气象地面观测略谈轻雾、霾、浮尘、烟幕.doc

略谈轻雾、霾、浮尘、烟幕易仕明自1981年第4期起，气象刊载了一些讨论轻雾、霾、浮尘、烟幕如何分辨的文章。气象编辑部希望我谈些看法。作为一个老观测员，我很愿意参加这一讨论。本文中将涉及三个问题：1.大气中各种质点对光线的散射；2. 轻雾、霾、浮尘和烟幕的成因和特征；3.复杂情况的处理。一、大气中各种质点对光线的散射大气中各种质点对光线的散射作用，与其大小有关。随着质点大小不同，可有三种情况。1. 分子散射（或称瑞利散射）：当质点远小于光波波长时对光线的散射称为分子散射。空气分子和极小的爱根核和冰核均属于这类情况，它服从瑞利定律： （1）式中，为对波长的散射系数，为与质点半径大小有关的系数，为光波波长。从上式可以看出，分子散射与波长有密切关系；当波长小1倍时，散射系数增到16倍。由此可见，波长愈短的光，被散射得愈强。这一方面最常见的例子就是天空的蓝色。由于波长较长的红、橙等色光线在大气中被散射得较少，而波长较短的蓝、紫等色光线被散射的就多得多，所以天空才带了蓝色。但是，本文所讨论的这四种天气现象的粒子都大于分子散射所要求的尺寸，所以瑞利定律对它们很少起作用。2. 米散射：当大气悬浮的质点和光波波长相近时，瑞利定律已不适用。米（Mei）对此问题作了一般的理论上的解答，所以称为米散射。如果简单地用类似于瑞利定律的公式来大概地表示，则可以写为： （2）此处为散射系数，为与质点半径大小有关的系数；n为指数，在米散射中n与质点大小 （半径r）有关（在瑞利散射中n等于4），如表1。表1 在米散射中n与质点大小的关系2r（微米）0.420.520.590.640.680.71n43.532.521.5由式（2）和表1可知，当大气中质点的大小与光波波长相近时，它们对不同波长的光的散射仍然是不同的，但是这种差异要比分子散射小得多。有霾时远处暗色物体微带蓝色而又不像天空的蓝色那样鲜明，就是因为它是服从米散射而不是服从瑞利散射的缘故。3. 漫射：当质点远大于红光波长时，它对光波的作用就与波长无关了；此时只有由反射、折射等作用综合而成的漫射，而各色光被漫射的强度并没有多少不同。因此，投射的光线原来是什么颜色，漫射光还是什么颜色。了解以上各种不同的散射作用，对于研究轻雾、霾、浮尘、烟幕等现象的区别是很重要的。在规范和一些教科书中常常把这些现象的颜色作为区别它们的标志之一，就是因为颜色的不同能够在相当的程度上反映出构成这些现象的粒子（质点）之不同缘故。大家知道，组成太阳光的七色光中波长最短的是紫光，其波长为0.4微米；最长的是红光，其波长为0.7微米；其他蓝、青、绿、黄、橙等五色光的波长依次在0.4和0.7微米之间。而构成轻雾、霾、浮尘和烟幕等现象的质粒，其半径一般在0.1微米以上到数十微米的范围，因此它们对光的作用主要是米散射和漫射。这一点，对于理解它们的颜色是重要的。当然，空气中还有许多远小于0.1微米的爱根核，它们和空气分子对于光线的散射是服从瑞利定律的。可是，爱根核虽然数量很多，但总体积却很小，对光线的散射总的说来很微弱，所以只能在霾颜色的形成中起一定的作用。二、这几种天气现象的成因和特征（一）轻雾：轻雾是由微小水滴构成的，能见度在1-10千米时记录。它是在地面以上一定厚度的气层中水汽在凝结核上凝结的产物。从形成原因上说，轻雾可分为两种。 一种是辐射轻雾，是由于晚上辐射降温形成的。它一般只有几米到几十米厚，少数的可超过百米。在丘陵地带，它常出现于低处。在城镇附近由于烟尘多，所以雾及轻雾也较多。由于它与局地的温度、湿度和空气中烟尘杂质微粒多少有关，所以它常是局地性的，不均匀的，其范围一般也不大，各方向上的能见度也不一定相同。另一种出现于阴天或多云的时候，云层下面能见度不好，有时也可以达到轻雾的标准，这是大面积的，它比较均匀，但在城市及工业区方向的能见度仍然比较差一些。另一方面，轻雾既然是水汽在凝结核上凝结而成的，当然就要比凝结核大些。同时，由于很小的水滴曲面大，需要更大的过饱和才能凝结，所以一般说来，云雾滴的半径都大于1微米，且绝大多数大于4微米，也就是说大于光波的波长。因此，它对光的作用主要属于漫射，也就是与光波的波长无关。在这种情况下，外界的光是什么颜色，它就是什么颜色。但由于太阳光是白色的，所以轻雾也近似于白色；但由于雾滴对光线的削弱作用，特别是在轻雾较浓时，看上去是灰白的。轻雾既然是一种水汽凝结现象，形成时当然要求相对湿度较大，所以，相对湿度的大小可以作为判断轻雾的参考依据，特别是在轻雾开始形成时更有参考价值。另外，在相对湿度很小的时候也确实难以形成轻雾。但是值得注意的是，判断轻雾却不能以某一相对湿度作为指标值，因为它们之间的关系颇为复杂。特别是轻雾消失的过程中，由于雾滴的蒸发需要一段时间，所以尽管相对湿度已经不大了，空气中残存的雾滴仍然使能见度小于10千米，此时它仍然是轻雾。（二）霾：霾是大量细微的干尘粒浮游在空中而形成的现象，按规定在能见度小于10千米时记录。霾的质粒大小分布如表2所示。从表2可见，霾的质粒半径绝大多数在0.5微米以下。在大气低层这种质粒总是有的，但要聚积到形成霾的程度，则需要具备以下三个条件。一是风小，不致把空气中悬浮的尘粒吹走。二是要有较强的逆温层，能使高层的尘粒向低层聚积，并使低空的尘粒不致向上扩散。一般说来，霾层顶较高，在1000米左右，在高山上或从飞机上能清楚地看到它。三是要这一逆温层持续数日，能够使尘粒聚集起来。由于这种缘故，霾有一个逐渐形成的过程，形成后常持续数日，其形成不像轻雾那样迅速。由于同样的原因 ，霾常是大范围的，各个方向上的能见度比较均匀，这一点也常与轻雾有异。表2 霾的质粒半径（微米）分布质粒半径0.1-0.20.3-0.40.5-0.60.7-0.80.9-1.01.1-1.21.3-1.41.5-1.6所占百分数5130851122另外，如上所述，霾的质粒半径大部分在0.1-0.5微米，一般说来与光波波长相近，所以它对光线的散射一般遵循米散射的规律，也就是说与光波波长还有一定关系。由于在米散射中波长短的蓝光、紫光要比波长较长的其他色光的散射为强，所以背着太阳看暗色物体时略带蓝色。对着太阳看时，由于波长短的蓝、紫光散射得多，波长较长的红、黄光透过得多，所以亮物体略带红黄色。霾的厚度和范围远比轻雾和烟幕大。但是它的厚度要比浮尘小，其范围可能也没有浮尘大。霾和浮尘、烟幕的区别比较容易，从颜色、气味（烟）和沉淀物（浮尘）以及连续变化特点等方面不难加以辨识。（三）浮尘：浮尘是远处的大风扬起的尘沙随着高空气流移来本地使能见度小于10千米的现象。我国北方春季吹起的“黄沙”南移后即是浮尘，一直移至华南、日本以至夏威夷。被风吹起的尘沙中，粗粒被吹起后随即降下，细沙可随乱流升至3-4千米高的空中，在其移行中又不断有些尘粒沉降地面， 所以愈到远处颗粒愈小。1979年5月2日在夏威夷测得一次由我国吹去的浮尘，颗粒大小还在0.5-50微米之间，也就是说大于光波的波长。因此，浮尘对光的作用也是漫射，但由于它是由黄土构成的，所以实际上看去带有黄色。浮尘期间常会程度不同地有些尘土微粒沉淀在地面物体上。由于浮尘单位何种里含有的质粒的总体积远比霾大，同时浮尘层的厚度（3-4千米）也比霾层（0.5-1.5千米）大，所以它对太阳光的削弱作用也比霾强。因此，有浮尘而太阳较高时可以清楚地看出太阳的轮廓，但不甚刺眼；而在太阳较低时则显得太阳的轮廓也有模糊，并略带红黄色。在实际观测中，浮尘和轻雾、霾、烟幕都不难区别。只是在一次浮尘过程的后期，低层大气中只剩下一些最小的尘粒叶，有时会与霾混淆。这时首先要从天气现象的连续性上考虑，如果不是具备显著的霾的特征，最好仍记浮尘。另外，此时如果仔细分辨，在颜色上也还是有不同的；就是浮尘要更白一些，不会有带蓝色的情况。通过浮尘和霾看太阳都带黄色，但有浮尘时它呈白黄色，有霾时则显得暗些。这一些，要依靠多次观测积累的经验才能判断。（四）烟幕：只有在有烟源的地方，才会有烟幕。这个标志看来简单，但却很有用，因为在我国辽阔的大地上是许多气象站无烟幕可记的。除此之外，还要求烟量较大，扩展成片，掩盖一定面积，使有效能见度降低到10千米以下。因此，烟幕的形成也像霾一样要求具备三个条件。一是要有充分的烟源。二是要风小，烟不会很快扩散。三是要有较低的逆温层，能使烟能聚积在低空而不致向上扩散。形成烟幕的逆温层比霾时低，一般只数百米（少数情况下可能高一些）。烟粒刚从烟囱里出来的时候大小都有，但是大烟粒很快沉降，只有小粒子悬浮在空中向四周扩散。据测定，在烟粒离开烟源分别为0.3小时（或2千米）和2.5小时（或18千米）时，烟粒的大小已很少差异；此时烟粒大多数为3微米左右，也就是说比霾的质粒大，比浮尘的质粒小。因此，烟粒对光的作用也是漫射。但是由于烟粒本身是灰黑色的，消光作用也强，所以随浓度和构成的不同，烟幕看上去是黑色、灰色或褐色的。烟幕浓时，还可以闻到烟味。此外，前面提到，烟幕的形成和消失，除了与风和逆温层的状况有关外，还与烟源有关，所以有烟幕时测站周围各方向的能见度常不是均匀的，持续时间不像霾那样长，而且烟幕的浓度也时有变化。所有这些，都可以作为识别烟幕的标志。事实上，在实际观测中烟幕也不难判断，人们提出的问题是当烟幕与其他视程障碍现象混杂在一起时应当如何记录。这一点在下面还将提到。三、复杂情况的处理天气现象是很复杂的，无论规范或教科书都加以定性的描述，很难给出定性的界限。因此，在实际观测中就难免遇到“这样记也可以，那样记也有理”的情况。有不少同志指出要抓主要的，这是正确的。所谓主要的，就是能够表征其形成原因的一些标志。前面介绍了一些，但远非其全部。为了抓信各种天气现象的本质，除了要熟悉规范规定以外，还要注意学习气象学的原理，同时要注意积累经验，从多次观测对比中增长自己辨识天气现象的能力，此外，还要注意以下几点。（一）要连续观测和综合分析：“观测员常看天”，是一句流传已久的格言。这不仅因为只有“常看天”才能不小漏记各种现象，而且因为只有“常看天”才能辨别和解释它们。当轻雾和霾分别持续存在的时候，确实有时不易区别，因为颜色有时也差不多。但是综合地考虑其演变，就容易区别一些。例如，与霾相比，轻雾形成时浓度变化较快，各方向上能见度常不是均匀的，轻雾的生消有明显的日变化。另外，轻雾常中局地性的、短时间的，而霾则是大范围的，持续时间长。只要把这些特征综合起来分析，在大多数情况下是可以把它们区别开的。有的站规定用相对湿度70%作为区分它们的“硬指标”是不可取的，这种把复杂问题简单化的办法易于引起天气现象的错记。同样，在浮尘和烟幕快要消失的时候，也有可能出现与霾相似的情况，这时也要联系过去的演变来综合考虑。只要霾的特征还不是十分明显，不要轻易改为霾。“连续观测”和“综合分析”的原则对于辨识其他天气现象，特别是辨识云，同样是十分重要的。但这已超出了本文讨论的范围，这里不再多说了。从上一期气象的“关于几种视程障碍现象的讨论”中林国希、王德金、周文英等同志的文章里所报道的情况也可以看出，由于我国地域辽阔，地形复杂，不同地方各种视程现象出现时的具体情况可以有许多差异，必须通过连续的观测和综合的分析才能比较正确地判断。企图简单的办法为它们划一条分界线是不容易的。（二）见什么记什么：观测员应当如实地记录所观测到的天气现象，通俗地说，就是见到什么记什么。例如王德金同志的报道（气象1982年10期）中指出的在四川自贡市出现的轻雾和霾交替出现的情况就是合理的。既然见到了这种情况，就应当把它如实地记录下来。但是，又不能说任何地方任何时候轻雾和霾都会交替出现。有时夜间出现了雾，上午转为轻雾，中午虽然相对湿度较小，但雾滴还未蒸发完（能见度仍在10千米以下），傍晚又增浓；在这种情况下中午就不宜改记为霾。这也是“见到什么记什么”，也是正确的。为了保证记录正确和审核记录方便，遇到这种复杂情况时应当举行集体观测，并把观测的情况、记录的理由和存在的疑问记在值班本上。而审核员则应与观测员共同研究怎样记录才符合事实，不要在是否错情上争论不休，因为遇到这一类复杂情况时任何人都是不好处理的。（三）要按规范办事：一般说来，规范中关于各种天气现象的技术规定是依据已有的气象学原理和前人的大量观测经验制定的，是应当坚决执行的。但是由于我国地域辽阔，地形复杂，各种天气现象的具体形成条件千差万别，规范很难概括齐全。同时，受气象科学发展阶段的限制，也会有一些差异情况还未被发现，因而规范中也就未能概括进去。因此，遇到所观测到的现象与规范不完全符合时应当怎样处理，就成为一个值得研究的问题。谈刚毅同志的报道（气象1981年第6期）中所指出的现象就是一个例子。在这个例子中，该站原有轻雾，后来四分之三的视野中轻雾为烟雾所掩盖，但还有四分之一的视野保持轻雾的特征，因此当时作者认为当时轻雾与烟幕同时存在。这种见解是符合事实的，这种现象也是应当加以报道的，但是作为气簿-1的正式记录，却应当只记烟幕，不记轻雾；因为按规范规定，确定视程障碍现象是以有效能见度为准的，而只占视野四分之一的现象不能作为正式记录记入气簿-1。规范这样规定，主要是考虑了使用和服务的需要。这样规定是合适，将来要不要修改，都可以讨论。但在未修改之前，仍应当按规范办事，以保证记录的比较性。在此同时，可以把同时有轻雾的情况记到备注里，当然也可以写成报道投寄气象刊物。进行科学研究和完成业务技术工作都重要，但它们的区别，前者是要发现新的现象和规律，后者则必须执行现行规定，不要把它们混淆起来。（四）要加强业务技术指导工作：规范的正确贯彻执行，需