吐魯番和若羌冬季氣溶膠垂直分布的飛機(jī)觀測(cè)分析

鄭博華， 陳 勝， 李圓圓， 樊茹霞， 孔令文， 郝 雷

（1.新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊 830002；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

doi：10.12118/j.issn.1000-6060.2022.056入人體肺部并在肺泡內(nèi)沉積，因此不斷增加的氣溶膠不僅污染環(huán)境，同時(shí)加速影響全球的氣候變化趨勢(shì)。與20世紀(jì)相比，這些人為源氣溶膠粒子濃度呈指數(shù)型增長(zhǎng)趨勢(shì)［2-3］。在我國(guó)中部部分大氣污染嚴(yán)重區(qū)域，大氣溫度廓線及環(huán)流受到氣溶膠直接輻射影響凸顯，由此帶來(lái)對(duì)氣溶膠層的高度厚度、氣溶膠光學(xué)特性影響也各有不同。因此，氣溶膠造成的環(huán)境變化及氣候變化問(wèn)題受到了公眾和科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

通過(guò)飛機(jī)搭載機(jī)載探測(cè)粒子設(shè)備對(duì)大氣氣溶膠的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初［4-7］。國(guó)內(nèi)探測(cè)起步稍晚，起初主要集中在環(huán)境效應(yīng)層面，王喜紅等［8-11］分別對(duì)鹽類(lèi)氣溶膠進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)粒子譜分布、化學(xué)組成和輻射（光學(xué)）特性研究為由氣溶膠輻射強(qiáng)迫對(duì)環(huán)境效應(yīng)模型及氣候變化評(píng)估預(yù)測(cè)模式提供了參考依據(jù)。沙塵氣溶膠方面，高衛(wèi)東等［12］得出塔里木地區(qū)沙塵暴期間其氣溶膠濃度遠(yuǎn)大于非沙塵暴期間；田磊等［13］計(jì)算分析了沙塵氣溶膠對(duì)太陽(yáng)輻射和大氣逆輻射的影響，得出沙塵對(duì)太陽(yáng)總輻射有一定程度的削弱作用；申彥波等［14］對(duì)敦煌地區(qū)氣溶膠粒子數(shù)濃度做了觀測(cè)分析，分析了戈壁沙漠和綠洲農(nóng)田的氣溶膠粒子數(shù)濃度與沙塵天氣的關(guān)系以及2種地表下數(shù)濃度的差異；此外，高宇瀟等［15］用MODIS 氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測(cè)站PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，二者相關(guān)性良好；范學(xué)偉等［16］利用CALIOP 冰云和氣溶膠3級(jí)月平均產(chǎn)品以及大氣3級(jí)日平均產(chǎn)品研究了氣溶膠對(duì)冰云的影響，認(rèn)為緯度與冰云的分布密切相關(guān)。近20 a，隨著高性能飛機(jī)的不斷投入使用以及機(jī)載探測(cè)設(shè)備的穩(wěn)定性逐步提升，利用飛機(jī)對(duì)氣溶膠粒子直接觀測(cè)成為了了解氣溶膠基本特性不可或缺的手段之一［17-18］，Zhang 等［19］通過(guò)對(duì)北京2005年和2006年春季17架次的飛行觀測(cè)資料進(jìn)行了分析研究后，認(rèn)為氣溶膠的垂直分布特征與氣象條件有十分密切的關(guān)系；黃夢(mèng)宇等［20］得出不同地區(qū)氣溶膠粒子區(qū)域分布特征存在明顯差異，例如北京氣溶膠粒子數(shù)濃度超過(guò)6000·cm-3，細(xì)模態(tài)粒子主要分布在邊界層內(nèi)，而山西氣溶膠粒子數(shù)濃度為1000·cm-3，主要為積聚模態(tài)粒子［21］；朱首正等［22］使用一套基于碘分子濾波器的機(jī)載高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)開(kāi)展飛行實(shí)驗(yàn)，研究了秦皇島地區(qū)的氣溶膠變化趨勢(shì)、不同下墊面類(lèi)型下的氣溶膠分布以及秦皇島氣溶膠AOD的高值地區(qū)，得出三者相關(guān)性?xún)?yōu)于0.95；趙德龍等［23］利用空中國(guó)王飛機(jī)平臺(tái)搭載單顆粒黑碳光度計(jì)（SP2）針對(duì)北京2016 年12 月冬季一次污染過(guò)程進(jìn)行了連續(xù)觀測(cè)，結(jié)果表明，此次污染過(guò)程是以PM2.5污染為主的霾污染過(guò)程，最大值為432 μg·m-3。不可否認(rèn)很多地區(qū)受到探測(cè)設(shè)備和經(jīng)費(fèi)的限制，對(duì)氣溶膠垂直分布的觀測(cè)還極度缺乏，況且大氣氣溶膠時(shí)空分布復(fù)雜多樣，因此需要在不同地區(qū)持續(xù)開(kāi)展氣溶膠探測(cè)分析彌補(bǔ)其空間空缺。

新疆作為21 世紀(jì)戰(zhàn)略資源樞紐和歐亞大陸通道，在推進(jìn)“一帶一路”壯麗宏圖中，國(guó)家立志將新疆打造成“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)”，成為絲綢之路上舉足輕重的交通樞紐、商貿(mào)物流和文化科教絕對(duì)核心。吐魯番，是烏魯木齊的門(mén)戶(hù)，地理位置優(yōu)越，地處亞歐大陸腹地，擁有多個(gè)國(guó)家級(jí)景區(qū)，2018 年11月市區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）曾一度達(dá)到全國(guó)倒數(shù)第一；若羌，地處巴音郭楞蒙古自治州東南部，塔克拉瑪干沙漠東南緣，2020 年3 月城區(qū)出現(xiàn)了能見(jiàn)度不足50 m的強(qiáng)沙塵天氣，仿佛置身沙海。霧霾沙塵等問(wèn)題［24］近年來(lái)也一直受到各級(jí)政府的高度關(guān)注，不少學(xué)者專(zhuān)家也致力于如何有效減少大氣霾現(xiàn)象的產(chǎn)生，隨著霾現(xiàn)象日益加劇，更多的探測(cè)飛行也集中在霾天氣下進(jìn)行，氣溶膠對(duì)霾天氣的作用機(jī)理得到了一些研究成果［25-28］。此前在新疆地區(qū)進(jìn)行高性能飛機(jī)機(jī)載氣溶膠探測(cè)飛行幾乎為空白，自2019年年底起在吐魯番、若羌兩地開(kāi)展氣溶膠探測(cè)飛行，分析研究氣溶膠粒子數(shù)濃度、垂直分布、粒子平均粒徑等，這對(duì)了解兩地大氣氣溶膠時(shí)空分布及粒子的物理、化學(xué)特征具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

吐魯番是天山東部的一個(gè)東西橫置的形如橄欖狀的山間盆地，四面環(huán)山，西起阿拉山溝口，東至七角井峽谷西口，日照時(shí)間長(zhǎng)，全年約3200 h，以干燥、高溫、多風(fēng)為主，屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候。蒸發(fā)量大，降水量少，冬少?lài)?yán)寒，風(fēng)小雪少，是中國(guó)乃至世界上干旱少雨區(qū)之一。由于吐魯番地勢(shì)高低懸殊，高差達(dá)到5600 m，溫度振幅大，進(jìn)一步導(dǎo)致了多風(fēng)天氣的產(chǎn)生，因此由大風(fēng)引起的土壤揚(yáng)沙塵和周邊小型工業(yè)源成為了該地最主要的氣溶膠貢獻(xiàn)源。

若羌位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)，西接且末縣，北鄰尉犁縣及鄯善縣和哈密市。境內(nèi)高山、盆地相間，地形多樣。若羌屬暖溫帶大陸性氣候，其特點(diǎn)是冬冷夏熱、干燥少雨，光熱資源非常豐富，日照時(shí)間長(zhǎng)，晝夜溫差大；年平均降水量28.5 mm。由于其西鄰塔克拉瑪干沙漠東部，東南與庫(kù)姆塔格沙漠相接，與北疆其他區(qū)域相比，地理位置較為特殊，因此具備豐富的沙源，其土壤中粒徑小于2.5 μm 細(xì)顆粒達(dá)到了50%，因此是大氣沙塵氣溶膠中的主要來(lái)源和潛在來(lái)源［29］。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 機(jī)載探測(cè)儀器

飛行探測(cè)使用的是美國(guó)生產(chǎn)的空中國(guó)王350i飛機(jī)，改裝后最大升限為8400 m，巡航速度為350～400 km·h-1，爬升速度為400 m·min-1，最大探測(cè)作業(yè)航程4 h，最大載重7200 kg。飛機(jī)上搭載了美國(guó)DMT公司的粒子測(cè)量系統(tǒng)，該飛機(jī)于2019—2020年冬季和2020—2021 年冬季分別在吐魯番和若羌開(kāi)展飛機(jī)探測(cè)作業(yè)試驗(yàn)任務(wù)。儀器主要包括：Ka波段云雷達(dá)、被動(dòng)氣溶膠譜探頭、云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器、云組合探頭、降水顆粒圖像探頭、熱線含水儀、航空器綜合氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等。

本文主要對(duì)氣象要素與被動(dòng)氣溶膠譜探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析（圖1）。飛機(jī)綜合氣象要素測(cè)量系統(tǒng)主要測(cè)量溫度、氣壓、動(dòng)壓、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速等氣象與飛機(jī)飛行要素，采樣頻率為1 Hz；被動(dòng)氣溶膠譜探頭利用散射中米散射原理測(cè)量氣溶膠的粒子譜及濃度，進(jìn)而得到大氣氣溶膠粒子分布特征，測(cè)量范圍是0.10～3.00 μm，采樣體積為1 cm3，頻率為1 Hz，最小分辨率為0.01 μm，其中粒徑范圍位于0.10～0.18 μm、0.18～0.30 μm、0.30～0.60 μm、0.60～3.00 μm 所對(duì)應(yīng)的通道間距分別為0.01 μm、0.02 μm、0.10 μm、0.20 μm，總計(jì)30擋。

圖1 航空器綜合氣象監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大氣數(shù)據(jù)探頭和被動(dòng)氣溶膠譜探頭Fig.1 Atmospheric data probe of aircraft integrated meteorological monitoring system and passive aerosol spectroscopy probe

2.2 飛行概況及資料

表1 給出了14 次具有完整探測(cè)數(shù)據(jù)的飛行概況以及當(dāng)天天氣實(shí)況，飛機(jī)的起落分別在吐魯番交河機(jī)場(chǎng)和若羌樓蘭機(jī)場(chǎng)，氣溶膠粒子數(shù)譜分布特征采用的數(shù)據(jù)為所在機(jī)場(chǎng)上空起降時(shí)3700 m 內(nèi)的大氣氣溶膠數(shù)據(jù)；表2給出了14次探測(cè)飛行起飛降落時(shí)次所對(duì)應(yīng)的小時(shí)能見(jiàn)度，由于若羌未有環(huán)保監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，故只羅列了吐魯番環(huán)保局對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)AQI、PM2.5小時(shí)濃度以及PM10小時(shí)濃度，表中AQI、PM2.5小時(shí)濃度、PM10小時(shí)濃度數(shù)據(jù)由國(guó)家生態(tài)環(huán)境部設(shè)置的監(jiān)測(cè)站點(diǎn)觀測(cè)得到，來(lái)源于網(wǎng)址（http://www.aq?istudy.cn/historydata/）。從表2 不難看出，對(duì)應(yīng)起降時(shí)間內(nèi)若羌能見(jiàn)度（均值15.5 km）明顯優(yōu)于吐魯番（均值6.7 km），在吐魯番前6 次探測(cè)飛行中AQI 均達(dá)到了三級(jí)輕度污染（101～150），2020 年1 月14 日AQI 超過(guò)了150，到達(dá)了四級(jí)中度污染，四級(jí)中度污染可能對(duì)健康人群心臟及呼吸系統(tǒng)有一定影響。從吐魯番PM2.5、PM10數(shù)據(jù)分析來(lái)看，7 次飛行的PM2.5/PM10分別為：48.4%、66.7%、69.7%、48.8%、76.1%、50.5%、49.0%，可以看到小粒徑（小于2.5 μm）占10 μm 一半甚至更高，也說(shuō)明了吐魯番周邊工業(yè)發(fā)展帶來(lái)的人為源氣溶膠粒子的過(guò)多排放，可能加劇了該地大氣環(huán)境污染。圖2給出了兩地探測(cè)作業(yè)飛機(jī)的飛行軌跡。

圖2 飛行軌跡Fig.2 Flight trajectory

表1 飛行概況Tab.1 General situation of flight

表2 能見(jiàn)度與污染指數(shù)Tab.2 Visibility and pollution index

被動(dòng)氣溶膠譜探頭得到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后根據(jù)以下方法計(jì)算后得出對(duì)應(yīng)結(jié)果。

直流配電網(wǎng)接地設(shè)計(jì)的目的是給裝置提供一個(gè)零參考電位，避免設(shè)備電位懸空而發(fā)生意外，一般分為直流側(cè)接地和交流側(cè)接地兩種形式。

2.3 Kolmogorov-Smirnov非參數(shù)檢驗(yàn)（KS檢驗(yàn)）

KS 檢驗(yàn)是一種非參數(shù)檢驗(yàn)，常用于判斷樣本與預(yù)先給定的分布是否一致，或者2 個(gè)樣本的概率分布是否相同。顯然，當(dāng)兩分布相近的時(shí)候，距離自然就非常小，這個(gè)統(tǒng)計(jì)量就是描述的距離的最大值。其原理假設(shè)H0：2 個(gè)數(shù)據(jù)分布一致。當(dāng)實(shí)際觀測(cè)值D＞D(n,α)（其中n為樣本數(shù)；α為可信度）則拒絕H0，否則接收H0 假設(shè)。KS 檢驗(yàn)與t檢驗(yàn)之類(lèi)的其他方法不同是KS 檢驗(yàn)不需要知道數(shù)據(jù)得分布情況，在樣本量比較小的時(shí)候，KS 檢驗(yàn)為非參數(shù)檢驗(yàn)中分析2 組數(shù)據(jù)之間是否不同時(shí)相當(dāng)常用。一般當(dāng)P值低于0.01或0時(shí)，拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為2份數(shù)據(jù)源于不同的分布。本文選擇95%置信區(qū)間，假設(shè)希望檢驗(yàn)的2 個(gè)樣本來(lái)自同一分布的原假設(shè)，如果P值大于0.05，假設(shè)成立；反之則拒絕原假設(shè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溶膠統(tǒng)計(jì)特征

表3 給出了2019—2021 年共14 次探測(cè)飛行過(guò)程中起降階段吐魯番、若羌兩地氣溶膠粒子數(shù)濃度與粒子平均粒徑的統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果。從吐魯番前6次探測(cè)飛行數(shù)據(jù)變化來(lái)看，氣溶膠粒子數(shù)濃度變化幅度不大，維持在3900·cm-3附近，2019 年12 月15 日凌晨大風(fēng)過(guò)程后出現(xiàn)氣溶膠粒子數(shù)濃度最小值1263·cm-3，為前6次探測(cè)中的最小值，該過(guò)程同時(shí)出現(xiàn)了粒子平均粒徑最大值、最小值、均值的極值；說(shuō)明大風(fēng)過(guò)程打破了氣溶膠之前的膠性結(jié)構(gòu)，氣溶膠粒子數(shù)濃度短暫上升，但在消散過(guò)程中在重力影響下大直徑粒子又具有明顯的沖刷導(dǎo)致濃度降低，但大風(fēng)過(guò)后仍有大量小直徑粒子未消失，進(jìn)而增加了中高層粒子氣溶膠粒子數(shù)濃度，增大了粒子直徑。從空氣污染指數(shù)來(lái)看，2019 年12 月15 日15:00 AQI為137 已接近中度污染，無(wú)論是AQI、PM2.5以及PM10都為前6 次探測(cè)飛行指數(shù)最大值，進(jìn)而說(shuō)明了大風(fēng)過(guò)程后，自然源氣溶膠加之人為源氣溶膠使得氣溶膠粒子數(shù)濃度上升并加重空氣污染程度。2020年1月14日實(shí)況天氣為陰轉(zhuǎn)小雪，23:00開(kāi)始降雪，此次降雪持續(xù)了十多個(gè)小時(shí)，其中鄯善縣最大降雪量達(dá)9.8 mm，雪深100 mm，這場(chǎng)降雪突破了歷史極值，為鄯善縣、托克遜縣建站60多年來(lái)最大一場(chǎng)降雪。從表1、表2 明顯看出2020 年1 月14 日探測(cè)飛行數(shù)濃度最大值、最小值、平均值以及污染指數(shù)均達(dá)到了極值，其中氣溶膠粒子數(shù)濃度最大值超過(guò)了20000·cm-3，AQI超過(guò)了150，PM2.5濃度接近117 μg·m-3，達(dá)到了中度污染；造成該結(jié)果的直接原因是降雪天氣前有明顯的上升氣流，導(dǎo)致氣溶膠粒子數(shù)濃度均值高出前幾次探測(cè)的3～4 倍，加之此次降雪過(guò)程又是吐魯番2020 年首場(chǎng)降雪，地表干燥且濕度不高，過(guò)飽和的氣溶膠粒子無(wú)法吸濕而增長(zhǎng)為微小云滴，因此粒子直徑變化不明顯。若羌前5次探測(cè)飛機(jī)數(shù)濃度與粒子直徑變化不明顯，2021年2月28日凌晨浮塵天氣使得氣溶膠粒子數(shù)濃度先降后升，粒子平均粒徑稍有增加，說(shuō)明以細(xì)沙氣溶膠為主的浮塵天氣過(guò)程消散緩慢。

表3 起落階段氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子平均粒徑Tab.3 Aerosol particle concentration and average diameter during the take-off phase

從這14次探測(cè)飛行中可以看出，對(duì)比兩地氣溶膠粒子數(shù)濃度與粒子平均粒徑發(fā)現(xiàn)具有明顯的差異性，在無(wú)明顯天氣過(guò)程下若羌?xì)馊苣z粒子數(shù)濃度最大值明顯高于吐魯番，但最小值卻普遍低于吐魯番，總體均值若羌高于吐魯番；粒子平均粒徑方面，吐魯番最大值普遍高于若羌，而最小值與平均值差距不大，但2019 年12 月15日出現(xiàn)大直徑粒子（0.21 μm），這與大風(fēng)后沙塵氣溶膠多有關(guān)聯(lián)。

3.2 不同高度氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子平均粒徑的垂直分布特征

圖3、圖4 分別給出了吐魯番、若羌各7 次探測(cè)飛行及過(guò)程中起落階段氣溶膠粒子數(shù)濃度以及粒子平均粒徑的垂直分布，為減少儀器誤差與飛行爬升降落過(guò)程中速度的差異，選取每個(gè)高度層±50 m的平均值進(jìn)行分析計(jì)算，吐魯番和若羌探測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算高度分別為400～4000 m 和1000～4600 m。圖5a～b 為吐魯番2 次（2019 年12 月15 日、2020 年1 月14日）探測(cè)飛行氣溶膠粒子數(shù)濃度、溫度、濕度的垂直分布變化，圖5c～d 為若羌2021 年2 月28 日飛行起降過(guò)程中探測(cè)對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的垂直分布情況。

圖3 吐魯番氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子平均粒徑的垂直分布Fig.3 Vertical distributions of aerosol particle concentration and average diameter in Turpan City

從若羌7次探測(cè)飛行（圖4a～g）粒子直徑垂直變化來(lái)看，無(wú)論是低空還是中高空其粒子直徑變化非常小，粒子平均粒徑在0.11 μm 左右；從表2能見(jiàn)度也不難發(fā)現(xiàn)，晴天和多云若羌能見(jiàn)度明顯優(yōu)于吐魯番，即使沒(méi)有環(huán)保監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，其空中質(zhì)量指數(shù)以及PM2.5應(yīng)優(yōu)于同時(shí)段吐魯番指數(shù)。由圖4 可見(jiàn)，除2021 年2 月28 日起飛探測(cè)外，其余6 次探測(cè)其數(shù)濃度均隨高度上升而增加，2月28日當(dāng)天為多云天氣，00:00—06:00時(shí)出現(xiàn)浮塵，山區(qū)出現(xiàn)微雪。首先，天氣過(guò)程對(duì)氣溶膠粒子數(shù)濃度的垂直分布影響很大，出現(xiàn)了隨高度上升數(shù)濃度下降的趨勢(shì)；其次天氣過(guò)程后對(duì)氣溶膠有明顯的沖刷作用，數(shù)濃度減小直徑不變，氣溫與高度基本為線性關(guān)系（圖5c、圖5d），沒(méi)有逆溫存在，數(shù)濃度垂直分布相對(duì)穩(wěn)定；最后，天氣過(guò)程結(jié)束后（圖4g、圖5d），高層輸入型氣溶膠及時(shí)補(bǔ)給，各高度層數(shù)濃度逐步增加，緩慢恢復(fù)原有穩(wěn)定膠性結(jié)構(gòu)。

圖4 若羌?xì)馊苣z粒子數(shù)濃度和粒子平均粒徑的垂直分布Fig.4 Vertical distributions of aerosol particle concentration and average diameter in Ruoqiang County

圖5 探測(cè)飛行氣溶膠粒子數(shù)濃度、溫度、相對(duì)濕度的垂直分布Fig.5 Vertical distributions of aerosol particle number concentration,temperature and relative humidity in detection flights

總體來(lái)看，吐魯番、若羌高層均主要為輸入型氣溶膠，低層以局地性為主，差異可能是由大風(fēng)天氣以及吐魯番近年來(lái)工業(yè)迅速發(fā)展加快了人為源氣溶膠粒子的排放量。從數(shù)濃度垂直變化情況來(lái)看，在晴空或多云天氣條件下若羌?xì)馊苣z數(shù)濃度普遍大于吐魯番，吐魯番近地面粒子半徑有明顯波動(dòng)，若羌無(wú)變化，這說(shuō)明與吐魯番相比若羌較大直徑粒子數(shù)量相對(duì)較少，以大量小沙塵氣溶膠為主，其地理位置也決定了該區(qū)域工業(yè)活動(dòng)少人為活動(dòng)也少，故人為排放的人為源氣溶膠粒子相對(duì)較少。

3.3 氣溶膠粒子譜分布特征

大氣氣溶膠是由許多不同尺度的粒子構(gòu)成的，因此數(shù)濃度在不同尺度上的分布情況是描述氣溶膠最重要的物理量之一，稱(chēng)為粒子譜分布。不同的微物理過(guò)程如吸濕、碰并、聚合等都會(huì)對(duì)粒子譜分布產(chǎn)生明顯變化。同樣氣象要素如溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向風(fēng)速等對(duì)氣溶膠粒子水平垂直方向的聚合、消散及吸濕能力具有極為重要影響［30-34］。圖6給出了吐魯番、若羌各7 次探測(cè)飛行指定高度下的粒子譜分布情況。由于數(shù)濃度變化幅度較大，采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)便于分析討論。由圖6 可見(jiàn)，兩地粒子直徑在0.10～3.00 μm 范圍內(nèi)變化趨勢(shì)大體一致，主要以小粒徑為主，譜分布受天氣過(guò)程影響變化較為明顯。吐魯番2020年1月14日探測(cè)飛行中，其探測(cè)粒子直徑0.80～3.00 μm 數(shù)濃度為0，很可能在逆溫層的影響下，抑制了對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，高溫低濕不利于粒子凝結(jié)增長(zhǎng)，但有利于向更高層或地面擴(kuò)散，導(dǎo)致高層小直徑粒子以及近地面小直徑氣溶膠粒子數(shù)濃度上升，進(jìn)而導(dǎo)致近地面空氣質(zhì)量下降，PM2.5與PM10指數(shù)上升，空氣污染嚴(yán)重。若羌探測(cè)飛行（圖6b）粒子譜分布整體變化不明顯，但2021年2月28 日探測(cè)飛行中其大直徑粒子數(shù)量要明顯高于其余5 次探測(cè)飛行數(shù)據(jù)，天氣過(guò)程后導(dǎo)致的浮塵天氣使得直徑（1.00～3.00 μm）粒子占據(jù)了主導(dǎo)。

圖6 吐魯番、若羌?xì)馊苣z粒子譜分布Fig.6 Aerosol particle distributions in Turpan City and Ruoqiang County

3.4 氣溶膠粒子不同模態(tài)相似度

為定量了解吐魯番、若羌兩地氣溶膠數(shù)譜分布特征，對(duì)兩地氣溶膠數(shù)譜不同模態(tài)下進(jìn)行KS 檢驗(yàn)，以了解其數(shù)譜分布情況。文中將第一、第二、第三模態(tài)［28］粒徑段分別劃分為0.10～0.20 μm 、0.20～1.00 μm、1.00～3.00 μm，分別計(jì)算3個(gè)模態(tài)每次有效探測(cè)飛行數(shù)譜之間的相似度。從表4 明顯看出，無(wú)論是吐魯番還是若羌，在第一模態(tài)中數(shù)譜分布差異不大，吐魯番最高相似度達(dá)到100.000%，最低16.780%，平均相似度為46.770%；若羌同樣最高100.000%，最低5.240%，均值略高于吐魯番，為50.330%。吐魯番2020 年1 月14 日探測(cè)飛行中，其第二、三模態(tài)相似度急劇下降，小于0.020%，說(shuō)明降雪過(guò)程對(duì)氣溶膠數(shù)濃度影響很大，打破其原有譜分布，逆溫層的存在，對(duì)流運(yùn)動(dòng)受阻，大氣低層氣溶膠粒子擴(kuò)散抑制，進(jìn)而破壞其原有垂直分布，其余6次飛行第二、三模態(tài)相似度分別為31.550%和23.640%；從若羌（表5）第二、三模態(tài)相似度中可以得出，2021 年2 月28 日2 次探測(cè)飛行第二模態(tài)相似度仍滿(mǎn)足置信度95%，第三模態(tài)小于0.020%，其余5次飛行第二、三模態(tài)相似度分別為28.340%和15.440%，天氣過(guò)程打破了其氣溶膠數(shù)譜分布，但相比吐魯番2020年1月14日過(guò)程，未有逆溫層對(duì)其第二模態(tài)中的粒子影響不大，數(shù)譜僅在第三模態(tài)中變化凸顯。

表4 吐魯番起降階段氣溶膠粒子不同模態(tài)相似度Tab.4 Similarity of different modes of aerosol particles during take-off and landing in Turpan City /%

表5 若羌起降階段氣溶膠粒子不同模態(tài)相似度Tab.5 Similarity of different modes of aerosol particles during take-off and landing in Ruoqiang County /%

4 討論

近幾年，地基測(cè)量、探空氣球、衛(wèi)星遙感反演等多渠道手段來(lái)獲取氣溶膠數(shù)據(jù)已極為普遍，眾多學(xué)者圍繞其粒子濃度以及所處地理位置、天氣條件、污染狀況等方面開(kāi)展一系列研究，由于細(xì)顆粒物不僅對(duì)輻射平衡、環(huán)境質(zhì)量有影響，同時(shí)威脅著人類(lèi)身體健康。飛機(jī)作為最有效的大氣探測(cè)儀器運(yùn)載工具，高效地推進(jìn)中尺度天氣觀測(cè)以及云微物理學(xué)研究，搭載探測(cè)設(shè)備的高性能飛機(jī)不斷投入使用，填補(bǔ)了氣溶膠等不同粒子尺度在空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的空白。飛機(jī)是有效的大氣探測(cè)儀器運(yùn)載工具，它既能在短時(shí)間內(nèi)飛行很大距離，獲取不同要素的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)資料，又能實(shí)時(shí)、實(shí)地的精準(zhǔn)化細(xì)致觀測(cè)，因而在中尺度觀測(cè)及云微物理學(xué)研究中廣泛利用。高性能飛機(jī)還可使用衛(wèi)星中繼系統(tǒng)實(shí)時(shí)地發(fā)送探測(cè)資料，對(duì)補(bǔ)充海洋、沙漠無(wú)人區(qū)等稀少地區(qū)的氣象資料有著重要作用。飛行速度快、高低空溫差大、飛行顛簸等這些對(duì)機(jī)載探測(cè)儀器的設(shè)計(jì)及測(cè)量技術(shù)有特殊的要求，比如儀器靈敏度高、滯后效應(yīng)低、測(cè)量精度高等，此外，飛機(jī)中還有激烈的機(jī)械振動(dòng)也對(duì)測(cè)量精度有很大的要求。2018 年年底新疆吐魯番AQI 達(dá)到六級(jí)嚴(yán)重污染，2020 年3 月若羌出現(xiàn)強(qiáng)沙塵天氣，能見(jiàn)度不足50 m，人如置身沙海，嚴(yán)重沙塵霧霾天氣備受各級(jí)政府及學(xué)者專(zhuān)家高度關(guān)注。本文利用2019—2020 年冬季吐魯番和2020—2021 冬季若羌14 次完整氣溶膠探測(cè)數(shù)據(jù)資料，研究了飛機(jī)爬升或降落階段兩地上空3700 m范圍內(nèi)氣溶膠粒子數(shù)濃度、粒子平均粒徑的變化規(guī)律，給出了飛機(jī)起飛或降落階段各個(gè)高度層中的粒子譜分布特征。由于不同地區(qū)的地形地貌、環(huán)境氣候有差距性，因此對(duì)不同地區(qū)氣溶膠的探測(cè)分析尤為重要，該結(jié)論對(duì)后續(xù)研究所在地區(qū)的大氣環(huán)境、輻射以及氣溶膠建模等方面的研究具有參考意義，為后續(xù)大氣環(huán)境探測(cè)研究提供新的思路。

5 結(jié)論

（1）從14 次探測(cè)飛行中可以看出，吐魯番、若羌兩地冬季氣溶膠粒子數(shù)濃度與粒子平均粒徑存在明顯的差異性，在無(wú)明顯天氣過(guò)程中若羌?xì)馊苣z粒子數(shù)濃度最大值（11829·cm-3）及均值（5354·cm-3）均明顯高于吐魯番（最大值8045·cm-3，均值3948·cm-3），但最小值（1421·cm-3）卻普遍低于吐魯番（2276·cm-3）；粒子平均粒徑方面，兩地差異不大，但吐魯番出現(xiàn)大直徑粒子（0.16 μm）數(shù)量高于若羌（0.13 μm），2019 年12 月15 日大風(fēng)后最為明顯，粒子直徑出現(xiàn)0.21 μm，這與沙塵氣溶膠多有關(guān)聯(lián)。

（2）兩地氣溶膠粒子數(shù)濃度、粒子平均粒徑受大風(fēng)、降水等天氣過(guò)程以及逆溫層的影響十分明顯。大風(fēng)過(guò)程導(dǎo)致氣溶膠粒子數(shù)濃度上升，在低層消散過(guò)程中大直徑粒子又具有明顯的沖刷力使低層氣溶膠數(shù)濃度降低，但仍有大量小直徑粒子未消失，進(jìn)而增加了數(shù)濃度，增大了粒子直徑，加重加快了空氣污染。降雪天氣過(guò)程前存在一定的緩慢上升氣流，導(dǎo)致數(shù)濃度高出均值的3～4倍，干燥低濕使得過(guò)飽和的氣溶膠粒子無(wú)法吸濕增長(zhǎng)為微小云滴，所以粒子直徑變化不明顯。在逆溫層的影響下，對(duì)流運(yùn)動(dòng)受阻，大氣低層氣溶膠粒子擴(kuò)散抑制，破壞其垂直分布，從而加重了吐魯番空氣污染指數(shù)。

（3）總體來(lái)看，吐魯番、若羌高層均主要為輸入型氣溶膠，低層以局地性為主，差異可能原因是大風(fēng)天氣以及吐魯番近年來(lái)工業(yè)迅速發(fā)展加快了人為源氣溶膠粒子的排放量。從數(shù)濃度垂直變化情況來(lái)看，在晴空或多云天氣條件下若羌?xì)馊苣z數(shù)濃度普遍大于吐魯番，兩地均隨高度增加而升高，但吐魯番近地面粒子半徑隨高度有明顯波動(dòng)，若羌幾乎無(wú)變化。這說(shuō)明與吐魯番相比，若羌較大直徑粒子數(shù)量相對(duì)較少，以大量小沙塵氣溶膠為主，其地理位置也決定了該區(qū)域工業(yè)活動(dòng)少、人為活動(dòng)也少，故人為排放的人為源氣溶膠粒子相對(duì)較少。

（4）吐魯番、若羌兩地粒子譜分布（直徑在0.10～3.00 μm）變化趨勢(shì)大體一致，主要以小粒徑為主，譜分布受天氣過(guò)程影響變化較為明顯。從三模態(tài)粒徑相似度對(duì)比可以看出，無(wú)論是吐魯番還是若羌，在第一模態(tài)中數(shù)譜分布差異不大，吐魯番、若羌最高相似度均達(dá)到100.000%，若羌平均相似度為50.330%，值略高于吐魯番（46.77%）。在2020 年1月14 日探測(cè)飛行中，其第二、三模態(tài)相似度急劇下降，均小于0.020%，相似度極低，逆溫層的存在打破其原有譜分布。而若羌在2021 年2 月28 日2 次探測(cè)飛行第二模態(tài)相似度仍滿(mǎn)足置信度95%，而第三模態(tài)僅為0.020%，其余5 次飛行第二、三模態(tài)相似度均值分別為28.340%和15.440%。