孫鴻娉,李培仁,申?yáng)|東,楊俊梅

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山西地區(qū)氣溶膠垂直分布特征與光學(xué)特性的飛機(jī)觀測(cè)研究

孫鴻娉*,李培仁,申?yáng)|東,楊俊梅

(山西省人工降雨防雹辦公室,山西 太原 030002)

利用2013年8月,以Y-12飛機(jī)為空中觀測(cè)平臺(tái),搭載PCASP、SMPS、AMS、CCN200、TSI-3563型積分濁度儀和美國(guó)MAAP-5012型多角度吸收光度計(jì)等多種氣溶膠觀測(cè)儀器,首次對(duì)黃土高原大氣氣溶膠特性開(kāi)展聯(lián)合觀測(cè)的資料,對(duì)大氣氣溶膠粒度,散射和顆粒吸收特性進(jìn)行了分析,研究了區(qū)域氣溶膠的空間分布及理化特征.結(jié)果表明黃土高原特殊地形區(qū)域氣溶膠的微物理特性較穩(wěn)定,但隨探測(cè)時(shí)氣象條件的變化,散射系數(shù)仍然出現(xiàn)波動(dòng);區(qū)域氣溶膠中以細(xì)粒子為主;三個(gè)波長(zhǎng)散射系數(shù)變化趨勢(shì)非常一致,可以認(rèn)為探測(cè)過(guò)程中氣溶膠的微物理特性基本不變,而僅僅是濃度在改變;散射系數(shù)的變化趨勢(shì)與體積濃度的變化趨勢(shì)基本一致;其高值區(qū)與大氣高濕區(qū)的正相關(guān)性比較明顯;四次探測(cè)過(guò)程中小尺度粒徑的氣溶膠粒子為優(yōu)勢(shì)粒子;后向軌跡分析可知研究區(qū)域大部分氣溶膠粒子都來(lái)源于高空,由蒙古、內(nèi)蒙、甘肅、陜西等地遠(yuǎn)距離輸送而來(lái).

黃土高原；氣溶膠；垂直分布；光學(xué)特性；飛機(jī)觀測(cè)

氣溶膠是指大氣中懸浮的直徑在0.01μm~ 100μm范圍內(nèi)的固體和液體粒子,是大氣三大活躍成分之一[1-4].氣溶膠主要來(lái)源于污染粒子、海鹽粒子、沙塵和煙霧等,可以通過(guò)直接效應(yīng)和間接效應(yīng)等途徑影響氣候[5-7].氣溶膠的直接效應(yīng)是指氣溶膠通過(guò)吸收和散射太陽(yáng)輻射,直接影響地氣系統(tǒng)的輻射平衡,而氣溶膠的間接效應(yīng)則指氣溶膠作為云凝結(jié)核(CCN)或冰核(IN)影響云含水量云光學(xué)特性、云量和云壽命等[8-14].間接效應(yīng)又可分為兩類:第一類間接效應(yīng),也稱Twomey效應(yīng)[15-17],指氣溶膠數(shù)濃度增加引起云粒子數(shù)濃度增加,云粒子半徑減小,云體反照率增加(它依賴于氣溶膠的吸收特性和光學(xué)厚度,假定云中液態(tài)水含量不變);第二類間接效應(yīng),也稱為云生命期效應(yīng)或Albrecht效應(yīng),指人為氣溶膠增加引起云粒子半徑減小從而抑制降水,使云生命期發(fā)生變化[18].最近研究又提出了一種氣溶膠對(duì)云的半直接效應(yīng)(semidirect effect on cloud),即如黑碳或煙塵等一類氣溶膠,由于具有較強(qiáng)的吸收太陽(yáng)輻射,并重新向外釋放熱輻射的能力,從而加熱大氣和云團(tuán),使得云滴蒸發(fā),云量減少,云生命期縮短,云體平均反照率減小[19-20].近一、二十年來(lái),為了加強(qiáng)大氣氣溶膠的研究,評(píng)估氣溶膠對(duì)氣溫、水資源、大氣環(huán)境的區(qū)域和全球影響,國(guó)際、國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)施和正在實(shí)施了幾個(gè)較大的氣溶膠研究項(xiàng)目[21-22].在國(guó)際上,有國(guó)際衛(wèi)星、云、氣候項(xiàng)目(ISCCP)、南半球氣溶膠特性試驗(yàn)ACE21計(jì)劃、北大西洋地區(qū)氣溶膠特性試驗(yàn)ACE22計(jì)劃、亞洲及太平洋地區(qū)氣溶膠特性試驗(yàn)ACE2Asia計(jì)劃,對(duì)流層氣溶膠輻射強(qiáng)迫觀測(cè)試驗(yàn)(TARFOX),還有MODIS、POLDER和CALIP2SO等多個(gè)衛(wèi)星投入使用,進(jìn)行聯(lián)合觀測(cè).在國(guó)內(nèi),對(duì)氣溶膠-云相互作用的科學(xué)問(wèn)題也相當(dāng)重視,設(shè)立了一些關(guān)于氣溶膠的較大研究計(jì)劃:國(guó)家自然科學(xué)基金“九五”重點(diǎn)項(xiàng)目“中國(guó)地區(qū)大氣氣溶膠輻射特性研究”(1997~2001年);國(guó)家973計(jì)劃項(xiàng)目“氣溶膠物理化學(xué)特性及區(qū)域灰霾的地基網(wǎng)絡(luò)化觀測(cè)”(2006年啟動(dòng))等.毛節(jié)泰等[23]從氣溶膠采樣分析、地面衛(wèi)星遙感、大氣氣溶膠輻射特性及氣候效應(yīng)等方面對(duì)氣溶膠研究狀況做了總結(jié)分析.Ma等.總結(jié)了2003~ 2006年中國(guó)云物理研究的主要進(jìn)展,包括對(duì)中國(guó)近年來(lái)氣溶膠、云、輻射相互作用研究的總結(jié),指出氣溶膠、云、輻射相互作用的研究(尤其是大氣化學(xué)過(guò)程對(duì)云物理和降水的影響的研究)對(duì)當(dāng)今氣候預(yù)測(cè)和短期天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度的提高具有十分重要的意義.但是大多數(shù)研究側(cè)重于地面觀測(cè)的氣溶膠光學(xué)特性變化,對(duì)氣溶膠光學(xué)特性的空間垂直分布了解較少.飛機(jī)探測(cè)可以提供大氣氣溶膠特性的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),但由于空域管制及高營(yíng)運(yùn)成本,目前對(duì)大氣氣溶膠特性的飛機(jī)觀測(cè)尚不多見(jiàn).

山西省位于中國(guó)北部的黃土高原上,地處黃河流域中段,煤炭資源的地位一直排在全國(guó)的首位,是世界最大的黃土沉積區(qū),也是全國(guó)重要的能源重化工基地,特殊的地形與長(zhǎng)期的能源開(kāi)采對(duì)山西的環(huán)境造成了巨大的影響.2013年7月到8月,以山西文水、忻州為觀測(cè)點(diǎn),地面安裝了CCN100、激光雷達(dá)等觀測(cè)設(shè)備,Y-12飛機(jī)為空中觀測(cè)平臺(tái),搭載PCASP、SMPS、AMS、CCN200、TSI-3563型積分濁度儀和美國(guó)MAAP-5012型多角度吸收光度計(jì)等多種氣溶膠觀測(cè)儀器,首次對(duì)黃土高原大氣氣溶膠特性開(kāi)展了聯(lián)合觀測(cè),獲取了珍貴的第一手觀測(cè)資料.本文以了解黃土高原特定區(qū)域氣溶膠垂直分布特征與光學(xué)特性為目的,通過(guò)對(duì)大氣氣溶膠粒度,散射和顆粒吸收特性的研究,為研究區(qū)域氣溶膠的空間分布及理化特征,氣溶膠對(duì)云的影響、氣溶膠-云參數(shù)化關(guān)系的建立提供基礎(chǔ)觀測(cè)資料.

1 研究方法

1.1 觀測(cè)儀器簡(jiǎn)介

本次探測(cè)觀測(cè)區(qū)域在黃土高原中部地區(qū)(中心點(diǎn):“東經(jīng)112°3′、北緯37°25′、海拔750米),以飛機(jī)作為氣溶膠空中觀測(cè)平臺(tái),機(jī)型Y-12,巡航速度為60~70m/s,爬升速度為2~5m/s.飛機(jī)上搭載的氣溶膠觀測(cè)儀器包括美國(guó)DMT公司的被動(dòng)腔氣溶膠探頭PCASP-100X、云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器CCN-200(包括兩個(gè)云室,可同時(shí)分別設(shè)置不同的過(guò)飽和度)、美國(guó)TSI 公司生產(chǎn)的TSI-3563型積分濁度儀和美國(guó)MAAP-5012型多角度吸收光度計(jì),飛機(jī)安裝了高精度溫濕度探頭ZZW-1型總溫測(cè)量?jī)x和GWS-1濕度測(cè)量?jī)x,用于測(cè)量大氣溫度和濕度,另外飛機(jī)上還安裝了DMT的云粒子探頭、降水粒子探頭和熱線含水量?jī)x等,各儀器設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1.

氣溶膠和CCN的觀測(cè)設(shè)備位于飛機(jī)艙內(nèi),氣溶膠進(jìn)氣口位于機(jī)頭頂部正中.由于氣溶膠粒子的吸濕增長(zhǎng)特性,積分濁度儀在觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中在采樣氣體入流方向安裝了干燥管來(lái)保持濕度較低.實(shí)驗(yàn)中,濁度儀流量設(shè)置為5lmin-1,數(shù)據(jù)采樣間隔為10s,濁度儀腔體內(nèi)測(cè)得的相對(duì)濕度為11.3%~46%,平均值為25%.

表1 機(jī)載探測(cè)儀器及相關(guān)參數(shù) Table 1 Airborne instrumentation and parameters

1.2 探測(cè)概況

飛機(jī)從太原武宿機(jī)場(chǎng)起飛至觀測(cè)區(qū)域上空(文水觀測(cè)點(diǎn)中心點(diǎn)112°41′E、北緯37°25′N、海拔750m,半徑20km;忻州觀測(cè)點(diǎn)中心點(diǎn)112°41′E、北緯37°23′N、海拔750m,半徑20km),從特定高度開(kāi)始垂直分層探測(cè),以300m為層間間隔,盤(pán)旋下降,每層水平飛行5min,直到最低安全高度(海拔600m),然后返航回太原.飛行區(qū)域見(jiàn)圖1,飛行概況見(jiàn)表2,飛行軌跡見(jiàn)圖2.

1.3 數(shù)據(jù)處理及參數(shù)計(jì)算

為了保證探測(cè)儀器的數(shù)據(jù)質(zhì)量,2013年6月,專門(mén)針對(duì)SMPS、APS、CCN、TSI-3563、MAAP-5012等儀器進(jìn)行了標(biāo)定,并且在中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所香河觀測(cè)站進(jìn)行了為期約一個(gè)月的地面觀測(cè)和數(shù)據(jù)對(duì)比,結(jié)果表明數(shù)據(jù)的一致性較好.在黃土高原中部觀測(cè)前,將PCASP與SMPS進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室對(duì)比觀測(cè),選取PCASP和SMPS中重合的粒徑范圍進(jìn)行了數(shù)據(jù)對(duì)比,結(jié)果顯示兩種儀器在同粒徑范圍內(nèi)觀測(cè)到的氣溶膠數(shù)濃度一致性非常好.各觀測(cè)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定,獲取數(shù)據(jù)真實(shí)可靠.

數(shù)據(jù)在進(jìn)行分析時(shí),只采用各個(gè)儀器運(yùn)行穩(wěn)定后的數(shù)據(jù).對(duì)于被動(dòng)腔體氣溶膠粒譜探測(cè)儀PCASP-100X的氣溶膠數(shù)據(jù),因其第一檔(bin1)為<0.1μm直徑的粒子個(gè)數(shù),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)分析時(shí)不采用該檔數(shù)據(jù),對(duì)于氣溶膠濃度重新進(jìn)行了計(jì)算.

TSI-3563可同時(shí)連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量450nm, 550nm,700nm波段(藍(lán)、綠和紅波段)的總散射系數(shù)(sc)和后向散射系數(shù)(bsc),數(shù)據(jù)在分析時(shí)均進(jìn)行了截?cái)嘈拚椭匦掠?jì)算[25].氣溶膠后向散射系數(shù)與總散射系數(shù)之比為sc,計(jì)算見(jiàn)公式(1).

sc=bsc/sc(1)

表2 飛行概況 Table 2 Summary of fights

注:時(shí)間為北京時(shí)間,高度為海拔高度.

同時(shí)據(jù)公式(2)計(jì)算了波長(zhǎng)指數(shù)Angstr?m(α), α可以反映粒子的大小,較高的波長(zhǎng)指數(shù)對(duì)應(yīng)細(xì)粒子的主導(dǎo)狀況,反之則為粗粒子在模態(tài)中占優(yōu).[35]

多角度吸收分光光度計(jì)(MAAP-5012)用于測(cè)量環(huán)境大氣和污染源黑碳濃度和氣溶膠光吸收特性,觀測(cè)波長(zhǎng)為670nm.據(jù)公式(3)計(jì)算550nm的吸收系數(shù).

式中:ab為吸收系數(shù),單位Mm-1;[]conc為黑碳濃度,μg/m3.

氣溶膠的單次散射反照率 (single scattering albedo,SSA)是衡量氣溶膠吸收、散射能力的參數(shù),為無(wú)量綱量,據(jù)公式(4)計(jì)算了波長(zhǎng)550nm的單次散射反照率(SSA).

2 結(jié)果與分析

2.1 統(tǒng)計(jì)特征

表3 氣溶膠濃度與光學(xué)特性變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Table 3 Statistical results of number concentration and optical properties of aerosol particles

注:c為pcasp探測(cè)的氣溶膠數(shù)濃度、c為體積濃度、ED為有效直徑

表3給出了四次探測(cè)過(guò)程氣溶膠濃度與光學(xué)特性變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果,可見(jiàn)在非污染背景下氣溶數(shù)濃度(Nc)平均為1730.25cm-3,體積濃度平均為(c)為42.23μm3/cm3,有效直徑平均為0.41μm.鄧瑋和銀燕等2008年探測(cè)的氣溶膠數(shù)濃度為102~103cm-3,平均直徑為0.19~0.70μm;馬新成等[3]對(duì)2005年和2006年北京地區(qū)17次晴空大氣氣溶膠飛機(jī)垂直觀測(cè)資料進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在北京地區(qū)處于地面高壓控制下地面氣溶膠濃度平均約為1200個(gè)/cm3.華北地區(qū)的一些氣溶膠觀測(cè)結(jié)果與本次的探測(cè)結(jié)果極為相近.四次飛機(jī)探測(cè)過(guò)程中,3個(gè)波段(450、550、700nm)的氣溶膠散射系數(shù)平均值±標(biāo)準(zhǔn)差分別為(102±86),(67±57)和(43±36)Mm-1,散射系數(shù)的變化非常大,最大值和最小值分別相差36倍、39倍和74倍.且3個(gè)波段散射系數(shù)的變化趨勢(shì)比較一致,黃土高原特殊地形區(qū)域氣溶膠的微物理特性較穩(wěn)定,但隨探測(cè)時(shí)氣象條件的變化,散射系數(shù)仍然出現(xiàn)波動(dòng).3個(gè)波段平均后向散射比為0.13,表明黃土高原特殊地形區(qū)域氣溶膠中以細(xì)粒子為主.張勇等[26]2010年5月利用積分濁度儀觀測(cè)石家莊春季晴天散射系數(shù)112.3Mm-1,3個(gè)波段后向散射比均大于0.15,與本文的觀測(cè)結(jié)果基本一致.姚青等[27]在天津大氣邊界層觀測(cè)站觀測(cè)2011年4月1日~5月10日天津城區(qū)氣溶膠散射系數(shù)為369.93Mm-1,單次散射反照率為0.91,本文的四次觀測(cè)中獲得的單次散射反照率平均為0.92,結(jié)果極為接近.較為明顯的是2013年8月20日夜間探測(cè)的氣溶膠濃度及光學(xué)特性參數(shù)明顯高于其余3次下午、傍晚的探測(cè)值.

2.2 散射特征的垂直變化

2.2.1 散射系數(shù)的垂直變化 由圖3氣溶膠散射系數(shù)隨高度的變化,可以看出3個(gè)波長(zhǎng)散射系數(shù)變化趨勢(shì)非常一致,可以認(rèn)為探測(cè)過(guò)程中氣溶膠的微物理特性基本不變,而僅僅是濃度在改變.散射系數(shù)高值區(qū)與大氣高濕區(qū)的正相關(guān)性比較明顯.四次探測(cè)過(guò)程大部分時(shí)間氣溶膠散射系數(shù)450nm在100Mm-1以下、550nm在200Mm-1以下、700nm在300Mm-1以下,但是8月20日氣溶膠三個(gè)波長(zhǎng)的散射系數(shù)均出現(xiàn)分別高于100,200,300Mm-1的時(shí)段,700nm最高值接近 500Mm-1,而根據(jù)同時(shí)探測(cè)的氣溶膠數(shù)濃度、體積濃度數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)此次探測(cè)過(guò)程氣溶膠數(shù)濃度、體積濃度均偏大,數(shù)濃度平均值是其它三次觀測(cè)過(guò)程平均值的2.8倍,體積濃度其它三次觀測(cè)的3.2倍,在與其他三次探測(cè)過(guò)程觀測(cè)氣溶膠濃度相當(dāng)?shù)臅r(shí)段,相對(duì)濕度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他探測(cè)過(guò)程,8月20日散射系數(shù)遠(yuǎn)高于其它三次探測(cè)時(shí)段,可見(jiàn)吸濕增長(zhǎng)起了重要作用[16-17].張勇和銀燕[18]利用2010年5月積分濁度儀、PCASP-X2的觀測(cè)資料,對(duì)石家莊地區(qū)氣溶膠散射特征,以及與氣溶膠粒子濃度的關(guān)系,結(jié)果表明16:00 散射系數(shù)極小值,16:00以后散射系數(shù)不斷增大,與本文的觀測(cè)結(jié)果基本一致.8月19日探測(cè)過(guò)程時(shí)間在16:00時(shí)左右,大氣氣溶膠散射系數(shù)最低,8月28日探測(cè)時(shí)間較晚,氣溶膠散射系數(shù)明顯高于8月19日探測(cè)過(guò)程,8月20日探測(cè)時(shí)間接近凌晨,氣溶膠散射系數(shù)最大.8月13日探測(cè)時(shí)間亦接近16:00時(shí),但氣溶膠散射系數(shù)明顯高于8月19日,可能由于8月13日相對(duì)濕度較大,吸濕增長(zhǎng)占主要地位引起.氣溶膠散射在16:00后逐漸增大主要由于正午前后太陽(yáng)輻射最強(qiáng),地面溫度不斷增高,對(duì)流亦增強(qiáng),近地面污染物向上層得到較好的輸送,地表污染物濃度逐漸下降,散射系數(shù)出現(xiàn)極小值,之后,隨著不斷減弱的太陽(yáng)輻射,出現(xiàn)逆溫層,邊界層高度亦隨之下降,大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定,地表污染物的濃度不斷增加增加,相應(yīng)的散射系數(shù)也增大.

2.2.2 后向散射比scsc是評(píng)價(jià)氣溶膠中細(xì)粒子含量比重的一個(gè)參數(shù),由Mie散射理論可知,當(dāng)粒子尺度增大時(shí),前向散射與后向散射之比將增大,細(xì)粒子的比重將減小,也就是說(shuō)sc的大小可以反映氣溶膠中細(xì)粒子(<1.5μm)所占的比例.由圖34次探測(cè)過(guò)程550nm為代表的sc變化圖可見(jiàn),除8月20日外,其它三次探測(cè)過(guò)程sc雖有波動(dòng)但隨高度增加整體均為增加趨勢(shì),表明大氣氣溶膠中細(xì)粒子含量隨高度呈增加趨勢(shì)增加.8月20日在2500m以下隨高度增加,2500m以上隨高度增加呈減少趨勢(shì),說(shuō)明2500m是細(xì)粒子含量的峰值,后向散射比在四次探測(cè)過(guò)程中平均值均為0.15以上,平均值分別為0.13、0.15、0.12、0.18,低于張勇等[18]的觀測(cè)結(jié)果.由Mie 散射理論可知,大氣氣溶膠sc高于0.1,則小于1.5mm氣溶膠粒子含量占優(yōu)勢(shì).表明黃土高原細(xì)粒子污染較為嚴(yán)重,同時(shí)對(duì)太陽(yáng)輻射、散射有著較大影響的也是0.05~1.5mm的細(xì)粒子[19].

2.2.3 Angstrom波長(zhǎng)指數(shù) Angstrom波長(zhǎng)指數(shù)(α)是衡量氣溶膠粒子大小的重要光學(xué)參數(shù)之一,一般在0~2之間,越大,表明粒子越小;分子的最大可達(dá)到4;粗粒子或超粗粒子的甚至為零或負(fù)值.4次探測(cè)過(guò)程中的波長(zhǎng)指數(shù)平均分別為2.04、1.77、1.99、1.68,表明小尺度粒徑的氣溶膠粒子為優(yōu)勢(shì)粒子.除8月20日探測(cè)過(guò)程外,其他3次探測(cè)過(guò)程波長(zhǎng)指數(shù)隨高度緩慢增加.8月20日波長(zhǎng)指數(shù)隨高度變化趨勢(shì)與sc基本一致,2000m以下緩慢增加,2000m以上為迅速減少趨勢(shì).

8月20日探測(cè)試時(shí)間在晚上22:16~23:53,且通過(guò)溫度廓線的分析,發(fā)現(xiàn)在2000米高度附近存在較深厚的逆溫層,抑制了氣溶膠顆粒物的擴(kuò)散,大氣中的顆粒物發(fā)生積聚增長(zhǎng),因而濃度增加,由圖2C-1可見(jiàn)8月20日2000米以下為高濕區(qū),積累的氣溶膠顆粒物在高相對(duì)濕度的輔助下會(huì)發(fā)生吸濕增長(zhǎng),同時(shí)高相對(duì)濕度條件也為二次氣溶膠的生成提供了水環(huán)境,二次氣溶膠生成速度也加快,導(dǎo)致了氣溶膠濃度、光學(xué)參數(shù)在2000米以上的迅速降低.

2.2.4 散射系數(shù)和相對(duì)濕度的關(guān)系 大氣中的水汽無(wú)時(shí)不刻的影響著懸浮在大氣中的氣溶膠顆粒,是影響氣溶膠形態(tài)、性質(zhì)的最重要的因子.相對(duì)濕度高值時(shí),氣溶膠表面有水汽凝結(jié),從而氣溶膠顆粒增大,進(jìn)而致使質(zhì)量濃度、粒徑大小和復(fù)折射指數(shù)等發(fā)生改變,氣溶膠的散射能力隨之變化.

圖3可以看出,相對(duì)濕度低于50%時(shí),相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠散射系數(shù)影響并不明顯,可以認(rèn)為是干氣溶膠的散射系數(shù);而當(dāng)相對(duì)濕度達(dá)到60%以上時(shí),相對(duì)濕度對(duì)氣溶膠散射系數(shù)隨的影響明顯具有兩種趨勢(shì),一種為明顯的增大,且相對(duì)濕度大于90%時(shí),趨勢(shì)更加明顯,表明吸濕增長(zhǎng)對(duì)氣溶膠散射特性有著巨大影響.同時(shí)隨著相對(duì)濕度的增加,一部分氣溶膠散射系數(shù)沒(méi)有明顯的增大趨勢(shì),甚至比干氣溶膠散射系數(shù)要小,本文認(rèn)為這部分氣溶膠為揚(yáng)塵類、沙塵氣溶膠,對(duì)水汽并不敏感,對(duì)體積濃度貢獻(xiàn)較大[17,30],散射系數(shù)隨相對(duì)濕度增加變化不大.

2.3 吸收特征的垂直變化

單次散射反照率SSA是評(píng)價(jià)氣溶膠吸收、散射能力強(qiáng)弱的參數(shù),表征散射在總消光中所占比率.越趨近于1,表明吸收的作用越弱,散射的作用越強(qiáng),反之亦然.氣溶膠粒子的形狀、成分、濃度和面積譜等因素決定了SSA的大小.圖4為2013年8月20日、28日探測(cè)飛行吸收特征的垂直變化,8月20日飛行探測(cè)的黑碳濃度較高,可能是由于探測(cè)時(shí)間在晚間接近凌晨時(shí),以及逆溫與地面風(fēng)速較低導(dǎo)致.SSA兩次探測(cè)平均分別為0.92、0.91,比較接近.從兩個(gè)探測(cè)日的溫度廓線分析可以看到8月20日2000m高度附近存在較深厚逆溫層,8月28日在3000m高度附近存在逆溫層,8月20日2000m以下SSA平均為0.95,以上平均為以下平均分別為0.90,8月28日3000m以下SSA平均為0.94,以上平均為以下平均分別為0.91,在逆溫層上下平均值差異較大.8月20日過(guò)程中氣溶膠散射能力較強(qiáng),這可能與大尺度氣溶膠的導(dǎo)入,增強(qiáng)了局地氣溶膠的散射能力有關(guān).而逆溫層的鍋蓋作用導(dǎo)致了SSA在逆溫層上下的較大差異.杜川利[28]等的研究結(jié)果表明西安夏季黑碳?xì)馊苣z濃度為6.07mg/m3,SSA平均值為0.76,變化范圍在 0.70~0.84;王靜等[29]研究探測(cè)的南京地區(qū)SSA為0.86~0.93;陳霖等[30]等分析的半干旱地區(qū)蘭州的平均濃度分別為1.75mg/m3,同類研究與本文的探測(cè)結(jié)果略有不同,這可能是由于城市地域特征導(dǎo)致,另外本文探測(cè)為飛機(jī)的空間探測(cè),而其研究為地面觀測(cè)所致.

2.4 散射系數(shù)和體積濃度、數(shù)濃度的關(guān)系

氣溶膠的散射系數(shù)與質(zhì)量濃度具有一定的相關(guān)性,氣溶膠的質(zhì)量濃度增高,散射系數(shù)亦隨之增大越大.就單次質(zhì)量氣溶膠而言,粗粒子散射系數(shù)明顯小于細(xì)粒子散射系數(shù).本文的研究中假設(shè)氣溶膠密度恒定,通過(guò)PCASP探測(cè)的體積濃度數(shù)據(jù),體積濃度垂直變化圖4,近似表示氣溶膠質(zhì)量濃度的變化.由圖5和圖3可見(jiàn),散射系數(shù)的變化趨勢(shì)與體積濃度的變化趨勢(shì)基本一致,只28日傍晚探測(cè)過(guò)程出現(xiàn)了散射系數(shù)很小而氣溶膠體積濃度大,可能是因?yàn)?28日下午近地層為偏西風(fēng),將西部地區(qū)上空較大的粒子吹向探測(cè)區(qū)域,造成體積濃度不斷增大.有關(guān)研究表明[29],當(dāng)大氣中有較多大粒子,質(zhì)量濃度表現(xiàn)為較大值,散射系數(shù)并不一定表現(xiàn)為大值.傍晚探測(cè)時(shí)段伴隨著風(fēng)速的減小,體積濃度急劇減小,但顆粒物數(shù)濃度依然在高值波動(dòng),認(rèn)為是大粒子的沉降及空氣濕度降低造成的.大粒子比例逐漸下降使散射系數(shù)有上升趨勢(shì),同時(shí)濕度增大使散射系數(shù)上升趨勢(shì)更加明顯,而探測(cè)時(shí)段近地層散射系數(shù)變化可能是這兩個(gè)因素的綜合效果.可見(jiàn),局地的氣象條件、天氣特征、局地源都會(huì)對(duì)氣溶膠散射特性產(chǎn)生較大影響.細(xì)粒子對(duì)于體積濃度的貢獻(xiàn)大于大粒子,大粒子主要為非吸濕性顆粒、沙塵、揚(yáng)塵類.

2.5 氣流后向軌跡分析

研究中后向軌跡計(jì)算選用由美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的空氣資源實(shí)驗(yàn)室和澳大利亞氣象局聯(lián)合研發(fā)的,采用拉格朗日混合單粒子軌道模型(Hybrid Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory Model, HYSPLIT). HYSPLIT用于計(jì)算和分析大氣污染物輸送、擴(kuò)散軌跡的專業(yè)模型,已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于多種污染物在各個(gè)地區(qū)的傳輸和擴(kuò)散的研究中.后推起始位置為太原(地理坐標(biāo)37.8°N,112.5°E),用Hysplit模式對(duì)四個(gè)探測(cè)日山西中部不同高度上氣團(tuán)48h后向軌跡進(jìn)行模擬計(jì)算,結(jié)果如圖6所示.

結(jié)合氣溶膠濃度和光學(xué)特征參數(shù)的垂直分布可以看出8月13日和20日,少云,地面輕霾,大氣環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,氣溶膠垂直輸送較弱.8月13日最長(zhǎng)的后向軌跡向北延伸到了蒙古地區(qū),高空氣溶膠主要來(lái)源于蒙古地區(qū)的遠(yuǎn)距離輸送, 2500m以下后向軌跡基本在山西區(qū)域,可知低空氣溶膠主要來(lái)源于山西南部本地的污染物排放,導(dǎo)致氣溶膠濃度和光學(xué)特征參數(shù)值也較大.8月20日,較長(zhǎng)的兩條后向軌跡延伸到西部地區(qū), 2500m高度以上氣溶膠粒子也來(lái)源于遠(yuǎn)距離輸送,由于重力沉降作用而至近地層,而1500m以下氣溶膠粒子主要來(lái)源于本地南部與東部的輸送,特別是東部為山西第二大煤礦區(qū),導(dǎo)致輸送的多為大粒子,且東部的太行山脈阻礙了低空氣溶膠粒子的水平擴(kuò)散,再加上逆溫層的鍋蓋效應(yīng),造成研究區(qū)域氣溶膠粒子的高濃度出現(xiàn),以及光學(xué)特征參數(shù)的大值.8月19日和28日,各高度后向軌跡均向西、北延伸較遠(yuǎn),可見(jiàn)由局地污染物排放產(chǎn)生的氣溶膠較少,大部分氣溶膠粒子都來(lái)源于高空,由蒙古、內(nèi)蒙、甘肅、陜西等地遠(yuǎn)距離輸送而來(lái),且由重力沉降使得部分氣溶膠粒子至近地面,觀測(cè)區(qū)域內(nèi)氣溶膠粒子濃度較低,光學(xué)特征參數(shù)也較小.

3 結(jié)論

3.1 氣溶膠濃度與光學(xué)特性變化統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析可知,黃土高原特殊地形區(qū)域,在非污染背景下氣溶數(shù)濃度(c)平均為1730.25cm-3,體濃度平均為(c)為42.23μm3/cm3,有效直徑平均為0.41μm.3個(gè)波段散射系數(shù)的變化趨勢(shì)比較一致,黃土高原特殊地形區(qū)域氣溶膠的微物理特性較穩(wěn)定,但隨探測(cè)時(shí)氣象條件的變化,散射系數(shù)仍然出現(xiàn)波動(dòng).3個(gè)波段平均后向散射比為0.13,表明黃土高原特殊地形區(qū)域氣溶膠中以細(xì)粒子為主.

3.2sc雖有波動(dòng)但隨高度增加整體均為增加趨勢(shì),表明大氣氣溶膠中細(xì)粒子含量隨高度呈增加趨勢(shì)增加.除8月20日探測(cè)過(guò)程外,其它三次探測(cè)過(guò)程波長(zhǎng)指數(shù)隨高度緩慢增加.散射系數(shù)的變化趨勢(shì)與體積濃度的變化趨勢(shì)基本一致,

3.3 2013年8月20日、28日SSA兩次探測(cè)平均分別為0.92、0.91,8月20日過(guò)程中氣溶膠散射能力較強(qiáng),這可能與大尺度氣溶膠的導(dǎo)入,增強(qiáng)了局地氣溶膠的散射能力有關(guān).

3.4 后向軌跡計(jì)算表明探測(cè)時(shí)段由局地污染物排放產(chǎn)生的氣溶膠較少,大部分氣溶膠粒子都來(lái)源于高空,由蒙古、內(nèi)蒙、甘肅、陜西等地遠(yuǎn)距離輸送而來(lái).

3.5 利用飛機(jī)對(duì)氣溶膠特性探測(cè)的研究尚不多見(jiàn),研究結(jié)果尚需大量觀測(cè)結(jié)果佐證與討論

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* 責(zé)任作者, 高級(jí)工程師, fengdichen@sohu.com

Aerosol vertical distribution characteristics and optical properties by aircraft measurements on Loess plateau

SUN Hong-ping*, LI Pei-ren, SHENG Dong-dong, YANG Jun-mei

(Weather Modification Office of Shanxi Province, Taiyuan 030002, China)., 2016,36(8)：2311~2322

In August 2013, We used Y-12aircraft to carry out the experiment, which was equipped with PCASP, SMPS, AMS, CCN200, TSI-3563 type integral turbidity meter, and MAAP-5012 type Multi-angle absorption spectrophotometer from the United States and so on. For the first time ,on the loess plateau that atmospheric aerosol joint observation data was obtained, in order to find the aerosol vertical distribution characteristics and optical properties. Results show that aerosol physical properties was stable, but scattering coefficient still fluctuate along with the change of meteorological conditions. the average backward scattering field of three band ratio was 0.13, the aerosol is given priority to with fine particles. Three wavelength scattering coefficient change trend was very consistent, can be thought aerosol micro physical properties basically remain unchanged in the process of detecting, but merely concentration was changed. The change tendency of the scattering coefficient and the volume concentration have almost the same change trend. The obvious positive correlation have been find between the high value area and the atmospheric humidity . Backward trajectory analysis show most of the aerosol particles originated from high altitude, from Mongolia, Inner Mongolia, gansu and shanxi transmitted over a long distance.

Loess Plateau；aerosol；vertical distribution；optical properties；aircraft measurements

X513

A

1000-6923(2016)08-2311-12

孫鴻娉(1977-),山西太原人,高級(jí)工程師,碩士,主要研究方向?yàn)榇髿馕锢砼c大氣環(huán)境,氣溶膠與云、降水的相互作用.發(fā)表論文8篇.

2015-12-23

山西省氣象局重點(diǎn)項(xiàng)目(SXKZDRY20165204);公益性行業(yè)(氣象)專項(xiàng)(GYHY201206025)