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大氣氣溶膠的分布特征，利用2018年4月21日唐山一次飛機增雨探測飛行過程中獲取的探測數據，對唐山市區3000m以下的氣溶膠濃度進行了檢測，并對大氣氣溶膠的垂直分布特征進行了初步分析。

關鍵詞：氣溶膠;飛機觀測;垂直分布

大氣氣溶膠是指液態或固態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程中起著至關重要的作用。

20世紀70年代后期，機載大氣氣溶膠探測設備，粒子測量系統PMS（Particle Measuring Systems）在世界各地得到推廣，歷經數十年的使用和驗證，現在已經是成熟的探測大氣氣溶膠和研究云微物理的設備。通過機載PMS系統觀測到的大氣氣溶膠數濃度、平均直徑、粒子譜分布以及云的微物理數據資料，可用來研究氣溶膠和云的微物理特征，同時地面觀測、雷達及衛星觀測提供直接觀測數據。近些年來，國內專家利用機載PMS做了大量工作，對于探索大氣氣溶膠時空分布特征有著十分重要的意義。張佃國等研究認為，大氣氣溶膠的數濃度與高度呈負相關，且在上升至逆溫層附近時累計現象明顯，由于城市下墊面的影響，同一區域內，城市正上空及其下風方的氣溶膠粒子平均濃度均大于上風方。胡向峰等研究認為，氣溶膠主要集中于2000m以下的對流層低層，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象明顯，氣溶膠粒子數濃度在云中明顯減少。

唐山地區作為大氣污染重災區，卻尚未開展針對大氣氣溶膠問題的研究。為了開此先河，唐山市氣象災害防御中心暨冀東飛機增雨基地引入河北省人工影響天氣辦公室（以下簡稱河北人影辦）的探測飛機空中國王3523來進行唐山地區大氣氣溶膠的初步探索。現選取2018年4月21日夜間一次增雨探測過程中對唐山地區氣溶膠飛機觀測個例，結合宏觀記錄，對唐山地區3000m以下降水天氣條件下的氣溶膠垂直分布特征進行了初步研究分析，為進一步研究唐山地區大氣氣溶膠特性提供參考依據。

一、觀測資料及飛行情況

探測使用空中國王飛機作為探測平臺，飛機上搭載了河北人影辦從美國引進的一套粒子測量系統（Particle Measuring System，簡稱PMS），同時裝有北斗定位系統以及溫濕度探頭等多種探測設備。整套粒子測量系統含4個主探頭，分別是被動腔氣溶膠譜探頭（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備。其中，被動腔氣溶膠譜探頭（PCASP-100X） 用于大氣氣溶膠粒子的探測，其探測原理是PCASP-100X探頭產生直徑約為600μm的激光束，根據米散射理論，光束進入探頭內的特定取樣室，激光在此室的諧振作用下形成中心直徑約150μm且強度非常穩定的光束，可以依散射光強的大小推算粒子尺寸。

2018年4月21日觀測期間，唐山地區受700、850hPa低空切變線的影響，天氣形勢有利于水汽輻合，因此產生降水。根據外場工作人員宏觀記錄，唐山三女河機場地面溫度為 12℃，地面風速為3m/s，能見度良好。此次增雨探測飛行時間段為18：33-20：22，飛行時間約109分鐘。預設航線為唐山—唐海—樂亭—唐山，飛機從唐山三女河機場起飛后，飛向唐山市區方向并緩慢爬升至4000m的高度，以4000m的航線高度延預設航線飛行，尋找合適的增雨作業地點，增雨作業結束后到達樂亭縣后下降至2000m，并再次爬升至4000m左右，期間不間斷地做進行數據探測。探測任務完成后以4000m的高度返航，航測高度隨時間變化。根據宏觀記錄，起飛后唐山及樂亭上空均有降水現象發生。

二、結果分析與討論

氣溶膠數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，為了便于研究，本文選取600～3000m上升和下降階段垂直觀測數據按300m高度間隔對唐山地區氣溶膠垂直分部特征進行分析。由于大氣氣溶膠粒子在水平方向的數濃度變化幅度與垂直方向相比可以忽略不計，本文對唐山市區以及樂亭縣兩處垂直探測的數據進行整合，可以更客觀地反映出唐山地區上空氣溶膠分布情況。唐山上空600～1200m左右氣溶膠數濃度隨高度增加而大幅度減少，1200～1800m氣溶膠數濃度開始隨高度增加明顯增大，最大值出現在1900m左右，隨后數濃度繼續下降，到海拔高度2800m左右數值逐漸穩定。根據測量結果得出，高度在600～1200m時，氣溶膠數濃度變化大致范圍為120～1500個/cm3。探測當天唐山地面風速僅為3m/s，風力輸送較低導致污染物擴散條件差，因此靠近地面的較低高度氣溶膠數濃度較高。經過分析，發現降水天氣和逆溫層對大氣氣溶膠數濃度的影響十分明顯。氣溶膠粒子數濃度高值區出現在600m左右的近地高度和2000m左右的逆溫層底部。此外，降水天氣對氣溶膠的沖刷和濕清除作用也需要考慮在內。

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范圍內出現小幅度波動。到2500m后粒徑突然增大，結合宏觀記錄分析，可能是由于飛機進入云層后，氣溶膠粒子在云內吸濕增長導致粒徑增大。高度繼續增加時氣溶膠粒徑呈現無規律波動，分析可能是飛機進云出云導致。總體來說，氣溶膠粒子直徑主要受天氣條件和云區分布的影響。

三、結語

通過對唐山地區氣溶膠垂直分布特征的研究，發現氣溶膠粒子主要在3000m以下大氣中聚集，總體上看氣溶膠數濃度與航測高度呈負相關，由于逆溫層的存在影響了氣溶膠粒子的垂直輸送，數濃度在逆溫層底部出現峰值。繼續上升時，氣溶膠粒子數濃度開始下降。研究表明，氣溶膠粒子數濃度與云區分布和降水天氣有很大關系，逆溫層的存在嚴重影響了氣溶膠數濃度的變化。

氣溶膠粒子直徑的垂直變化受相對濕度影響嚴重，在高度增加但尚未入云時，粒子直徑在一個穩定的范圍內波動，入云后繼續抬升，氣溶膠粒子直徑出現較大波動，分析可能與氣溶膠粒子在云中吸濕增長和探測器進云出云導致的探測環境變化有關。

參考文獻：

[1]張佃國，樊明月，肖穩安，等. 山東地區秋季飛機觀測氣溶膠特征的初步分析[J].氣象與減災研究，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特征分析[J].干旱氣象，2015，33（ 3）： 490-496.