有雾有降水时的中滴和大滴粒子数浓度高于有雾无降水时。