石家莊地區(qū)春季晴、霾天氣溶膠觀測(cè)研究

孫 霞,銀 燕*,孫玉穩(wěn),段 英,吳志會(huì) (.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 0044；.河北省人工影響天氣辦公室,河北 石家莊 0500)

石家莊地區(qū)春季晴、霾天氣溶膠觀測(cè)研究

孫 霞1,銀 燕1*,孫玉穩(wěn)2,段 英2,吳志會(huì)2(1.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局大氣物理與大氣環(huán)境重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044；2.河北省人工影響天氣辦公室,河北 石家莊 050021)

利用2006年和2007年河北省機(jī)載粒子探測(cè)系統(tǒng)(PMS)獲得的飛行探測(cè)資料,分析了石家莊地區(qū)春季上空大氣氣溶膠粒子的濃度垂直分布特征、不同高度上的譜分布和水平變化特征,并對(duì)粒子譜分布進(jìn)行了負(fù)冪函數(shù)擬合.分析表明,霾天氣下的氣溶膠粒子數(shù)濃度高于晴天1個(gè)量級(jí),達(dá)到104個(gè)/cm3;粒子平均直徑為0.13～0.26μm;氣溶膠粒子濃度水平變化受下墊面、云區(qū)等局地影響因子較大,受不同天氣狀況影響較小;負(fù)冪函數(shù)對(duì)細(xì)粒子譜分布有較好的擬合效果.

氣溶膠；垂直分布；水平分布；譜分布；機(jī)載PMS系統(tǒng)；石家莊地區(qū)

霾作為一種天氣現(xiàn)象,其本質(zhì)是大氣氣溶膠的細(xì)粒子濃度增加,且粒子表面吸附了有害物質(zhì).不僅降低了能見度,也構(gòu)成了對(duì)人體健康的危害.隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及城市化進(jìn)程加速,人為排放的氣態(tài)污染物加劇了霾的生成.因此研究霾天氣下氣溶膠粒子的分布特征具有重要意義.

國(guó)外利用機(jī)載粒子探測(cè)系統(tǒng)(PMS)對(duì)大氣氣溶膠的觀測(cè)開始于 20世紀(jì) 70年代后期.如Twohy等[1]發(fā)現(xiàn)大多數(shù)氣溶膠的直徑＜0.20μm. Snider等[2]基于分析ACE-2試驗(yàn)的觀測(cè)資料,認(rèn)為相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠粒子的大小分布有影響. Irena等[3]認(rèn)為氣溶膠會(huì)對(duì)碰撞凍結(jié)產(chǎn)生的云滴譜分布有中等程度的影響.Lo等[4]研究了美國(guó)冬季風(fēng)暴中降水粒子尺度譜分布.

我國(guó)氣溶膠的飛機(jī)觀測(cè)始于1982年,如游景炎等[5]利用中國(guó)氣象科學(xué)研究院購(gòu)置的美國(guó)早期PMS的ASASP-100探頭曾對(duì)晴空大氣氣溶膠的分布進(jìn)行過觀測(cè)分析.逐步運(yùn)用到一些省份的外場(chǎng)試驗(yàn),取得了很多有價(jià)值的探測(cè)資料[6-10].以上這些觀測(cè)過程大部分是在晴空天氣下進(jìn)行的,分別研究了氣溶膠粗、細(xì)粒子的濃度變化,粒子譜分布特征以及引起這些變化的氣象因素等.而對(duì)于霾天氣下的PMS觀測(cè)資料尚不多見,為此作者利用PMS粒子測(cè)量系統(tǒng)及天氣資料,分析了2006、2007年春季石家莊地區(qū)氣溶膠在晴、霾天條件下的垂直分布、水平分布、譜分布特征及大氣狀態(tài)的關(guān)系,為研究霾的形成機(jī)理提供飛機(jī)觀測(cè)依據(jù).

1 飛行概況及分析方法

1.1 PMS觀測(cè)儀器

觀測(cè)使用的飛機(jī)是美國(guó)派珀飛機(jī)公司生產(chǎn)的夏延ⅢA型,加裝探測(cè)儀器后最大飛行高度8000m,巡航速度一般在 360～400km/h.機(jī)上裝載了由美國(guó) PMI公司生產(chǎn)的氣溶膠粒子探頭(PCASP-100X)、前向散射滴譜探頭(FSSP-100-ER)、二維灰度云粒子探頭(OAP 2DGA-2)和二維灰度降水粒子探頭(OAP 2DGB-2). PCASP-100X探頭用于大氣中氣溶膠粒子的探測(cè),它只有一個(gè)量程,其測(cè)量范圍為 0.10～3.00μm,整個(gè)量程被分為15個(gè)間隔不完全相等的測(cè)量通道,分辨率為0.02μm(在最小的測(cè)量通道上),采樣體積為1cm3/s,并可根據(jù)高度變化在0.5～1.5cm3/s之間調(diào)整.FSSPER探頭分為 4個(gè)量程(range= 0,1,2,3),每個(gè)量程測(cè)量范圍不一樣,4個(gè)量程合計(jì)覆蓋范圍1～95μm.每個(gè)量程下分為15檔,等間距.各探測(cè)儀器每秒鐘采樣一次.FSSP-100-ER探頭量程一般無云的時(shí)候用量程 3,有云的時(shí)候用量程 1.此外,飛機(jī)上還安裝了溫度計(jì)、露點(diǎn)儀、氣壓傳感器、液態(tài)含水量?jī)x、GPS等設(shè)備.能夠得到云粒子濃度、含水量、粒子的平均直徑等數(shù)據(jù)的連續(xù)觀測(cè)資料,也可以得到溫度、露點(diǎn)、氣壓、高度、空速等資料[11].

1.2 觀測(cè)期間地面天氣實(shí)況及飛行概況

根據(jù)河北省2006年和2007年春季飛機(jī)人工增雨(大氣探測(cè))資料庫(kù),在確定觀測(cè)期間地面天氣實(shí)況時(shí)有一個(gè)區(qū)分霾與霧的問題.霧和霾的存在都會(huì)致使環(huán)境能見度的惡化.一般霧的厚度比較小,常見輻射霧的厚度大約從幾十米到一兩百米左右,霧滴尺度較大,從10μm到102μm;而霾是水平能見度小于 10km時(shí),由非水成物組成的氣溶膠系統(tǒng)造成的視程障礙度小至μm大小.實(shí)際上近地層大氣中每時(shí)每刻總是有氣溶膠存在,而霧滴的存在是少見和罕見的.霾粒子要想通過吸濕增長(zhǎng)成為霧滴,必須有足夠的過飽和度,這在自然界并不容易.在非飽和條件下,不但非水溶性的霾粒子不能轉(zhuǎn)化成霧滴,即便是水溶性的霾粒子一般也不可能吸濕轉(zhuǎn)化成霧滴[12].根據(jù)吳兌[13]提出的建議,將相對(duì)濕度＜80%時(shí)的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化的天氣現(xiàn)象確定為霾,相對(duì)濕度＞90%時(shí)的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化確定為霧,相對(duì)濕度介于80%～90%之間時(shí)的大氣混濁視野模糊導(dǎo)致的能見度惡化是霾和霧的混合物共同造成的,但其主要成分應(yīng)該是霾.

根據(jù)觀測(cè)期間宏觀記錄、機(jī)載儀器的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)及天氣圖分析,可以確定2006年4月8日和2007年3月21日出現(xiàn)霾天氣,其中3月21日的大氣能見度僅為1300m.2006年4月29日與2007年5月20日為晴天,其中5月20日少云.

表1給出了4個(gè)日期架次的飛行時(shí)間與飛行航線統(tǒng)計(jì).由表 1可知,飛行時(shí)間為 09:13:12～21:55:53,每個(gè)架次平均飛行時(shí)間為 2h 20min,飛行區(qū)域主要在石家莊市區(qū)和郊區(qū).由機(jī)載測(cè)量系統(tǒng)PMS中探頭記錄數(shù)據(jù)得出飛行高度由地面至7000m高度.

表1 飛行概況Table 1 Flight survey

1.3 計(jì)算方法

各微物理量的計(jì)算方法如下式(1)、式(2).

式中:Di為i通道粒子的中值直徑,μm; N(Di)為單位體積內(nèi) i通道粒子的數(shù)濃度,個(gè)/cm3;N為單位體積內(nèi)粒子總數(shù),個(gè)/cm3;n(Di)為氣溶膠粒子數(shù)密度譜分布,個(gè)/(cm3?μm).數(shù)濃度值采用飛機(jī)上安裝的PCASP探頭中記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的氣溶膠濃度數(shù)據(jù).

2 結(jié)果與分析

2.1 統(tǒng)計(jì)特征

表2 氣溶膠濃度及尺度統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of number concentration and diameter of aerosol particles

從PCASP粒子尺度來看,2006年4月8日氣溶膠小粒子直徑為 0.13μm,4月 29日為0.20μm,這兩日的平均值均約為0.12μm;2007年3月21日氣溶膠小粒子直徑為0.26μm,5月20日為 0.23μm,這兩日的平均值均約為 0.2μm.這些數(shù)據(jù)只是單次測(cè)量數(shù)據(jù),不反映變化趨勢(shì).有待于取得大量觀測(cè)數(shù)據(jù)后,進(jìn)行統(tǒng)計(jì),做進(jìn)一步的研究.

結(jié)合表1和表2分析得出,氣溶膠粒子數(shù)濃度與地面大氣狀況等有關(guān).2006年4月8日探測(cè)區(qū)域白天出現(xiàn)大風(fēng),風(fēng)速達(dá) 11～13m/s,晚間出現(xiàn)靜風(fēng),出現(xiàn)霾天氣.白天,西北風(fēng)帶來較多沙塵粒子,夜晚由于靜風(fēng)狀況粒子水平輸送程度小,使得該日的氣溶膠小粒子數(shù)濃度高出其他架次測(cè)定值一個(gè)量級(jí),達(dá)到104個(gè)/cm3.2007年3月21日平均直徑較大,大粒子較多,根據(jù)天氣實(shí)況飛行期間 16:00～17:00風(fēng)向由東南偏東轉(zhuǎn)為東北風(fēng),得出由于氣溶膠傳輸方向突然改變而出現(xiàn)了曲線氣流,有些粒子特別是粒徑稍大的粒子,脫離氣流,這些粒子中有一部分沉積在地面或其他障礙物上[14].

2.2 垂直分布特征

以飛機(jī)上升或下降階段探測(cè)到的數(shù)據(jù)作為主要研究對(duì)象,飛機(jī)進(jìn)行環(huán)繞爬升飛行.對(duì)所有數(shù)據(jù)資料0～600m、600～3000m、3000～6000m作分階段高度平均,來減少觀測(cè)數(shù)據(jù)的波動(dòng),從而使圖示能更明顯的表現(xiàn)出數(shù)濃度(N)、算術(shù)平均直徑(D)等參數(shù)的高度變化.圖1給出了4次探測(cè)過程中的數(shù)濃度、平均直徑以及大氣溫度的垂直分布廓線.

晴天狀況下,2006年4月29日(圖1c)氣溶膠數(shù)濃度隨高度的變化可分為2個(gè)階段: 0～2700m間,數(shù)濃度隨高度減小,期間由于幾個(gè)弱逆溫層的存在導(dǎo)致數(shù)濃度在逆溫層底出現(xiàn)積累現(xiàn)象(圖1d).結(jié)合相對(duì)濕度和云粒子探頭數(shù)據(jù),平均直徑在進(jìn)入云區(qū)約3200m出現(xiàn)最大值0.202μm,粗細(xì)粒子的最大值均出現(xiàn)在近地層.粗粒子數(shù)濃度的最大值僅為4.14個(gè)/cm3,對(duì)總粒子數(shù)濃度的貢獻(xiàn)極小.2700～5200m 間,數(shù)濃度隨高度變化不大.2007年5月20日(圖1g)數(shù)濃度在逆溫層底約2738m 出現(xiàn)極大值,此逆溫層強(qiáng)度為14.4℃/km(圖 1h),其后隨高度遞減.平均直徑在進(jìn)入云區(qū)1500m和3926m出現(xiàn)極大值.粗粒子濃度極大值也出現(xiàn)在1500m左右,這是由于觀測(cè)期間該高度有云系存在,較大的相對(duì)溫度使部分吸濕性粒子活化成為凝結(jié)核,水汽在其上凝結(jié)使粒子增大,粗粒子數(shù)相對(duì)增多.

霾天狀況下,如2006年4月8日(圖1a).由于通常是晴朗的天氣,日照較強(qiáng)烈、濕度較低,如果遇到風(fēng)速較小或靜風(fēng)時(shí),容易出現(xiàn)霾天氣[15].由于白天出現(xiàn)西北向大風(fēng),風(fēng)速高達(dá) 13m/s,帶來大量風(fēng)沙質(zhì)粒,晚間出現(xiàn)靜風(fēng),出現(xiàn)霾天氣,其飛行主要在石家莊至藁城間,其間工廠排放大量廢氣.在人為源和大氣狀況的綜合作用下,氣溶膠數(shù)濃度量級(jí)達(dá)104個(gè)/cm3.706m高度出現(xiàn)逆溫層,強(qiáng)度為 7.8℃/km,使得粒子在該高度累積而出現(xiàn)極值.5000m上數(shù)濃度隨高度迅速減小.粗粒子數(shù)濃度極大值42.667個(gè)/cm3出現(xiàn)在721m,相比晴天高一個(gè)量級(jí).2007年3月21日(圖1e)中,氣溶膠總數(shù)濃度整體隨高度遞減,在約1200和2400m出現(xiàn)弱逆溫,氣溶膠粒子在此積累,出現(xiàn)小峰值.粗粒子數(shù)濃度極大值45.867個(gè)/cm3出現(xiàn)在近地層.平均直徑在相對(duì)濕度出現(xiàn)極大值的6000m高度左右也出現(xiàn)極大值.

圖1 氣溶膠平均數(shù)濃度、平均直徑、溫度的垂直分布Fig.1 Vertical distribution of aerosol number concentration,mean diameter and atmospheric temperature

總體來說,有霾時(shí)氣溶膠粒子濃度很高,在3000m或5000m以上才開始明顯減少.而晴天時(shí)(2007年 5月 20日)氣溶膠低層濃度比較高,但1000m以上迅速減少.有霾時(shí)低層譜很寬,但高層譜較窄.無霾時(shí)(2007年5月20日)低層譜很寬但因飛行時(shí)穿越少量高云,導(dǎo)致粒子吸濕性增長(zhǎng),所以高層譜比較寬.2006年4月29日也是在3000m以上才開始明顯減少.由于對(duì)流層的氣溶膠是一個(gè)自然和人為源的包括固體和液體質(zhì)粒的復(fù)雜的動(dòng)力混合體系,雖然此處的細(xì)質(zhì)?？蛇h(yuǎn)距離輸送,但是由于源區(qū)主要在地面,其中直接發(fā)射的大質(zhì)粒常沉降在局地源區(qū)附近,故大多數(shù)氣溶膠質(zhì)粒集中于對(duì)流層邊界層1～2km范圍內(nèi),并表現(xiàn)出具有最寬的尺度和最大變動(dòng)性,4～5km以上,因地面直接發(fā)射的影響較弱,其尺度分布類似于穩(wěn)定的背景氣溶膠[16].晴天狀況下氣溶膠濃度和直徑基本隨高度減小.無云情況下,0～1000m之間存在著氣溶膠的累積層,1km～3km間氣溶膠濃度隨高度遞減,3km以上氣溶膠隨高度變化不明顯.逆溫層嚴(yán)重影響氣溶膠粒子的垂直輸送、擴(kuò)散,并造成氣溶膠在逆溫層內(nèi)垂直分布不連續(xù),粒子在逆溫層下累積;無逆溫時(shí)數(shù)濃度最大值出現(xiàn)在近地面附近;平均直徑在云區(qū)有明顯增加.霾天狀況下,氣溶膠數(shù)濃度比晴天下高,粗粒子數(shù)濃度可比晴天下高一個(gè)量級(jí).相對(duì)濕度對(duì)粒子直徑有很大影響,濕度增大,粒子直徑增大;濕度降低,粒子直徑減小.

2.3 水平分布特征

氣溶膠的水平變化一般遠(yuǎn)小于其在垂直方向上的變化.在研究氣溶膠的水平分布特征時(shí),對(duì)平飛階段的數(shù)濃度和平均直徑進(jìn)行30s平均.飛行過程中基本位于石家莊市區(qū)上空及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū).所選平飛階段2006年4月8日5000m高度在市區(qū)和郊區(qū)環(huán)繞飛行,7000m高度主要在市區(qū)周邊的郊區(qū)平飛;2006年4月29日655m高度和 7000m高度均主要在郊區(qū)飛行,其間較少時(shí)間經(jīng)過市區(qū);2007年3月21日3310m高度上主要飛行于市區(qū)(長(zhǎng)安區(qū)與裕華區(qū))內(nèi);2007年5月20日3310m高度上橋東區(qū)及其附近工業(yè)園區(qū)飛行,5000m高度上主要在裕華區(qū)及其西邊郊區(qū)飛行.

氣溶膠質(zhì)粒的水平輸送受 4種不同尺度空氣運(yùn)動(dòng)的影響,包括小尺度(＜10km),中尺度(10～10km),大尺度或天氣尺度(km)和全球尺度(＞103km)[16].石家莊地區(qū)春季氣溶膠輸送屬于小尺度空氣運(yùn)動(dòng).小尺度空氣運(yùn)動(dòng)渦動(dòng)擴(kuò)散機(jī)制比較重要,在邊界層中表現(xiàn)明顯,受局地排放源的不均勻性影響,數(shù)濃度的水平分布除存在隨機(jī)波動(dòng)外,還存在一定幅度的系統(tǒng)變化[16].

由圖2得出,粒子數(shù)濃度和平均直徑在水平方向上的分布是不均勻的.655m高度上,2006年4月 29日粒子數(shù)濃度的變化范圍是 3924.87～5598.18個(gè)/cm3,粒子尺度變化不大,為 0.125～0.129μm(圖2b).2007年3月21日的數(shù)濃度較晴天時(shí)同高度大,變化范圍為 4618.78～5983.27個(gè)/ cm3,平均直徑也較大,變化范圍是 0.247～0.254μm(圖2a).這是與2007年3月21日的霾天氣狀況相聯(lián)系的.

3310m高度上2007年3月21日與5月20日的粒子數(shù)濃度和平均直徑的水平變化(圖2c、圖 2d).3月 21日氣溶膠數(shù)濃度的最小值為108.93個(gè)/cm3,最大值為121.18個(gè)/cm3,粒子平均尺度變化范圍是0.185～0.192μm.5月20日平飛時(shí)間較短,數(shù)濃度最小值為 113.58個(gè)/cm3,最大值出現(xiàn)在17:53:42,為187.82個(gè)/cm3,由該平飛階段的航線圖可知此時(shí)正經(jīng)過石家莊工業(yè)開發(fā)園區(qū),工業(yè)廢氣等的排放可能導(dǎo)致上空氣溶膠數(shù)濃度偏大.粒子平均直徑變化幅度較小,為 0.197～0.198μm.

圖2e得出2006年4月8日霾天氣下高空仍保持較高的粒子濃度,飛行區(qū)域內(nèi)最高值為5089.47個(gè)/(cm3?μm),此時(shí)飛機(jī)在石家莊上空平繞飛行,經(jīng)過裕華區(qū)、長(zhǎng)安區(qū)以及大郭鎮(zhèn)等周圍鄉(xiāng)村,導(dǎo)致濃度曲線出現(xiàn)波動(dòng),粒子濃度在經(jīng)過郊區(qū)時(shí)出現(xiàn)低值,經(jīng)過市區(qū)上空時(shí),粒子濃度值回升.該高度上的氣溶膠平均直徑變化范圍很小,全部為細(xì)粒子,平均值為0.113μm.2007年5月20日晴天飛機(jī)主要在石家莊市裕華區(qū)西部郊區(qū)飛行,由于天氣狀況和飛行區(qū)域綜合原因,該高度上粒子濃度值低,整體呈下降趨勢(shì)(圖2f).

圖2 不同高度組上氣溶膠粒子的水平分布Fig.2 Horizontal distribution of aerosol particles at different high level groups

圖2g中7000m高度組上數(shù)濃度較5000m高度組值減小.2006年4月8日飛機(jī)主要在石家莊市區(qū)西部郊區(qū)沿線飛行,靠近市區(qū)時(shí)濃度有所增加.2006年4月29日數(shù)濃度高達(dá)104個(gè)/cm3,對(duì)這一層氣溶膠粒子譜的初步分析表明,粒子譜比下層有明顯的展寬,大粒子數(shù)增加明顯,卷云的影響是可能的因素之一.在11:32分和11:37分出現(xiàn)低值,飛機(jī)飛出云區(qū).此時(shí)飛機(jī)在裕華區(qū)上空飛行.

總體來說,郊區(qū)氣溶膠數(shù)濃度低于市區(qū)或污染廠區(qū).平均直徑與氣溶膠數(shù)濃度變化趨勢(shì)呈負(fù)相關(guān),細(xì)粒子數(shù)多時(shí)候,氣溶膠數(shù)濃度增大,粗粒子數(shù)增大時(shí),氣溶膠數(shù)濃度相對(duì)減小.縱向比較得出,高空氣溶膠的數(shù)濃度和平均直徑水平分布變化較低空幅度小,這是由于低空距地面的高度小,受下墊面和人類活動(dòng)的直接影響.除2006-04-29飛行架次中 600m高度飛行個(gè)例,其余個(gè)例中粒子濃度與平均直徑平飛階段變化呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性.細(xì)粒子對(duì)氣溶膠濃度的貢獻(xiàn)值大.氣溶膠水平分布特征受下墊面、云區(qū)等局地影響因子較大,受不同天氣狀況影響較小.

2.4 平均譜分布特征

大氣氣溶膠是由許多尺度不同的粒子組成的,稱為多譜氣溶膠.描述多譜氣溶膠的最重要的物理量是它的濃度隨粒子尺度的分布,稱為粒度譜分布.氣溶膠的粒度譜分布式它在大氣中的運(yùn)輸特性、壽命及其光學(xué)特性的決定因素之一[17].不同來源的粒子會(huì)有不同的譜分布,由于大氣條件的變化,會(huì)改變粒子的吸濕、碰并、凝結(jié)等微物理過程,從而使粒子譜發(fā)生變化[18].

圖3 不同高度組粗細(xì)粒子譜分布Fig.3 Size distribution of fine and coarse particles of different heights

由圖3可以看出,同一尺度的氣溶膠粒子在不同天氣狀況下的譜分布是有差異的.霾天氣(2006-04-08和 2007-03-21)下數(shù)密度譜往往較晴天天氣狀況下高出1～2個(gè)量級(jí).細(xì)粒子數(shù)密度明顯大于粗粒子.

分析圖3中細(xì)粒子譜可以看出,細(xì)粒子譜分布在0.2μm左右處出現(xiàn)峰值,這可能是由于在氣～粒轉(zhuǎn)化過程由低揮發(fā)性的均質(zhì)成核過程開始,形成約為0.2μm左右的小粒子.分析圖3中粗粒子譜分布可以看出,粗粒子譜分布在1.0μm附近有峰值.可能是由于在城市污染大氣中,直徑為0.5μm左右的原生粒子比較豐富,一些污染性氣體有可能在這些粒子上凝結(jié)使之增大成直徑為1.0μm左右的粒子.

尺度譜型類似,呈單峰或雙峰分布,且隨高度增加,峰值數(shù)密度值降低.細(xì)粒子譜分布中,600m高度組中,峰值直徑處,峰值數(shù)密度為 2007-03-21架次17603.73個(gè)/(cm3?μm);3000m高度組中,峰值數(shù)密度為 2006-04-08架次 1999.45個(gè)/ (cm3?μm); 5000m 高度組中,峰值數(shù)密度為2007-05-20架次1867.30個(gè)/(cm3?μm);7000m高度組中,峰值數(shù)密度為 174.55個(gè)/(cm3?μm).粗粒子譜分布中,600m高度組中,峰值直徑處,峰值數(shù)密度為 2007-03-21架次 38.61個(gè)/(cm3?μm); 3000m高度組中,峰值數(shù)密度為2006-04-08架次2.91個(gè)/(cm3?μm);5000m高度組中,峰值數(shù)密度為2007-05-20架次1.08個(gè)/(cm3?μm);峰值數(shù)密度為7000m高度組中,峰值數(shù)密度為2006-04-08架次0.37個(gè)/(cm3?μm).可以看出晴天與霾天氣狀況下的氣溶膠粗細(xì)粒子譜分布的峰值數(shù)密度最大值均出現(xiàn)在霾天氣狀況下.

晴天、霾天對(duì)比情況下,600m高度組中,霾天氣下氣溶膠細(xì)粒子譜分布在 0.2～0.35μm 及＞0.45μm后顯著大于晴天下.3000m高度組中,晴天、霾天的細(xì)粒子譜分布差別不大.5000m高度組中,直徑小于0.15μm小粒子譜分布在霾天氣下高于晴天.7000m高度組中,霾天氣下氣溶膠細(xì)粒子譜分布在0.15～0.35μm段之間顯著高于晴天.霾天氣下粗粒子譜分布值在總波段都是高于晴天同尺度粒子譜分布值的.有一個(gè)例外是 3000m高度組粗粒子譜分布上霾天2007年3月21日反而值最低,譜寬較窄,可能是由于此時(shí)處于密卷云云區(qū),而云粒子多而較小,粗粒子數(shù)較少.

對(duì) 4個(gè)高度組中的細(xì)粒子譜分布圖進(jìn)行平均,然后進(jìn)行負(fù)冪函數(shù)擬合 nd=AD-b,負(fù)冪函數(shù)對(duì)積聚態(tài)粒子有較好的擬合效果.參數(shù)值如表 3.負(fù)冪函數(shù)表示的分布曲線在對(duì)數(shù)坐標(biāo)中是一條斜率為-b的直線,A為該斜線的截距.隨高度增加, A值變小, b值相差不大.

表3 不同高度組細(xì)粒子譜分布按負(fù)冪函數(shù)擬合參數(shù)值Table 3 Parameters in fitting fine particle size distribution of different height groups in terms of negative power function

3 結(jié)論

3.1 逆溫層嚴(yán)重影響氣溶膠粒子的垂直輸送、擴(kuò)散,并造成氣溶膠在逆溫層內(nèi)垂直分布不連續(xù),粒子在逆溫層下累積;無逆溫時(shí)數(shù)濃度最大值出現(xiàn)在近地面附近;平均直徑在云區(qū)有明顯增加.霾天狀況下,氣溶膠數(shù)濃度比晴天下高,粗粒子數(shù)濃度可比晴天下高1個(gè)量級(jí).相對(duì)濕度對(duì)粒子直徑有很大影響,濕度增大,粒子直徑增大;濕度降低,粒子直徑減小.

3.2 氣溶膠的水平變化遠(yuǎn)小于其在垂直方向上的變化.郊區(qū)氣溶膠數(shù)濃度低于市區(qū)或污染廠區(qū).氣溶膠水平分布特征受下墊面、云區(qū)等局地影響因子較大,受不同天氣狀況影響較小.

3.3 霾天氣下的同尺度下氣溶膠數(shù)密度譜值一般要高出晴天下1個(gè)量級(jí)以上.

3.4 霾天氣下數(shù)密度譜往往較晴天天氣狀況下高出1～2個(gè)量級(jí).細(xì)粒子數(shù)密度明顯大于粗粒子.粗粒子譜分布在1.0μm附近有峰值.細(xì)粒子譜分布在0.2μm左右處出現(xiàn)峰值,氣溶膠粗細(xì)粒子譜分布的峰值數(shù)密度最大值均出現(xiàn)在霾天氣狀況下.負(fù)冪函數(shù)對(duì)積聚態(tài)粒子有較好的擬合效果.

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An observational study of aerosol particles tlsing aircroft over Shijiazhuang Area in clean and hazy days during spring.

SUN Xia1, YIN Yan1*, SUN Yu-wen2, DUAN Ying2, WU Zhi-hui2(1.China Meteorological Administation Key Laboratory for Atmospheric Physics and Environment, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Weather Modification Office of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China). China Environmental Science, 2011,31(5)：705～713

The vertical profile of number concentration and size distribution of aerosol particles at different altitudes over Shijiazhuang area were analyzed based on aircraft measurements conducted in Hebei Province in 2006 and 2007. The size distributions were fitted with negative power function. The number concentration and size distribution of different heights were significantly different. The number concentration of aerosol particles in hazy days was one order of magnitude higher than that in the clean days, reaching 104/ cm3. The mean diameter of particles ranged from 0.13 to 0.26μm. Concentration of aerosol particles was very sensitive to weather conditions and the underlying surface. The size spectra of fine mode particles could be satisfactorily fitted with a negative power function.

atmospheric aerosol；vertical distribution；horizontal distribution；size distribution；airborne Particle Measurement System；Shijiazhuang Aera

x131.1

A

1000-6923(2011)05-0705-09

2010-09-29

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY(QX)2007-6-36);國(guó)家“973”項(xiàng)目(2006CB403706);江蘇省“333人才工程”項(xiàng)目;河北省氣象局科研開發(fā)項(xiàng)目“河北省霧霾天氣的飛機(jī)觀測(cè)研究”(10ky14)

* 責(zé)任作者, 教授, yinyan@nuist.edu.cn

孫 霞(1988-),女,河北石家莊人,南京信息工程大學(xué)碩士研究生,主要研究方向?yàn)榇髿鈿馊苣z與云降水相互作用、大氣成分及其氣候效應(yīng).發(fā)表論文2篇.