雾和霾是两种天气现象。根据气象学定义，雾是大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶导致的低能见度现象(陆春松等，2011)；霾是指大量极细微的干气溶胶粒子等均匀浮游在空中，造成能见度低于10 km的普遍浑浊现象(张小曳等，2013)，霾不仅影响人类健康、污染大气，同时对全球能量平衡有着重要影响(Meng et al，2014; He et al，2014)。雾霾之间相互影响，当浓雾形成时，伴随逆温层的存在，大气稳定，霾粒子在逆温层下累积；霾粒子作为凝结核，为雾的形成提供了必要的物质条件(杨军等，2010)。同时，雾过程可增加气溶胶中的可溶性离子含量，增加大气中苯、甲苯、二甲苯、乙苯含量，对二次有机气溶胶形成有重要贡献，对气溶胶粒子的物理化学特征有重要影响(樊曙先等，2009，2010)。通过分析雾天、霾天的湍流运动特征有助于进一步分析雾天和霾天的形成机理。

一些学者讨论了雾天的湍流运动特征。吴彬贵等(2010，2013)针对天津城区的一次平流雾过程分析了平流雾湍流输送特征及湍流统计特征。Liu等(2011)在对南京郊区一次辐射雾的研究中指出，在该次雾过程成熟阶段湍能明显增大，边界层呈近中性层结。吕晶晶等(2014)在对湛江一次海雾的分析中指出，雾成熟期湍流动能大幅74度跃增主要是由雾顶辐射冷却产生的热力湍流和风切变引发的机械湍流增强所致。也有学者指出雾生消维持与湍流的影响有关。Zhou等(2008)指出雾越浓，其所能承受的湍流强度越大。Rodhe(1962)分析了雾过程中热量和水汽的湍流输送以及平流雾和辐射雾的形成原因。Emmons等(1947)指出，在雾形成时，热量和水汽的湍流输送有着相同的作用。赵丽娟(2012)分析了湍流强度对雾宏微观物理结构的影响，并结合临界湍流交换系数分析了湍流运动在雾生成、发展、成熟、消散过程中的作用，并发现湍流对雾宏微观结构的影响表现出明显的阈值特征，而雾宏微观物理结构的发展又会影响边界层中的湍流特征。

也有不少学者研究了沙尘天气的湍流特征。孙继明等(2002)比较分析了荒漠下垫面不同沙尘状况下的湍流动量通量、感热通量和潜热通量的日变化特征。彭珍等(2007)的研究表明，沙尘暴爆发时湍流动能、向下传输的动量及向上传输的感热也迅速增大。周悦等(2010)分析了半干旱地区的不同沙尘天气下近地层湍流通量的变化特征以及PM₁₀质量浓度与起沙之间的关系。刘辉志等(2002)针对北京3层湍流资料讨论了湍流宏观统计量等随稳定度的变化规律。周明煜等(2005)对比分析了北京城市大气边界层低层不同高度的风、温度和湿度梯度资料、大气湍流和大气化学观测系统资料，综合分析获取了无因次速度、温度湍流方差和湍流通量、湍能分布特征。

另有一些学者分析了不同天气或不同下垫面的湍流运动特征。Niu等(2012)针对南京北郊的不同天气，分析了不同稳定度条件下三维风速的湍流振荡情况，认为不同稳定度条件下无因次风速分量方差和无因次湍流动能都符合1/3幂次律；近中性层结下的水平无因次风速分量和无因次湍流动能是雾天＞晴天＞阴天＞多云天，垂直无因次风速分量方差和无因次湍流动能的4种天气比较则与上述相反；温度归一化标准差在不稳定层结下与z/L(z为观测高度，L为莫宁-奥布霍夫长度)的关系满足-1/3幂次律，稳定层结下则满足-2/3幂次律。张宏升等(2004)利用戈壁、草原、郊区和城郊等不同下垫面的湍流观测资料，研究了不同下垫面的湍流统计特征，结果表明，三维风速归一化标准差与z/L成1/3幂次关系；水平方向速度归一化标准差随地面粗糙度的增大而降低，垂直方向的速度、温度和湿度没有明显差异。

然而，受观测资料所限，有关雾、霾天气湍流特征的对比研究尚少。近年来随着雾、霾天气增多，有必要加强雾、霾天气湍流特征的对比研究，以进一步揭示雾、霾天气的形成机理。本研究以2013年冬季中国南京郊区(南京信息工程大学观测场)雾、霾综合观测实验为例，利用超声风速仪、能见度仪等探测资料，对比分析南京霾、雾、晴天的湍流运动特征。2 资料选取及处理 2.1 仪器介绍

观测采用CSAT3超声风速仪(Compbell，美国)，可测量u、v、w三维风速分量和声速c，并由此计算出声学虚温T_v。水平方向和垂直方向风速分量的测量误差分别小于±0.04和±0.02 m/s。仪器采样频率设置为10 Hz。能见度采用英国Biral公司生产的VPF-730能见度仪观测，每隔30 s观测一个数据。 2.2 观测时间、地点及数据处理

本研究观测地点在南京信息工程大学(32°12′N，118°42′E)，位于中国南京北郊，距离市区约20 km，观测点下垫面为草地，周围林木稀疏、建筑物较少，站点地理位置和下垫面特征反映郊区地表的典型特点，属于郊区下垫面。观测时间为2013年12月1—31日。选取一次霾过程(2013年12月4日)、一次雾过程(2013年12月7日18时35分—9日09时)(北京时，下同)和一个晴天(2013年12月3日)进行对比分析。

参考Vickers等(1997)的方法对湍流资料进行处理，主要包括剔除野点、质量控制、平面拟合、阻尼损失校正和Webb校正等步骤。湍流统计特征量主要有:三维风速脉动量

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2013年12月4日霾过程期间(以下简称霾天)平均气温8.58℃，平均相对湿度75.14%，平均风速0.34 m/s，平均能见度0.90 km，风向以偏西北为主，观测点500 hPa上逐渐从槽底移至脊前，处于稳定的下沉运动区。2013年12月7日18时35分—9日09时雾过程(以下简称雾天)发生时平均相对湿度94.98%，平均风速1.05 m/s，平均气温5.87℃，平均能见度为0.33 km。7日08时之后，500 hPa上观测点南京受上游槽控制，风速增大至8级，暖平流明显。8日08时—9日08时，南京正处于槽的底前部，风向由西北转为西南，风速明显增大。2013年12月3日为晴天(以下简称晴天)，没有出现雾、霾现象，平均气温10.77 ℃，平均相对湿度49.32%，平均风速0.55 m/s，平均能见度4.06 km，风向以偏北为主，500 hPa上观测点南京处于逐渐增强的上升运动区。晴天用于与霾天和雾天的对比研究。 3.2 近地层湍流参量的演变特征

湍流是雾、霾生成和发展过程中不可忽视的因子之一，研究雾、霾过程中的湍流变化过程能有效揭示湍流运动对雾、霾形成的影响。

图 1、2、3分别为霾、雾、晴天湍流参量随时间的演变。图 1a、2a、3a分别为3种天气能见度的变化，可以看出，霾天除了10—16时能见度大于1 km外，其余时段能见度均小于1 km；雾天能见度小于1 km，且在12月8日03—10时和12月8日18—9日02时能见度小于0.1 km，出现两次雾爆发性发展过程；晴天00—16时能见度大于4 km，16时以后能见度下降但仍大于1 km。

图 1 2013年12月4日霾天的能见度(a)、水平平均风速(b)、湍流动能和动能(c)、湍流强度(d)、摩擦速度(e)和稳定度参数(f)随时间的演变Fig. 1 Changes in the haze day turbulence parameters on 4 December 2013(a．visibility，b．mean horizontal wind speed，c．turbulence kinetic energy and kinetic energy，d．turbulence intensity，e．friction velocity，f.stability parameter)

图选项

图 2 2013年12月7—9日雾天的能见度(a)、水平平均风速(b)、湍流动能和动能(c)、湍流强度(d)、摩擦速度(e)和稳定度参数(f)随时间的演变Fig. 2 Changes in the fog day turbulence parameters from 7 to 9 December 2013(a．visibility，b．mean horizontal wind speed，c．turbulence kinetic energy and kinetic energy，d．turbulence intensity，e．friction velocity，f.stability parameter)

图选项

图 3 2013年12月3日晴天的能见度(a)、水平平均风速(b)、湍流动能和动能(c)、湍流强度(d)、摩擦速度(e)和稳定度参数(f)随时间的演变Fig. 3 As in Fig. 2 but for the sunny day turbulence parameters on 3 December 2013

图选项

图 1b、c，2b、c，3b、c分别为3种天气水平平均风速(u)、平均动能(E)、湍流动能(E_TK)的演变。3种天气u与E的变化趋势一致，即u最大的时候也是湍流输送最强烈的时候。霾天u在正午达到峰值1.2 m/s，雾天在雾消散阶段，由于天气系统的变化u达到峰值3 m/s，晴天全天u波动较大，与其层结不稳定有关。E_TK表征湍流扩散能力的强弱。雾、霾、晴天E_TK均小于E，两者变化趋势相似但不完全一致。霾天和晴天E_TK白天较大，夜间较小。雾天在雾发展成熟阶段(12月7日18时—9日00时)E_TK和E的变化很小，与刘熙明等(2010)的研究结果类似。Liu等(2011)也指出，E_TK、E的减小有助于雾的加强。

图 1d、e，2d、e，3d、e分别是霾、雾、晴天三维方向的湍流强度(I_u、I_v、I_w)和摩擦速度u_*的演变。霾、晴天湍流强度(I_u、I_v、I_w)和u_*的变化趋势一致；而雾天在发展和成熟阶段(12月7日18时—9日0时)湍流强度和摩擦速度的变化较一致，消散阶段(12月9日00时—09时)不一致。u*受风速、地表状况和粗糙度的影响，表示近地面雷诺应力大小，是表征空气运动性质的一个重要参量，u*越大，则机械湍流越强(缪启龙等，2010)。霾、晴天I_u、I_v、I_w和u_*具有日变化特征，湍流强度垂直方向比水平方向明显，日出后湍流开始发展，日落后湍流发展受到抑制。白天大气近地层处于不稳定状态，对流比较旺盛，使得影响摩擦速度变化的因子u′w′和v′w′较大；夜间，近地层处于稳定状态，对流减弱，u′w′和v′w′明显减小，故而摩擦速度减小。雾天没有明显的日变化，可能是因为雾天的近地层大气层结状态与晴天的层结特征有差异，雾的存在改变了大气原有的层结结构，这一点已被多次验证(张光智等，2005；吴彬贵等，2010)，由此表现为雾天的湍流参量演变特征与霾、晴天的情况有所不同。E_TK、E与I_u、I_v、I_w的发展趋势不完全一致；苏红兵等(1994)认为，这是因为E_TK只取决于速度的方差，而湍流强度取决于速度方差和平均风速，而往往平均风速变化幅度比速度方差大得多。雾天u、u_*、E_TK、E从12月9日00时起明显增大，这是因为天气背景发生了变化，观测点由槽前转为槽后。

图 1f、2f、3f分别为霾、雾、晴天稳定度参数z/L随时间的演变。霾天04—15时以近中性层结为主，其余时段有较大波动且以稳定层结为主；雾天z/L在形成初期(12月7日18时—8日02时)以弱不稳定层结为主，第1次爆发性增长时(12月8日02—12时)在稳定和不稳定层结间频繁转换，第2次爆发性增长时(12月8日18时—9日02时)以弱不稳定层结为主，消散阶段以近中性层结为主；晴天04—15时以近中性层结为主，其余时段有波动且以不稳定层结为主。霾、雾、晴天边界层结构不同，与天气系统有关。

图 4和5分别是霾天、晴天和雾天动量通量(τ)、感热通量(H)、潜热通量(Q)和鲍恩比(β)随时间的演变。可见，霾天动量以向上输送为主，而晴天以向下输送为主；两者均在白天(06—18时)有较大波动。而雾天则没有明显的日变化，只在雾消散阶段明显增大且动量向下输送。H是由于湍流运动从地面向大气传输的热量通量；霾、晴天均是正午较大，峰值分别为17和50 W/m²，霾天由于大量气溶胶的存在减少了地面净辐射，峰值较小。除了正午时段外，霾、晴天H均在0附近波动，这可能是由于日落后及日出前大气层结稳定及夜间逆温层的出现。Q是由于水汽相变向大气传输的热量，大小取决于土壤含水量、植被覆盖率及近地层风温湿梯度(周悦等，2010)。霾天和晴天除能见度较高时段(07—15时)Q为正外，其余时段均接近于0 W/m²。也有学者发现感热和潜热通量的日变化较明显(胡非等，2006；缪启龙等，2008)。总体而言，霾天Q小于晴天，其原因可能是气溶胶粒子对太阳辐射具有散射和反射作用，入射短波辐射减少，导致近地面温度较低。雾天H、Q没有明显的日变化特征，仅在第1次爆发性发展时(12月8日05—11时)和消散阶段(12月9日00—04时)出现较大波动，其余时段H、Q变化较小。雾滴凝结释放潜热使H趋于0，强热力混合作用会使雾层的热力性质趋于一致，湍流活动减弱，其结果一方面使向下的动量输送减弱，风速减小，另一方面也使热量输送减弱，气温变化减小。

图 4 2013年12月4日霾天和2013年12月3日晴天的动量通量(a)、感热通量(b)、潜热通量(c)和鲍恩比(d)随时间的演变Fig. 4 Changes in the turbulence parameters in the haze day on 4 December 2013 and the sunny day on 3 December 2013(a．momentum flux，b．sensible heat flux，c．latent heat flux，d．Bowen ratio)

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图 5 2013年12月7—9日雾天的动量通量(a)、感热通量(b)、潜热通量(c)和鲍恩比(d)随时间的演变Fig. 5 As in Fig. 4 but for the fog day turbulence parameters from 7 to 9 December 2013

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表 1列出了霾、雾、晴天湍流参量的平均值对比情况。u、E_TK、E、u_*均为雾天>晴天>霾天，这可能是因为雾天天气系统不稳定且风速较大，而霾天天气系统较稳定且风速较小。I_u、I_v、I_w则是晴天较大，雾、霾天较小，因为湍流强度取决于速度方差和平均风速，且平均风速变化幅度大于速度方差，所以3种天气的湍流强度与湍流动能大小关系不一致。综观全天情况，霾天和晴天以近中性层结为主，而雾天以弱不稳定层结为主。霾、雾、晴天平均动量向下输送，且雾天平均动量输送比霾、晴天大一个量级，表明雾天动量交换更剧烈。雾、晴天感热向上输送，而霾天感热向下输送，这可能是因为晴天气溶胶粒子少，太阳可以直接加热地表，雾天天气系统不太稳定，霾天天气系统较稳定。晴天潜热输送最大，霾天次之，雾天最小，表明晴天水汽输送最强，雾天虽然水汽丰富但是输送较少。从鲍恩比(β)来看，3种天气的感热输送均大于潜热输送。

下面具体分析湍流风速、湍流动能、温度、湿度的统计特征(霾、雾、晴天资料是根据能见度选取的)。3.3.1 风速湍流统计特征

在中性情况下，近地层湍流主要由机械湍流生成，几乎没有热力作用，三维方向风速归一化标准差σ_u/u_* 、σ_v/u_*、σ_w/u_*在近中性层结条件下近似为常数(岳平等，2011)。表 2对比了此次霾、雾、晴天以及其他文献中近中性条件下σ_u/u_* 、σ_v/u_*、σ_w/u_*的值。可见，晴天σ_u/u_* 、σ_v/u_* 最大，霾天次之，雾天最小；而σ_w/u_*则是晴天>雾天>霾天，这可能与近地层大气的非均匀性有关。相较于其他城市、不同下垫面的观测值，此次观测的σ_u/u_* 、σ_v/u_* 值偏大，σ_w/u_*值与其他观测值相当。其原因主要在于水平方向上涡旋尺度较大，受复杂下垫面影响较大，适应水平方向下垫面的变化较慢，而垂直方向涡旋较小，受复杂下垫面的影响较小(陈继伟等，2014)。

当近地层不稳定达到对流状态时，浮力将成为控制湍流脉动及相应动量传输的主要因子(岳平等，2011)。根据莫宁-奥布霍夫相似理论，近地面大气层不稳定时，σ_u/u_* 、σ_v/u_*、σ_w/u_*与z/L符合1/3幂次律。图 6为稳定层结和不稳定层结下霾、雾、晴天σ_u/u_* 、σ_v/u_*、σ_w/u_*随z/L的变化情况。霾天拟合曲线为

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由图 6a、c、e可见，不稳定层结下，霾、雾、晴天σ_u/u_* 、σ_v/u_*、σ_w/u_*均表现为随不稳定度的增大而增大，尤其在-z/L>0.1时。-z/L<0.1时，σ_u/u_*、σ_v/u_*、σ_w/u_*变化较小。即-z/L>0.1时，σ_u/u_*、σ_v/u_*、σ_w/u_*基本满足1/3幂次律。Roth(1993)在加拿大温哥华的观测结果表明，当z/L<-0.6时，σ_u/u_* 、σ_v/u_*、σ_w/u_*基本满足1/3幂次律；而在北京的325 m气象塔的47 m观测结果(周明煜等，2005)表明，在z/L<-1时，σ_w/u_*基本满足1/3幂次律。且σ_w/u_*与图中黑线的吻合情况比σ_u/u_* 、σ_v/u_*好，这可能是因为垂直方向涡旋比水平方向涡旋小，受复杂下垫面的影响也小。雾、霾天拟合曲线的相关性最好，晴天最差。总之，3种天气σ_v/u_*与z/L的相关性最好。晴天σ_u/u_* 、σ_v/u_*、σ_w/u_*比雾、霾天大，表明晴天风速脉动较大。Panofsky等(1984)认为，稳定层结下，σ_u/u_* 、σ_v/u_*、σ_w/u_*近似为常数。由图 6b、d、f可见，稳定层结下，σ_u/u_* 、σ_v/u_*、σ_w/u_*随z/L的增大表现有增大趋势，但是增大趋势不明显，可能是由于稳定层结时湍流高频段受到抑制而间歇湍流、重力波等起主导作用所致。目前对稳定层结下湍流运动的认识还不十分充分，有待进一步研究(周明煜等，2000)。

图 6 霾、雾、晴天中u、v、w方向的风速归一化标准差(σu/u* 、σv/u*、σw/u*)随z/L的变化 (a、c、e．不稳定层结，b、d、f．稳定层结)Fig. 6 σu/u*，σv/u* and σw/u* as a function of the stability(z/L)during the haze-day，fog-day and sunny day (a，c，e．unstable stratification；b，d，f．stable stratification)

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图 7为霾、雾、晴天不同稳定度条件下湍流动能归一化标准差E_TK/u_*²随z/L的变化。可见在不稳定条件下(图 7a)，随着|z/L|减小，霾、雾、晴天E_TK/u_*²均有减小趋势，但三者拟合曲线差异较大。霾天拟合曲线为E_TK/u_*²=-18.05(1+237.02z/L)^1/3，雾天拟合曲线为E_TK/u_*²=18.17(1-713.09z/L)^1/3，晴天拟合曲线为E_TK/u_*²=14.36(1-4.81z/L)^1/3。雾、霾、晴天E_TK/u_*²随着|z/L|减小，雾天、霾天减小幅度较大，而晴天则减小幅度较小，尤其在|z/L|<0.1时。雾天湍流动能大于霾天。而在稳定条件下(图 7b)，随着稳定度的增大，霾、雾、晴天E_TK/u_*²均有增大趋势。霾天拟合曲线为E_TK/u_*²=13.62(1+1.67z/L)^1/3，雾天拟合曲线为E_TK/u_*²=10.43(1+1.25z/L)^1/3，晴天拟合曲线为E_TK/u_*²=17.61(1+4.17z/L)^1/3。霾天拟合曲线介于晴天和雾天之间。不稳定层结下3种天气拟合曲线的相关性比稳定层结好，即不稳定层结下，E_TK/u_*²与z/L的关系更加符合1/3幂次律。这与Niu等(2012)的结论一致，即稳定和不稳定条件下，E_TK/u_*²基本满足1/3幂次律，但是拟合方程有所区别。

图 7 霾、雾、晴天中湍流动能归一化标准差(ETK/u*2)随z/L的变化 (a．不稳定层结，b．稳定层结)Fig. 7 ETK/u*2 as a function of the stability(z/L)during the haze day，fog day and sunny day (a．unstable stratification，b．stable stratification)

图选项

图 8为霾、雾、晴天温度归一化标准差(|σ_T/T_*|)及水平热量通量和垂直热量通量之比(|u′T′/w′T′|)随z/L的变化。图 8a中虚线表示Wyngaard等(1971)在自由对流(z/L>1)条件下给 出的表达式|σ_T/T_*|=C(-z/L)^-1/3。在美国堪萨斯草原下垫面条件下C=0.95。霾、雾、晴天|σ_T/T_*|基本大于该曲线。因为本研究观测点位于郊区，下垫面不同，所以，拟合曲线差异较大。霾、雾、晴天|σ_T/T_*|随z/L变化的拟合曲线分别为

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图 8 霾、雾、晴天温度归一化标准差(|σT/T*|)(a、b)及水平热量通量与垂直热量通量之比(|u′T′/w′T′|)(c、d)随z/L的变化(a、c.不稳定层结，b、d.稳定层结)Fig. 8 |σT/T*|(a，b) and |u′T′/w′T′|(c，d)as a function of the stability(z/L)during the haze day，fog day and sunny day(a，c．unstable stratification；b，d．stable stratification)

图选项

3条拟合曲线差异不大，说明在不稳定层结下，霾、雾、晴天|σ_T/T_*|随z/L的变化类似，随|z/L|增大，|σ_T/T_*|减小；但是霾天拟合曲线的相关性比雾天、晴天强，表明霾天|σ_T/T_*|随z/L的变化更加符合1/3幂次律。图 8b为稳定层结下霾、雾、晴天|σ_T/T_*|随z/L的变化。霾、雾、晴天|σ_T/T_*|均按-2/3幂次律变化，拟合曲线分别为 |σ_T/T_*|=5.42(-z/L)^-2/3，|σ_T/T_*|=1.15(-z/L)^-2/3，|σ_T/T_*|=1.54(-z/L)^-2/3。晴天的拟合曲线介于霾天、雾天之间。稳定层结下，3种天气拟合曲线的相关性比不稳 定层结强。随着z/L增大，|σ_T/T_*| 减小。表明在近中性层结下，3种天气的热量湍流比稳定或不稳定层结下更大，其原因在于稳定层结时湍流发展受到抑制，不稳定层结时上下层空气混合导致垂直温度分布趋近于各向同性。综合图 8a、b可见，霾天|σ_T/T_*|较大，即霾天温度脉动较大，雾、晴天次之。

图 8c、8d为|u′T′/w′T′|随z/L的变化。3种天气的|u′T′/w′T′|分布较离散，没有明显规律。可见霾、雾、晴天热量水平输送基本大于垂直输送。这表明3种天气的热量输送以水平输送为主。3.3.4 湿度湍流统计特征

图 9为霾、雾、晴天湿度归一化标准差(|σ_q/q_*|)及水平水汽通量与垂直水汽通量之比(|u′q′/w′q′|)随z/L的变化。图 9a为不稳定条件下|σ_q/q_*|随z/L的变化。其中，虚线为根据Högström(1974)的公式 |σ_q/q_*|=1.04(-z/L)^-1/3计算的农田下垫面自由对流条件下 |σ_q/q_*|随z/L的变化。在不稳定条件下，霾、雾、晴天的 |σ_q/q_*|基本在该曲线上方，其原因在于下垫面不同。霾、雾、晴天 |σ_q/q_*|随z/L 的拟合曲线分别为 |σ_q/q_*|=3.64(-z/L)^-1/3，|σ_q/q_*|=2.08(-z/L)^-1/3，|σ_q/q_*|=1.94(-z/L)^-1/3。雾天拟合曲线介于霾天、晴天之间，表明不稳定层结下，霾天湿度脉动大于雾天、晴天。3种天气下基本符合-1/3幂次律，但是拟合曲线相关性较小，这可能与观测点较低(2 m)导致下垫面不均匀性有关。图 9b为稳定条件下|σ_q/q_*|随z/L的变化。霾、晴天 |σ_q/q_*|随稳定度增加有增大趋势；雾天在z/L<0.1时，|σ_q/q_*|有增大趋势，在z/L>0.1 时，|σ_q/q_*|有减小趋势。

图 9 霾、雾、晴天湿度归一化标准差(|σq/q*|)(a、b)及水平水汽通量与垂直水汽通量之比(|u′q′/w′q′|)(c、d)随z/L的变化(a、c.不稳定层结，b、d.稳定层结)Fig. 9 |σq/q*| and |u′q′/w′q′| as a function of the stability(z/L)during the haze-day，fog-day and sunny day(a，c．unstable stratification；b，d．stable stratification)

图选项

图 9c是不稳定条件下|u′q′/w′q′|随z/L的变化。可见，雾、霾、晴天|u′q′/w′q′|随z/L的变化均符合-1/3幂次律，霾、雾、晴天拟合曲线分别为|u′q′/w′q′|=15.93(-z/L)^-1/3，|u′q′/w′q′|= 35.16(-z/L)^-1/3，|u′q′/w′q′|=8.31(-z/L)^-1/3，且霾天拟合曲线的相关性比雾、晴天好。霾天拟合曲线介于雾天、晴天之间，表明雾天水汽水平输送相对于垂直输送最强，霾天次之，晴天最弱。图 9d为稳定条件下|u′q′/w′q′|随z/L的变化，可见数据点较离散，没有明显的变化趋势。由图 9c、d可见，不稳定层结下水汽输送既有水平输送也有垂直输送，而稳定层结下以水平输送为主。 3.4 雾、霾天谱分布特征

图 10为霾天、雾天和晴天不同时次的归一化 u、v、w谱。图中实线为近中性条件下的Kansas谱(Kaimal et al，1994)；斜线斜率为-2/3。根据科尔莫哥罗夫理论，湍流的热力和动力生成主要发生在靠近谱峰的低频区域，低频湍流所含能量逐级向较高频率的涡旋传递，直至最后完全被分子热耗散。高频部分存在一段惯性副区，其中能量在逐级传递中不发生耗散损失(王介民等，1990)。S_u 、S_v、S_w表示u、v、w方向速度功率谱密度，n为频率，d为零平面位移(等于0.02 m)，横坐标n(z-d)/u表示无量纲频率。当雷诺数足够大，涡旋的级数很多，且外界能不断提供能量时，在某一级涡旋后能量是平衡的，运动是各向同性的，形成局部均匀的各向同性湍涡。反映在频谱分析上，高频区存在这样一个惯性区，其谱密度满足nS_u∝n^-2/3 、nS_v∝n^-2/3 、nS_w∝n^-2/3(陶立英等，1996)。关于湍谱的-2/3次方规律的具体推导过程可参考徐玉貌等(1993)。由图 10可见，3种天气不同时次的惯性副区均符合-2/3次方规律，即满足各向同性定律。

图 10 霾天(a、b、c)、雾天(d、e、f)、晴天(g、h、i)湍流能谱密度随无因次频率的变化(a、d、g/b、e、h/c、f、i.u/v/w能谱密度)Fig. 10 Turbulence energy spectral densities as a function of the normalized frequency during the haze day(a，b，c)，fog day(d，e，f) and sunny day(g，h，i)(a，d，g/b，e，h/c，f，i.u/v/w energy spectral densities)

图选项

与Kansas谱比较可知，霾天u、v、w谱均在含能涡区明显偏高；雾天u、v谱在含能涡区偏高，而晴天仅v谱在含能涡区偏高。3种天气在过渡区和惯性副区与Kansas谱基本吻合。

对比这3种天气不同时次的能谱密度可以发现，霾天和晴天各时次能谱密度差异比雾天明显，且均为04时＞08时＞12时＞20时＞16时，表明在一天的不同时次，霾天与晴天能谱密度的变化是相似的。雾天各发展阶段的能谱密度差异不大，湍流能量较稳定。对比3种天气的能谱密度大小可发现，雾天＞晴天＞霾天，其原因可能是雾天风速较大，且处于近中性层结，扰动较大，而霾天风速最小，层结较稳定，因而扰动较小。

3种天气的峰值频率也有差异。霾天u、v、w谱峰值频率约为0.01 Hz，平均风速约为0.4 m/s，根据泰勒假设可求得对应的湍涡尺度为40 m，时间尺度为1 min。雾天u谱峰值频率约为0.004 Hz，平均风速为1.2 m/s，对应的湍涡尺度为300 m，时间尺度为4 min。v、w谱峰值频率约为0.01 Hz，对应的湍涡尺度为120 m，时间尺度为1 min。晴天u、v、w谱峰值频率约为0.1 Hz，平均风速约为0.5 m/s，湍涡尺度为5 m，时间尺度为10 s。根据典型的湍流时间尺度，风切变产生的机械湍流时间尺度为1 s—1 min，雾或层积云热力湍流的时间尺度为1 min—1 h(Stull，1988)。可知，霾天和晴天以机械湍流为主，雾天既有机械湍流也有热力湍流。4 结 论

利用南京2013年超声风速仪等资料对比分析了南京一个霾天、一次雾过程和一个晴天的湍流运动特征，得到以下结论：

(1)霾天和晴天的水平平均风速、湍流动能、平均动能、湍流强度、摩擦风速、动量和感热通量均有明显的日变化；而雾天的上述参量没有明显的日变化，这是由于雾过程的特殊性造成的。霾天和晴天白天以近中性层结为主，夜间分别以稳定层结和不稳定层结为主，雾天在爆发性发展阶段以不稳定层结为主。雾、晴天感热向上输送，而霾天感热向下输送。霾、雾、晴天感热通量大于潜热通量。

(2)近中性层结下，霾天σ_u/u_*、σ_v/u_*、σ_w/u_*近似为常数，为3.15、2.72、1.17，雾天为3.11、2.45、1.25，晴天为3.40、3.45、1.50。不稳定层结条件下，霾、雾、晴天σ_u/u_*、σ_v/u_*、σ_w/u_*随稳定度参数z/L的变化基本符合1/3幂次律，即莫宁-奥布霍夫相似性理论，且霾、雾天比晴天更加符合1/3幂次律。晴天风速脉动较大，稳定层结下湍流发展受到抑制。

(3)不稳定层结和稳定层结下，霾、雾、晴天湍流动能归一化标准差E_TK/u_*²随z/L的变化基本满足1/3幂次律，不稳定层结下3种天气更加符合1/3幂次律；不稳定层结和稳定层结下，霾、雾、晴天温度归一化标准差(|σ_T/T_*|)随z/L的变化分别满足-1/3和-2/3幂次律，且不稳定层结下拟合曲线的相关性比稳定层结下好，霾天温度脉动较大，霾、雾、晴天热量均以水平输送为主；不稳定层结下霾、雾、晴天湿度归一化标准差(|σ_q/q_*|)和|u′q′/w′q′|随z/L的变化满足-1/3幂次律，霾天湿度脉动最大，雾天|u′q′/w′q′|最大，不稳定层结下水汽既有垂直输送也有水平输送，稳定层结下水汽以水平输送为主。

(4)雾天归一化u、v、w谱与Kansas谱吻合度比霾天和晴天高，离散度较小。霾、雾、晴天均符合莫宁-奥布霍夫局地各向同性理论。不同天气下不同时次的能谱密度有差异。霾天和晴天以机械湍流为主，雾天既有机械湍流也有热力湍流。

得出的结论为研究雾、霾天的湍流特征提供了一定依据。然而，由于本研究仅对2013年12月初南京郊区雾、霾过程个例进行分析，且地理环境特定，所得出结论的普适性还有待验证。