一次降水天气条件下唐山上空气溶胶垂直分布特征分析

马冬亮 刘志磊

摘 要：为了初步研究唐山地区大气气溶胶的分布特征，利用2018年4月21日唐山一次飞机增雨探测飞行过程中获取的探测数据，对唐山市区3000m以下的气溶胶浓度进行了检测，并对大气气溶胶的垂直分布特征进行了初步分析。

关键词：气溶胶;飞机观测;垂直分布

大气气溶胶是指液态或固态微粒在空气中的悬浮体系，是大气的重要组成部分，其在云和降水形成过程中起着至关重要的作用。

20世纪70年代后期，机载大气气溶胶探测设备，粒子测量系统PMS（Particle Measuring Systems）在世界各地得到推广，历经数十年的使用和验证，现在已经是成熟的探测大气气溶胶和研究云微物理的设备。通过机载PMS系统观测到的大气气溶胶数浓度、平均直径、粒子谱分布以及云的微物理数据资料，可用来研究气溶胶和云的微物理特征，同时地面观测、雷达及卫星观测提供直接观测数据。近些年来，国内专家利用机载PMS做了大量工作，对于探索大气气溶胶时空分布特征有着十分重要的意义。张佃国等研究认为，大气气溶胶的数浓度与高度呈负相关，且在上升至逆温层附近时累计现象明显，由于城市下垫面的影响，同一区域内，城市正上空及其下风方的氣溶胶粒子平均浓度均大于上风方。胡向峰等研究认为，气溶胶主要集中于2000m以下的对流层低层，气溶胶浓度总体上随高度增加而降低，气溶胶在逆温层下累积现象明显，气溶胶粒子数浓度在云中明显减少。

唐山地区作为大气污染重灾区，却尚未开展针对大气气溶胶问题的研究。为了开此先河，唐山市气象灾害防御中心暨冀东飞机增雨基地引入河北省人工影响天气办公室（以下简称河北人影办）的探测飞机空中国王3523来进行唐山地区大气气溶胶的初步探索。现选取2018年4月21日夜间一次增雨探测过程中对唐山地区气溶胶飞机观测个例，结合宏观记录，对唐山地区3000m以下降水天气条件下的气溶胶垂直分布特征进行了初步研究分析，为进一步研究唐山地区大气气溶胶特性提供参考依据。

一、观测资料及飞行情况

探测使用空中国王飞机作为探测平台，飞机上搭载了河北人影办从美国引进的一套粒子测量系统（Particle Measuring System，简称PMS），同时装有北斗定位系统以及温湿度探头等多种探测设备。整套粒子测量系统含4个主探头，分别是被动腔气溶胶谱探头（PCASP-100X） 、前向散射滴谱探头（FSSP） 、二维灰度云粒子探头（OAP2D-GA2） 和二维灰度降水粒子探头（OAP2D-GB2），以及其他资料收集设备。其中，被动腔气溶胶谱探头（PCASP-100X） 用于大气气溶胶粒子的探测，其探测原理是PCASP-100X探头产生直径约为600μm的激光束，根据米散射理论，光束进入探头内的特定取样室，激光在此室的谐振作用下形成中心直径约150μm且强度非常稳定的光束，可以依散射光强的大小推算粒子尺寸。

2018年4月21日观测期间，唐山地区受700、850hPa低空切变线的影响，天气形势有利于水汽辐合，因此产生降水。根据外场工作人员宏观记录，唐山三女河机场地面温度为 12℃，地面风速为3m/s，能见度良好。此次增雨探测飞行时间段为18：33-20：22，飞行时间约109分钟。预设航线为唐山—唐海—乐亭—唐山，飞机从唐山三女河机场起飞后，飞向唐山市区方向并缓慢爬升至4000m的高度，以4000m的航线高度延预设航线飞行，寻找合适的增雨作业地点，增雨作业结束后到达乐亭县后下降至2000m，并再次爬升至4000m左右，期间不间断地做进行数据探测。探测任务完成后以4000m的高度返航，航测高度随时间变化。根据宏观记录，起飞后唐山及乐亭上空均有降水现象发生。

二、结果分析与讨论

气溶胶数浓度和粒子平均直径是研究气溶胶微物理特征的重要参数，为了便于研究，本文选取600～3000m上升和下降阶段垂直观测数据按300m高度间隔对唐山地区气溶胶垂直分部特征进行分析。由于大气气溶胶粒子在水平方向的数浓度变化幅度与垂直方向相比可以忽略不计，本文对唐山市区以及乐亭县两处垂直探测的数据进行整合，可以更客观地反映出唐山地区上空气溶胶分布情况。唐山上空600～1200m左右气溶胶数浓度随高度增加而大幅度减少，1200～1800m气溶胶数浓度开始随高度增加明显增大，最大值出现在1900m左右，随后数浓度继续下降，到海拔高度2800m左右数值逐渐稳定。根据测量结果得出，高度在600～1200m时，气溶胶数浓度变化大致范围为120～1500个/cm3。探测当天唐山地面风速仅为3m/s，风力输送较低导致污染物扩散条件差，因此靠近地面的较低高度气溶胶数浓度较高。经过分析，发现降水天气和逆温层对大气气溶胶数浓度的影响十分明显。气溶胶粒子数浓度高值区出现在600m左右的近地高度和2000m左右的逆温层底部。此外，降水天气对气溶胶的冲刷和湿清除作用也需要考虑在内。

从图中可以看出，在600-2400m的低空中，气溶胶粒子直径在0.12～0.14μm范围内出现小幅度波动。到2500m后粒径突然增大，结合宏观记录分析，可能是由于飞机进入云层后，气溶胶粒子在云内吸湿增长导致粒径增大。高度继续增加时气溶胶粒径呈现无规律波动，分析可能是飞机进云出云导致。总体来说，气溶胶粒子直径主要受天气条件和云区分布的影响。

三、结语

通过对唐山地区气溶胶垂直分布特征的研究，发现气溶胶粒子主要在3000m以下大气中聚集，总体上看气溶胶数浓度与航测高度呈负相关，由于逆温层的存在影响了气溶胶粒子的垂直输送，数浓度在逆温层底部出现峰值。继续上升时，气溶胶粒子数浓度开始下降。研究表明，气溶胶粒子数浓度与云区分布和降水天气有很大关系，逆温层的存在严重影响了气溶胶数浓度的变化。

气溶胶粒子直径的垂直变化受相对湿度影响严重，在高度增加但尚未入云时，粒子直径在一个稳定的范围内波动，入云后继续抬升，气溶胶粒子直径出现较大波动，分析可能与气溶胶粒子在云中吸湿增长和探测器进云出云导致的探测环境变化有关。

参考文献：

[1]张佃国，樊明月，肖稳安，等. 山东地区秋季飞机观测气溶胶特征的初步分析[J].气象与减灾研究，2009，32（4）：61-66.

[2]胡向峰，韩洋.一次阴雨条件下河北中南部气溶胶的参数特征分析[J].干旱气象，2015，33（ 3）： 490-496.