華北中部夏季氣溶膠和云分布特征

李義宇 孫鴻娉* 楊俊梅 任 剛 趙德龍 周 嵬 劉智超

1)(山西省人工增雨防雷技術(shù)中心， 太原 030002)

2)(北京市人工影響天氣中心， 北京 100089)

3)(中國(guó)人民解放軍95820部隊(duì)飛行管制室， 北京 102207)

引 言

氣溶膠既可以通過吸收和散射太陽(yáng)輻射影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡，也可以作為云凝結(jié)核(CCN)影響云微物理過程進(jìn)而影響氣候[1-2]。氣溶膠對(duì)云微物理過程的影響機(jī)制較為復(fù)雜，是近年的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，氣溶膠的垂直分布狀況對(duì)于量化氣溶膠的間接輻射強(qiáng)迫具有重要價(jià)值，不同背景下對(duì)流層低層氣溶膠的垂直分布狀況存在很大不確定性，因此對(duì)氣溶膠垂直廓線的研究十分重要[3-6]。氣溶膠數(shù)濃度和有效半徑以及云液態(tài)水含量是描述大氣氣溶膠與云相互作用的關(guān)鍵參數(shù)[7-8]。為了量化氣溶膠的氣候效應(yīng)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開展大量地面觀測(cè)試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究，但對(duì)氣溶膠的地面觀測(cè)大多只能分析其時(shí)間分布特征，難以得到空間分布特征[9-16]。利用飛機(jī)搭載各種氣溶膠探測(cè)設(shè)備，對(duì)大氣氣溶膠展開空間觀測(cè)，可獲得氣溶膠數(shù)濃度和平均半徑的空間分布特征，是研究氣溶膠垂直廓線以及氣溶膠與云相互作用的最直接方法之一，也可為數(shù)值模式提供觀測(cè)數(shù)據(jù)[17-19]。

近年，針對(duì)氣溶膠垂直分布的飛機(jī)觀測(cè)試驗(yàn)相繼開展。研究發(fā)現(xiàn)，氣象條件影響氣溶膠垂直分布，溫度和相對(duì)濕度的垂直廓線與氣溶膠垂直分布存在明顯關(guān)聯(lián)，不同天氣形勢(shì)下大氣層結(jié)變化也影響氣溶膠的空間分布[20-23]。將CCN與氣溶膠垂直廓線結(jié)合可以判斷氣溶膠的主要來源及傳輸，研究不同過飽和度下氣溶膠與CCN的轉(zhuǎn)化率，可以分析氣溶膠活化能力的空間分布進(jìn)而探究氣溶膠與云相互作用機(jī)制[24-25]。氣溶膠數(shù)濃度的譜寬隨高度升高變窄，氣溶膠數(shù)濃度的譜分布可以由多個(gè)對(duì)數(shù)正態(tài)曲線進(jìn)行擬合，得到的擬合參數(shù)可為數(shù)值模式中氣溶膠參數(shù)化的建立和改進(jìn)提供參考[26-27]。

氣溶膠對(duì)云和降水的影響隨動(dòng)力、熱力和微物理?xiàng)l件變化而變化。不同地區(qū)、不同天氣背景下氣溶膠與云的時(shí)空分布特征以及氣溶膠與云相互作用等過程非常復(fù)雜[28-29]，相關(guān)學(xué)者根據(jù)每次個(gè)例得到的結(jié)論不盡相同。因此，要全面客觀探究氣溶膠與云的相互作用機(jī)制，仍然需要在不同地區(qū)開展氣溶膠和云的綜合觀測(cè)試驗(yàn)。

山西省地處華北平原西面的黃土高原，屬于溫帶季風(fēng)性氣候，煤炭產(chǎn)業(yè)集中，環(huán)境污染形勢(shì)嚴(yán)峻[30-32]，在山西省開展氣溶膠與云的垂直探測(cè)具有重要意義。本研究基于2018年7—8月山西省中部6次飛機(jī)觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究不同高度氣溶膠及云的分布特征。

1 觀測(cè)與數(shù)據(jù)

1.1 觀測(cè)儀器

本研究以空中國(guó)王飛機(jī)(King-350)為主要空中觀測(cè)平臺(tái)，該飛機(jī)一般飛行速度為150 m·s-1，爬升和下降速度為7～10 m·s-1。氣溶膠粒子空間分布的主要觀測(cè)設(shè)備為1臺(tái)被動(dòng)空腔氣溶膠探頭(PCASP-100X)，觀測(cè)粒徑范圍為0.1～3 μm，分為30個(gè)通道，測(cè)量的最小分辨率為0.01 μm，數(shù)據(jù)采樣頻率為1 Hz，采樣間隔為1 s。PCASP-100X在試驗(yàn)前進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)PSL標(biāo)定和流速標(biāo)定。云滴觀測(cè)的主要儀器為美國(guó)DMT公司生產(chǎn)的云粒子譜探頭(CDP)，觀測(cè)的云滴譜范圍為3～50 μm，分為30個(gè)通道，通道1～12的分辨率為1 μm，通道13～30的分辨率為2 μm，數(shù)據(jù)采樣頻率為1 Hz。對(duì)于PCASP-100X和CDP，由于其第1檔數(shù)據(jù)尺度范圍不易確定且受到儀器信號(hào)噪音影響較大，因此剔除第1檔數(shù)據(jù)。飛機(jī)綜合氣象要素測(cè)量系統(tǒng)(AIMMS-20)設(shè)備包括ADP(大氣數(shù)據(jù)探頭)、GPS天線、GPS模塊等，主要測(cè)量環(huán)境溫度、氣壓、動(dòng)壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、垂直風(fēng)速、飛行經(jīng)緯度和飛行高度(均為海拔高度，以下簡(jiǎn)稱高度)等。

1.2 探測(cè)概況

氣溶膠觀測(cè)試驗(yàn)主要集中在山西省中部地區(qū)，太原為飛機(jī)觀測(cè)基地，起降機(jī)場(chǎng)為太原武宿機(jī)場(chǎng)。飛機(jī)于2018年7月21日、2018年7月26日、2018年7月31日、2018年8月22日上午、2018年8月22日下午和2018年8月30日開展6架次飛行，飛行詳細(xì)信息見表1(本研究所有時(shí)間均為北京時(shí))。

表1 觀測(cè)飛行概況

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究中，云需同時(shí)滿足云滴數(shù)濃度(Nc)大于10 cm-3、液態(tài)水含量(L)大于0.001 g·m-3兩個(gè)條件，且持續(xù)時(shí)間超過5 s[33]。根據(jù)Kleinman等[33]的研究結(jié)果，對(duì)云中氣溶膠數(shù)據(jù)進(jìn)行校正， PCASP-100X測(cè)得的氣溶膠數(shù)濃度(Na)在通道2～6內(nèi)減少20%，通道7～25內(nèi)減少10%，經(jīng)過計(jì)算后的云中氣溶膠數(shù)濃度記為Nacc。

2 結(jié)果分析

2.1 氣溶膠垂直和水平分布特征

表2為6架次飛機(jī)觀測(cè)的氣溶膠參量統(tǒng)計(jì)值。Na最大值出現(xiàn)在2018年7月26日(F2)，達(dá)到10493.30 cm-3，平均值為821.36 cm-3，同時(shí)Nacc占比最低，且算術(shù)平均直徑(Dm)和相對(duì)濕度最小。相對(duì)濕度較低,不利于粒子吸濕增長(zhǎng)，導(dǎo)致粒子平均直徑較小，天氣條件為中高層云時(shí),Na平均值高于天氣條件為中低層云時(shí)(有降水時(shí)除外)。

表2 氣溶膠參量統(tǒng)計(jì)值

總體而言，在780～5687 m高度內(nèi),Na的最大量級(jí)可達(dá)到104cm-3，比Yang等[34]在華中地區(qū)飛機(jī)觀測(cè)結(jié)果高1個(gè)量級(jí)。觀測(cè)期間,Nacc占比均在80%以上，Hao等[35]在安徽地區(qū)的觀測(cè)顯示Nacc占比可達(dá)95%以上。Dm平均值為0.12～0.52 μm，與中國(guó)其他地區(qū)的飛機(jī)觀測(cè)結(jié)果具有相同數(shù)量級(jí)[35-36]。

圖1是6架次飛機(jī)觀測(cè)的平均Na和Dm的垂直分布。由圖1可見，大量氣溶膠粒子集中在低層，Na隨海拔高度升高急劇降低，Na在垂直方向上存在3個(gè)峰值：第1個(gè)峰值出現(xiàn)在800 m高度附近，峰值濃度為1110 cm-3；第2個(gè)峰值出現(xiàn)在2000 m高度附近，峰值濃度為689 cm-3；第3個(gè)峰值出現(xiàn)在2880 m高度附近，峰值濃度為471 cm-3。Na在3800 m高度以下比3800 m以上高1個(gè)量級(jí)。但Dm垂直分布呈現(xiàn)完全不同的特征，在3500 m高度以下Dm分布相對(duì)穩(wěn)定，平均值為0.23 μm；3500 m高度以上，Dm隨高度增加增大，峰值出現(xiàn)在5370 m高度，峰值粒徑為0.80 μm。Li等[4]分析2013年7月山西地區(qū)6次飛行個(gè)例的積聚模態(tài)氣溶膠數(shù)濃度的垂直廓線，發(fā)現(xiàn)從地面到1200 m高度，Na隨高度逐漸增大，1200 m高度以上Na隨高度急劇降低，Na第1個(gè)峰值出現(xiàn)在1000～1400 m高度，第2個(gè)峰值出現(xiàn)在2000 m高度附近。平均Na垂直分布特征均表現(xiàn)出隨高度增加而遞減的趨勢(shì)，峰值位置存在差異，氣溶膠粒子峰值直徑出現(xiàn)的高度基本相同。

圖1 平均氣溶膠數(shù)濃度和算術(shù)平均直徑的垂直分布

氣溶膠垂直廓線與溫度、相對(duì)濕度等氣象要素的垂直分布密切相關(guān)[37-38]，本文選取F3(起飛過程)和F4(起飛過程和降落過程)共3次在晴空云外的垂直探測(cè)數(shù)據(jù)，分析大氣層結(jié)對(duì)氣溶膠垂直分布的影響。由圖2a溫度廓線可以看到，本次探測(cè)無明顯逆溫，Na從低空到高空呈線性遞減分布，由圖3a溫度廓線可見，1300 m高度、2000 m高度和2500 m高度出現(xiàn)逆溫，圖3c溫度廓線顯示在1300 m高度和2300 m高度出現(xiàn)逆溫，對(duì)應(yīng)圖3b和圖3d中Na在逆溫高度出現(xiàn)明顯累積，說明逆溫層的存在阻擋氣溶膠的垂直輸送。對(duì)比濕度廓線與Dm關(guān)系可以看到，低空(2000 m高度以下)Dm和相對(duì)濕度無明顯相關(guān)性，高空(2000 m高度以上)Dm和相對(duì)濕度變化較一致，高值區(qū)域基本吻合，說明低層氣溶膠來源受人類活動(dòng)影響較多，氣溶膠種類較為復(fù)雜，而高層氣溶膠來源較為單一，氣溶膠粒子存在明顯的吸濕增長(zhǎng)。

圖2 2018年7月31日F3觀測(cè)的溫濕廓線(a)和氣溶膠數(shù)濃度、算術(shù)平均直徑的垂直分布(b)

圖3 2018年8月22日F4兩次垂直觀測(cè)的溫濕廓線及氣溶膠數(shù)濃度、算術(shù)平均直徑的垂直分布

為了分析不同高度氣溶膠粒子的水平分布特征，2018年7月26日開展4個(gè)不同高度的飛行探測(cè)(F2)，圖4為當(dāng)日Na和Dm在1880，2200，3100 m和3400 m高度的水平分布特征。相對(duì)于垂直變化特征，Na和Dm的水平變化幅度較小，統(tǒng)計(jì)4個(gè)高度處Na，Dm，溫度和相對(duì)濕度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差可知，Na隨高度升高而減小，Dm在3500 m高度以下較為穩(wěn)定，且探測(cè)期間Dm平均值較小。

圖4 2018年7月26日F2觀測(cè)不同高度的氣溶膠數(shù)濃度和算術(shù)平均直徑的水平分布

2.2 氣溶膠粒子譜分布特征

大氣氣溶膠包含多種不同尺度不同成分的粒子，粒子譜分布是描述氣溶膠粒子分布的重要物理量，決定氣溶膠在大氣中傳輸、壽命以及光學(xué)特性。本文6個(gè)架次觀測(cè)的氣溶膠粒子譜分布如圖5所示，6架次探測(cè)的氣溶膠粒子譜分布較為一致，均呈多峰分布，峰值位置相近，氣溶膠粒子主要集中在小粒子端，大粒子端Na較小。

圖6為6架次飛機(jī)觀測(cè)的氣溶膠粒子平均譜分布和用對(duì)數(shù)正態(tài)分布公式擬合的特征曲線。由圖6可知，氣溶膠平均譜分布呈三峰分布，第1個(gè)峰值位于第1模式，峰值直徑為0.11 μm，第2個(gè)峰值位于第2模式，峰值直徑為0.24 μm，第3個(gè)峰值位于第3模式中，峰值直徑可能大于3 μm，由于PCASP-100X量程的限制，不能確定峰值直徑的位置；第1模式和第2模式氣溶膠粒子數(shù)濃度隨高度明顯減小。氣溶膠粒子平均譜分布特征參數(shù)可為改善區(qū)域氣候模式、氣溶膠-云模式等參數(shù)化方案提供重要的原位測(cè)量依據(jù)。

圖6 6架次飛機(jī)觀測(cè)的氣溶膠粒子平均譜分布

2.3 云垂直分布特征

圖7為6架次飛行上升或下降穿云過程中云滴數(shù)濃度(Nc)和液態(tài)水含量(L)的變化。由圖7可見，F(xiàn)2穿過的3層云均較薄，其余架次飛機(jī)穿過的云層較厚，L和Nc的變化趨勢(shì)較一致。6架次飛行觀測(cè)中云底高度為1217～3498 m，云頂高度為3753～5686 m。Nc最大值為813.12 cm-3，出現(xiàn)在2018年7月26日(F2)，L最大值為1.57 g·m-3，出現(xiàn)在7月31日(F3)。F1～F3架次飛行期間云中L相對(duì)較高，L與垂直氣流的強(qiáng)度有關(guān)，上升氣流區(qū)與高L區(qū)基本一致[39]，說明F1～F3觀測(cè)期間云中上升氣流強(qiáng)，且F1和F3觀測(cè)期間L起伏變化較大，說明云中亂流較明顯，F(xiàn)4～F6觀測(cè)期間L小且變化幅度小，云中氣流比較穩(wěn)定。綜合分析6架次穿云過程可知，低層云中Nc較大、L較小，中層和高層云中Nc較小、L較大，說明低層云中云滴尺度較小，中層和高層云中云滴尺度較大。

圖7 F1～F6觀測(cè)的云滴數(shù)濃度和液態(tài)水含量垂直廓線

2.4 云微物理參量特征

以F3為例研究云微物理特征。F3觀測(cè)期間有9次穿云過程，圖8為觀測(cè)期間飛行高度、Nc和L的時(shí)間序列，同時(shí)滿足Nc大于10 cm-3，L大于0.001 g·m-3兩個(gè)條件，持續(xù)時(shí)間超過5 s時(shí)判定為云。飛機(jī)在起飛6 min后上升至4000 m高度以上，持續(xù)飛行56 min后開始下降。

圖8 F3穿云期間的飛行高度、云滴數(shù)濃度和液態(tài)水含量(9朵云用Ⅰ～Ⅸ表示)

圖9為云朵Ⅰ～Ⅸ的云滴譜分布特征，其中云朵Ⅰ、云朵Ⅱ和Ⅸ的云滴譜較窄，約為20 μm。云朵Ⅲ～Ⅷ的云滴譜寬為50 μm，且基本呈單峰型分布，在9～16 μm達(dá)到峰值。Lü等[40]研究東北地區(qū)清潔和污染條件的云滴尺度分布特征，本研究中的云滴數(shù)濃度與其污染條件下的結(jié)果相似。

圖9 云朵Ⅰ～Ⅸ的云滴譜

圖10為Nc,L和云滴有效半徑(Re)的概率密度函數(shù)。Nc的平均值為150.94 cm-3，最大值為873.32 cm-3，概率密度函數(shù)為雙峰分布，兩個(gè)峰值處Nc分別為8.33 cm-3和72.33 cm-3，均處在概率分布函數(shù)的低值區(qū)。L的平均值為0.11 g·m-3，最大值為1.54 g·m-3，概率密度函數(shù)為單峰分布，峰值處L為0.015 g·m-3，處在概率分布函數(shù)低值區(qū)。Re平均值為5.52 μm，最大值為24.49 μm，概率密度函數(shù)為雙峰分布，兩個(gè)峰值處Re濃度分別為4.24 μm和8.38 μm，均處在概率分布函數(shù)的低值區(qū)。本研究中Nc,L和Re的概率密度函數(shù)顯示的特征與Yang等[34]對(duì)華中地區(qū)的研究及Zhao等[41]對(duì)華北地區(qū)的研究結(jié)果均有所不同。

圖10 云滴數(shù)濃度、液態(tài)水含量和云滴有效半徑概率密度函數(shù)

續(xù)圖10

3 結(jié) 論

本研究基于2018年7—8月華北中部地區(qū)6架次飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，分析氣溶膠和云滴的垂直和水平分布特征。得到以下結(jié)論：

1) 華北中部780～5687 m高度內(nèi)Na平均值為821.36 cm-3，最大量級(jí)可達(dá)到104cm-3，Nacc占總顆粒濃度的80%以上，表明細(xì)顆粒占大多數(shù)，Dm平均值為0.12～0.52 μm。

2) 6架次飛機(jī)觀測(cè)的平均Na隨高度增加遞減，天氣條件為中高層云時(shí)Na高于天氣條件為中低層云時(shí)，Dm在3500 m高度以下分布相對(duì)穩(wěn)定，平均值為0.23 μm；3500 m高度以上隨高度增加而增大；大氣層結(jié)狀態(tài)對(duì)氣溶膠分布影響較大，逆溫層對(duì)氣溶膠垂直輸送有明顯的阻擋作用，逆溫層處出現(xiàn)氣溶膠粒子的累積，相對(duì)濕度對(duì)高空(2000 m高度以上)Dm的垂直分布影響較大。

3) 低層云中Nc較大、L較小，而中、高層云中Nc較小、L較大。

4) 觀測(cè)期間氣溶膠粒子譜均呈現(xiàn)多峰型分布，平均氣溶膠譜呈三峰分布；云滴譜寬多為50 μm左右，且基本呈現(xiàn)單峰型分布，在9～16 μm達(dá)到峰值；Nc和Re的概率密度函數(shù)均為雙峰型分布，L的概率密度函數(shù)為單峰型分布。