華中地區(qū)一次氣溶膠與云微物理特性的飛機觀測研究

龍玉燕，曹琪敏，周 旭，鄒嘉南，張澤群

（1.中國氣象科學(xué)研究院中國氣象局云霧物理環(huán)境重點實驗室，北京 100081；2.南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京 210044；3.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東 珠海 510275；4.中國氣象局人工影響天氣中心，北京 100081；5.中國氣象局云降水物理與人工影響天氣重點開放實驗室，北京10081；6.中國氣象局大氣化學(xué)重點開放實驗室，北京 100081）

引言

氣溶膠是指懸浮在大氣中的各種固體和液體粒子，氣溶膠粒子在云霧降水形成過程中起著重要的作用。當(dāng)大氣環(huán)境處于過飽和狀態(tài)時，氣溶膠可以作為云凝結(jié)核（CCN）和冰核（IN）參與云的形成過程，進(jìn)一步影響云微物理特性，從而間接影響氣候變化，即氣溶膠的間接輻射效應(yīng)［1］。華中地區(qū)是我國氣溶膠數(shù)濃度較高的區(qū)域之一，河南省鄭州市近些年來污染較為嚴(yán)重［2］。韋增岸等［3］指出，在人影作業(yè)前期，若能合理規(guī)劃作業(yè)區(qū)域、范圍以及高度，制定詳細(xì)的作業(yè)方案，能夠增強飛機人工增雨的效果。鐘小英［4］通過提取廣西冬季兩個月的飛機作業(yè)數(shù)據(jù)，對人工增雨作業(yè)效果進(jìn)行了評估，為廣西開展冬季人工增雨作業(yè)的可行性提供了依據(jù)。因此，利用機載資料對華中地區(qū)的氣溶膠和云微物理特征進(jìn)行研究具有重大的現(xiàn)實意義，不僅能夠增強對氣溶膠-云效應(yīng)的認(rèn)識，還能提高云模式的準(zhǔn)確率，從而更加有效地指導(dǎo)人影作業(yè)的開展。

20 世紀(jì)50 年代以來，關(guān)于氣溶膠與云微物理特性的飛機觀測試驗在國內(nèi)外相繼開展。Snider 等［5］在第二次氣溶膠表征實驗（ACE-2）期間，研究了層積云特性與氣溶膠之間的關(guān)系，指出基于上升氣流速度和CCN 活化譜的液滴濃度計算結(jié)果與直接觀測結(jié)果一致，并改進(jìn)了氣溶膠和云微物理之間相互作用的模擬模型。李軍霞等［6］利用2013 年7 月和8月的6 次全面觀測的飛機數(shù)據(jù)對黃土高原地區(qū)的氣溶膠進(jìn)行研究，結(jié)果表明：逆溫層造成了氣溶膠積聚，使得氣溶膠數(shù)濃度隨海拔呈指數(shù)下降，但氣溶膠的平均粒徑隨高度不斷增大。蔡兆鑫等［7-8］在山西忻州進(jìn)行了氣溶膠和淺積云的飛機觀測，對華北地區(qū)的氣溶膠、云凝結(jié)核和淺層云的微物理特征進(jìn)行了細(xì)致的分析，并對氣溶膠與云的相互作用機理進(jìn)行了深入的探討，同時還研究了大陸性積云不同發(fā)展階段宏觀和微觀物理特性。彭沖［2］利用飛機微物理探測資料，對2018 年3 月26 日河南中北部地區(qū)一次氣溶膠分布特征進(jìn)行了綜合分析，比較了鄭州市區(qū)與郊區(qū)的積聚模態(tài)氣溶膠粒子的分布情況以及CCN 的活化率。

本文基于2018 年12 月10 日一次華中地區(qū)的飛機觀測，利用機載資料分析了華中地區(qū)的氣溶膠與云的分布特征。

1 實驗與方法

1.1 機載探頭介紹

本次研究使用的是新舟60，飛機上搭載了美國DMT 云物理探測系統(tǒng)，機載采樣探頭［9］主要包括：（1）二維降水粒子探頭（PIP，Precipitation Imagine Probe）：該探頭為圖像探頭，探測范圍為100～6200 μm，分辨率為100μm，共分為62 檔，主要用于探測降水粒子，能夠?qū)崟r顯示降水粒子的二維圖像和一維粒子譜分布。（2）云粒子圖像探頭（CIP，Cloud Imagine Probe）：該探頭為圖像探頭，探測范圍為25～1550μm，分辨率為25μm，分為62 檔，主要用于探測冰晶粒子和大云滴。（3）云粒子探頭（CDP，Cloud Droplet Probe）：該探頭為前向散射探頭，探測范圍為2～50μm，分為30 檔，用來探測云滴、霾等粒子。（4）氣溶膠探頭（PCASP，Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe）：該探頭為氣溶膠粒子散射探頭，此次使用的氣溶膠探頭型號為PCASP-100X，探測范圍為0.1～3μm，分為30 檔，可用來探測氣溶膠粒子。（5）熱線含水量儀（Hotwire LWC，The hot-wire cloud liquid water content）：使用加熱的傳感線圈測量液體含水量。（6）飛機綜合氣象要素測量系統(tǒng)（AIMMS-20，Aircraft -Integrated Meteorological Measurement System）：主要用于探測風(fēng)向風(fēng)速、溫度、相對濕度、壓強、真空速、軌跡（經(jīng)緯度）等參數(shù)。在探測之前，所有儀器均經(jīng)過地面標(biāo)定，各探頭參數(shù)如表1 所示。

表1 各探頭參數(shù)列表

1.2 數(shù)據(jù)來源與處理

1.2.1 數(shù)據(jù)來源

文中使用的數(shù)據(jù)為北京人工影響天氣辦公室編號為B3435 的飛機新舟60 在2018 年12 月10 日的機載探測數(shù)據(jù)，起飛機場在新鄭國際機場（鄭州），起飛的時間為16∶01∶54，鄭州市區(qū)為輕度污染，云中液態(tài)水和冰晶共存。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理：利用3σ 原則剔除CIP、CDP、PIP、PCASP 和AIMMS -20 中的異常數(shù)據(jù)，如AIMMS-20 中經(jīng)緯度不符、高度個例突變等情況。

（2）分析氣溶膠譜分布時，由于第一檔（Bin1）數(shù)據(jù)誤差較大，因此應(yīng)把第一檔的數(shù)據(jù)剔除［10］。各尺度間隔內(nèi)氣溶膠度尺度分布函數(shù)ni=，單位為cm-3μm-1，ΔD 為直徑間隔（檔寬），探頭PCASP-100X 采用不等間隔，Ni為一個采樣周期內(nèi)測得的直徑在Di～Di+ΔD 之間的粒子數(shù)目，采樣體積V=，c 為采樣流量（cm-3s-1），f 為采樣頻率（s-1）。

（3）分析云滴粒子譜分布時，也要剔除第一檔的數(shù)據(jù)，以免誤差較大造成結(jié)果干擾［10］。每檔粒子數(shù)濃度Ci=，各檔譜分布ni=，單位為cm-3μm-1。其中Ni為每檔的粒子個數(shù)，S 為采樣面積，v 為真空速，t 為采樣時間，ΔD 為檔寬。下文有關(guān)符號意義見表2。

表2 符號說明

1.3 飛行方案描述

從飛行三維軌跡（圖1）來看，飛機在起落階段以垂直探測為主，經(jīng)過許昌市上空逐漸爬升到3610m 高度，然后平飛，接著在2300～2900m 高度范圍內(nèi)呈“s”型盤旋3 次，最后經(jīng)過太康縣和中牟縣上空逐漸下降回到新鄭國際機場。

圖1 飛行三維軌跡

2 結(jié)果與分析

2.1 華中地區(qū)氣溶膠物理特征

本文選取飛機在圖1 上升（紅色段）和下降（綠色段）的兩個階段進(jìn)行垂直方向上的氣溶膠探測分析，從而獲得氣溶膠在一定區(qū)域內(nèi)垂直方向上的變化特征。

2.1.1 大氣層結(jié)情況

由圖2 可以看出，在上升和下降階段，大氣的溫度層結(jié)均為不穩(wěn)定的，位溫隨著高度升高而降低。上升階段最低溫度可達(dá)到230K，且在2400m 高度附近存在一個淺薄的逆溫層。兩個階段的相對濕度隨著高度增加而不斷增大，下干上濕甚至在高層相對濕度超過了100%，處于過飽和狀態(tài)，由此可知，飛機在高層穿過了云層。

圖2 上升和下降階段的大氣層結(jié)情況

2.1.2 氣溶膠濃度與有效直徑的垂直分布

對氣溶膠探頭探測到的氣溶膠數(shù)濃度和有效直徑作200m 高度上的平均，同時制作誤差棒以方便分析離散度。因此，在500m 高度上的數(shù)據(jù)為400～600m 高度范圍內(nèi)的觀測結(jié)果的平均值和誤差值。

無論在上升（圖3a）還是下降階段，在1000m 高度以下，氣溶膠的數(shù)濃度都大于2000cm-3，且數(shù)濃度的離散度較大，說明低層氣溶膠粒子主要來源于地面。在1000m 高度以上，由于重力沉降作用，氣溶膠的數(shù)濃度隨著高度增加而遞減，在高層數(shù)濃度非常小。在下降階段（圖3b），氣溶膠數(shù)濃度隨著高度增加先增大后減小，但下降階段的溫度層結(jié)是不穩(wěn)定層結(jié)，不存在逆溫層，這可能是由于下降的時候，水平方向飛過的范圍很大，氣溶膠區(qū)域特征相差比較大，所以導(dǎo)致氣溶膠濃度的垂直分布會出現(xiàn)隨高度增大的趨勢。

由圖3c、d 可以看出，這兩個階段的氣溶膠有效直徑的垂直分布存在明顯的差異。在1000m 高度以下，兩者的有效直徑均集中在0.4μm 附近。在1000m 高度以上，上升段有效直徑隨著高度增加而增大，最大有效直徑為2.4μm，但該層誤差較大，說明該層氣溶膠的有效直徑的離散度較高；對于下降段，有效直徑的分布復(fù)雜多變，離散度也大，其最大值為1.5μm。由此可見，在高層，上升階段氣溶膠大粒子所占的比例要大于下降階段，因為在云中過飽和度環(huán)境下，有一些氣溶膠粒子可以作為云凝結(jié)核被活化，形成小云滴，然后通過凝結(jié)增長，使得粒子尺度有所增大。

圖3 上升和下降階段氣溶膠數(shù)濃度與有效直徑的垂直廓線

2.1.3 氣溶膠粒子譜的垂直分布

研究氣溶膠粒子譜分布時，對各檔的氣溶膠粒子個數(shù)在500m 高度范圍內(nèi)取平均值。由圖4 可以發(fā)現(xiàn)，無論上升階段還是下降階段，氣溶膠粒子譜均為多峰型分布。大部分氣溶膠粒子處于小粒徑端，而且氣溶膠濃度隨著尺度的增大而逐漸降低，其中在0.3～0.4μm 降低得最明顯。低層的氣溶膠濃度明顯高于高層，隨著高度不斷增加，各粒徑段的氣溶膠濃度都有所降低，特別在小粒徑端，氣溶膠濃度減低非常明顯；而在大粒子端，隨著高度增加，氣溶膠濃度變化不明顯。

圖4 上升和下降階段氣溶膠粒子譜的垂直分布

兩個探測階段的大氣層結(jié)情況類似，但由于經(jīng)過的下墊面不一樣，因此氣溶膠粒子譜的垂直分布會存在差異。兩者的氣溶膠粒子譜分布均為多峰型，第一峰值直徑都在0.14μm。對比圖4a、4b 發(fā)現(xiàn)，在1250m 高度以下，兩個階段的氣溶膠粒子譜分布基本一致。在1250m 高度以上，兩個階段的粒子譜型明顯不同：在小粒子端，下降階段氣溶膠濃度要高于上升階段，可能是與下降探測區(qū)域的氣溶膠近地面來源增加有關(guān)；而在大粒子端，上升階段的氣溶膠濃度則高于下降階段，這是因為上升階段穿云的時間大于下降階段，而飛機穿過云層時探頭PCASP-100X 探測到的氣溶膠數(shù)據(jù)會受到云中云滴粒子的干擾，導(dǎo)致該探頭測到的氣溶膠粒子在大粒子端占的比例增大。

2.2 華中地區(qū)的云微物理特征

2.2.1 入云條件

在分析云微物理特征之前，首先要設(shè)置一個合適的入云條件。參考前人研究［11］，以及此次飛機探測的實際情況，本文設(shè)置入云條件為：（1）液態(tài)水含量LWC＞0.001g·cm-3；（2）云滴粒子數(shù)濃度Nc＞10cm-3；（3）相對濕度＞=95%；（4）上述條件持續(xù)時間超過10s。

根據(jù)設(shè)置的入云條件和飛機探測方式，選取圖5 黑色箭頭所標(biāo)注的兩個階段A 和B 來分析混合云的云微物理特征。其中A 段稱為不等間隔分層水平探測［10］，B 段為水平探測。

圖5 飛行高度與相對濕度的時間變化

2.2.2 間隔分層水平探測的云微物理特征

（1）云微物理量的垂直分布

根據(jù)入云條件可知（表3），飛機在A 段云中探測的時間為16∶47∶05—17∶20∶08。為了研究飛機在穿云過程中云微物理量在2258～3660m 上的垂直分布特征，對機載探頭LWC 和CDP 探測到的云微物理量資料作100m 高度平均。

表3 A 和B 兩個階段的飛行信息表

由圖6 可知，液態(tài)水含量LWC 的值小于0.6g·m-3，隨著高度的增加而逐漸減小，在2650m 高度上的離散度最大。云滴數(shù)濃度Nc隨著高度不斷增加，最大值可達(dá)500cm-3，在2850m 高度以上，Nc的離散度較大。而云滴有效直徑Ec的垂直廓線是先減小后增大，在2550～2850m 高度范圍內(nèi)，尺度變化不明顯，Ec＜20μm，說明云中以凝結(jié)增長為主。

圖6 云微物理量的垂直廓線

（2）云滴粒子的譜分布

研究云滴粒子在不同高度上的譜分布時，同樣取100m 高度平均。圖7 是云滴粒子的譜分布，在不同高度上均呈現(xiàn)多峰分布，第一峰值直徑為6 μm，第二峰值直徑為13μm。在小粒子端，各個高度上的云滴粒子譜的譜型非常相似；而在大粒子端，譜型比較多樣化。大部分云滴粒徑集中在20μm 內(nèi)，直徑大于30μm 的云滴粒子所占比例很小，說明云內(nèi)以凝結(jié)增長為主。隨著高度的增加，云滴數(shù)濃度逐漸增加，在2350～2550m 高度范圍內(nèi)數(shù)濃度增加得比較明顯。

圖7 云滴在不同高度的譜分布

2.2.3 水平探測的云微物理特征

結(jié)合入云條件可知，飛機在水平探測階段（B段）有四次明顯的穿云過程，如表4 所示。

表4 穿云過程與時間信息表

為研究空間水平方向上的混合云中的粒子譜分布特征，分析了B 段四次不同的穿云過程（I、II、III和IV）的云滴粒子在2280m 高度上的譜分布情況。圖8 為四次穿云過程的云滴譜分布圖，均呈現(xiàn)多峰分布，第一峰值直徑為6μm，第二峰值直徑為13μm。過程I 和III 的云滴譜較窄，I 的云滴譜寬為34μm，II 的云滴譜寬約為30μm；而過程II 和IV 的云滴譜寬為50μm。當(dāng)粒徑小于20μm 時，四個過程的云滴譜型很相似。從過程I 到過程II，云滴譜變寬，云滴譜寬從34μm 增加到50μm，小于20μm 的云滴數(shù)濃度有所降低，大于20μm 的云滴數(shù)濃度明顯增加。由此可知，在過程I，云滴以凝結(jié)增長為主，因此云滴譜較窄；在過程II，云滴主要通過碰并增長使得云滴尺度增長到較大尺度，從而云滴譜拓寬。從過程III 到過程IV 變化與過程I 到過程II 類似，云滴通過碰并增長擴寬譜，云滴尺度可增大到50μm。

圖8 四次穿云過程云滴粒子譜分布

3 結(jié)論

本文基于2018 年12 月10 日飛機在華中地區(qū)（河南）的機載資料，分析華中地區(qū)的氣溶膠與云微物理量的分布特征，得到以下結(jié)論：

（1）氣溶膠數(shù)濃度隨著高度的增加而迅速減低，在高層氣溶膠數(shù)濃度非常小。在低層，氣溶膠有效直徑主要集中在0.4μm，氣溶膠數(shù)濃度超過2000cm-3。在高層，上升段的氣溶膠有效直徑隨著高度緩慢增加，集中在2～2.5μm 范圍內(nèi)；下降段的氣溶膠有效直徑在垂直方向上復(fù)雜多變，離散度也大，主要集中在0.5～1μm。氣溶膠粒子譜都為多峰型，第一峰值直徑在0.14μm，大多數(shù)氣溶膠粒子處于小粒徑端，隨著粒子尺度的增大，氣溶膠濃度逐漸降低，粒徑在0.3～0.4μm 之間氣溶膠濃度減小得最快。

（2）在穿云過程中液態(tài)水含量隨著高度增加而降低，云滴數(shù)濃度隨高度增大，云滴有效直徑隨高度先減小后增大。在不同高度上的云滴譜均呈現(xiàn)多峰分布，第一峰值直徑在6μm，云滴譜寬為50μm 左右。

（3）四次穿云過程的云滴譜均為多峰型，過程I和III 的云滴譜較窄，分別為34μm 和30μm，而過程II 和IV 的云滴譜寬為50μm。