黃嘉儀,趙德龍,陳寶君,蔡曉冬,丁德平,田 平,何暉,黃夢宇

基于飛機觀測的北京地區(qū)氣溶膠特征

黃嘉儀1,趙德龍2,3,4,陳寶君5*,蔡曉冬1,丁德平2,3,4,田 平2,3,4,何暉2,3,4,黃夢宇2,3,4

(1.金華市氣象局,浙江 金華 321000；2.北京人工影響天氣辦公室,北京 100089；3.云降水物理研究和云水資源開發(fā)北京市重點實驗室,北京 100089；4.中國氣象局華北云降水野外科學試驗基地,北京 101200；5.中國氣象局云霧物理環(huán)境重點開放實驗室,北京 100081)

運12飛機和空中國王飛機在2007～2018年的飛機觀測資料,分析了北京地區(qū)大氣氣溶膠近12a來的時空變化特征.結果表明,氣溶膠數(shù)濃度隨時間變化顯示負增長趨勢,而與之相反,氣溶膠有效直徑表現(xiàn)出正增長趨勢.氣溶膠垂直廓線的季節(jié)變化和氣候條件以及邊界層的季節(jié)變化緊密相關.在邊界層高度,季節(jié)性氣候變化和地面污染物排放強度的影響下,不同季節(jié)以及地面天氣形勢下的氣溶膠垂直廓線特征差異也十分明顯.氣溶膠在邊界層內(nèi)混合均勻,但由于夏季邊界層高度較冬季更高,氣溶膠能夠在更高的高度范圍內(nèi)混合均勻,從而降低了夏季近地面的氣溶膠數(shù)濃度.此外,氣溶膠在550nm的入射波長下散射系數(shù)的垂直變化與氣溶膠數(shù)濃度有較好的一致性,其高值多出現(xiàn)在冬季以及污染物濃度較高的天氣條件下.

氣溶膠；飛機觀測；北京地區(qū)

氣溶膠作為大氣重要組成部分,對大氣環(huán)境和氣候變化有著重要影響.氣溶膠不僅能通過散射和吸收直接影響全球輻射平衡,還可作為云凝結核(CCN)和冰核(IN)影響云的微物理特征及其生命周期,進而改變降雨發(fā)生的時間、地點、強度及其類型[1].氣溶膠受排放源的影響,化學組成和譜分布等方面存在巨大的時空差異.此外,二次生成過程也是影響氣溶膠理化性質的重要原因.華北平原作為我國氣溶膠污染較嚴重的區(qū)域之一,由于受到高空區(qū)域傳輸、云移除、邊界層高度變化等因素的影響,該區(qū)域內(nèi)氣溶膠垂直變化的時空分布特征仍存在很大的不確定性.因此,探究該區(qū)域氣溶膠濃度和粒徑分布的垂直分布特征有助于加深對于污染過程中氣溶膠長期演化特征的理解.

在氣溶膠的研究過程中,常用的探測手段有雷達、衛(wèi)星、地面設備和探空觀測等.各種觀測手段均有自身的優(yōu)缺點.比如地球同步軌道衛(wèi)星MODIS無法獲取氣溶膠的垂直變化特征;而極軌衛(wèi)星CALIPSO雖能探測氣溶膠的垂直分布,但無法對某地區(qū)進行氣溶膠的連續(xù)觀測.地面的觀測設備大多無法獲取垂直探空的數(shù)據(jù).因而很多科學研究為獲取大氣垂直分布特征,多使用系留汽艇或無人機等進行觀測.此類觀測方法的缺陷在于探空氣球和無人機的探空高度以及其搭載儀器的能力有限.飛機觀測作為一種最直接的觀測手段,在探究氣溶膠垂直分布特征中有著無可取代的作用.

前人已在氣溶膠的觀測研究方面做了大量的工作.段婧等[2]利用長期的地面降水和能見度資料,分析了華北地區(qū)人為氣溶膠對區(qū)域降水的可能影響,認為人為氣溶膠污染能使局地降水量減少.戴進等[3]利用氣溶膠入云較多的華山站以及氣溶膠入云較少的對比站觀測的降水資料之比變化趨勢與能見度的關系,定量研究了氣溶膠對地形云降水的抑制作用.

自機載粒子測量系統(tǒng)(PMS)在20世紀80年代引進后,針對氣溶膠基本特征的飛機觀測試驗在我國更加系統(tǒng)化地展開[4].已有學者開展了多地氣溶膠的飛機綜合觀測分析,包括氣溶膠的空間分布特征[5-6,9-10]、垂直分布特征[7-8]、氣溶膠與大氣條件(如逆溫層、大氣溫度濕度、云區(qū)分布等)的關系[11-12],以及氣溶膠的來源等方面的研究.其中Zhang等[13-15]通過飛機觀測, 探究了北京地區(qū)氣溶膠分布特征、影響因子,以及氣溶膠對云形成的影響,并結合天氣形勢,分析氣溶膠在不同氣象條件下的垂直分布特征,并探討了邊界層混合、傳輸作用對它的影響.Liu等[16]通過百余次飛行所得的垂直廓線,研究了北京氣溶膠的垂直分布和光學特性,并由此將垂直廓線分為A、B兩類,分別指出這兩類垂直廓線對應的邊界層氣溶膠數(shù)濃度和溫度的變化特征,同時分析了不同垂直廓線對應的云量、云類特征.

因此,利用多年的飛機綜合觀測資料揭示華北區(qū)域氣溶膠特征,對于研究華北區(qū)域污染天氣演化、云和降水形成發(fā)展的特征、機理,以及氣候變化均有重要的意義,也能為人工影響天氣理論和技術研究提供必要的基礎性工作.本文利用北京人工影響辦公室運12型號B3830編號飛機(2007～2017年)以及空中國王型號B3587編號飛機(2014～2018年)共計12a的氣溶膠觀測資料,對北京地區(qū)的氣溶膠特征進行分析,分析了近十來年北京氣溶膠數(shù)濃度和有效直徑的變化,并從統(tǒng)計角度給出氣溶膠的垂直分布特征,以及季節(jié)、天氣形勢等要素對它的影響.

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 飛機及機載儀器介紹

本研究使用的觀測數(shù)據(jù)由北京市人工影響天氣辦公室提供,為B3820運12(Y12)飛機和B3587空中國王350(KA)飛機探測所得.

Y12和KA上都裝有DMT公司的PCASP和Aventech公司的AIMMS-20探頭. PCASP是測量直徑0.1～3.0μm的機載氣溶膠光譜儀,分30個粒徑檔進行探測.AIMMS-20是一個獨立的、功能完整的、提供高精度測量結果的機載氣象探測系統(tǒng).它能精確探測溫度、相對濕度、三維風和湍流,其內(nèi)嵌的GPS慣性子系統(tǒng)能提供慣性加速度、慣性角速率、GPS的時間、位置、速度,以及飛機姿態(tài).

1.2 數(shù)據(jù)處理方法

本文采用Python3.7和Igor6.37對氣溶膠數(shù)據(jù)進行處理.PCASP和AIMMS探頭采樣頻率均為1Hz.首先,刪除了飛機觀測中儀器測量誤差、飛行狀態(tài)、環(huán)境因素等引起的觀測數(shù)據(jù)異常值[17].為了排除云和高濕度環(huán)境對氣溶膠探頭的干擾,本文首先參考了Gultepe等[18]和Zhang等[15]的入云判據(jù),將云內(nèi)數(shù)據(jù)剔除,即僅保留同時滿足以下條件的數(shù)據(jù):1、機載云粒子探頭測得的粒徑范圍在2～50μm,云滴數(shù)濃度小于5cm-3且積分得到的液態(tài)水含量小于5′10-4g/m3;2、AIMMS-20探頭測得的相對濕度(RH)小于80%,作為云外數(shù)據(jù).同時,根據(jù)云粒子相態(tài)識別技術,額外地將Y12數(shù)據(jù)中不規(guī)則狀粒子濃度大于0,即存在不規(guī)則冰相粒子的冰云數(shù)據(jù)做進一步剔除,從而得到氣溶膠樣本.

由于PCASP得到的小粒子誤差大,在后續(xù)研究中僅采用0.12～3.00μm粒徑范圍的粒子進行分析.本文主要研究北京區(qū)域的氣溶膠特征,通過射線法從所有樣本中篩選出北京地區(qū)的數(shù)據(jù).為了避免平飛階段的數(shù)據(jù)量過大而引起數(shù)據(jù)失真,對各個架次的氣溶膠相關物理量每隔50m高度取平均值,作為各架次的基本數(shù)據(jù).

2 結果與討論

本文共統(tǒng)計了505個架次的飛行數(shù)據(jù),其中運12有372個,空中國王有133個.各年的飛行架次數(shù)分布如表1所示.

表1 2007～2018年北京地區(qū)飛行有效架次統(tǒng)計

2.1 北京氣溶膠的垂直分布特征

篩選出垂直跨度大于3000m的架次中的數(shù)據(jù),并過濾樣本數(shù)不充足的高度層后,對氣溶膠垂直分布特征進行分析.

2.1.1 氣溶膠年平均垂直分布特征 對比2007～2018年各年平均氣溶膠數(shù)濃度垂直分布(圖1a),可見隨著年份的增長,飛機觀測期間內(nèi)氣溶膠數(shù)濃度有減少的趨勢.2007年近地面氣溶膠數(shù)濃度平均達到6000cm-3;2017和2018年平均值多在2000cm-3附近.在邊界層的作用下,氣溶膠數(shù)濃度在垂直分布上的特征表現(xiàn)為其隨高度增加而減少,最大值出現(xiàn)在近地面,且氣溶膠數(shù)濃度垂直變化梯度隨高度增加而減小,與前人的研究結果一致[8].這主要與近地面的高濃度污染物排放源有關,隨著高度的升高,污染物的濃度逐漸被稀釋,并且在3500m左右的高度達到背景值濃度范圍.

對比氣溶膠平均有效直徑的垂直分布(圖1b)可見,各年氣溶膠有效直徑平均值基本穩(wěn)定在0.3～ 0.7μm之間.在有限的探測高度范圍內(nèi),隨著高度的升高,氣溶膠有效直徑整體變化不大.各年份之間的有效直徑也有差別,隨著年份的增長,邊界層內(nèi)的氣溶膠有效直徑整體有增大的趨勢.

2.1.2 氣溶膠各季節(jié)垂直分布特征 不同季節(jié)的氣溶膠分布特征也有明顯的區(qū)別.將樣本根據(jù)季節(jié)進行分類,可得春季有70個架次,夏季有122個架次,秋季有113個架次,冬季由于飛機調機保養(yǎng),飛行較少,僅15個有效架次.

圖1 2007～2018年各年氣溶膠平均(a)數(shù)濃度和(b)有效直徑垂直廓線圖

對比各個季節(jié)氣溶膠數(shù)濃度的垂直廓線(圖2),就近地面氣溶膠數(shù)濃度而言,近地面的氣溶膠排放量在秋、冬季較大,春、夏季較少.由于各個季節(jié)的邊界層高度不同,氣溶膠在大氣中的垂直分布也有所不同,冬季由于受高壓靜穩(wěn)天氣控制,近地面大氣擾動較弱,層結較為穩(wěn)定,邊界層高度低,在大約500m以下,冬季高濃度的氣溶膠在邊界層內(nèi)混合均勻,出現(xiàn)較為穩(wěn)定的數(shù)濃度隨高度變化趨勢.并且由于冬季北方供暖,污染物排放增加,與較低的邊界層形成正反饋,有利于污染物的積聚,冬季邊界層內(nèi)的氣溶膠數(shù)濃度要明顯高于夏季.對比之下,夏季的平均邊界層高度較冬季的邊界層會更高,因而污染物能夠擴散到更高的高度. 在各個季節(jié)內(nèi)1500m以上的高空,受大氣傳輸、清除等機制的影響,隨著高度的升高,氣溶膠數(shù)濃度均穩(wěn)定減少.

對比各季節(jié)下氣溶膠有效直徑的垂直分布(圖3),可見近地面的氣溶膠有效直徑一般在0.4μm附近,隨高度的上升,各個季節(jié)的有效直徑呈現(xiàn)不同的變化趨勢,夏、秋兩季氣溶膠有效直徑的變化范圍隨高度逐漸增大,平均值隨高度基本不變,春季氣溶膠有效直徑平均值隨高度升高而增加的特征較明顯,3000m以上的氣溶膠有效直徑明顯大于夏、秋、冬3個季節(jié).這可能與華北地區(qū)春季受來自新疆塔克拉瑪干沙漠以及蒙古方向所攜帶大量沙塵等大顆粒氣溶膠空氣團的遠距離傳輸影響有關,使得華北地區(qū)上空氣溶膠有效粒徑明顯大于近地面的數(shù)值,并且體現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異.

圖2 2007～2018年不同季節(jié)氣溶膠數(shù)濃度垂直廓線圖

圖3 2007～2018年不同季節(jié)氣溶膠有效直徑垂直廓線圖

2.1.3 不同污染條件下的氣溶膠垂直廓線 為了對比不同污染條件下的氣溶膠垂直分布特征,根據(jù)北京市生態(tài)環(huán)境監(jiān)測中心發(fā)布的空氣日報,當日各城市環(huán)境評價點的空氣質量指數(shù)(AQI)平均值,對數(shù)據(jù)進行分類.所有飛行日中有AQI數(shù)據(jù)的日數(shù)共計138d,均為2013年及以后的數(shù)據(jù).本文將AQI￡100,即空氣質量級別為優(yōu)(10d)或良(41d)的數(shù)據(jù)記為清潔類,共有51d;AQI>100,即空氣質量級別為輕度污染(33d)、中度污染(26d)、重度污染(19d)或嚴重污染(9d)的數(shù)據(jù)記為污染類,共有87d.

由圖4可見,污染情況下的氣溶膠數(shù)濃度明顯高于清潔情況下,污染情況下的近地面氣溶膠數(shù)濃度的平均值和中位數(shù)均在4000cm-3以上,而清潔情況下平均值約為2000cm-3,中位數(shù)約為1600cm-3.同時,污染情況下的氣溶膠數(shù)濃度在近地層約500m以內(nèi)分布較均勻,隨高度沒有明顯的變化,500m以上隨高度減少明顯.而清潔情況下氣溶膠數(shù)濃度隨高度的遞減在近地面就比較明顯.兩者的共同之處為500m以上,氣溶膠數(shù)濃度的垂直遞減率隨高度增加而減少,氣溶膠數(shù)濃度趨于穩(wěn)定.

圖4 2013～2018年(a)清潔,(b)污染情況下氣溶膠數(shù)濃度垂直廓線圖

對比圖5可見,污染情況下近地面的氣溶膠有效直徑略大于清潔情況.雖然兩種天氣條件下,氣溶膠的有效粒徑均值隨高度沒有明顯的變化特征,但從圖中仍可以發(fā)現(xiàn),特別是在清潔天氣條件下,隨著高度的增加,大氣氣溶膠有效粒徑的中位值數(shù)值越小,這體現(xiàn)了高空氣溶膠以小顆粒氣溶膠為主,這也與大粒徑顆粒物更容易被云移除有關.而污染條件下可能在高空存在區(qū)域傳輸帶來的老化空氣團,從而增加了高空氣溶膠的有效直徑數(shù)值.

2.1.4 不同天氣形勢下的氣溶膠垂直廓線 為了探討氣溶膠垂直廓線的變化與天氣形勢的關系,收集了2014～2017年40個飛行日的天氣形勢.由于樣本數(shù)據(jù)有限,將天氣形勢分為高空形勢和地面形勢,分別探討不同形勢對氣溶膠垂直廓線的影響,并篩選出飛行日數(shù)3d以上的形勢進行分析,其中高空天氣形勢有高空槽、短波槽、高空冷渦、平直西風氣流4種,地面天氣形勢有地面倒槽、地面冷鋒、地面高壓底部、地面低壓4種.

對比不同高空形勢下的氣溶膠垂直廓線(圖6a)可見,高空形勢中平直西風氣流對應的氣溶膠平均數(shù)濃度較其他高空形勢略大,因為相較于其他形勢,平直西風氣流下,高空氣流比較平穩(wěn),不利于成云致雨,對氣溶膠的沉降效果較弱.而對比不同地面形勢下的垂直廓線(圖6b),地面低壓和地面倒槽對應的近地面氣溶膠平均數(shù)濃度明顯偏高,這與這兩種形勢下近地層氣流輻合有利于污染物向本地積聚有關;地面高壓底部對應的數(shù)濃度較小,可能是由于高壓底部偏東風帶來渤海灣清潔空氣,降低了本地的污染物濃度.在Zhang等[14]的研究中地面高壓控制下的氣溶膠廓線,與本研究中高壓底部天氣形勢的特征較為一致,但其采用的數(shù)據(jù)是晴空且風速較大時獲得,因此對應的近地面氣溶膠數(shù)濃度也更低.

圖5 2013～2018年(a)清潔,(b)污染情況下氣溶膠有效直徑垂直廓線圖

圖例中的數(shù)字代表該天氣形勢出現(xiàn)的次數(shù)

對比不同高空形勢下的氣溶膠平均有效直徑(圖7)可見,高空氣溶膠平均有效直徑在高空冷渦形勢下最小,次小的是高空槽,而在短波槽和平直西風氣流形勢下較大,這與高空冷渦和高空槽形勢下,有利于云系形成甚至產(chǎn)生降水,從而清除了大量粒徑較大的氣溶膠有關.對地面形勢而言,各個形勢下近地面的氣溶膠有效濃度差異不明顯.

圖7 2014～2017年不同(a)高空形勢,(b)地面形勢下的氣溶膠平均有效直徑垂直廓線圖

2.2 氣溶膠散射系數(shù)

氣溶膠通過吸收和散射作用參與地球輻射平衡.氣溶膠的散射特性作為氣溶膠光學特性的重要組成部分,其變化對大氣溫度的變化和全球氣候調節(jié)均有重要的影響.本節(jié)通過Mie理論計算入射波長為550nm時的氣溶膠散射截面sca()[19],后續(xù)積分以進一步得氣溶膠散射系數(shù)sca,如式(1)所示,并探討氣溶膠散射系數(shù)在不同污染情況、不同季節(jié)以及不同天氣形勢下的變化特征.

式中:sca(單位Mm-1)為氣溶膠散射系數(shù),sca()(單位m2)為粒徑為的氣溶膠粒子散射截面,()(單位cm-3)為粒徑為的氣溶膠粒子數(shù)濃度.

2.2.1 不同季節(jié)下的氣溶膠散射系數(shù) 通過對比不同季節(jié)下的氣溶膠散射系數(shù)(圖8)可見各季節(jié)的散射系數(shù)有明顯的差異,其中冬季最大,近地面的平均值可達720Mm-1,春、秋季則分別在290, 370Mm-1上下,夏季約為210Mm-1.Gong等[20]對比了武漢地區(qū)從2009年12月到2014年3月期間各個月份的近地面平均氣溶膠散射系數(shù),其結果也表明了冬季的散射系數(shù)大于夏季,1月的散射系數(shù)平均值最大,為678Mm-1,7月的平均值最小,為186Mm-1,分別與本文冬、夏兩季的散射系數(shù)相符合.氣溶膠散射系數(shù)隨高度變化趨勢與氣溶膠平均數(shù)濃度變化趨勢基本一致,低層穩(wěn)定少變,后隨高度增加而減少,其中冬季特征最明顯.氣溶膠散射系數(shù)的特征與邊界層和污染物排放的季節(jié)性變化密切相關.

圖8 2007～2018年不同季節(jié)的氣溶膠散射系數(shù)垂直廓線圖

2.2.2 不同污染條件下的氣溶膠散射系數(shù) 參照2.1.3將2013年及以后的數(shù)據(jù)劃分為清潔情況和污染情況,計算不同情況下的氣溶膠散射系數(shù)并作垂直分布(圖9),可見在北京地區(qū),污染情況下的氣溶膠散射系數(shù)明顯高于清潔情況下.在污染情況下,北京地區(qū)近地面氣溶膠散射系數(shù)的平均值在480Mm-1上下浮動,500m以上隨高度增加而減少,其90%分位數(shù)與10%分位數(shù)的差值隨高度增加呈現(xiàn)出減少的趨勢,說明隨著高度增加,氣溶膠散射系數(shù)的變化范圍趨于減小,其散射特征趨于穩(wěn)定.在清潔情況下,近地面的氣溶膠散射系數(shù)平均值約為150Mm-1,且隨高度增加而穩(wěn)定減少.

圖9 2013～2018年(a)污染,(b)清潔情況下的氣溶膠散射系數(shù)垂直廓線圖

Fig.9 Vertical profile of aerosol scattering coefficient in (a) clear, (b) polluted situation from 2013 to 2018

結合污染和清潔兩種情況下的垂直廓線,可見北京地區(qū)高空的氣溶膠散射系數(shù)基本穩(wěn)定在100Mm-1以內(nèi).污染情況下近地面的氣溶膠散射系數(shù)平均值約為清潔情況下的3倍,該結果與Liu等[21]利用積分濁度儀得到的關于武漢地區(qū)的523nm下,選用PM2.5質量濃度對污染和清潔階段進行區(qū)分得到污染階段氣溶膠散射系數(shù)為(624±288)Mm-1,而清潔階段為(214±177)Mm-1的結果較一致.

2.2.3 不同天氣形勢下的氣溶膠散射系數(shù) 不同天氣形勢下的氣溶膠散射系數(shù)垂直廓線(圖10)也有區(qū)別.不同形勢下的散射系數(shù)均與對應形勢下氣溶膠數(shù)濃度的分布較為相似,對應氣溶膠數(shù)濃度高時散射系數(shù)也較大.

3 結論

3.1 2007～2018年間北京地區(qū)地面和高空的氣溶膠數(shù)濃度均有明顯減小.氣溶膠垂直廓線的季節(jié)變化和氣候條件以及邊界層的季節(jié)變化緊密相關.秋冬季節(jié)的近地面氣溶膠數(shù)濃度高于春夏兩季.

3.2 平直西風氣流不利于高空污染物的清除,高空槽和高空冷渦有利于清除大粒徑的氣溶膠;地面高壓底部對應的近地面氣溶膠數(shù)濃度較小,地面低壓和地面倒槽對應的氣溶膠數(shù)濃度較高.

3.3 北京地區(qū)的氣溶膠散射系數(shù)在污染和清潔情況下有明顯的差異,污染情況下明顯高于清潔情況下.冬季的氣溶膠散射系數(shù)明顯高于其他3個季節(jié).不同天氣形勢下的氣溶膠散射系數(shù)的垂直分布特征與氣溶膠數(shù)濃度有較好的一致性.

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Aircraft observations of aerosol properties in Beijing.

HUANG Jia-yi1, ZHAO De-long2,3,4, CHEN Bao-jun5*, CAI Xiao-dong1, DING De-ping2,3,4, TIAN Ping2,3,4, HE Hui2,3,4, HUANG Meng-yu2,3,4

(1.Jinhua Meteorology Bureau, Jinhua 321000, China；2.Beijing Weather Modification Office, Beijing 100089, China；3.Beijing Key Laboratory of Cloud, Precipitation and Atmospheric Water Resources, Beijing 100089, China；4.Field Experiment Base of Cloud and Precipitation Research in North China, China Meteorological Administration, Beijing 101200, China；5.Key Laboratory for Cloud Physics of China Meteorological Administration, Beijing 100081, China)., 2021,41(5)：2073～2080

Spatial and temporal characteristic of aerosol in Beijing were analyzed based on 12-year (2007 to 2018) aerosol observation data through aircraft Yun-12 and King Air. It denoted that the aerosol number concentration in early years has a significant negative growth trend, while the effective diameter has a positive trend. The seasonal variation of aerosol vertical profile was closely related to the seasonal meteorology variation and seasonal PBL variation. The vertical profiles of aerosols in each season or under different weather system were affected by PBL height. The aerosols mixed adequately under PBL height. However, the number concentration near ground in summer is lower than that in winter. It was because higher PBL height in summer allows pollutant mixed evenly in a large vertical extent. The vertical variation of scattering coefficients on 550nm was in good agreement with the aerosol number concentration. High values were usually found in polluted days and winter.

aerosol；aircraft observation；Beijing region

X513

A

1000-6923(2021)05-2073-08

黃嘉儀(1994-),女,浙江龍游人,助理工程師,碩士,主要從事人工影響天氣和云微物理研究.

2020-10-14

國家重點研發(fā)計劃(2016YFA0602001);國家重點研發(fā)計劃重點專項項目(2019YFC1510300)

* 責任作者, 教授, chenbj@cma.gov.cn