飞机气溶胶垂直分布及云微物理结构的研究

飞机气溶胶垂直分布及云微物理结构的研究

气溶胶是指漂浮在大气中直径为10-3101m的固体或液体颗粒。气候溶胶颗粒的自然来源主要是海洋、土壤、生物圈和火山。它是世界上最重要的云凝结核（ccn）。随着时间和空间的变化，数浓度和规模的变化对云的形成和降水起着重要作用，同时也会影响水分和气候变化。随着工业的发展,气溶胶已经成为城市大气的主要污染物,其中PM2.5(粒径小于2.5μm的粒子),由于其粒径小,可以通过呼吸进入人体下呼吸道,沉积在肺泡中,甚至可以穿过肺泡进入血液,对人体造成伤害。并且气溶胶还与其他环境问题如臭氧层的破坏、酸雨的形成、化学烟雾事件的发生密切相关。研究气溶胶及CCN之间的相互关系对进行人工影响天气,缓解农业旱情有重要意义。基于气溶胶对气候和环境的重大影响,国内外许多学者通过仪器探测、数值模拟等方法对气溶胶的物理、化学等多种特性及其与云滴之间的微物理过程展开了研究。Wang等通过对美国俄克拉荷马州南部大平原的16架次飞机探测的气溶胶资料结合一维边界层中气溶胶模式进行分析发现,在均匀混合的边界层中气溶胶总量不变的情况下,气溶胶体积浓度的垂直梯度与云中硫酸盐制造有关,云量高的情况下均匀混合的边界层中,地面气溶胶的特性不能代表高层特性。Yin等使用数值模拟方法研究云凝结核中巨核(GCCN)在对流混合状态云降水过程中的影响。结果显示,在小粒子背景浓度高时如大陆性云中,GCCN的作用强烈。由于GCCN的作用,水滴间碰并增加,促使在云体低层大滴的发展。它同样导致霰粒形成造成更强的雷达反射率。当背景气溶胶小粒子较少,海洋性云中GCCN的作用较小。降水发展主要取决于大粒子形成的云滴。石立新等使用连续气流纵向热梯度云凝结核仪对华北地区空中和地面的云凝结核进行观测研究。结果表明:CCN主要来源于地面;近地层CCN浓度较高;CCN浓度随高度增加而减少;CCN的分布与地面源密切相关。杨文霞等通过对4个飞机架次的PMS资料进行综合分析,发现河北省春季层状云降水系统存在不均匀性,表现之一为较强的降水带。华北地区是中国北方重要的经济中心,其中石家庄是中国113个重点城市中空气污染较为严重的城市之一。该研究使用石家庄市北15km处正定机场的飞机探测资料,对气溶胶、CCN和云滴的各项微物理量垂直分布及气溶胶、云滴的平均谱分布进行初步分析。1云探测设备和系统研究中探测使用的飞机是河北省人工影响天气办公室专门改装的中国民航通航四川三星公司的夏延ⅢA,机载有从美国PMI公司引进的粒子探测系统(PMS),包括气溶胶探头PCASP-100X,云滴探头FSSPER-100ER,冰、雪晶粒子探头2dgc探头和2dgp探头,各个探头测量范围如表1所示。它们可以对环境大气和云中各种粒子进行连续探测和自动记录,其空间分辨率可精确到1m。配套观测仪器和技术设备还有机载云物理设备以及机载全球定位系统GPS等专用设备,美国DMT公司生产的机载云凝结核CCN计数器。该次飞行对云滴探测使用第1档FSSPER探头。2地面形势分析该次飞行针对正定上空一次云层探测,飞行时间1h49min59s,主要对飞机爬升阶段(15:43:15～17:09:00)进行分析。图1为天气形势图。由图1可见,地面形势位于高压底部,等压线稀疏,风速较小表现为西北气流,同时考虑地形因素有利上升气流成云。高空形势为低位势中心控制,风速增大,变现为偏北气流。风向逆转,风速随高度增加有冷平流,低空气流上升,高空辐合下沉,有利于层积云形成。3边界层中的气溶胶分布特征3.1云滴数和ccn数浓度根据T-InP图得出边界层高度为1455m。由探测数据得出气溶胶、CCN和云滴数密度三者随高度的变化曲线。由图2可见,边界层是气溶胶和CCN最密集处,气溶胶粒子数浓度的数量级为102～103个/cm3,CCN数浓度的量级为100～103个/cm3,地面是两者主要的源。云滴在边界层中低于1200m含量稀少,只在576m处出现1个101个/cm3的峰值;随后在接近边界层顶时云滴数浓度激增,从1176m处开始进入云层,数浓度增加为101～102个/cm3。由图2a可知气溶胶的数浓度随着高度增加递减,从第一个云滴峰值开始气溶胶递减速度增加,在进入云层后气溶胶数浓度起伏增大,直到在1300m以上气溶胶数量才出现增加。在图2b中CCN数浓度在500m以下随着高度递减。据图2c,CCN数浓度最小值5.29个/cm3出现于494m高度,然后随着高度递增在911m处最大值为320个/cm3。该次探测时间是15:00～17:00,为午后到日落的时间,此时边界层呈不稳定混合状态,图2a中100～1180m高度之间的气溶胶平均直径范围是0.19～0.24μm,尺度变化幅度较小,即探测时间的边界层大致为均匀混合。边界层的探测中,气溶胶数浓度的最大值出现在低层的120m处,为1393.33个/cm3。随后数值随着高度递减,最小值为215.33个/cm3,减少近85%,直到1300m的高度才起伏增加。气溶胶的平均直径约为0.2μm,与典型CCN的尺度相近,探测得CCN数浓度在576m以下同气溶胶数浓度一致,随着高度递减,随后随着高度增加在911m处达到最大值,这是因为在低层时气溶胶可为CCN提供源,且低层湿度不足,气溶胶未向较大的尺度增长。3.2云滴对ccn的影响为了进一步分析气溶胶和CCN之间的关系,取15:46:02～16:24:42飞机在边界层中1101～1199m的高度处平飞所测得资料(图3)。图3反映了飞机在边界层中近似平飞阶段CCN和气溶胶数浓度、气溶胶平均直径数值随时间的变化。此探测过程中无云,可忽略云滴对CCN的消耗作用。据图3a,CCN的数浓度随时间起伏变化,数浓度量级为100～102个/cm3,图3b说明水平飞行时气溶胶的数量级始终维持在102个/cm3,且气溶胶的平均直径(图3c)大小起伏不定。在15:54:39、15:57:23、16:03:04、16:15:374个时刻分别出现0.264、0.323、0.301和0.226μm的峰值;同时气溶胶数浓度相应出现波谷,CCN数浓度出现波峰,呈一定负相关关系,自16:19:44后,气溶胶平均直径增长达0.480μm,气溶胶和CCN的数浓度负相关关系更加明显。这说明当大气中无云滴时,气溶胶由小粒子积聚为较大粒子,形成CCN。气溶胶平均直径增大,数浓度减少,CCN数浓度增加。气溶胶能否转换为CCN主要取决于自身尺度。4云滴和云滴对比该研究依据Hobbs提出的FSSPER探头观测云中大于2μm的粒子总浓度超过10个/cm3时看作云水区。图4为从云底下200m的976m至飞行最高高度2999m的穿云探测结果,由图4c可知:云底高度为1176m,云顶高度为2465m。气溶胶在云层中的数浓度相对于边界层迅速减小,数量级由103个/cm3减少为102个/cm3(图4a);边界层中气溶胶数浓度的最大值1393.33个/cm3,云水区的气溶胶最大值为626.667个/cm3,数值上锐减近122%。从976m至云层后气溶胶数浓度起伏减少,在1176～1800m的高度内气溶胶数浓度减少的幅度较小。云底处云滴蒸发释放气溶胶粒子,成为气溶胶数浓度的源;随即在1800m至2385m云滴数浓度减少,气溶胶数浓度减少的幅度增大。另由图4b可知CCN数浓度量级同气溶胶一致,为100～102个/cm3。在976～1800m的高度,气溶胶小幅度地减少时进入云层后CCN因为云滴的消耗作用,在1500m高度附近最小值为100个/cm3。结合图4c可知,云层中云滴的起伏变化明显,云区和云隙交替出现,云滴数浓度同气溶胶、CCN是一个数量级,为101～102个/cm3。此次探测的云滴数浓度较大,集中在102个/cm3量级,且几个云层的云滴数浓度和云层厚度分布较均匀,在各个云隙处CCN都出现一定的增长现象,而在云区,CCN持续递减。这说明云滴对CCN和气溶胶的作用相反。在云层和云隙间,各个物理量的数值差异见表1。气溶胶的平均直径如同边界层中的分析,从云下200m起气溶胶尺度变化不大,维持在0.21～0.23μm(图5a)。进入云层后气溶胶尺度增大,在1350m达到一个峰值(0.347μm),在云隙间气溶胶的平均尺度出现递减,进入云区后再次增加。在2300～2500m的高度内,气溶胶平均直径出现大幅增长,数值范围为0.30～0.70μm,其最大值为0.694μm,出现在2378m。随后气溶胶平均直径随着高度递减,数值上小于0.2μm。与气溶胶尺度不同,云滴平均直径(图5b)随着高度增加。该次探测的云滴尺度较大,几个云区中的云滴直径持续增加超过10μm,在最高的云层(2358～2465m)达到最大值,为15.29μm。图5c中云滴含水量(LWC)的分布与云滴数浓度大体一致,集中在云体中上部。根据云滴数浓度的数量级(100～102个/cm3)、云滴平均直径大于10μm及云滴含水量的数值(10-2～100g/m3)可知该次探测云层为浓积云,云滴数浓度大、尺度宽、含水量丰富。5颗粒谱分布特征5.1气溶胶粒径分布图6为云滴稀少的高度中气溶胶平均谱分布,在边界层内从高度108m起至976m内的范围对气溶胶谱分布每200m取一个平均做出气溶胶谱分布(图6a)。边界层中,气溶胶数密度的量级在104～102个/(cm3·μm),直径为0.11～1.05μm。4个平均谱的谱型皆为双峰型,第二个峰值出现在0.28μm。在整个谱分布中,气溶胶的数密度随着高度的增加而降低,谱宽随着高度缩小。图6b中,云下200m处的气溶胶平均谱分布与1384～1705m高度内云隙的谱分布,数量级降为103～101个/(cm3·μm),气溶胶数密度递减的速度减慢,几个高度内平均谱的数浓度差异不明显。谱型与边界层中一致为双峰型,主要粒子集中在核模态,第2峰值仍为0.28μm,谱宽变窄,直径范围变为0.11～0.80μm,较边界层缩小26%。在较高层的云隙中(1817～2355m),气溶胶数浓度持续递减,谱型仍为双峰型(图6c)。粒子分布上呈由核模态向积聚模态转移,0.28μm处的峰值增加。自2465m飞机出云后,平均谱分布呈单峰型。云顶以上的气溶胶数密度减少一个量级,为102个/(cm3·μm)。图7为云区内测得的气溶胶平均谱分布,图7a为1176～1815m高度内气溶胶的平均谱分布,图7b为1849～2465m高度内气溶胶的平均谱分布。在较低的云层中(图7a),气溶胶的平均谱分布的谱型与相应云隙间谱型一致,为双峰结构(图6b)。且云区中气溶胶数浓度量级与云隙间差别不大,维持在103～101个/(cm3·μm),谱宽同样覆盖了整个气溶胶的探测范围0.11～2.75μm。各个云区内的核膜态粒子数浓度皆高于相邻云隙的值,即在较低的云层小尺度气溶胶增加。但在较高的云层中气溶胶谱型发生明显变化,图7b中1849～2465m气溶胶的平均谱分布为三峰分布。所有气溶胶粒子集中在积聚模态,且在D≤0.28μm的范围内气溶胶粒子的数密度差异不似以上分析的高度明显,集中表现为103～102个/(cm3·μm),且气溶胶的数密度未随着高度增加严格递减。气溶胶在粗模态D>2μm处,出现小的峰值,根据探头探测所得的气溶胶数密度数值,在2358～2465m和1967～2172m的平均气溶胶数密度在2.50～3.00μm的通道内值为10.561个/(cm3·μm)和4.495个/(cm3·μm)。由图5c可知,气溶胶平均直径在进入较高的云区后突增,云区湿度丰富,促使气溶胶向大尺度积聚。5.2云滴数密度的特征图8为云区中云滴谱的平均谱分布,此次探测的云滴尺度较大,云滴数密度为10-1～101个/(cm3·μm)集中在3.5～18.5μm的范围内。在较低的云层中,云滴谱型呈单峰分布,随着尺度增大,数密度递减。云滴数密度随高度的变化不似气溶胶有递减的趋势。图8a中,1176～1382m高度的平均谱分布数密度最低,最大值为2.71个/(cm3·μm),此时刚进入云底。云滴数密度最大值出现在1650～1671m的高度,最大值为37.65个/(cm3·μm)且2个高度内最大值皆出现在6.5μm,1413～1615m和1706～1815m的最大值在3.5μm。在较高的云层中,云滴谱分布更加复杂。低于云顶高度的云滴谱分布为单峰分布,云滴数密度随着尺度增加而递减。2249～2350m的高度内云滴数密度低,谱带窄,仅在3.5～9.5μm的范围内;1849～1913m的平均谱分布递减趋势明显,数密度在3.5～15.5μm内;1967～2172m的平均谱分布在3.5～15.5μm内数密度随尺度递减缓慢,皆为101个/(cm3·μm)量级,自18.5μm起迅速递减,谱宽范围为3.5～21.5μm。最高的云区2358～2465m,云滴数密度在3.5～9.5μm的范围内为100个/(cm3·μm),自12.5μm起数密度随着尺度增宽而增加为101个/(cm3·μm)在15.5μm处到达最大值,高层环境湿度大,促使云滴向大尺度增长。且云顶处的谱型覆盖尺度最大是3.5～24.5μm。6云区气溶胶和云隙的分布特征(1)该研究探测的边界层为对流混合性高度1455m,地面是气溶胶和CCN的源。边界层是两者的最密集处,气溶胶数浓度量级为1