雾是悬浮于近地层大气中的大量微小水滴或冰晶的可见集合体。能见度为200—50 m时为强浓雾，当能见度小于50 m时称特强浓雾。近年来，雾的危害越来越凸出，不仅严重影响交通运输，还对人体健康造成很大的危害(吴兑等，2008；李子华等，2011a，2011b)。因此，雾作为一种灾害性天气现象受到了愈来愈广泛的关注。加强雾过程的机理研究，不断提高雾的预警预报能力显得十分重要。

中外已有大量研究揭示了雾发生的气候特征以及天气条件，同时也开展了许多雾的观测试验(Li et al，1994; Klemm et al，2005; Peng et al，2012; 马翠平等，2012；邓雪娇等，2007；吴兑等，2007；李子华，2001；周贺玲等，2011)。吴洪等(2000)统计了北京市有利于辐射雾发生的气象条件。李子华等(1994，1999)对重庆、南京等城市雾的物理化学特征进行了综合观测试验。随着高速公路的迅速发展，高速公路上雾的预测研究相继开展。1996年冬，沪宁高速公路开展了雾的观测研究(李子华等，1999)。1998年12月—1999年1月和2001年2—3月，在京珠高速公路南岭大瑶山对浓雾进行了综合观测分析(吴兑等，2007)。

通过观测发现，雾过程常具有持续性特征。何立富等(2006)分析了华北平原一次持续性雾过程的动力和热力结构特征及其演变，认为中低空下沉气流的存在有利于近地层的弱风条件和稳定层结的建立。吴彬贵等(2009)研究了一次持续性浓雾天气过程的水汽输送及逆温特征。一般持续性雾持续时间为3—5 d。冀中南部曾出现连续12 d的大雾天气(马翠平等，2012)。雾持续时间愈长，其危害亦愈大。沪宁线曾多次出现持续几天的雾过程。沪宁高速公路通车不久，1996年12月27—31日连续出现了5 d大雾。李子华等(1999)研究了这次雾过程的物理结构特征，葛良玉等(1998)还探讨了持续5 d大雾的原因。10天之后，即2006年12月24—27日，南京又观测到一场罕见的持续性雾过程，大雾持续了64 h，为近56年来持续时间最长的一次浓雾过程，其中特强浓雾(能见度小于50 m)持续41 h(刘端阳等，2009)。这次过程给江苏造成特别重大的危害，南京所有高速公路全线封闭，长江南京段全段禁航，禄口机场长时间封闭，而且发生了撞车伤亡、撞船沉没、突发性病人增多事件。由此可见，研究持续性雾很重要，尤其是研究持续性特强浓雾特别重要。

近年来对南京辐射雾的观测研究发现，有些特强浓雾形成时，具有明显的爆发性特征，即在很短的时间(30 min)内，雾滴数密度骤增，雾滴尺度增大，因而含水量明显增大，雾由浓雾变为特强浓雾(李子华等，2011b)。李子华等(2011c)进一步研究了辐射雾雾滴谱拓宽的微物理过程和宏观条件，但仅是一些个例研究。国际上针对特强浓雾的研究尚少。较著名的雾观测试验包括科罗拉多州立大学于1998/1999年冬季组织的美国圣华金山谷(San Joaquin Valley)雾外场综合试验(Collett et al，2001)、2005/2006年冬季在加拿大东海岸和安大略省开展的暖雾外场试验(Gultepe et al，2006，2007，2009)及法国巴黎(Haeffelin et al，2010)进行的雾外场观测试验，或是研究雾水化学特征，或是通过海雾和陆地雾微物理特征的参数化来提高雾模式的预报能力，抑或分析湍流混合及气溶胶质粒数密度超过临界值来解释雾滴活化及雾的形成，没有专门论及能见度小于50 m的特强浓雾的形成和发展问题。但对强浓雾的微物理特征研究相对多一些。许多研究揭示了雾滴增长的现象(Eldridge，1961，1966，1971; Goodman，1977; Pickering et al，1978; Gerber，1991)，认为过饱和环境、辐射降温是影响雾滴增长的主要因素。Choularton等(1981)研究发现，仅辐射冷却不能产生大的雾滴，而较大的过饱和度及湍流运动则对大滴的形成有促进作用。由上可见，国际上对雾滴谱拓宽问题虽有一些研究，但尚未与特强浓雾的宏观发展联系起来，也未同地面能见度变化联系起来。

2013年11月30日—12月9日，江苏出现了一次罕见的持续10 d的雾过程，其中，有9 d出现了大范围的强浓雾，有7 d发展为特强浓雾，给江苏社会经济及人体健康带来严重危害。本研究将利用探空资料、梯度站观测资料、常规站及高速公路交通气象观测站339个站的观测资料以及NCEP/NCAR的1°×1°的分析资料，从天气形势、气象要素以及物理量场等方面，研究这次过程的形成及维持机制，着重探讨强浓雾形成的原因，为这类灾害性天气预报提供科学依据。结果表明，在大陆高压控制下，江苏长时间处于高压带的均压区内，是这次持续性强浓雾过程的重要天气条件；辐射冷却、低空下沉气流及东南暖湿气流是大面积特强浓雾形成的重要原因；弱冷空气入侵则是雾体爆发增强的促发因子。

雾的观测网由基本气象观测站、交通气象观测站、梯度观测站及加密观测站组成(图 1)。分布于江苏省每个县的基本气象观测站(72个)，进行常规气象要素每分钟自动观测；江苏省20余条高速公路沿线以及长江航道江苏段平均间距10 km的交通气象观测站(339个)，进行包括能见度在内的气象要素每分钟自动观测；设在南京燕子矶的200 m高的梯度观测站，分为8层，进行温、湿、风等要素的每10 min的自动观测；江苏省高密度加密站1779个(南京市设有109个)，进行温度、湿度、风向、风速、气压和降水量6要素的全天候每5 min自动观测。此外，还在常州市金坛县设立雾的宏微观专项观测站。文中分析的雾过程资料即是由该观测网观测所得。

图 1 江苏省雾观测网 Fig. 1 Observational network for fog over Jiangsu Province

图选项

2013年11月30日—12月09日，中国中东部出现了连续多日的大范围雾过程。河北中南部、天津、山东南部、河南东部、江苏大部分地区、安徽、浙江北部等地都出现了能见度不足500 m的浓雾，部分地区有不足50 m的强浓雾。在这些区域之中，以江苏雾最为严重，不仅持续时间长、范围广，而且强度特别大。

11月30日21时(北京时，下同)开始，雾最先发生在江苏东北部的盐城地区，并逐渐向西扩散至淮安等地，最低能见度400 m左右，持续到12月1日09时，这是江苏发生大范围浓雾的先兆；如图 2所示，12月1日18时—2日11时，雾向西向北扩展，同时沿江地区出现雾，大部分能见度低于500 m，有些地段出现低于200 m的强浓雾，甚至低于50 m的特强浓雾。这表明雾已开始向面上扩展，可定为大范围雾发展的初期；3日20时—4日02时，盱眙、高邮湖地区、东台、南京等地出现弱降水过程，雨量0.0—0.4 mm，这为雾的发展补充了水汽，此后，雾向江苏全省扩散，而且强度增大，大部分地区能见度低于500 m，特别是4日04时—5日18时，江淮之间出现大范围、长时间特强浓雾。 5日19时—6日17时，江苏全省雾强度减弱，能见度维持在500—1000 m，但 6日18时—8日16时，特强浓雾再次出现，并扩展至江苏南部，可见4—8日是江苏特强浓雾的发展期；8日17时以后，雾进入消亡期，浓雾区南压，能见度自北向南逐渐好转，9日14时以后，随着冷空气南下，全省能见度恢复至1000 m以上。

图 2 2013年11月30日—12月9日江苏地区典型时次能见度空间演变(a. 1日01时，b. 2日06时，c. 3日07时，d. 4日08时，e. 5日03时，f. 6日04时，g. 7日06时，h. 8日08时，i. 9日05时，j. 9日12时) Fig. 2 Spatial variation of visibility in Jiangsu at several typical times from 30 November to 9 December, 2013(a. 01: 00 BT 1 Dec, b. 06: 00 BT 2 Dec, c. 07: 00 BT 3 Dec, d. 08: 00 BT 4 Dec, e. 03: 00 BT 5 Dec, f. 04: 00 BT 6 Dec, g. 06: 00 BT 7 Dec, h. 08: 00 BT 8 Dec, i. 05: 00 BT 9 Dec, j. 12: 00 BT 9 Dec)

图选项

可见这次雾过程持续时间长达10 d，其范围波及江苏全省。其中有9 d出现了大范围的能见度低于200 m的强浓雾，有7 d发展为大面积的特强浓雾。这样大范围、长时间的强浓雾，在江苏是罕见的。

图 2显示，从雾过程初期开始，苏北部分地区就出现了特强浓雾，而且范围不断扩大，先是由苏北逐渐扩展到江淮之间，进而发展到苏南地区。12月2、4—9日江苏省都有能见度低于50 m的特强浓雾(自动站＞15站次)，最强时，特强浓雾几乎占据了江苏全省一半的区域。特强浓雾不仅范围大，而且持续时间长。一个雾日内，特强浓雾一般持续4—5 h，也有的站点达7—8 h。受其影响，江苏多条高速公路封闭，12月4日傍晚至12月5日上午，除京台高速公路徐州段外全部关闭。与此同时，南京禄口国际机场有数百次航班延误或取消。更为严重的是，由雾发展为强浓雾时常具有爆发性增强特征。图 3给出6个站的能见度变化曲线，其共同特征是，雾向特强浓雾发展时，能见度急剧下降。例如桥头站(位于常州市)，能见度在05时之前均保持在500 m以上，05时18分为524 m，之后能见度陡降，05时30分降至65 m，在短短12 min内，能见度下降了459 m，之后一直维持在50 m左右，10时以后才逐渐消散。需要指出的是，图 3仅是几个例子，实际上，江苏省许多站点强浓雾的发展都有类似的特征，仅交通气象观测站就有102个站有如图 3的记录。雾在爆发性增强时段危害极大，因为在这个急变过程中，撞车、撞船事故极易发生。曾发生的追尾撞船事故，多在此时段出现。

图 3 高速公路沿线交通站能见度变化曲线(a. 茅山东(宁常)，b. 东屏湖(宁常)，c. 桥头(宁靖盐)，d. 界首枢纽(京沪)，e. 刘桥互通(沿海)，f. 南京站) Fig. 3 Temporal changes in visibility along the highway (a.Maoshan dong (Nanjing-Changzhou Expressway), b.Dongping hu (Nanjing-Changzhou Expressway), c.Qiaotou (Yancheng-Jingjiang Expressway), d.Jieshou shuniu (Beijing-Shanghai Expressway), e.Liuqiao hutong (Coastal Expressway), f.Nanjing station)

图选项

在连续的雾过程中，江苏省空气污染都比较重。南京市连续发布空气重污染黄色预警，12月5—6日还首次发布了空气重污染红色预警，许多工厂停止生产，全部露天工地停止作业，中小学、幼儿园全面停课。受污染影响，各医院门诊量大幅上升，儿童医院门诊量增加三分之一，喘息性气管炎、肺炎、呼吸道感染等发病率明显上升。

从12月1—9日南京9个观测站PM_2.5浓度的逐时平均变化曲线(图 4)可以看出，在雾过程中PM_2.5浓度持续升高，最低值均在75 μg/m³以上，最高值达到466 μg/m³(4日03时)，直至10日雾消散后，PM_2.5浓度才迅速降低。在经济欠发达的苏北地区，雾过程中空气污染也很重。据盐城环境监测数据，PM_2.5浓度日均值最高达370 μg/m³，属严重污染。可见此次雾过程与空气污染紧密相连，雾愈强，空气污染亦愈重。

图 4 2013年12月1—9日南京9个观测站PM2.5浓度的逐时平均变化序列 Fig. 4 Time series of hourly PM2.5 concentration averaged over the 9 monitoring stations in Nanjing from 1 to 9 December 2013

图选项

上述分析表明，本次雾过程具有时间长、范围广、强度大、空气污染重等特征。

江苏这次雾过程从2013年11月30日起，至12月9日消散，长达10 d。为什么持续这么长的时间？这需要分析这次过程的天气背景。

2013年11月30日—12月9日500 hPa平均位势高度场和温度场(图 5)显示，从雾开始到结束，中国中高纬度地区均在一个大的高压脊控制下，而东部沿海为一低槽，低槽与冷温度槽基本重合，没有明显的冷暖平流。地面图上(图 6)，中国中东部为一大的高压带，江苏位于高压带的均压场中。在这种天气背景下，江苏省天气状况多为晴天，大气层结稳定，而且风小(1 m/s左右)，夜晚辐射降温强，有利于地面逆温层形成。这种天气形势一直维持至9日强冷空气过境。

图 5 2013年11月30日—12月9日500 hPa平均位势高度(单位：dagpm) Fig. 5 Spatial pattern of 500 hPa means geopotential height from 30 November to 9 December 2013 (unit:dagpm)

图选项

图 6 2013年12月1—9日典型时次地面形势演变(a. 2日02时，b. 4日08时，c. 7日05时，d. 8日02时，e. 9日02时，f. 9日14时) Fig. 6 The evolution of surface synoptic pattern at typical times from 1 to 9 December 2013 (a. 02: 00 BT 2 Dec, b. 08: 00 BT 4 Dec, c. 05: 00 BT 7 Dec, d. 02: 00 BT 8 Dec, e. 02: 00 BT 9 Dec, f. 14: 00 BT 9 Dec)

图选项

根据南京、射阳站秒级探空资料，绘出温、湿度廓线(图 7)，可见在雾的持续期内，江苏夜晚和早晨近地层持续维持逆温结构。逆温层厚度多在150—500 m，平均强度为3.0℃/(100 m)。逆温层使水汽被抑制在低层，利于雾的形成，也为雾的发展增强提供了很好的条件。逆温层使大气污染物不易向上扩散，地面风速又小，污染物不易平流流出，大量污染物积存近地层，造成严重污染。所以雾日往往也是空气污染比较严重的日子，这也解释了在连续的雾日内，南京空气污染为什么那么重。从图中还可清楚看出，南京有特强浓雾的日子，7日雾顶高度达到600 m，雾顶在逆温层之下，8日雾顶接近400 m，雾顶达到逆温层顶。

图 7 2013年12月1—9日南京、射阳站典型时次的温度(a1—h1)、相对湿度(a2—h2)廓线 (a—d. 射阳站1日07时、3日07时、4日07时、5日07时，e—h. 南京站7日07时、19时、8日07时、19时) Fig. 7 Vertical profiles of temperature(a1-h1), relative humidity(a2-h2), at typical times in Nanjing station and Sheyang station from 1 to 9 December, 2013 (a. 07: 00 BT Dec 1, Sheyang station; b. 07: 00 BT Dec 3, Sheyang station; c. 07: 00 BT Dec 4, Sheyang station; d.07: 00 BT Dec 5, Sheyang station; e.07: 00 BT Dec 7, Nanjing station; f.19: 00 BT Dec 7, Nanjing station; g.07: 00 BT Dec 8, Nanjing station; h.19: 00 BT Dec, Nanjing station)

图选项

需要指出的是，在这10 d过程中，也有两次低层小浅槽过境，如12月3日20时—4日02时，小槽过境时给苏北、南京等地带来了弱降水过程，南京降水0.0—0.4 mm，弱的波动并未影响雾过程的发展，反而给后续的雾补充了水汽，导致了4日晨大范围强浓雾的形成。

江苏这次雾过程强度大，连续几天出现了大范围的能见度小于50 m的强浓雾。这次雾过程为什么这么强？这是需要着重研究的一个问题。

由于12月7—8日江苏强浓雾区范围最大，故文中以这一过程为例进行分析。

图 8给出了南京站12月6日16时—7日16时的能见度、相对湿度、气温、风速、净辐射及能见度随时间变化曲线，可见日落(17时)以后，净辐射为负值，并随时间逐渐增大，表明向上的长波辐射增强，气温与能见度同步下降，18时许，能见度下降至1000 m以下，标志雾已形成。此后，气温与能见度持续下降，12月7日01时能见度骤降至50 m以下，成为特强浓雾。此后雾强度虽有起伏，但能见度仍在200 m以下，为强浓雾，直至10时以后，能见度开始好转，但雾仍未消散。12月8日、9日午夜前后，雾又增强为特强浓雾，重复出现上述过程(图略)。上述分析表明，这次雾过程是因辐射冷却而形成的，但强浓雾因何而成？为此，分析了雾区的热力、动力结构以及水汽输送特征。

图 8 南京站6日16时—7日16时的能见度(a)、相对湿度(b)、气温(c)、风速(d)、净辐射(e)随时间的变化曲线 Fig. 8 Temporal variations of visibility (a), relative humidity(b), temperature (c), wind speed (d), and net radiation (e) at Nanjing station from 16: 00 BT Dec 6 to 16：00 BT Dec 7

图选项

从图 7可以看到，7日早晨气温廓线有两层逆温，近地层逆温顶高度约为200 m，上层逆温层顶约900 m。两层逆温的出现，表明大气层结相当稳定。贴地逆温有利于近地层水汽积累，上层逆温层不利于水汽向上扩散，不利于雾层消散。贴地逆温层是辐射冷却形成的，而上层逆温则是气层被下沉气流压缩和暖平流共同作用的结果。

南京站的散度时间-高度剖面(图 9)显示，6—8日在925 hPa以下散度为正值，辐散中心值在2×10^-5 s^-1以下，表明中低层存在下沉气流。这种下沉气流，不仅有利于形成下沉逆温，还有利于上层水汽向近地层输送。

图 9 2013年12月1—9日南京站散度的时间-高度剖面(单位：10-5s-1) Fig. 9 Time-height cross-section of divergence at Nanjing station from 1 to 9 December, 2013 (Unit:10-5s-1)

图选项

从南京站12月1日07时—9日19时风羽、温、湿时空剖面(图 10)可以看出，7—8日在东南气流和西南气流作用下，整层气温上升，并在400—700 m高度形成高温中心，其中心值在10—12℃以上，远高于地面温度(低于4℃)。

图 10 12月1日07时—9日19时南京站的温度(a)、相对湿度(b)和风羽(c)时空剖面 Fig. 10 Time-height cross section of temperature (a), relative humidity (b) wind barb (c) at Nanjing station from 07: 00 BT Dec 1 to 19: 00 BT Dec 9

图选项

由以上分析可见，在贴地层的辐射冷却，下沉气流及暖平流的共同作用下，形成了深厚的强逆温层，这是强浓雾形成的最重要的热力条件，也是造成重污染最重要的一个原因。

强浓雾的形成还必须有充沛的水汽。通常水汽来源于贴地层的蒸发，而本次强浓雾过程中，东南暖湿气流提供了充足的水汽。由图 10b可以清楚看出水汽输送的结果，6—7日，600 m以下成为相对湿度大值中心。为了进一步说明水汽输送情况，图 11给出了925 hPa风场和温度场，图 12给出了水汽输送矢量分布，表明在强浓雾过程中，东南气流不仅使江苏边界层上层气温上升，还带来了充沛的水汽。这些水汽不仅在强逆温层(600 m)之下凝结成雾(图 7e)，而且在下沉气流作用下，输送至贴地层，使地面雾强度增大。可见东南暖湿气流不仅为强浓雾提供了热力条件，源源不断的水汽输送还是强浓雾形成和持续的重要原因。由此看来，这次雾是由地面辐射降温形成的，形成后在东南暖湿气流作用下加强，因此可称为平流辐射雾。

图 11 2013年12月1—9日典型时次925 hPa风场和温度场(等值线，单位：℃)演变(a. 8日02时，b. 8日08时) Fig. 11 Wind and temperature (isogram,unit:℃) evolution at 925 hPa at typical times from 1 to 9 December 2013 (a.02: 00 BT 8 Dec, b.08: 00 BT 8 Dec)

图选项

图 12 水汽输送矢量分布(单位：g/(s·cm);a. 12月7日08时，b. 8日08时) Fig. 12 Water vapor flux transport (unit:g/(s·cm);a. 08: 00 BT 7 Dec, b. 08: 00 BT 8 Dec)

图选项

从图 8中看到，由浓雾发展为强浓雾时，变化速度特别快。01时17分能见度为253 m，至01时34分能见度突降至30 m。即特强浓雾具有爆发性增强特征。在图 3中看到，许多站由浓雾发展为强浓雾时，都具有这种特征。搞清这个突变的原因，对强浓雾的预警特别重要。为了分析这种突变的原因，给出了老山站(宁连高速)7日21时—8日16时的能见度、风速及风向随时间的变化曲线(图 13)，可见雾爆发性增强前，地面风由西向北转变，风速1 m/s左右。即当浓雾区内有弱冷空气侵入后，雾体发生爆发性增强，使浓雾骤变为强浓雾。弱冷空气入侵是雾体爆发增强的促发因子。这与李子华(2011c)的观测结果是一致的。弱冷空气入侵雾区后，可使雾区产生过饱和，促进凝结核核化、凝结和碰并过程，从而使雾体发展增强。关于这个问题将继续研究。

图 13 老山站(宁连高速)12月7日21时—8日16时的能见度(a)、风速(b)及风向(c)随时间的变化曲线 Fig. 13 Time series of visibility(a), wind speed (b) and wind direction (c) at Laoshan station (Nanjing-Lianyungang Expressway) from 21: 00 BT Dec 7 to 16: 00 BT Dec 8

图选项

2013年11月30日—12月9日，江苏出现持续10 d的雾天气。通过观测资料和天气学分析，得出：

(1)这次雾过程的特征是，不仅时间长，而且范围广、强度大、污染重。

(2)在大陆高压控制下，江苏长时间处于高压带的均压区内，是这次连续性雾过程的重要天气条件。

(3)在地面辐射冷却、低空下沉气流以及东南暖湿气流3种机制作用下，形成的深厚强逆温层是这次强浓雾形成的最重要的热力条件，也是造成重污染天气的一个重要原因。

(4)低层东南暖湿气流是这次强浓雾过程的主要水汽源。

(5)辐射雾常具有爆发性增强特征，弱冷空气入侵，是这次雾体爆发性增强的促发因子。

总的看，这次雾过程是由地面辐射冷却形成的，而后在低层东南暖湿气流作用下加强的平流辐射雾过程。

致 谢：感谢李子华教授以及郑媛媛首席预报员细致地审阅了初稿并提出了很有意义的修改意见。