关于雾、霭和霾 -雾-备用资料库

　　雾、霭和霾是几种多见的天气现象。它们都是由大气中悬浮的各种颗粒物造成气象能见度的下降。近年来由于人类活动造成这种低能见度的天气频繁出现，对人民群众的出行和健康造成了很坏的影响，社会对它的关注度也迅速提高。

　　作为一种天气现象，雾、霭和霾一直是地面气象观测项目的内容之一。对这些现象，国际气象组织也有过明确的规定。在1994年气象出版社出版的“中英法俄西国际气象词典” (这是由国际气象词典编译组译的WMO International Meteorological Vocabulary 1992)中，对这些现象就有明确的定义。

　　雾：大量微小(通常在显微镜下才能分辨)水滴悬浮于空气中的现象，它一般会使地面的水平能见度降低到1 km以下。

　　霭 ：悬浮在空气中的微小水滴或湿的吸湿性微粒，它能使地面的能见度降低。

　　霾 ：空气中悬浮着的极小的、干的微粒，这些微粒肉眼看不到，数量却非常多，足以使天空变得浑浊。

　　从上面三个名词的定义可以看出，这三种现象都是由空气中悬浮的微粒所造成的，其结果都是使水平能见度下降或使天空变得浑浊。但在这三种现象中，悬浮的微粒是不一样的。雾是由悬浮的水滴形成；霾是由悬浮的干的微粒形成的；而霭是介于这二者之间，是由微小水滴或湿的吸湿性微粒所形成的，可以说是从霾到雾的过渡阶段。正是由于悬浮粒子的不同，造成它们来源、形成的过程及其物理化学特性都将不同。区分雾、霭和霾这些现象就要从它们的形成过程和物理化学特性等方面去考虑。

　　从形成过程来考虑，霾是干的气溶胶，可以由其一次源和二次源生成，其中气溶胶的一次源是指直接以颗粒物形式排放到大气中的气溶胶，包括被风扬起的细沙和微尘，海水溅沫蒸发而成的颗粒，火山喷发的散落物，森林或其它生物体燃烧的烟尘，人类燃烧矿物燃料排放的烟尘以及人类的生产和生活过程中排放的灰尘等;二次源是指排放到大气中的气态污染物，经过复杂的大气化学过程，在大气中生成的气溶胶粒子。而雾是由水滴组成的，它是通过水汽的凝结所形成的，是水汽相变过程的产物。

　　如果仅仅说到这里，事情似乎是十分简单的。但实际上并非如此，物理学研究己[似乎遗漏了一段话]经非常清楚，在地球大气条件下，不可能由均质核化过程形成微小的云滴或雾滴，它们只能通过异质核化过程形成。这里所谓水汽的均质核化是指水汽分子自动地结合在一起，形成液态的小水滴;而异质核化是指水汽分子依附在某一个固体的凝结核上，然后以此为据点，让其它水汽分子不断凝结上来，使滴长大成为一个稳定的小水谪。由于二次源气溶胶的产生也涉及到大气中新生气溶胶粒子的形成，而且很可能也是通过异质核化。这样一来它们和雾滴的形成就没有实质性的差别了，不同的只是雾滴是由水汽的相变，而二次气溶胶则是由其它污染气体，例如硫酸蒸气的相变形成的。

　　经典的云滴核化理论是由寇拉在1936年完成的，他在研究一个吸湿性粒子起凝结核作用的过程中，综合地考虑了当水汽分子在核上凝结时，由于溶液的浓度造成所要求的平衡水汽压的下降和由于曲率造成的平衡水汽压增加这二个因子，从而给出著名的寇拉曲线。从寇拉曲线可以清楚地看到，在吸湿性粒子刚开始潮解时，由于溶液的浓度很高，其作用大于曲率的作用，因此在相对湿度不到100%的条件下小滴就可以凝结增长。但随着滴的增大，溶液的的浓度迅速减小，其作用以与半径立方成反比的速度减小，而曲率的作用是以与半径一次方成反比的速度减小，因此溶液的影响会很快地减小，曲率的影响逐渐突出，导致所要求的饱和水汽压的迅速增加，出现一个临界的饱和水汽压，一般都要求超过100%。如果环境大气能提供这种过饱和度，那么这个粒子就可以继续凝结增长，形成雾粒子;如果环境大气不能提供它所需要的过饱和度，那么这个粒子就不能继续增长，其大小将随着大气的相对湿度的变化而变化，这时我们就称它为霭。因此按寇拉的理论推测，要形成雾，大气的相对湿度一定是在100%或更高。

　　寇拉的理论是有一定局限性的，主要表现在二方面。一.他考虑的是很小的粒子，因此当溶液的作用变得不重要时，粒子的尺度仍然很小，曲率的影响还会有很大，要求环境大气有较高的过饱和度才能让这个小水滴继续凝结增长;二.寇拉考虑的吸湿性核，其可以作为溶质的物质是固定的，因此当水汽分子不断地凝结到这个滴上时，溶液的浓度会很快地下降，从而使溶液的作用迅速下降。但在今天，当环境大气污染比较严重时，事情变得有些复杂。其中一个可能性是大气中存在一些可溶牲的污染气体，如硫酸蒸汽或硝酸蒸汽等，它们可能溶解到小水滴中去，起到溶质的作用，因此在水滴增大的过程中，溶质的数量不是固定的，而有可能会增加，这就使溶液作用的那一项的减小变得不那么快。另外由于大气污染会使大气中存在许多不同大小的颗粒物，尤其是那些复合的颗粒物，它们内部可能是一个由不可溶或溶解度不大物质组成的核，而在其外表则包裹着一层吸湿的可溶性物质，当大气的相对湿度较高时，这层吸湿性物质就开始潮解，使粒子表面形成一层溶液，它可以让水分子不断地凝结上来，但由于在这粒子内部有一个不可溶的核心，其尺度比较大，曲率的作用就不显著了。所有这些因素就可以导致在大气污染的条件下，相对湿度确实在100%以下，但己经有稳定雾出现的可能性，这些雾滴确实是水滴，而且其尺度也比较大，直径甚至达到5到10微米。Markku Kulmala和 Ari Laaksonen等在1997年提出了这一问题(NATURE | VOL 388 | 24 JULY 1997),并在第二年对它进行了详细的讨论，证明了这种可能性。

　　现在的问题是这一现象在我国大气污染较为严重的地区会有什么样的表现？可以设想，这些过程确实会使大气污染较为严重的地区雾发生的机会要增加，而且能见度也降得更低。但是否巳经达到只要较低的相对湿度就能出现稳定的雾了？这还需要有足够的观测数据才能下结论。由于各地污染气体和气溶胶的情况差别很大，其结果也会是千差万别的。但很可惜，目前气象系统对湿度，尤其当湿度接近100%时的测量精度根本达不到要求，因此急需组织专门的观测来检验这一问题。在解决接近饱和条件下的相对湿度测量问题上，干湿球方法可能是比较合适的。当然干湿球方法也有其本身的弱点，如在0 度以下测量就会有麻烦，实际应用中还需综合考虑。

　　从地面观测的需要来考虑，找到能客观区分雾或霾这些现象的方法还是很重要的。光学特征是最早被人关注的途径之一。一般而言，雾滴的半径比霾粒子要大，而且它主要是水，其折射率为1.33，而霾粒子的折射率则比较大，在1.5附近，这些参数的差到使雾滴和霾粒子对光的散射特性是不一样的。早在二十世纪三十年代，Foitzik (1938年)就测量过红、绿、兰三种不同波长光在雾和霾中的消光系数，其结论是在霾条件下，这三种颜色光的消光系数是不同的，兰光的消光系数最大，红光的消光系数最小;但在雾的条件下，这三种颜色光的消光系数几乎相等。这一结果从霾粒子尺度比较小，其直径经常在0.1 - 1.0微米的范围，而雾滴的尺度比较大，其直径经常在1.0 - 5.0微米范围这一情况来看也是比较好理解的。Foitzik当时就提出，雾和霾对不同波长光消光特性的差别，可以作为一种客观区分霾和雾的手段。可能是因为实际中对客观区分雾和霾的要求并不迫切，所以至今也没有研制出类似的仪器。但今天这一区分的需求己经相当迫切了，研究这方面的仪器，做到客观地区分雾和霾看来还是有必要的。

　　除了光学特性以外，由于构成雾和霾物质属性的差别，可能也是客观区分雾和霾的一种途径。因为雾是由水谪构成的(混合在水谪中的其它污染物，包括作为凝结核所带来的物质可以先不做考虑)，而形成霾的干气溶胶粒子的组分就可能十分复杂，但应当不是水。这样，我们就可以利用一些仅仅与水有关的物理量的监测来区分雾和霾。例如在云物理研究中常用的热线含水量仪，它是用于测量云和雾中液态水含水量的。其测量原理是让气流带着云滴或雾滴流过一根被电流加热的金属园柱，一部份滴会撞到这园柱上，由于园柱很热，水滴将被蒸发，而在蒸发时水滴要吸收蒸发热，这将使园柱的温度下降。测量这一变化可以算出单位时间有多少水滴被蒸发掉了，从而算出云或雾的含水量。由于霾不是水滴组成的，它在这种仪器上将没有反应，因此通过对水量的监测应该也可以客观地区分雾和霾[不知对于霭会有那样显示？]。另外微波辐射计也具有探测液态水量的能力，原则上也能用来探测以液态水滴为主的雾，但目前这些设备的探测精度都达不到要求，还需要做更多的开发工作。有计划地研制可以客观地区分雳和霾的观测设备，并逐步应用到地面气象观测的业务中去，这也是云、能、天器测化的一个重要内容。