青海格爾木地區(qū)大氣氣溶膠分布的飛機(jī)觀測

王啟花，張鵬亮，王麗霞，馬學(xué)謙，劉 娜，顏海前，龔 靜

(青海省氣象災(zāi)害防御技術(shù)中心，青海 西寧 810001)

引 言

大氣氣溶膠是大氣中顆粒物的總稱[1]，氣溶膠粒子數(shù)濃度、尺度的空間分布特征對氣溶膠直接和間接輻射效應(yīng)有重要影響[2-3]。氣溶膠的直接效應(yīng)表現(xiàn)在通過吸收和散射太陽輻射影響大氣輻射收支平衡[4]；間接效應(yīng)表現(xiàn)在參與云霧微物理過程，改變云霧微物理特征，從而影響降水的產(chǎn)生[5-6]。

我國先后利用PMS(particle measuring system)和DMT(droplet measurement technologies)儀器對氣溶膠粒子分布特征進(jìn)行了大量的觀測研究。研究表明，氣溶膠粒子垂直分布特征明顯，大部分情況下，氣溶膠數(shù)濃度隨高度呈指數(shù)規(guī)律減少，在混合層上下粒子數(shù)濃度分布特征不同，且數(shù)譜在0 ℃層上下分布特征存在差異[7-10]。各地典型飛機(jī)觀測個(gè)例分析發(fā)現(xiàn)，氣溶膠粒子區(qū)域分布特征亦存在差異，如北京氣溶膠數(shù)濃度超過6000 cm-3，細(xì)模態(tài)粒子主要分布在邊界層內(nèi)，粗模態(tài)粒子(沙塵)主要在邊界層以上[11]；山西氣溶膠粒子數(shù)濃度為1000 cm-3，主要為積聚模態(tài)粒子[12]。同時(shí)，氣溶膠粒子分布特征與氣象條件有明顯的相關(guān)性，不同的氣象條件使得氣溶膠粒子分布特征差異明顯[13-15]，氣溶膠粒子數(shù)濃度與相對濕度正相關(guān)，與風(fēng)速和溫度負(fù)相關(guān)[16]。

由于受設(shè)備和經(jīng)費(fèi)限制，對氣溶膠垂直分布的觀測研究還很缺乏，而且，大氣氣溶膠時(shí)空分布復(fù)雜多樣，因此需要在不同區(qū)域開展氣溶膠探測分析。青海省格爾木地區(qū)位于柴達(dá)木盆地中南部，土地類型主要以鹽堿地、沙地、戈壁為主，作為青藏高原最大的沉陷區(qū)，對全球氣候變化具有較好的指示作用[17]。因此在格爾木地區(qū)開展氣溶膠探測分析，對了解該地大氣氣溶膠背景具有重要意義。本研究利用2011年和2013年飛機(jī)探測得到的格爾木地區(qū)的氣溶膠粒子數(shù)據(jù)，對該地氣溶膠粒子數(shù)濃度垂直分布及氣溶膠譜分布特征以及不同模態(tài)氣溶膠數(shù)譜的分布特征進(jìn)行分析。

1 資料與方法

1.1 觀測地點(diǎn)及背景

格爾木位于青海省西部、柴達(dá)木盆地中南部，平均海拔2780 m，是典型的高原內(nèi)陸盆地干旱氣候，因該地區(qū)氣候干燥，因此荒漠化嚴(yán)重[18-20]。格爾木地形復(fù)雜，北部及西部主要以沙地、戈壁和鹽堿地為主，東部和南部主要為草地、戈壁灘和其他未利用的土地，人為活動(dòng)主要集中在格爾木市區(qū)及其西北部地區(qū)(圖1)。與華北、華東等其他區(qū)域相比，格爾木地區(qū)氣溶膠粒子主要為沙塵、鹽等粒徑較大的粒子，小粒子相對較少。

圖1 青海省土地利用類型分布

1.2 飛機(jī)飛行方案及儀器介紹

運(yùn)-12飛機(jī)搭載了美國DMT(droplet measurement technologies)公司的粒子測量系統(tǒng)，于2011年和2013年在青海三江源地區(qū)實(shí)施了飛機(jī)觀測實(shí)驗(yàn)。粒子測量系統(tǒng)包括：PCASP-SPP200(大氣氣溶膠探頭)、CCN-200(云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器)、CAS(云、氣溶膠粒子探頭)、CIP(云粒子圖像探頭)、PIP(降水粒子圖像探頭)、AIMMS-20(飛機(jī)綜合氣象要素測量系統(tǒng))、LWC-100(熱線液態(tài)水含量探頭)等。本文主要用到的是PCASP-SPP200和AIMMS-20 。PCASP-SPP200由美國DMT公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，利用Mie散射原理測量大氣氣溶膠粒子分布特征。PCASP-SPP200測量0.1～3 μm粒徑范圍內(nèi)的粒子，通道數(shù)為30，其中粒徑范圍位于0.1～0.18、0.18～0.3、0.3～0.6和0.6～3.0 μm的通道間距分別為0.01、0.02、0.1和0.2 μm，采樣頻率為1 Hz[21]。AIMMS-20主要用于測量溫度、相對濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、GPS軌跡(包括飛行經(jīng)度、緯度、高度的三維坐標(biāo)顯示)等[22]。

采用HYSPLIT-4.9(hybrid single-particle Lagrangian intergrated trajectory)模式來分析氣溶膠的來源，軌跡計(jì)算時(shí)選用的高度為距地高度(AGL, above ground level)[23-24]。

1.3 飛行資料

選用2011年7月25日、27日、8月2日、9月16日和2013年9月1日5飛行架次的氣溶膠和氣象要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，氣溶膠數(shù)譜分布特征采用的數(shù)據(jù)為飛機(jī)在格爾木上空垂直上升和下降時(shí)5000 m高度以下的云下氣溶膠數(shù)據(jù)。由于PCASP-SPP200觀測的0.1 μm和0.11 μm通道氣溶膠數(shù)據(jù)誤差較大，故氣溶膠數(shù)濃度和數(shù)譜分布剔除這兩個(gè)粒徑的數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氣溶膠來源的后向軌跡

應(yīng)用HYSPLIT后向軌跡模式對格爾木地區(qū)72 h后向軌跡進(jìn)行模擬，初始高度分別為距地100 m(655 hPa)、2400 m(495 hPa)和4500 m(375 hPa)。圖2為2011年7月25及27日、8月2日、9月16日和2013年9月1日格爾木氣溶膠72 h后向軌跡?？梢钥闯觯嗟?00 m高度氣溶膠主要來源于格爾木北部的地面氣溶膠，北部主要為沙漠、鹽湖等地形，故該層的氣溶膠主要為沙塵、鹽粒子等大粒徑氣溶膠粒子；距地2400 m高度氣溶膠傳輸主要分為高層傳輸和低層傳輸，其中7月觀測日2400 m高度層氣溶膠主要來源于格爾木西南部及西部同高度層及更高層，而8月和9月觀測日，氣溶膠主要來自格爾木北部和西南地區(qū)的低層氣溶膠；距地4500 m高度氣溶膠粒子路徑有3條，分別為源于東歐平原、途徑塔克拉瑪干沙漠到格爾木；源于阿拉伯半島、途經(jīng)阿拉伯海、青藏高原到達(dá)格爾木；源于印度半島、經(jīng)過喜馬拉雅山到達(dá)格爾木。

圖2 2011年7月25日(a)及27日(b)、8月2日(c)、9月16日(d)和2013年9月1日(e)格爾木氣溶膠72 h后向軌跡

2.2 氣溶膠數(shù)濃度隨高度分布

圖3為觀測日格爾木不同粒徑氣溶膠數(shù)濃度隨高度變化?？梢钥闯?，格爾木低層主要為局地氣溶膠，高層主要為輸入型氣溶膠，且各高度層氣溶膠數(shù)濃度小，各觀測日均小于500 cm-3，另外氣溶膠數(shù)濃度隨高度升高減小。在低層，各觀測日氣溶膠粒子有效粒徑DE為1～2 μm；在3500～5000 m高度，氣溶膠粒子DE趨于增大，為2～3 μm；高度大于5000 m時(shí)，DE<1 μm。這主要是由于該地區(qū)低層氣溶膠主要來源于格爾木及其北部地區(qū)的地面，該區(qū)域人為活動(dòng)較少，人為排放的小粒徑粒子較少，小粒子中有一大部分為粒徑更小的生物質(zhì)氣溶膠，且該地區(qū)周邊有鹽湖及沙漠地區(qū)，而鹽粒子及沙塵氣溶膠均為粒徑較大的粒子，故該地區(qū)各觀測日粒子DE較大，均大于1 μm；隨高度增高，在3500～5000 m高度(距地高度700～2200 m)，氣溶膠主要來源于地面及同高度層近距離傳輸，這些區(qū)域亦為鹽湖、戈壁和沙漠，氣溶膠粒子粒徑亦更大；高度更高時(shí)，氣溶膠大粒子轉(zhuǎn)換成云凝結(jié)核、云雨粒子，觀測到的氣溶膠粒子DE變小。

圖3 觀測日格爾木不同粒徑氣溶膠數(shù)濃度隨高度變化(圓圈的大小代表氣溶膠粒子粒徑大小，圖例中給出了代表性粒徑的圓圈大小，下同)

2.3 氣象要素對氣溶膠數(shù)濃度的影響

溫度、相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速等氣象要素對氣溶膠粒子水平和垂直方向的混合、吸濕能力等具有重要影響[25-27]。圖4為各觀測日格爾木不同溫度、不同相對濕度下不同粒徑氣溶膠數(shù)濃度隨高度的變化以及不同風(fēng)速風(fēng)向時(shí)氣溶膠數(shù)濃度分布?？梢钥闯觯饔^測日格爾木溫度隨高度升高降低，沒有逆溫層出現(xiàn)；相對濕度隨高度升高而增大。4200 m以下溫度大于0 ℃，相對濕度小于50%，高溫低濕不利于粒子凝結(jié)增長，但有利于地面粒子向高層擴(kuò)散，氣溶膠粒子主要為局地粒徑較大的鹽和沙塵氣溶膠；高度大于6000 m時(shí)，相對濕度大于70%，溫度小于-5 ℃，高濕低溫的環(huán)境有利于氣溶膠大粒子轉(zhuǎn)化為云、雨粒子，從而大粒子減少，小粒子增多。格爾木以西北、西南及偏西風(fēng)為主，偏西風(fēng)和西北風(fēng)時(shí)氣溶膠粒子數(shù)濃度較大，粒子數(shù)濃度均超過450 cm-3，此時(shí)風(fēng)速為15～25 m·s-1，影響氣溶膠數(shù)濃度的粒子為距地1000 m以下的以沙塵和鹽粒子為主的局地氣溶膠粒子。

圖4 觀測日格爾木不同溫度(a)及不同相對濕度(b)下不同粒徑氣溶膠數(shù)濃度隨高度的變化以及不同風(fēng)速風(fēng)向下氣溶膠數(shù)濃度分布(c)

2.4 格爾木氣溶膠數(shù)譜分布特征

粒徑為0.4 μm時(shí)，氣溶膠粒子數(shù)觀測值均為0，考慮為儀器原因，故刪除0.4 μm粒徑氣溶膠數(shù)據(jù)。圖5為觀測日格爾木氣溶膠數(shù)譜分布?？梢部闯觯駹柲練馊苣z數(shù)譜呈多峰分布，在粒徑小于0.2 μm時(shí)氣溶膠粒子數(shù)最多，隨粒徑增大，在0.3～0.6 μm粒徑段，達(dá)第2峰值，在1.8～2.8 μm粒徑段達(dá)第3個(gè)峰值。

圖5 觀測日格爾木氣溶膠數(shù)譜分布

為定量了解格爾木氣溶膠數(shù)譜分布特征，對該地區(qū)氣溶膠數(shù)譜dN/dln(D)進(jìn)行多模態(tài)的對數(shù)正態(tài)分布擬合[28]。具體擬合公式如下：

(1)

式中：D為粒徑；Ni，σg,i和Dg,i分別為第i(i=1,2,3)模態(tài)粒子的數(shù)濃度、粒徑幾何標(biāo)準(zhǔn)差和幾何平均粒徑；第1、第2和第3模態(tài)粒徑段分別為0.1～0.2 μm、 0.2～1 μm和1～3 μm。3個(gè)模態(tài)Ni和σg,i初值均分別為100 cm-3和1.3 μm。由于Dg,i的取值對擬合結(jié)果較敏感，只有少數(shù)取值能達(dá)到要求，故Dg,i在各模態(tài)粒徑區(qū)間內(nèi)隨機(jī)取值。

圖6為觀測日格爾木3個(gè)模態(tài)氣溶膠數(shù)譜對數(shù)正態(tài)擬合?？梢钥闯?，格爾木不同模態(tài)氣溶膠數(shù)譜譜寬第2模態(tài)>第1模態(tài)>第3模態(tài)。氣溶膠數(shù)濃度第1模態(tài)>第2模態(tài)>第3模態(tài)，第1模態(tài)數(shù)濃度達(dá)361.9 cm-3，第3模態(tài)的數(shù)濃度僅為6.84 cm-3；氣溶膠粒子平均粒徑第1、第2和第3模態(tài)分別為0.12、0.29和2.00 μm(表1)。

表1 觀測日格爾木3個(gè)模態(tài)氣溶膠數(shù)譜對數(shù)正態(tài)擬合參數(shù)

圖6 觀測日格爾木3個(gè)模態(tài)氣溶膠數(shù)譜對數(shù)正態(tài)擬合

圖7為格爾木、天津[29]和北京[30]第1、第2模態(tài)氣溶膠數(shù)譜對數(shù)正態(tài)擬合?？梢钥闯?，天津和北京地區(qū)氣溶膠數(shù)譜譜寬第1模態(tài)較第2模態(tài)寬，而格爾木氣溶膠數(shù)譜譜寬第2模態(tài)較第1模態(tài)寬。第1模態(tài)，天津氣溶膠數(shù)譜譜寬最寬，其次為格爾木，北京最窄，這可能是由于天津靠海，有較多粒徑較大的海鹽粒子傳輸?shù)教旖?，而且人為排放的小粒徑粒子也較多。第2模態(tài)，格爾木氣溶膠數(shù)譜譜寬最寬，其次為天津，北京最窄，可能是由于格爾木地形復(fù)雜，其周邊以鹽堿地和沙地為主，其南邊亦有大范圍草地，且格爾木光照強(qiáng)烈。第1模態(tài)和第2模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度北京最高，格爾木最低；氣溶膠粒子的平均粒徑北京最大，格爾木最小。

圖7 格爾木、天津和北京地區(qū)第1模態(tài)(a)、第2模態(tài)(b)氣溶膠數(shù)譜對數(shù)正態(tài)擬合

同一模態(tài)不同地區(qū)氣溶膠數(shù)譜分布不同：第1模態(tài)，氣溶膠粒子數(shù)濃度北京為格爾木的100倍左右，天津?yàn)楦駹柲镜?0倍左右；第2模態(tài)，氣溶膠粒子數(shù)濃度北京是天津的2倍左右，是格爾木的10倍左右。粒徑大于1 μm時(shí)，氣溶膠粒子數(shù)濃度格爾木大于天津和北京，且隨粒徑的增大，這種差距亦越明顯。

3 結(jié) 論

(1)格爾木距地100 m高度氣溶膠源于其北部地面；距地2400 m高度氣溶膠，7月觀測日源于其西南及西部高層，8月和9月觀測日來自其西南和北部地面。距地4500 m高度氣溶膠，部分源于東歐平原，途經(jīng)塔克拉瑪干沙漠到達(dá)格爾木；源于阿拉伯半島，途經(jīng)阿拉伯海到達(dá)格爾木；還有部分源于印度半島，經(jīng)喜馬拉雅山到達(dá)格爾木。

(2)格爾木低層為局地氣溶膠，高層為輸入型氣溶膠，氣溶膠數(shù)濃度各觀測日均小于500 cm-3，且數(shù)濃度隨高度減小。氣溶膠粒子有效粒徑在低層為1～2 μm，隨高度升高，有效粒徑增大，隨高度繼續(xù)升高，有效粒徑變小。

(3)各觀測日格爾木溫度隨高度升高降低，沒有逆溫層出現(xiàn)，相對濕度隨高度升高增大。各觀測日格爾木主要為西北、西南及偏西風(fēng)，西南、西北風(fēng)時(shí)氣溶膠粒子數(shù)濃度較大，粒子數(shù)濃度超過450 cm-3，此時(shí)風(fēng)速為15～25 m·s-1。

(4)格爾木氣溶膠數(shù)譜呈多峰分布，在0.1～0.2 μm粒徑段氣溶膠粒子數(shù)達(dá)到最多，隨粒徑增大，0.2～0.6 μm粒徑段達(dá)到第2個(gè)峰值，1.8～2.8 μm粒徑段達(dá)到第3個(gè)峰值。

(5)通過對格爾木3個(gè)模態(tài)氣溶膠數(shù)譜進(jìn)行對數(shù)正態(tài)分布擬合發(fā)現(xiàn)，氣溶膠粒子數(shù)濃度第1模態(tài)>第2模態(tài)>第3模態(tài)；氣溶膠數(shù)譜譜寬第2模態(tài)>第1模態(tài)>第3模態(tài)。同一模態(tài)格爾木與天津和北京對比發(fā)現(xiàn)，第1模態(tài)氣溶膠數(shù)譜譜寬天津最寬，北京最窄，第2模態(tài)格爾木最寬，北京最窄；第1模態(tài)和第2模態(tài)粒子數(shù)濃度北京均最高，格爾木均最低；粒子平均粒徑第1模態(tài)和第2模態(tài)均為北京最大，格爾木最小。