一次降水天氣條件下唐山上空氣溶膠垂直分布特征分析

馬冬亮 劉志磊

摘 要：為了初步研究唐山地區(qū)大氣氣溶膠的分布特征，利用2018年4月21日唐山一次飛機(jī)增雨探測(cè)飛行過(guò)程中獲取的探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)唐山市區(qū)3000m以下的氣溶膠濃度進(jìn)行了檢測(cè)，并對(duì)大氣氣溶膠的垂直分布特征進(jìn)行了初步分析。

關(guān)鍵詞：氣溶膠;飛機(jī)觀測(cè);垂直分布

大氣氣溶膠是指液態(tài)或固態(tài)微粒在空氣中的懸浮體系，是大氣的重要組成部分，其在云和降水形成過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。

20世紀(jì)70年代后期，機(jī)載大氣氣溶膠探測(cè)設(shè)備，粒子測(cè)量系統(tǒng)PMS（Particle Measuring Systems）在世界各地得到推廣，歷經(jīng)數(shù)十年的使用和驗(yàn)證，現(xiàn)在已經(jīng)是成熟的探測(cè)大氣氣溶膠和研究云微物理的設(shè)備。通過(guò)機(jī)載PMS系統(tǒng)觀測(cè)到的大氣氣溶膠數(shù)濃度、平均直徑、粒子譜分布以及云的微物理數(shù)據(jù)資料，可用來(lái)研究氣溶膠和云的微物理特征，同時(shí)地面觀測(cè)、雷達(dá)及衛(wèi)星觀測(cè)提供直接觀測(cè)數(shù)據(jù)。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)專(zhuān)家利用機(jī)載PMS做了大量工作，對(duì)于探索大氣氣溶膠時(shí)空分布特征有著十分重要的意義。張佃國(guó)等研究認(rèn)為，大氣氣溶膠的數(shù)濃度與高度呈負(fù)相關(guān)，且在上升至逆溫層附近時(shí)累計(jì)現(xiàn)象明顯，由于城市下墊面的影響，同一區(qū)域內(nèi)，城市正上空及其下風(fēng)方的氣溶膠粒子平均濃度均大于上風(fēng)方。胡向峰等研究認(rèn)為，氣溶膠主要集中于2000m以下的對(duì)流層低層，氣溶膠濃度總體上隨高度增加而降低，氣溶膠在逆溫層下累積現(xiàn)象明顯，氣溶膠粒子數(shù)濃度在云中明顯減少。

唐山地區(qū)作為大氣污染重災(zāi)區(qū)，卻尚未開(kāi)展針對(duì)大氣氣溶膠問(wèn)題的研究。為了開(kāi)此先河，唐山市氣象災(zāi)害防御中心暨冀東飛機(jī)增雨基地引入河北省人工影響天氣辦公室（以下簡(jiǎn)稱(chēng)河北人影辦）的探測(cè)飛機(jī)空中國(guó)王3523來(lái)進(jìn)行唐山地區(qū)大氣氣溶膠的初步探索。現(xiàn)選取2018年4月21日夜間一次增雨探測(cè)過(guò)程中對(duì)唐山地區(qū)氣溶膠飛機(jī)觀測(cè)個(gè)例，結(jié)合宏觀記錄，對(duì)唐山地區(qū)3000m以下降水天氣條件下的氣溶膠垂直分布特征進(jìn)行了初步研究分析，為進(jìn)一步研究唐山地區(qū)大氣氣溶膠特性提供參考依據(jù)。

一、觀測(cè)資料及飛行情況

探測(cè)使用空中國(guó)王飛機(jī)作為探測(cè)平臺(tái)，飛機(jī)上搭載了河北人影辦從美國(guó)引進(jìn)的一套粒子測(cè)量系統(tǒng)（Particle Measuring System，簡(jiǎn)稱(chēng)PMS），同時(shí)裝有北斗定位系統(tǒng)以及溫濕度探頭等多種探測(cè)設(shè)備。整套粒子測(cè)量系統(tǒng)含4個(gè)主探頭，分別是被動(dòng)腔氣溶膠譜探頭（PCASP-100X） 、前向散射滴譜探頭（FSSP） 、二維灰度云粒子探頭（OAP2D-GA2） 和二維灰度降水粒子探頭（OAP2D-GB2），以及其他資料收集設(shè)備。其中，被動(dòng)腔氣溶膠譜探頭（PCASP-100X） 用于大氣氣溶膠粒子的探測(cè)，其探測(cè)原理是PCASP-100X探頭產(chǎn)生直徑約為600μm的激光束，根據(jù)米散射理論，光束進(jìn)入探頭內(nèi)的特定取樣室，激光在此室的諧振作用下形成中心直徑約150μm且強(qiáng)度非常穩(wěn)定的光束，可以依散射光強(qiáng)的大小推算粒子尺寸。

2018年4月21日觀測(cè)期間，唐山地區(qū)受700、850hPa低空切變線的影響，天氣形勢(shì)有利于水汽輻合，因此產(chǎn)生降水。根據(jù)外場(chǎng)工作人員宏觀記錄，唐山三女河機(jī)場(chǎng)地面溫度為 12℃，地面風(fēng)速為3m/s，能見(jiàn)度良好。此次增雨探測(cè)飛行時(shí)間段為18：33-20：22，飛行時(shí)間約109分鐘。預(yù)設(shè)航線為唐山—唐?！獦?lè)亭—唐山，飛機(jī)從唐山三女河機(jī)場(chǎng)起飛后，飛向唐山市區(qū)方向并緩慢爬升至4000m的高度，以4000m的航線高度延預(yù)設(shè)航線飛行，尋找合適的增雨作業(yè)地點(diǎn)，增雨作業(yè)結(jié)束后到達(dá)樂(lè)亭縣后下降至2000m，并再次爬升至4000m左右，期間不間斷地做進(jìn)行數(shù)據(jù)探測(cè)。探測(cè)任務(wù)完成后以4000m的高度返航，航測(cè)高度隨時(shí)間變化。根據(jù)宏觀記錄，起飛后唐山及樂(lè)亭上空均有降水現(xiàn)象發(fā)生。

二、結(jié)果分析與討論

氣溶膠數(shù)濃度和粒子平均直徑是研究氣溶膠微物理特征的重要參數(shù)，為了便于研究，本文選取600～3000m上升和下降階段垂直觀測(cè)數(shù)據(jù)按300m高度間隔對(duì)唐山地區(qū)氣溶膠垂直分部特征進(jìn)行分析。由于大氣氣溶膠粒子在水平方向的數(shù)濃度變化幅度與垂直方向相比可以忽略不計(jì)，本文對(duì)唐山市區(qū)以及樂(lè)亭縣兩處垂直探測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，可以更客觀地反映出唐山地區(qū)上空氣溶膠分布情況。唐山上空600～1200m左右氣溶膠數(shù)濃度隨高度增加而大幅度減少，1200～1800m氣溶膠數(shù)濃度開(kāi)始隨高度增加明顯增大，最大值出現(xiàn)在1900m左右，隨后數(shù)濃度繼續(xù)下降，到海拔高度2800m左右數(shù)值逐漸穩(wěn)定。根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出，高度在600～1200m時(shí)，氣溶膠數(shù)濃度變化大致范圍為120～1500個(gè)/cm3。探測(cè)當(dāng)天唐山地面風(fēng)速僅為3m/s，風(fēng)力輸送較低導(dǎo)致污染物擴(kuò)散條件差，因此靠近地面的較低高度氣溶膠數(shù)濃度較高。經(jīng)過(guò)分析，發(fā)現(xiàn)降水天氣和逆溫層對(duì)大氣氣溶膠數(shù)濃度的影響十分明顯。氣溶膠粒子數(shù)濃度高值區(qū)出現(xiàn)在600m左右的近地高度和2000m左右的逆溫層底部。此外，降水天氣對(duì)氣溶膠的沖刷和濕清除作用也需要考慮在內(nèi)。

從圖中可以看出，在600-2400m的低空中，氣溶膠粒子直徑在0.12～0.14μm范圍內(nèi)出現(xiàn)小幅度波動(dòng)。到2500m后粒徑突然增大，結(jié)合宏觀記錄分析，可能是由于飛機(jī)進(jìn)入云層后，氣溶膠粒子在云內(nèi)吸濕增長(zhǎng)導(dǎo)致粒徑增大。高度繼續(xù)增加時(shí)氣溶膠粒徑呈現(xiàn)無(wú)規(guī)律波動(dòng)，分析可能是飛機(jī)進(jìn)云出云導(dǎo)致?？傮w來(lái)說(shuō)，氣溶膠粒子直徑主要受天氣條件和云區(qū)分布的影響。

三、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)唐山地區(qū)氣溶膠垂直分布特征的研究，發(fā)現(xiàn)氣溶膠粒子主要在3000m以下大氣中聚集，總體上看氣溶膠數(shù)濃度與航測(cè)高度呈負(fù)相關(guān)，由于逆溫層的存在影響了氣溶膠粒子的垂直輸送，數(shù)濃度在逆溫層底部出現(xiàn)峰值。繼續(xù)上升時(shí)，氣溶膠粒子數(shù)濃度開(kāi)始下降。研究表明，氣溶膠粒子數(shù)濃度與云區(qū)分布和降水天氣有很大關(guān)系，逆溫層的存在嚴(yán)重影響了氣溶膠數(shù)濃度的變化。

氣溶膠粒子直徑的垂直變化受相對(duì)濕度影響嚴(yán)重，在高度增加但尚未入云時(shí)，粒子直徑在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)波動(dòng)，入云后繼續(xù)抬升，氣溶膠粒子直徑出現(xiàn)較大波動(dòng)，分析可能與氣溶膠粒子在云中吸濕增長(zhǎng)和探測(cè)器進(jìn)云出云導(dǎo)致的探測(cè)環(huán)境變化有關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張佃國(guó)，樊明月，肖穩(wěn)安，等. 山東地區(qū)秋季飛機(jī)觀測(cè)氣溶膠特征的初步分析[J].氣象與減災(zāi)研究，2009，32（4）：61-66.

[2]胡向峰，韓洋.一次陰雨條件下河北中南部氣溶膠的參數(shù)特征分析[J].干旱氣象，2015，33（ 3）： 490-496.