胡向峰,孫 云,李二杰,范根昌 (1.河北省人工影響天氣辦公室,河北 石家莊 050021；2.河北省氣象臺(tái),河北 石家莊 050021；3.河北省環(huán)境氣象中心,河北 石家莊 050021；4.河北省氣象與生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊 050021)

氣溶膠濃度是大氣環(huán)境質(zhì)量的重要研究?jī)?nèi)容之一.同一地區(qū)污染源相對(duì)穩(wěn)定的情況下,氣象條件是影響氣溶膠濃度的重要因素[1].近些年來(lái),國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開(kāi)展了氣溶膠特征分布與氣象因素變化關(guān)系的研究.IPCC第4次評(píng)估報(bào)告[2]指出,氣溶膠數(shù)濃度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.Snide等[3]通過(guò)分析 ACE-2試驗(yàn)的觀測(cè)資料,認(rèn)為相對(duì)濕度是影響氣溶膠粒子大小分布的重要因素之一;Liu等[4]對(duì)華北地區(qū)氣溶膠分布特征進(jìn)行了研究,指出邊界層結(jié)構(gòu)對(duì)氣溶膠垂直分布特征有顯著影響.孫玉穩(wěn)等[5]、張佃國(guó)等[6]、黃海燕等[7]、馬新成等[8]認(rèn)為逆溫層對(duì)氣溶膠空間分布特征有重要影響.楊軍等[9]認(rèn)為高濕環(huán)境下氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng),粒子譜型變寬.劉婷等[10]研究發(fā)現(xiàn),相對(duì)濕度增大有利于愛(ài)根核模態(tài)的粒子向積聚模態(tài)轉(zhuǎn)化.風(fēng)速風(fēng)向是影響氣溶膠數(shù)濃度的重要因素.張仁健等[11]研究發(fā)現(xiàn),相對(duì)濕度低于75%的條件下,氣溶膠小粒子數(shù)濃度隨相對(duì)濕度增大呈上升趨勢(shì).氣-粒轉(zhuǎn)化過(guò)程是小尺度大氣氣溶膠的主要來(lái)源.張瑜等[12]指出河北地區(qū)近地面氣溶膠數(shù)濃度在非降水天氣條件下強(qiáng)烈依賴于地面大氣環(huán)境狀況及逆溫、風(fēng)速等氣象條件,降水天氣條件下與地面大氣狀況及降水量密切相關(guān).林俊等[13]、邱玉珺等[14]認(rèn)為風(fēng)速增大有利于氣溶膠垂直輸送和擴(kuò)散.風(fēng)通量越大氣溶膠數(shù)濃度越低.蘇捷等[15]、周黎明等

[16]發(fā)現(xiàn)風(fēng)速較小的狀態(tài)下,降水對(duì)積聚模態(tài)的氣溶膠粒子清除作用不明顯.范燁等[17],馬梁臣等[18]發(fā)現(xiàn)邊界層內(nèi)的氣溶膠數(shù)濃度陰天輕霧條件下大于晴天和雨天.馬新成等[19]認(rèn)為氣溶膠垂直分布特征與理查森數(shù)、風(fēng)通量等密切相關(guān).Holzworth[20]研究發(fā)現(xiàn)混合層高度是影響大氣污染物稀釋和擴(kuò)散的重要因素.李二杰等[21]指出,大氣層結(jié)穩(wěn)定,混合層高度低,逆溫層深厚是影響河北中南部地區(qū)污染程度的重要因素.大量的觀測(cè)結(jié)果表明,大氣層結(jié)、混合層高度、逆溫層、相對(duì)濕度、風(fēng)通量等氣象因子對(duì)大氣氣溶膠的空間分布特征有著重要影響.本文分析大氣穩(wěn)定度、混合層高度等對(duì)氣溶膠空間分布特征的影響,研究氣溶膠分布特征與氣象條件的關(guān)系,對(duì)深入了解河北中南部地區(qū)不同天氣條件下氣溶膠的時(shí)空分布特征和物理特性提供參考.

1 觀測(cè)概況

1.1 觀測(cè)區(qū)域

河北省中南部是京津冀地區(qū)霾污染的重災(zāi)區(qū).為研究該地區(qū)的氣溶膠分布特征,選擇石家莊市、邢臺(tái)市隆堯縣和保定市作為觀測(cè)區(qū).石家莊地處河北省中南部,東與衡水接壤,南與邢臺(tái)毗連,西與山西為鄰,北與保定相接.保定市地處河北省中部,位于石家莊的東北方向,距離石家莊約140km.邢臺(tái)市隆堯縣地處華北平原腹地,位于石家莊東南方向,距離石家莊約 83km.河北中南部地區(qū)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)以鋼鐵、建材、化工、火電等高污染、高耗能企業(yè)為主,大氣污染以煙煤型污染為主,大氣環(huán)境污染形勢(shì)十分嚴(yán)峻.

1.2 觀測(cè)儀器

PCASP-100X 主要用途是氣溶膠觀測(cè).探頭的量程為0.1～3.0μm,由15個(gè)間隔不等的測(cè)量通道組成,分辨率為0.02μm. FSSP主要用于測(cè)量小云粒子,共有4個(gè)量程,每個(gè)量程又分成15個(gè)等間隔的通道,量程覆蓋范圍為 1～95μm. FSSP探頭最小分辨率為1μm[22].

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

1.3.1 粒子平均直徑和數(shù)密度 計(jì)算公式：

式中：D為粒子平均直徑(μm);Di為第i通道粒子的中值直徑(μm);N(Di)是第 i通道的粒子數(shù)濃度(個(gè)/cm3);N為單位體積內(nèi)氣溶膠粒子總數(shù)濃度(個(gè)/cm3);n(Di)是[D,D+ΔD]范圍內(nèi)的氣溶膠粒子數(shù)密度(cm-3?μm-1).

1.3.2 混合層高度表征 污染物在垂直方向被熱力對(duì)流與動(dòng)力湍流輸送所能達(dá)到的高度,是影響污染物擴(kuò)散的重要參數(shù).混合層高度計(jì)算公式：

式中：MLH為混合層高度(m);T-Td為溫度露點(diǎn)差(K);P為帕斯圭爾穩(wěn)定度級(jí)別,大氣穩(wěn)定度級(jí)別為A～F(A～F依次為強(qiáng)不穩(wěn)定、不穩(wěn)定、弱不穩(wěn)定、中性、較穩(wěn)定、穩(wěn)定)時(shí),P值依次分別為1～6;UZ為高度Z處的平均風(fēng)速(m/s);Z0為地表粗糙度;f為柯氏參數(shù)(S-1).

1.3.3 地表通風(fēng)系數(shù)反應(yīng)污染物的累積情況 地表風(fēng)速越大越有利于污染物的擴(kuò)散;反之,越有利于污染物的累積.地表通風(fēng)系數(shù)的計(jì)算公式：

式中：VI為地表通風(fēng)系數(shù)(m2/s);MLH為混合層高度(m);U為地面風(fēng)速(m/s).

1.4 天氣形勢(shì)及飛機(jī)探測(cè)概況

2008年10月18日,歐亞中高緯度多短波擾動(dòng),主要影響系統(tǒng)為高空短波槽、低渦切變.華北中南部地區(qū)位于低渦槽前的正渦度平流區(qū),地面為弱冷鋒.8：00邢臺(tái)探空表明,整層相對(duì)濕度較小,925hPa以下存在逆溫層.地面觀測(cè)實(shí)況顯示,8：00隆堯位于鋒前的弱氣壓場(chǎng),地面風(fēng)速較小.14：00隆堯轉(zhuǎn)為東北風(fēng),風(fēng)速 2m/s,地面觀測(cè)有霾.受弱冷鋒影響,石家莊早晨前后出現(xiàn)零星降水.19日白天保定、石家莊高空受弱脊的控制,地面為弱氣壓場(chǎng),天氣晴轉(zhuǎn)多云.20：00邢臺(tái)探空顯示邊界層存在逆溫層.20日500hPa高空槽過(guò)境,低層配合有風(fēng)切變,華北中南部有西南氣流的水汽通道建立,水汽條件比較好,地面有倒槽向北發(fā)展.地面降水實(shí)況顯示,石家莊市區(qū)20：00之前出現(xiàn)零星小雨,20：00～21：00 無(wú)降水, 21：00～22：00 小雨.

利用搭載PMS系統(tǒng)的夏延飛機(jī)觀測(cè)平臺(tái)對(duì)河北中南部地區(qū)的氣溶膠特性進(jìn)行了 3個(gè)架次航測(cè).表1給出了10月18～20日的飛行概況.

表1 飛行概況Table 1 An overview of the flight status in October 2008

2 結(jié)果與討論

2.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表2給出了河北中南部上空氣溶膠和云滴微物理量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.

2.2 大氣氣溶膠垂直分布特征類型

表2 河北中南部600～3900m的氣溶膠及云滴特征統(tǒng)計(jì)Table 2 The statistical characteristics of aerosol and cloud droplet properties at heights between 600 and 3900m over central and southern Hebei

氣溶膠垂直分布是在高低空天氣形勢(shì)配置下形成的.孫霞等[23-24]對(duì) 2006～2010年河北中南部地區(qū)104架次的氣溶膠觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)氣溶膠垂直分布特征主要包括指數(shù)遞減型(ED)、近地層高值型(SAL)、邊界層高值型(BAL)3種類型.其中,ED型是指整層氣溶膠數(shù)濃度隨高度呈指數(shù)遞減.SAL型是指氣溶膠在邊界層以下混合較好,數(shù)濃度隨高度垂直遞減率較小,氣溶膠在地面至邊界層之間累積.邊界層以上數(shù)濃度隨高度迅速減小. BAL型是指近地面氣流上升運(yùn)動(dòng)較弱,邊界層內(nèi)氣溶膠混合較差,數(shù)濃度隨高度遞減.邊界層高度處氣溶膠累積,形成氣溶膠層.

2.3 不同天氣條件下河北中南部大氣微物理量的垂直分布特征

圖1給出18、19、20日河北中南部上空的氣溶膠數(shù)濃度、環(huán)境溫度、粒子平均直徑、相對(duì)濕度及云滴數(shù)濃度的垂直分布特征.本文對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)在高度上進(jìn)行了50m間隔的算術(shù)平均.

圖1 石家莊上空大氣微物理量的垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution of atmospheric micro-physics characteristic over Shijiazhuang

18日石家莊機(jī)場(chǎng)本場(chǎng)氣溫為23.1℃,地面風(fēng)速4m/s.從圖1a給出的氣溶膠數(shù)濃度垂直廓線可以看出,氣溶膠數(shù)濃度高值主要集中 1200～2300m 的中高空,1400～2100m 的數(shù)濃度變化范圍為614.3～1145.0個(gè)/cm3,平均數(shù)濃度約975.3個(gè)/cm3,數(shù)濃度隨高度起伏變化比較明顯.18日石家莊氣溶膠數(shù)濃度垂直分布特征接近于邊界層高值型(BAL).由于午后大氣熱力和動(dòng)力湍流作用加強(qiáng),局地產(chǎn)生的氣溶膠在湍流作用下向上輸送.溫度垂直廓線顯示 600～3900m上空存在多個(gè)逆溫或恒溫層.受逆溫層和恒溫層的影響,氣溶膠垂直輸送受到抑制,導(dǎo)致氣溶膠主要集中在 2300m以下.18日混合層高度約1028m,從數(shù)濃度垂直廓線可以發(fā)現(xiàn),混合層以下氣溶膠隨高度分布相對(duì)比較均勻.2700m以上數(shù)濃度隨高度變化趨勢(shì)減緩,趨于背景氣溶膠.600～3900m氣溶膠粒子直徑范圍為0.16～0.22μm,表明18日霧霾天氣條件下探測(cè)區(qū)域上空主要以細(xì)小粒子為主.從18日后向軌跡(見(jiàn)圖3a)看出,觀測(cè)區(qū)域1500m的氣團(tuán)由低層氣團(tuán)抬升而來(lái).觀測(cè)期間低層氣團(tuán)基本上在河北南部地區(qū)活動(dòng),氣團(tuán)移動(dòng)速度緩慢,移動(dòng)路徑上受到了地面污染源的影響.3500m以上的氣團(tuán)主要由我國(guó)西北地區(qū) 7500m高空遠(yuǎn)距離輸送而來(lái).2500m附近粒子平均直徑存在極值,這可能是由于高層氣團(tuán)攜帶的沙塵粒子重力沉降至該高度層所導(dǎo)致.

19日氣溶膠數(shù)濃度垂直分布特征明顯區(qū)別于18日.氣溶膠數(shù)濃度高值集中在600m混合層高度附近,之后數(shù)濃度隨高度增加而下降.1000m開(kāi)始?xì)馊苣z數(shù)濃度開(kāi)始累積增加,1250m出現(xiàn)峰值.1500～1700m 數(shù)濃度隨高度迅速下降,2300m又出現(xiàn)峰值,2500m以上趨于背景氣溶膠.19日氣溶膠數(shù)濃度垂直分布特征屬于近地層高值型(SAL).觀測(cè)期間石家莊機(jī)場(chǎng)本場(chǎng)溫度為19.0℃.由于夜間湍流混合作用減弱,大氣層結(jié)趨于穩(wěn)定,現(xiàn),石家莊1260,1620,2360m附近存在3個(gè)較為明顯的逆溫層.結(jié)合濕度垂直廓線,從600m相對(duì)濕度開(kāi)始增加,分別在1248,1602,2375m出現(xiàn)極值.由于逆溫層與相對(duì)濕度峰值的共同影響,氣溶膠數(shù)濃度在以上3個(gè)高度附近出現(xiàn)峰值或極值.這與張佃國(guó)等[6]對(duì)濟(jì)南及周邊地區(qū)大氣氣溶膠空間分布的研究得出的“逆溫層附近和相對(duì)濕度的峰值區(qū)會(huì)產(chǎn)生較高的氣溶膠數(shù)濃度”結(jié)論比較一致.后向軌跡顯示,觀測(cè)區(qū)域3500m氣團(tuán)主要由我國(guó)西北地區(qū)6000m高空經(jīng)蒙古國(guó)輸送至觀測(cè)區(qū)域.

從圖1a可以看出,20日氣溶膠主要集中在邊界層附近,數(shù)濃度垂直分布特征屬于邊界層高值型(BAL).受穩(wěn)定的大氣層結(jié)與較小地面風(fēng)速(2m/s)的共同影響,氣溶膠在中低空聚集,1100m附近出現(xiàn)峰值.20日600～1850m范圍的氣溶膠數(shù)濃度顯著高于18、19日.邊界層以上數(shù)濃度隨高度迅速減少,2600～3400m 范圍出現(xiàn)極值,3500m以上趨于背景氣溶膠.從粒子平均直徑垂直廓線可以看出,20日大粒徑的氣溶膠粒子主要分布在中高空.粒子平均直徑隨高度波動(dòng)幅度較大,粒子尺度明顯大于18和19日.云層對(duì)氣溶膠垂直分布有很大影響.從圖1e給出的云滴數(shù)濃度垂直廓線可以看出,1100m以下云滴數(shù)濃度小于10.0 個(gè)/cm3.根據(jù) Hobbs等[30]和 Zhang 等[31]等關(guān)于云內(nèi)與云外的判別標(biāo)準(zhǔn),可推斷1100m以下位于云底位置.云底云滴蒸發(fā)釋放的氣溶膠粒子可能是導(dǎo)致20日中低空氣溶膠數(shù)濃度較高的另外一個(gè)重要原因.

從圖2a可以看出,隆堯655～1717m的氣溶膠數(shù)濃度隨高度波動(dòng)幅度較大,變化范圍為813.4～2272.0個(gè)/cm3.18日的混合層高度為969m,混合層以下的氣溶膠數(shù)濃度隨高度波動(dòng)起伏不大,數(shù)濃度變化范圍為 1896.0～2272.0個(gè)/cm3,極值出現(xiàn)在 655m附近.地表通風(fēng)系數(shù)小于3000m2/s,空氣水平流動(dòng)緩慢,使得人為排放產(chǎn)生的氣溶膠水平擴(kuò)散能力較差,導(dǎo)致氣溶膠主要集中在近地面附近.另外隆堯14：00和20：00地面風(fēng)速均為2m/s,較小的地面風(fēng)速也是氣溶膠出現(xiàn)累積的重要原因.根據(jù)宏觀記錄,1133,557m 的高空風(fēng)分別為 356/16、8/8m/s(風(fēng)向/風(fēng)速).由于風(fēng)速對(duì)氣溶膠的水平擴(kuò)散、輸送及稀釋的作用,不同高度層的高空風(fēng)是影響氣溶膠數(shù)濃度隨高度波動(dòng)起伏的主要?dú)庀笠蛩刂?18日大氣穩(wěn)定度為B,大氣層結(jié)不穩(wěn)定.近地面氣溶膠受湍流作用的影響向上垂直輸送,但由于1450m附近存在的逆溫層阻止氣溶膠向上垂直輸送,使得氣溶膠數(shù)濃度在逆溫層下1330 m附近出現(xiàn)累積現(xiàn)象.

從圖2a可以看出,保定600～1500m的氣溶膠數(shù)濃度隨高度迅速減少,1500m以上隨高度變化趨勢(shì)減緩.穩(wěn)定的大氣層結(jié)(大氣穩(wěn)定度為 F)阻止氣溶膠向自由大氣垂直輸送,使得氣溶膠主要集中在1000 m以下.受1400、2650m附近逆溫層和相對(duì)濕度峰值的共同影響,氣溶膠在1249、2480m附近累積增加,數(shù)濃度出現(xiàn)極值2000～ 2500m范圍的氣溶膠數(shù)濃度與相對(duì)濕度呈正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)高達(dá) 0.71.這與張仁健等[11]對(duì)北京地區(qū)氣溶膠粒子分布特征的研究結(jié)論在相對(duì)濕度低于 75%時(shí),氣溶膠粒子數(shù)濃度隨相對(duì)濕度增加而減少;相對(duì)濕度為 39%的低濕條件下,數(shù)濃度與相對(duì)濕度呈正相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.65基本一致.

圖2 隆堯和保定上空大氣微物理量的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution of atmospheric micro-physics characteristic over Longyao and Baoding

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,河北中南部地區(qū)近地面氣溶膠數(shù)濃度變化范圍為 904.4～3005.0個(gè)/cm3.這與其他研究[25-29]的觀測(cè)結(jié)果相比明顯偏小.這與奧運(yùn)期間北京及周邊六省市采取了大規(guī)模區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控措施有關(guān).地面人為排放源近似的前提下,近地面氣溶膠數(shù)濃度的空間分布特征與混合層高度、逆溫層、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速及云區(qū)分布等氣象條件密切相關(guān).由于地處污染嚴(yán)重的工業(yè)區(qū),隆堯近地面氣溶膠數(shù)濃度顯著高于石家莊和保定.陰天條件下的氣溶膠粒子尺度比霾天和晴天大.相對(duì)濕度55%的條件下,愛(ài)根核模態(tài)的氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng)效應(yīng)比較明顯.

2.4 氣溶膠來(lái)源與特性分析

圖3給出了HYSPLIT后向軌跡模式計(jì)算的探測(cè)期間所觀測(cè)氣團(tuán)的 48h后向軌跡.根據(jù)氣團(tuán)移動(dòng)路徑,分析了觀測(cè)區(qū)氣溶膠的來(lái)源和特性,以及遠(yuǎn)距離傳輸對(duì)氣溶膠分布特征的影響.

從圖3a、b看出,隆堯、石家莊低層氣團(tuán)移動(dòng)速度緩慢,觀測(cè)期間氣團(tuán)主要在河北南部活動(dòng),移動(dòng)路徑上受到了地面污染源的影響.石家莊3500m以上的氣團(tuán)主要從哈薩克斯坦經(jīng)我國(guó)西北地區(qū)和蒙古國(guó)遠(yuǎn)距離輸送而來(lái).高層氣團(tuán)攜帶的沙塵粒子可能是導(dǎo)致石家莊中高空粒徑出現(xiàn)峰值的重要原因.19日保定的氣團(tuán)后向軌跡與石家莊接近.從圖3c看出,高層氣團(tuán)均從哈薩克斯坦經(jīng)蒙古國(guó)、內(nèi)蒙古地區(qū)遠(yuǎn)距離輸送而來(lái),移動(dòng)速度很快.低層氣團(tuán)從我國(guó)西北地區(qū)經(jīng)陜西、山西輸送至觀測(cè)區(qū)域,氣團(tuán)移速較慢.氣團(tuán)整體比較穩(wěn)定,對(duì)流輸送作用較弱,低層高濃度污染氣溶膠很難到達(dá)高層.3000m以下氣溶膠主要源自當(dāng)?shù)亟孛嫖廴驹吹呐欧?從圖3d看出,20日5000m高層氣團(tuán)主要來(lái)源于青藏高原, 3500m氣團(tuán)主要來(lái)源于我國(guó)西南地區(qū),含有豐富的水汽.觀測(cè)期間1500、500m氣團(tuán)活動(dòng)范圍主要集中在河北東南部地區(qū),由低層氣團(tuán)抬升形成.

圖3 2008年10月18～20日48h后向軌跡Fig.3 The 48h back trajectories of air masses on Oct 18～20, 2008

3 氣溶膠粒子譜分布特征

3.1 不同高度層的粒子譜

圖4給出了600,1200,3900m的氣溶膠粒子譜分布.從圖4a看出,600m的氣溶膠粒子譜離散度較小.18日隆堯與石家莊的粒子譜型基本一致,但粒子譜峰值隆堯比石家莊市高 1個(gè)量級(jí).18日隆堯地面觀測(cè)有霾.這可能是導(dǎo)致隆堯粒子譜峰值量級(jí)高達(dá)104的重要因素.19日晴空條件下保定600m粒子譜呈單峰分布,石家莊呈雙峰分布.探測(cè)期間正值保定市交通晚高峰,受局地污染排放及城市功能區(qū)布局等影響,保定粒子譜峰值明顯高于石家莊.20日石家莊600m相對(duì)濕度接近 55%.探測(cè)階段正值交通晚高峰,機(jī)動(dòng)車(chē)產(chǎn)生大量的愛(ài)根核模態(tài)氣溶膠粒子,在高濕條件下向積聚模態(tài)轉(zhuǎn)換.這可能都是導(dǎo)致600m 粒子譜峰值量級(jí)高達(dá) 104的重要原因.從圖4b看出,18日隆堯1200m粒子譜呈雙峰分布,譜峰值比石家莊高1個(gè)量級(jí).這可能是由于隆堯上空大氣層結(jié)不穩(wěn)定,近地面氣溶膠向上垂直輸送,使得1200m的粒子譜峰值量級(jí)達(dá)到104.19日保定、石家莊1200m粒子譜分別呈單峰、雙峰分布.受 1200m 逆溫層的影響,石家莊粒子譜在0.11、0.185μm處出現(xiàn)峰值,粒子譜峰值明顯高于保定.20日石家莊 1200m氣溶膠粒子譜呈多峰分布,譜峰值向大粒子端偏移.從圖4c看出,18、19日石家莊和保定的粒子譜均呈單峰分布,20日呈多峰分布.結(jié)合20日氣團(tuán)后向軌跡可知,3900m氣團(tuán)主要由我國(guó)西南暖濕氣團(tuán)抬升而來(lái).氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng)使得粒子譜向大尺度方向偏移.霾天和晴天條件下,隨著高度增加,氣溶膠粒子譜分布中積聚模態(tài)峰值向小尺度方向偏移. 相對(duì)濕度、逆溫層及氣溶膠來(lái)源特性是影響氣溶膠粒子譜分布狀態(tài)的重要因素.

圖4 不同高度層的氣溶膠粒子譜分布Fig.4 The aerosol particle size distribution at different height levels

3.2 云不同部位的氣溶膠粒子譜分布

根據(jù)Hobbs等[30]和Zhang等[31]對(duì)云內(nèi)與云外的判別標(biāo)準(zhǔn)“FSSP測(cè)量的云粒子(3～50μm)總濃度≥10個(gè)/cm3,或OAP-2D測(cè)量的直徑＞100μm的粒子總濃度≥0.1個(gè)/cm3”,結(jié)合云滴數(shù)濃度垂直分布廓線(圖1e)和飛行宏觀記錄,可知石家莊上空以中低云為主.地面觀測(cè)記錄為蔽光高層云As.低云云底和云頂高度分別約 1100, 1580m.中云云底高度約 2150m,4000～4900m 存在夾層,5000～5400m 入云.5400m 機(jī)身結(jié)冰嚴(yán)重,飛機(jī)不能繼續(xù)上升,因此中云云頂位置不能確定.

圖5 云內(nèi)不同部位的氣溶膠粒子譜Fig.5 The aerosol particle size distribution at different part within clouds

從圖5a看出,云內(nèi)與云外的氣溶膠粒子譜在小粒子端(0.11～0.28μm)均呈雙峰分布,且譜型基本一致.這可能是由于 20日大氣層結(jié)不穩(wěn)定,湍流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng),1600m以下的氣溶膠混合較為均勻,使得氣溶膠粒子譜型比較接近.粒子譜峰值量級(jí)達(dá) 103,氣溶膠主要集中在小粒子端.1.35～2.75μm 的氣溶膠粒子譜型差異比較明顯.從圖5b看出,2100～2900,3080～3340m 的粒子譜分別呈3峰、多峰分布.5100～5369m的粒子譜在0.11～1.05μm 之間呈單峰分布,在 1.05～2.25μm 之間數(shù)密度小于 0.1個(gè)/cm3.中、低云粒子譜寬相同.粒子譜在4100～4400,4600～4900m之間均呈雙峰分布,譜寬顯著變窄.粒子譜寬云外比云內(nèi)窄. 760～3340m的粒子譜峰值比4000m以上高出1個(gè)量級(jí).云內(nèi)氣溶膠粒子譜峰值隨高度迅速降低.

4 結(jié)論

4.1 大氣層結(jié)穩(wěn)定度、混合層高度、逆溫層、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、下墊面及氣溶膠來(lái)源特性等因素共同影響著河北中南部地區(qū)大氣氣溶膠的空間分布特征.

4.2 河北中南部不同天氣條件下的氣溶膠粒子譜型主要呈雙峰或多峰分布.冷鋒,弱氣壓場(chǎng),倒槽控制的地面形勢(shì)下,邊界層內(nèi)的氣溶膠粒子譜分布呈現(xiàn)不同的特征.云內(nèi)氣溶膠粒子吸濕增長(zhǎng),粒子譜云內(nèi)比云外寬.

4.3 邊界層內(nèi)的氣溶膠粒子譜分布狀態(tài)與逆溫層、相對(duì)濕度、下墊面及粒子來(lái)源特性等密切相關(guān).霾天和晴空條件下,隨著高度增加粒子譜峰值直徑向小尺度方向偏移.霾天和晴空條件下的粒子譜在小粒子端處的離散度比陰天小.

[1] 吳 兌,廖國(guó)蓮,鄧雪嬌,等.珠江三角洲霾天氣的近地層輸送條件研究 [J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2008,19(1)：1-9.

[2] IPCC. Climate Change 2007： The Physical Science Basis [M].Cambridge： Cambridge University Press, 2007.

[3] Snider J R, Guibert S, Brenguier J L. Lack of closure between dry and wet aerosol measurements： Results from ACE-2 [J]. AIP Conference Proceedings, 2000,534(1)：627-631.

[4] Liu P, Zhao C, Zhang Q, et al. Aircraft study of aerosol vertical distributions over Beijing and their optical properties [J]. Tellus B,2009,61(5)：756-767.

[5] 孫玉穩(wěn),孫 霞,銀 燕,等.華北地區(qū)氣溶膠數(shù)濃度和尺度分布的航測(cè)研究-以石家莊為例 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2012,32(10)：1737-1743.

[6] 張佃國(guó),王 俊,李曉印,等.濟(jì)南及周邊地區(qū)大氣氣溶膠空間分布特征 [J]. 高原氣象, 2011,30(5)：1346-1354.

[7] 黃海燕,房 文,鄭國(guó)光.北京市區(qū)秋季邊界層氣溶膠水平分布特征的飛機(jī)航測(cè)研究 [J]. 北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2009,45(2)：273-278.

[8] 馬新成,田偉紅,張 磊,等.2004年北京地區(qū)秋季大氣氣溶膠粒子分布特征 [J]. 氣象科技, 2011,39(6)：685-691.

[9] 楊 軍,周德平,宮福久,等.遼寧地區(qū)大氣氣溶膠粒子的垂直分布特征 [J]. 南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào), 2000,23(2)：196-202.

[10] 劉 婷,黃興友,高慶先,等.不同氣象條件下的氣溶膠時(shí)空分布特征 [J]. 環(huán)境科學(xué)研究, 2013,26(2)：122-127.

[11] 張仁健,王明星.北京地區(qū)氣溶膠粒度譜分布初步研究 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2000,5(1)：83-88.

[12] 張 瑜,銀 燕,石立新,等.河北地區(qū)秋季氣溶膠飛機(jī)探測(cè)資料分析 [J]. 氣象科學(xué), 2011,31(6)：755-762.

[13] 林 俊,劉 衛(wèi),李 燕,等.大氣氣溶膠粒徑分布特征與氣象條件的相關(guān)性分析 [J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào), 2009,25(1)：1-5.

[14] 邱玉珺,牛生杰,岳 平,等.半干旱區(qū)春季沙塵氣溶膠譜分布的觀測(cè)研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2009,29(10)：1021-1028.

[15] 蘇 捷,趙普生,陳一娜.北京地區(qū)不同天氣條件下氣溶膠數(shù)濃度粒徑分布特征研究 [J]. 環(huán)境科學(xué), 2016,37(4)：1208-1218.

[16] 周黎明,陳 躍,牛生杰,等.祁連山北坡夏季晴天氣溶膠粒子變化特征 [J]. 干旱氣象, 2014,32(2)：234-237.

[17] 范 燁,郭學(xué)良,付丹紅,等.北京及周邊地區(qū)2004年8、9月間大氣氣溶膠分布特征觀測(cè)分析 [J]. 氣候與環(huán)境研究, 2007,12(1)：49-62.

[18] 馬梁臣,銀 燕.2009年石家莊地區(qū)不同天氣條件下大氣氣溶膠分布特征 [J]. 氣象與環(huán)境學(xué)報(bào), 2013,29(3)：21-28.

[19] 馬新成,吳宏議,稽 磊,等.北京春季不同天氣條件下氣溶膠垂直分布特征 [J]. 氣象, 2011,37(9)：1127-1133.

[20] Holzworth G. Estimates of mean maximum mixing depths in the contiguous united states [J]. Monthly Weather Review, 1964,92(5)：235-242.

[21] 李二杰,劉曉慧,李 洋,等.一次重污染過(guò)程及其邊界層氣象特征量分析 [J]. 干旱氣象, 2013,33(5)：856-873.

[22] 劉衛(wèi)國(guó),蘇正軍,王廣河,等.新一代機(jī)載PMS粒子測(cè)量系統(tǒng)及應(yīng)用 [J]. 應(yīng)用氣象學(xué)報(bào), 2003,14(增刊)：11-18.

[23] 孫 霞.華北平原氣溶膠時(shí)空分布特征和云微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)分析[D]. 南京：南京信息工程大學(xué), 2013.

[24] Sun Xia, Yin Yan, Sun Yuwen, et al. Seasonal and vertical variations in aerosol distribution over Shijiazhuang [J].Atmospheric Environment, 2013,81：245-252.

[25] 張 瑜,銀 燕,石立新,等.華北地區(qū)典型污染天大氣氣溶膠飛機(jī)探測(cè)個(gè)例分析 [J]. 高原氣象, 2012,31(5)：1432-1438.

[26] 孫 霞,銀 燕,孫玉穩(wěn),等.石家莊地區(qū)春季晴、霾天氣溶膠觀測(cè)研究 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2011,35(5)：750-713.

[27] 郭金平,段 英,游積平,等.河北地區(qū)秋季大氣氣溶膠物理特征分析 [J]. 中國(guó)粉體技術(shù), 2010,16(1)：5-8.

[28] 孫玉穩(wěn),孫 霞,銀 燕,等.華北地區(qū)氣溶膠數(shù)濃度和尺度分布的航測(cè)研究-以石家莊為例 [J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué), 2012,32(10)：1736-1743.

[29] 金賽花,濮江平,張 瑜,等.一次霾天氣條件下石家莊上空大氣氣溶膠數(shù)濃度的飛行探測(cè)與特征分析 [J]. 氣象與環(huán)境科學(xué),2015,38(1)：40-45.

[30] Hobbs P V, Rangno A L. Microstructures of low and middle-level clouds over the Beaufort Sea [J]. Quart. J. Roy. Meteorol. Soc.,1998,124：2035-2071.

[31] Zhang Q, Quan J, Tie X, et al. Impact of aerosol particles on cloud formation： Aircraft measurements in China [J]. Atmos.Environ., 2011,45：665-672.

致謝：向河北省人工影響天氣辦公室外場(chǎng)登機(jī)觀測(cè)人員致謝.