山西夏季氣溶膠空間分布飛機(jī)觀測研究

李軍霞,銀 燕,李培仁,李潤君,晉立軍,李 勁

(1.南京信息工程大學(xué),中國氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210044；2.山西省人工降雨防雹辦公室,山西 太原030032；3.北京師范大學(xué),全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院,北京100875；4.安徽省氣象臺(tái),安徽 合肥230031)

山西夏季氣溶膠空間分布飛機(jī)觀測研究

李軍霞1,2,銀 燕1*,李培仁2,李潤君3,晉立軍2,李 勁4

(1.南京信息工程大學(xué),中國氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京210044；2.山西省人工降雨防雹辦公室,山西 太原030032；3.北京師范大學(xué),全球變化與地球系統(tǒng)科學(xué)研究院,北京100875；4.安徽省氣象臺(tái),安徽 合肥230031)

以搭載了多種氣溶膠觀測儀器的飛機(jī)為觀測平臺(tái),在2013年夏季首次對(duì)山西中部地區(qū)霾日及晴空大氣氣溶膠空間分布特性進(jìn)行了觀測,得到氣溶膠粒子數(shù)濃度和尺度的垂直分布廓線以及不同高度氣溶膠粒子譜分布特征.研究發(fā)現(xiàn),山西夏季非降水天氣條件下氣溶膠粒子以核模態(tài)和積聚模態(tài)的細(xì)粒子為主,粗粒子很少.霾日氣溶膠數(shù)濃度是晴空的2～3倍,主要是核模態(tài)的小粒子;氣溶膠粒子數(shù)濃度隨著高度逐漸減小,低空存在氣溶膠累積區(qū),逆溫層的存在是導(dǎo)致氣溶膠累積區(qū)形成的主要原因;氣溶膠粒子尺度隨高度增加,大粒子主要分布在2500m以上的高空;不同高度上的氣溶膠粒子譜均呈雙峰或三峰分布,譜型基本一致,從近地面到5000m高空,氣溶膠粒子譜隨高度的增加略有展寬.觀測區(qū)域氣團(tuán)后向軌跡模擬結(jié)果顯示,4000m以上高空氣溶膠粒子主要是從中國西北地區(qū)遠(yuǎn)距離輸送而來,3000m以下氣溶膠粒子則主要來源于近地面排放.

氣溶膠特性；飛機(jī)觀測；山西地區(qū)

氣溶膠是指大氣與懸浮在其中的固體和液體微粒共同組成的多相體系.氣溶膠在大氣成分中含量很少, 但其對(duì)于天氣、氣候系統(tǒng)以及大氣環(huán)境的影響不容忽視.隨著科技的進(jìn)步,各種先進(jìn)的氣溶膠探測衛(wèi)星以及各種氣溶膠地面觀測網(wǎng)絡(luò)的建立,對(duì)于深入研究氣溶膠理化特性、光學(xué)特性以及氣溶膠對(duì)環(huán)境和氣候的影響提供了有力的支持.

在對(duì)于氣溶膠的觀測中,飛機(jī)是最直接的觀測方式之一.通過在飛機(jī)上搭載各種氣溶膠觀測設(shè)備可在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)直接獲取氣溶膠的空間分布狀況,可補(bǔ)充地面觀測與衛(wèi)星觀測所無法涉及的一些空間區(qū)域,因此飛機(jī)觀測成為氣溶膠觀測研究十分重要的手段.Rosenfeld 等[1-3]利用TRMM數(shù)據(jù)和飛機(jī)觀測數(shù)據(jù)研究了印度尼西亞上空煙塵粒子以及澳大利亞城市上空污染氣溶膠對(duì)云的影響.Snide等[4]通過分析 ACE-2試驗(yàn)的觀測資料,認(rèn)為相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠粒子的大小分布有重要影響.近年來,國內(nèi)在氣溶膠特性研究等方面做了大量的觀測實(shí)驗(yàn),產(chǎn)生了許多研究成果[6-18].Zhang等[6-7]分析了2005和2006年北京春季氣溶膠垂直分布廓線后指出,氣溶膠的垂直分布與氣象條件有密切的關(guān)系.Liu等[10]研究了北京地區(qū)大氣氣溶膠的垂直分布狀況及其光學(xué)特性,給出了北京地區(qū)氣溶膠垂直廓線參數(shù)化方案.孫霞等[12]利用2006年和2007年河北省機(jī)載粒子觀測系統(tǒng)(PMS)獲得的飛行觀測資料,分析了石家莊地區(qū)春季上空氣溶膠粒子的分布特征.范燁等[14]分析了北京及周邊地區(qū)的氣溶膠飛行觀測資料,發(fā)現(xiàn)氣溶膠數(shù)濃度在陰天情況下最大,晴空最小,氣溶膠粒子譜呈單峰結(jié)構(gòu),逆溫層底存在明顯的氣溶膠積累.

然而截至目前,氣溶膠在大氣中的垂直分布狀況依然是氣溶膠觀測的難點(diǎn).IPCC第4次評(píng)估報(bào)告(2007)[5]指出,氣溶膠的垂直分布狀態(tài)對(duì)于評(píng)估和計(jì)算氣溶膠對(duì)氣候的直接與間接輻射強(qiáng)迫有巨大的影響,對(duì)流層低層氣溶膠的垂直分布狀態(tài)仍然存在很大的不確定性.氣溶膠數(shù)濃度以及氣溶膠粒子尺度的時(shí)空分布是評(píng)估大氣污染狀況以及研究氣溶膠與云相互作用的關(guān)鍵因子.氣溶膠垂直觀測最直接的方法是利用觀測飛機(jī)直接獲取不同高度的數(shù)據(jù),但是因?yàn)轱w機(jī)觀測需要很高的費(fèi)用,并且受空域限制,因此此類觀測研究在國內(nèi)外均還很缺乏.

山西省地處黃土高原東部,是我國的能源重化工基地,當(dāng)?shù)氐拇髿猸h(huán)境、大氣顆粒分布狀況、氣溶膠對(duì)天氣、環(huán)境和氣候的影響越來越受到人們的關(guān)注.山西地區(qū)氣溶膠在大氣中的時(shí)空分布特征、氣溶膠與近地面大氣層結(jié)的相互作用以及氣溶膠濃度和成分的改變是否會(huì)對(duì)云和降水產(chǎn)生影響是進(jìn)一步研究山西省的天氣、氣候和環(huán)境變化的重要因素.目前國內(nèi)對(duì)于氣溶膠垂直特性的飛機(jī)觀測大多是采用機(jī)載被動(dòng)腔氣溶膠探頭PCASP-100作為主要的觀測設(shè)備,該儀器主要觀測對(duì)象是積聚模態(tài)的氣溶膠粒子,而對(duì)于核模態(tài)以及粗粒子模態(tài)的氣溶膠的飛機(jī)觀測則幾乎沒有.2013年7月起,以山西省人工增雨用Y-12飛機(jī)為觀測平臺(tái),搭載了多種氣溶膠觀測儀器,可觀測10nm～20μm范圍內(nèi)的氣溶膠粒子,幾乎覆蓋了全譜段的氣溶膠粒子信息,首次對(duì)山西中部地區(qū)大氣氣溶膠特性開展了飛機(jī)觀測,獲取了寶貴的觀測資料.本文選取了2013年7月31日、8月2日、3日、4日連續(xù)4次飛機(jī)觀測獲取的氣溶膠數(shù)據(jù),對(duì)山西省中部地區(qū)夏季非降水日大氣氣溶膠的時(shí)空分布特征進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分析,重點(diǎn)分析了氣溶膠在晴、霾天條件下的垂直分布特征以及與大氣溫度層結(jié)的關(guān)系,并且分析了不同高度從核模態(tài)到粗粒子模態(tài)的全譜段的氣溶膠譜分布特征以及氣溶膠的來源,通過上述研究初步給出了山西中部地區(qū)夏季氣溶膠空間分布狀況,以期對(duì)天氣和環(huán)境預(yù)報(bào)以及氣溶膠和云數(shù)值模擬提供實(shí)測依據(jù).

1 觀測區(qū)域及觀測儀器

本次觀測實(shí)驗(yàn)區(qū)域是山西中部地區(qū),飛機(jī)起降機(jī)場為太原武宿機(jī)場(海拔778m),飛行觀測區(qū)域主要為太原和文水上空(見圖1).以山西省人工增雨用Y-12飛機(jī)作為氣溶膠空中觀測平臺(tái),飛機(jī)上搭載的氣溶膠觀測儀器包括美國DMT公司的被動(dòng)腔氣溶膠探頭 PCASP-100X(30 通道, 觀測粒徑范圍:0.1～3μm);美國TSI公司的3034型掃描電遷移率顆粒物粒徑譜儀(簡稱SMPS,54通道,觀測粒徑范圍:10～469nm,最大顆粒物檢測濃度:2.4×106個(gè)/cm3);3321型空氣動(dòng)力學(xué)粒徑儀(簡稱 APS,52通道,觀測粒徑范圍:0.5～20μm,最小可測量濃度0.001個(gè)/cm3;最大顆粒物檢測濃度:1000個(gè)/cm3);高精度溫濕度探頭ZZW-1型總溫測量儀和 GWS—1濕度測量儀,用于測量大氣溫度和濕度;GPS定位儀,用于測量飛機(jī)的地理位置信息.

圖1 觀測區(qū)域示意Fig.1 Observation region

為保證觀測儀器的數(shù)據(jù)質(zhì)量,觀測實(shí)驗(yàn)開始前,專門針對(duì)PCASP、SMPS、APS進(jìn)行了儀器標(biāo)定和觀測數(shù)據(jù)對(duì)比訂正.本文采用各個(gè)儀器運(yùn)行穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,對(duì)于 PCASP的氣溶膠數(shù)據(jù),因其第一檔(bin1)數(shù)據(jù)尺度范圍不好確定且受到儀器信號(hào)噪音影響較大,因此在數(shù)據(jù)選取時(shí)不采用該檔數(shù)據(jù);對(duì)于SMPS數(shù)據(jù),從其第5檔數(shù)據(jù)開始(0.013～0.469μm)采用,所有氣溶膠總濃度和有效直徑都分別重新進(jìn)行了計(jì)算.

2 飛行概況

選取2013年7月31日、8月2日、3日、4日4次飛行觀測資料,觀測區(qū)域?yàn)樯轿魇≈胁康奶?112.55°E,37.867°N,海拔高度778m)和文水(112.14°E,37.26°N,海拔高度780m)地區(qū),飛機(jī)從太原武宿機(jī)場起飛至文水上空,從特定高度開始以一定的高度間隔(300m)盤旋下降,每一個(gè)高度層飛行時(shí)間約為5min,這樣可同時(shí)獲取到不同高度層氣溶膠的水平分布和整個(gè)高度層內(nèi)垂直分布狀況.飛行詳細(xì)實(shí)況見表1.

表1 氣溶膠觀測飛行概況Table1 Summary of the flights

3 結(jié)果與分析

3.1 統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)觀測實(shí)驗(yàn)所選擇的不同儀器的測量范圍、分檔粒徑以及不同的采樣時(shí)間間隔,對(duì)4次飛行觀測獲取的氣溶膠數(shù)據(jù)進(jìn)行了重新計(jì)算和相互訂正.為方便于不同觀測儀器的數(shù)據(jù)整合,依據(jù)觀測到的氣溶膠粒子尺度大小,將氣溶膠粒子劃分為3個(gè)模態(tài)(核模態(tài):0.01μm3μm.D:粒子直徑)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析.其中,核模態(tài)氣溶膠信息來源于 SMPS,積聚模態(tài)氣溶膠信息來自PCASP-100X,粗粒子模態(tài)氣溶膠采用APS的觀測數(shù)據(jù).

從表2來看,核模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度最大值出現(xiàn)在7月31日,達(dá)到了42689個(gè)/cm3,平均值為8334個(gè)/cm3.高濃度核模態(tài)細(xì)粒子的存在導(dǎo)致當(dāng)日能見度較差.8月2日,核模態(tài)的氣溶膠粒子數(shù)濃度最大值較7月31日明顯降低,約為1.0×104個(gè)/cm3,平均值為2.0×103個(gè)/cm3.8月3日和4日,氣溶膠粒子數(shù)濃度較8月2日又略有升高.綜合4次的觀測數(shù)據(jù)來看,核模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度均明顯高于積聚模態(tài)和粗粒子模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度.因此核模態(tài)氣溶膠對(duì)氣溶膠總濃度貢獻(xiàn)最大.并且,從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看,大于3μm的粗粒子模態(tài)氣溶膠粒子非常少.結(jié)合觀測日天氣條件分析,7月31日,觀測區(qū)域內(nèi)為霾天,氣溶膠粒子數(shù)濃度特別是核模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度非常大,約為非霾日核模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度的2～3倍.7月31日傍晚和8月1日,太原及周邊地區(qū)有陣性降水出現(xiàn),8月2日觀測區(qū)域內(nèi)有少量淡積云,8月3日和4日均為晴朗無云的天氣.從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看,由于降水對(duì)于氣溶膠粒子的濕清除作用以及云對(duì)氣溶膠粒子的消耗,使得8月2日氣溶膠粒子數(shù)濃度有明顯的降低,并且降水對(duì)于小粒子的清除作用相對(duì)更為明顯.綜合分析3個(gè)氣溶膠觀測儀器的結(jié)果,SMPS和PCASP觀測到的氣溶膠粒子數(shù)濃度很高,而APS觀測到的粗粒子模態(tài)的氣溶膠粒子非常少.因此,山西中部地區(qū)夏季非降水天氣條件下氣溶膠粒子多為核模態(tài)和積聚模態(tài).

表2 不同模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度統(tǒng)計(jì)Table2 Statistical results of aerosol number concentrations for different modes

3.2 氣溶膠數(shù)濃度、粒徑的分布特征

選取2013年7月31日和8月2～4日的觀測數(shù)據(jù),分析每一次觀測時(shí)段內(nèi)飛行海拔高度和不同儀器觀測到的氣溶膠粒子數(shù)濃度隨時(shí)間的變化.圖2為2013年7月31日、8月2～4日SMPS、PCASP、APS觀測的氣溶膠粒子數(shù)濃度與飛行高度隨飛行時(shí)間的分布,圖中實(shí)線加圓點(diǎn)、實(shí)線加方塊、實(shí)線加三角形標(biāo)識(shí)分別代表 PCASP、SMPS、APS觀測的氣溶膠粒子數(shù)濃度,虛線加米字標(biāo)識(shí)代表觀測飛機(jī)飛行海拔高度軌跡.從四幅圖中均可以直觀的看出氣溶膠粒子數(shù)濃度與飛行高度呈反相關(guān),隨著飛行高度的增加,各個(gè)儀器觀測到的氣溶膠粒子數(shù)濃度都明顯減小.例如,在7月31日的圖中,從飛機(jī)起飛至第1次到達(dá)最高點(diǎn),氣溶膠粒子數(shù)濃度急劇減小,在地面,氣溶膠粒子濃度(除APS)量級(jí)為103～104個(gè)/cm3,當(dāng)飛機(jī)至最高點(diǎn)(約3000m以上)時(shí),氣溶膠粒子濃度量級(jí)降至102個(gè)/cm3.飛機(jī)在文水區(qū)域盤旋下降時(shí),在每間隔300m高度做水平盤旋飛行(軌跡中的階梯).可以看到,在每個(gè)水平飛行時(shí)段,對(duì)應(yīng)的氣溶膠粒子數(shù)濃度變化很小,而當(dāng)飛機(jī)下降或上升至下一個(gè)高度的時(shí)間段,氣溶膠粒子數(shù)濃度變化明顯.另外,從4次觀測不同的觀測儀器獲取的氣溶膠粒子數(shù)濃度信息可以看出,由SMPS觀測到的細(xì)粒子數(shù)濃度最大,PCASP觀測得到的積聚模態(tài)的氣溶膠粒子數(shù)濃度略小,而由APS觀測到的粗粒子數(shù)濃度則非常小,平均量級(jí)僅有10個(gè)/cm3,并且3個(gè)儀器觀測的氣溶膠數(shù)濃度隨高度的變化趨勢(shì)一致性較好.

選取2013年7月31日和8月2～4日的觀測數(shù)據(jù),分析每一次觀測時(shí)段內(nèi)飛行海拔高度和不選擇4次飛機(jī)觀測過程中從起飛至飛行到最高點(diǎn)時(shí)PCASP觀測的氣溶膠數(shù)據(jù)(分別為7月31日10:38～11:32、8月2日15:05～16:03、8月3日09:52～10:31、8月4日11:00～11:39),分析積聚模態(tài)氣溶膠在垂直方向的數(shù)濃度和粒子尺度的分布狀態(tài),并且結(jié)合相同時(shí)段內(nèi)溫度的垂直分布狀況研究了兩者之間的關(guān)系.圖3為氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子尺度的垂直分布廓線,圖4為相同觀測時(shí)段內(nèi)溫度的垂直廓線.

從圖3可以看出,在飛機(jī)起飛之前剛開始觀測的時(shí)段內(nèi),地面氣溶膠粒子濃度非常大,隨著觀測設(shè)備的逐漸穩(wěn)定,氣溶膠粒子濃度逐漸減小.4次飛行觀測中,從地面(海拔778m)至1200m左右,氣溶膠粒子數(shù)濃度逐漸增大,達(dá)到一個(gè)峰值之后隨高度急劇降低.氣溶膠粒子數(shù)濃度的第一個(gè)峰值區(qū)位于海拔1200～1500m,形成一個(gè)明顯的近地層氣溶膠累積區(qū).例如,在7月31日的觀測中,氣溶膠粒子數(shù)濃度最大值為5436個(gè)/cm3,位于海拔1100m;8月2日,氣溶膠粒子數(shù)濃度最大值出現(xiàn)在1300m,最大數(shù)濃度值為4914個(gè)/cm3;8月3日,氣溶膠數(shù)粒子濃度最大值為3493個(gè)/cm3,位于1100m;8月4日,氣溶膠粒子濃度最大值為5630個(gè)/cm3,出現(xiàn)在1100m左右.并且,4次觀測中,氣溶膠粒子數(shù)濃度在高空均出現(xiàn)了第2個(gè)峰值區(qū),8月3日,氣溶膠在高空的累積區(qū)出現(xiàn)在2000m左右,其余3天氣溶膠數(shù)濃度的高空峰值都出現(xiàn)在3000m以上.從飛行觀測的宏觀記錄來看,在對(duì)應(yīng)于高空氣溶膠累積區(qū)的3000m左右高度存在一層近似灰霾的穩(wěn)定層.

圖2 4次飛行SMPS、PCASP、APS觀測的氣溶膠粒子數(shù)濃度以及飛行高度的時(shí)間序列分布Fig.2 The time sequences of aerosol number concentration from PCASP, SMPS, APS with flight altitude

氣溶膠有效直徑(ED)是研究氣溶膠特性的另一個(gè)重要參數(shù),它代表了氣溶膠粒子尺度大小的平均狀態(tài).從圖3可見,氣溶膠粒子有效直徑隨高度的增加而逐漸增大,氣溶膠粒子有效直徑在垂直方向上也存在兩個(gè)峰值,大粒子多集中在2500m以上的高空.從地面起,第1個(gè)粒徑峰值區(qū)出現(xiàn)在2500～3000m,第2個(gè)出現(xiàn)大的氣溶膠粒子的區(qū)域在3500m高度以上.例如,7月31日,氣溶膠粒子有效直徑最大值為0.78μm,出現(xiàn)在2413m;8月2日,氣溶膠粒子有效直徑最大值為1.7μm,出現(xiàn)在4832m;8月3日,氣溶膠粒子有效直徑最大值出現(xiàn)在3922m,為0.84μm;8月4日,氣溶膠粒子有效直徑最大值為0.61μm,出現(xiàn)在3000m左右.

綜合4次觀測的氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子尺度的垂直分布來看,細(xì)粒子對(duì)于氣溶膠總濃度的貢獻(xiàn)較大,分布在近地層的大氣中,粒徑較大的氣溶膠粒子多分布在高層,且濃度很低,在氣溶膠總濃度中只占很小的比例.由于觀測的4天均為非降水天氣,大氣層結(jié)比較穩(wěn)定,低層的細(xì)粒子多來源于地面污染物的排放,而高空少量的大粒子則可能為經(jīng)遠(yuǎn)距離輸送而來的沙塵等.

一些飛機(jī)觀測研究表明,氣溶膠的垂直分布與邊界層結(jié)構(gòu)非常密切.邊界層頂有逆溫層存在時(shí),在邊界層內(nèi)氣溶膠數(shù)濃度均勻分布,在邊界層之上迅速遞減[14].圖4為4次觀測過程中大氣溫度隨高度的分布狀態(tài).在海拔1200～1500m 之間,7月31日存在一個(gè)弱的逆溫層,而8月2日、3日和4日,逆溫層結(jié)構(gòu)非常明顯.對(duì)照?qǐng)D3,在1200～1500m之間,正好對(duì)應(yīng)于氣溶膠粒子數(shù)濃度的大值區(qū),因此邊界層頂部逆溫層的存在可能是導(dǎo)致氣溶膠粒子在逆溫層底形成累積區(qū)的主要原因.另外,從飛機(jī)觀測宏觀記錄來看,4次的觀測飛行中均發(fā)現(xiàn)在2000～3200m之間,存在一層像霾的穩(wěn)定的氣溶膠累積層,呈現(xiàn)灰藍(lán)色.對(duì)照溫度的垂直廓線發(fā)現(xiàn),7月31日,在2200m左右存在一個(gè)弱的高空逆溫層,8月3日高空逆溫層出現(xiàn)在2700左右;特別是8月4日,溫度廓線分別在1300m左右、2100m左右、2600m左右出現(xiàn)了3個(gè)逆溫層,而在氣溶膠數(shù)濃度的垂直廓線中(圖3d),可以看到3個(gè)數(shù)濃度的峰值區(qū)與這3個(gè)逆溫層的位置有較好的對(duì)應(yīng).高空逆溫層的存在,致使高空也存在相對(duì)穩(wěn)定的大氣層結(jié),使得氣溶膠的垂直輸送受到阻礙,在高空形成氣溶膠的累積層.因此,通過對(duì)觀測時(shí)段內(nèi)溫度垂直廓線以及氣溶膠數(shù)濃度垂直廓線的對(duì)比,發(fā)現(xiàn)逆溫層的存在對(duì)于氣溶膠積累區(qū)的形成有重要的影響,氣溶膠的垂直分布狀態(tài)與天氣條件密切相關(guān).

圖3 氣溶膠粒子數(shù)濃度和有效直徑的垂直廓線Fig.3 The vertical profiles of aerosol number concentration and effective diameter

圖4 2013年7月31日、8月2日、3日、4日溫度垂直廓線Fig.4 Vertical profiles of temperature on31July,2August,3August and4August,2013

3.3 氣溶膠平均譜分布特征

大氣氣溶膠包含多種不同尺度不同成分的粒子,描述氣溶膠粒子分布的一個(gè)重要的物理量是其數(shù)濃度隨粒子尺度的分布,稱為粒子譜分布.不同地區(qū)不同環(huán)境下的氣溶膠粒子會(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.氣溶膠粒子譜分布是決定氣溶膠在大氣中的傳輸、壽命以及光學(xué)特性的重要因素之一.以往針對(duì)于氣溶膠粒子譜分布的數(shù)據(jù)多是來源于 PCASP,而該儀器只能給出積聚模態(tài)氣溶膠(0.1μm

圖5 不同高度氣溶膠粒子譜分布特征Fig.5 Average spectrum distribution of aerosol particles at different height

從氣溶膠粒子平均譜分布圖可以直觀的看出,在海拔2000m以下[圖5(a),(b)],氣溶膠粒子數(shù)濃度非常大,達(dá)到104個(gè)/cm3的量級(jí),并且核模態(tài)的小粒子占據(jù)了氣溶膠總濃度的絕大部分.1000m以下,核模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度峰值出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)直徑為0.05μm處,說明在地面之上的300m范圍內(nèi),多為0.05μm左右的細(xì)粒子.積聚模態(tài)尺度范圍內(nèi)的氣溶膠粒子數(shù)濃度峰值出現(xiàn)在對(duì)應(yīng)粒徑為0.8μm處,而大于1μm的粗粒子譜連續(xù)且平滑,沒有明顯的峰值.貼地層氣溶膠粒子譜分布大致呈雙峰分布,兩個(gè)峰值分別位于核模態(tài)和積聚模態(tài)氣溶膠尺度內(nèi).1000～2000m 高度內(nèi)[圖5(b)],對(duì)應(yīng)著邊界層內(nèi)逆溫層底的低空氣溶膠累積區(qū),所以數(shù)濃度非常大,且同樣以小于2μm的細(xì)粒子為主.并且氣溶膠粒子譜略有展寬,在核模態(tài)尺度范圍內(nèi),氣溶膠濃度峰值出現(xiàn)在粒子尺度為0.1μm處,次峰值出現(xiàn)在積聚模態(tài),對(duì)應(yīng)氣溶膠粒徑為1μm.在大于2μm的粗粒子區(qū)間內(nèi),氣溶膠譜為單峰結(jié)構(gòu),氣溶膠粒子數(shù)濃度隨粒子尺度的增大逐漸減小.與1000m以內(nèi)的氣溶膠譜分布對(duì)比,整體都為雙峰分布,但是1000～2000m高度內(nèi)積聚模態(tài)的粒子明顯增多,積聚模態(tài)區(qū)間的粒子數(shù)濃度峰值最大可達(dá)103個(gè)/cm3.2000～3000m高度內(nèi)[圖5(c)],氣溶膠粒子總數(shù)濃度顯著減少,數(shù)濃度最大峰值為103個(gè)/cm3,氣溶膠譜呈三峰分布.第1個(gè)峰值出現(xiàn)在核模態(tài)的小粒子端,峰值對(duì)應(yīng)粒徑較2000m以下又有所增大,對(duì)應(yīng)粒徑約為0.2μm,第2個(gè)峰值仍然出現(xiàn)在積聚模態(tài),峰值對(duì)應(yīng)粒徑為0.8μm,第3個(gè)峰值對(duì)應(yīng)于粗粒子模態(tài)的2μm處.3000～4000m高度內(nèi)[圖5(d)],氣溶膠粒子譜與3000m以內(nèi)的相似,最大數(shù)濃度峰值繼續(xù)降低,氣溶膠粒子在大于0.2μm的范圍內(nèi)數(shù)濃度急劇降低,粗粒子端部分觀測樣本譜型有些雜亂.4000m以上(圖5e),觀測樣本較少,氣溶膠粒子譜非常平滑.數(shù)濃度峰值繼續(xù)降低,峰值對(duì)應(yīng)數(shù)濃度為102個(gè)/cm3.從近地面到5000m高空,氣溶膠數(shù)濃度在不斷降低,氣溶膠粒子譜特別是細(xì)粒子譜隨高度有所展寬,3個(gè)模態(tài)的氣溶膠譜型基本一致,沒有太大的變化,均呈雙峰或三峰分布.由于觀測時(shí)段是連續(xù)的四天且在同一區(qū)域內(nèi),天氣背景也基本相同,也沒有強(qiáng)的垂直對(duì)流擾動(dòng),均為較穩(wěn)定的大氣層結(jié),因此在各個(gè)高度上氣溶膠譜型變化不大.圖5基本反映了山西地區(qū)夏季在非降水天氣背景下不同高度內(nèi)的氣溶膠數(shù)濃度隨粒子尺度的分布特征.

3.4 氣溶膠來源分析

圖6 2013年7月31日、8月4日山西中部地區(qū)氣團(tuán)48h后向軌跡Fig.6 48h backward trajectories on31 July and4 August,2013

采用HYSPLIT模式計(jì)算了2013年7月31日和8月4日山西中部地區(qū)氣團(tuán)48h后向軌跡(圖6).后向軌跡顯示,4000m以上高空氣溶膠粒子隨氣團(tuán)從哈薩克斯坦經(jīng)中國西北地區(qū)(7月31日)和經(jīng)外蒙古地區(qū)(8月4日)遠(yuǎn)距離輸送而來(粉色和淺藍(lán)色線條);3000m以下氣溶膠多源自近地面污染物的排放,并且向上輸送(深藍(lán)色和紅色線條),輸送距離較短.高空3000m一些氣溶膠粒子在輸送過程中可能因重力作用沉降至近地面(綠色線條).綜合氣團(tuán)后向軌跡模擬結(jié)果以及氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子尺度的垂直廓線(圖3),低空高濃度的氣溶膠細(xì)粒子多來源于近地面排放,而高空少量的氣溶膠粒子為經(jīng)遠(yuǎn)距離輸送而至的沙塵等粗粒子.

4 結(jié)論

4.1 氣溶膠飛機(jī)觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示,山西夏季非降水日氣溶膠多以核模態(tài)和積聚模態(tài)的粒子為主,核模態(tài)的氣溶膠粒子對(duì)氣溶膠總濃度貢獻(xiàn)最大.霾日氣溶膠粒子數(shù)濃度非常大,是晴空氣溶膠數(shù)濃度的2～3倍.

4.2 氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子尺度的垂直廓線顯示,氣溶膠粒子數(shù)濃度隨高度逐漸減小,海拔1200～1500m之間存在低空氣溶膠累積區(qū).逆溫層的存在是導(dǎo)致氣溶膠在逆溫層底形成累積區(qū)的主要原因.氣溶膠粒子有效直徑隨高度逐漸增大,在2000～2500m之間存在氣溶膠粒子的快速增長區(qū).粒徑小的氣溶膠粒子分布在近地面大氣中;粒徑較大的氣溶膠粒子多分布在高空,且濃度很低,在氣溶膠總濃度中只占很小的比例.

4.3 氣溶膠粒子譜分布特征顯示,從地面到5000m高空,氣溶膠數(shù)濃度不斷降低,氣溶膠粒子譜隨高度的增加略有展寬.各個(gè)高度上氣溶膠譜型基本一致,均呈雙峰或三峰分布.

4.4 氣團(tuán)48h后向軌跡模擬顯示,在觀測日內(nèi)山西中部地區(qū)大氣層結(jié)相對(duì)比較穩(wěn)定.3000m以下高濃度的氣溶膠細(xì)粒子多來源于近地面污染物的排放,而4000m以上高空少量的氣溶膠粒子為經(jīng)遠(yuǎn)距離輸送而至的沙塵等粗粒子.

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Aircraft measurements of aerosol spetial distribution properties in Shanxi Province in summer.

LI Jun-xia1,2, YIN Yan1*, LI Pei-ren2, LI Run-jun3, JIN Li-jun2, LI Jin4
(1.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing210044, China;2.Weather Modification Office of Shanxi Province, Taiyuan030032, China；3.Beijing Normal University, Beijing100875, China；4.Meteorological station in Anhui Province, Hefei230031, China). China Environmental Science,2014,34(8):1950～1959

Aircraft Measurements of aerosol spatial distribution properties in the central region of Shanxi Province were carried out in summer,2013. The vertical distribution characteristics of aerosol number concentration and size were observed and analyzed, and the spectrum properties of aerosol particles in different height were studied. The results show that most aerosol particles were nucleation mode and accumulation mode on non-precipitation days in Shanxi Prov. in summer. Aerosol number concentration on haze day was2 or3 times larger than that on clear days. Aerosol number concentration decreased with altitude. A low-level aerosol accumulation zone was present due to the existence of temperature inversion layer. The mean aerosol particle size increased with height with the larger particles mainly distributed above2500m. The aerosol particles spectrum usually showed a bimodal or three-modal type. The width of aerosol particles spectrum broadened slightly from ground surface to5000m. The air mass back trajectory in observation days showed aerosol particles in high level was transported from north-west China over long distance, and aerosol particles below3000m mainly came from the ground emissions.

t：aerosol properties；aircraft measurements；Shanxi area

X513

：A

：1000-6923(2014)08-1950-10

李軍霞(1977-),女,山西太原人,高級(jí)工程師,博士研究生,主要研究方向?yàn)榇髿馕锢砼c大氣環(huán)境、氣溶膠-云-降水相互作用.發(fā)表論文4篇.

2013-11-04

國家“973”項(xiàng)目(2013CB955804);國家高校博士學(xué)位項(xiàng)目專項(xiàng)基金(20113228110002);公益性行業(yè)(氣象)科研專項(xiàng)(GYHY201306065),(GYHY201206025);山西省氣象局重點(diǎn)科研項(xiàng)目(SXKZDTC20140605)

* 責(zé)任作者, 教授, yinyan@nuist.edu.cn