华北地区气溶胶数浓度和尺度分布的航测研究——以石家庄为例

2009年秋季利用河北省人工影响天气办公室机载气溶胶粒子探头（PCASP-100X）和前向散射滴谱探头（FSSP-100-ER）在石家庄市上空进行了多次气溶胶观测.选取2009年9~10月间的7架次雾天、1架次小雨天及1架次密卷云天观测资料,重点研究雾天气溶胶粒子数浓度和直径的垂直、水平分布特征及粒子谱分布,并与密卷云天和小雨天的探测资料进行对比分析.结果表明：石家庄地区气溶胶粒子数浓度较高,近地面最大值达11910个/cm3.气溶胶粒子数浓度主要受天气条件影响,逆温层是影响粒子垂直输送的主要因素,在逆温层下粒子累积形成粒子数浓度的高值区,逆温层以上气溶胶粒子数浓度迅速减少,雾天和密卷云天粒子数浓度随高度多呈负指数分布;雾天多伴有逆温层和较大空气湿度,有利于气溶胶粒子累积,数浓度一般可达104个/cm3以上,容易形成低能见度污染天气;气溶胶粒子数浓度在无降水日有累积效应,降雨对气溶胶粒子有明显清除作用;粒子数浓度和粒子直径在水平方向上呈不均匀分布,随着高度增加粒子数浓度和直径的水平绝对偏差减小,相对偏差往往增大;不同天气下尺度谱型类似,多呈单峰分布,在0.11μm左右处出现峰值,但在雾天、密卷云天、小雨天气下的气溶胶粒子峰值依次变小,并且随高度增加,尺度谱峰值数密度值降低,谱变窄.

APS-SMPS-WPS对南京夏季气溶胶数浓度的对比观测

为了对比3321型空气动力学粒径谱仪（APS）、3081／3085型气溶胶粒径谱仪（SMPS）和宽范围粒径谱仪（WPS）对气溶胶数浓度的观测性能，于2010年夏季在南京信息工程大学校内使用上述三台仪器进行了同步观测．将得到的数据进行对比，并结合校内自动气象站的气象资料对O．01～10μm气溶胶粒子的数浓度、日变化规律及谱分布特征进行分析．结果表明，3台仪器在总体数浓度变化趋势上表现出较好的一致性，但相同粒径段的粒子浓度NsMPs〉Nwps〉NAPS-SMPS比WPS尺度分辨率高，粒径范围在O．02-0．2μm时，SMPS与WPS相关性较好；APS测量气溶胶数浓度谱的连续性较WPS好．3种仪器在观测日变化趋势上都表现出双峰型，但SMPS的峰值浓度和出现峰值的粒径范围均高于或大于WPS．各类气象条件及降水对仪器间的测量误差影响不大．

珠三角地区利用PM_(2.5)反演气溶胶数浓度谱方法

大气气溶胶数浓度谱分布(PNSD)对于大气辐射和光学计算至关重要,利用目前普遍观测的气溶胶质量浓度(PM_(2.5))来反演计算PNSD,能有效补充PNSD观测的不足,对于需要PNSD信息的研究工作如大气能见度计算等有重要的实用价值.本文利用2014年11月～2015年1月在广州城市站进行同期连续观测的干气溶胶粒子的PM_(2.5)、PNSD数据进行客观分析,建立了一种使用PM_(2.5)反演PNSD的方法,并评估了该方法的适用性.结果表明该反演算法具有较好地适用性和稳定性,对于积聚模态的PNSD反演效果较好,但对于PM_(2.5)高浓度的反演结果差异较大.该反演方法将为珠三角地区的大气能见度计算和应用提供有利的依据和支撑.

夏收时段农村大气亚微米颗粒物数浓度分布特征

为了从源区的角度研究华北平原夏收时段大气亚微米颗粒物粒径谱分布,采用扫描电迁移率粒径谱仪,于2017年6月对华北平原典型农村点位亚微米颗粒物数浓度进行连续观测.结果表明,观测期间大气亚微米颗粒物粒径分布主要集中在小于300nm处,平均数浓度为28371cm^(-3).不同模态颗粒物数浓度分布差异明显,核模态(<20nm)呈线性分布,爱根核模态(20～100nm)呈多项分布,积聚模态(>100nm)呈对数分布.48h后向轨迹聚类结果表明,观测点位气团受其东部的江苏省、山东省和安徽省生物质燃烧传输影响时,颗粒物总数浓度增加66.7%.潜在源贡献因子法和浓度权重轨迹法,表明潜在源区为观测点位以东的区域,且以粒径小于100nm的颗粒物为主.

基于航测的珠三角气溶胶垂直分布及活化特性

2017年9月14-27日在珠江三角洲地区开展了6个架次飞机观测试验。利用飞行获取的气溶胶、云凝结核、云滴及常规气象探头观测资料,结合天气形势、气象条件及气团后向轨迹分析,研究了珠江三角洲地区深圳气溶胶数浓度及其谱的垂直分布特征,配合不同过饱和度条件下云凝结核浓度观测,分析了气溶胶活化特性。结果表明:在不同天气条件下,深圳低层气溶胶数浓度变化范围为500~9000 cm^-3;边界层内气溶胶分布相对均匀,谱型随高度变化与气象条件相关。将6个架次气溶胶观测资料根据数浓度及谱型分为3种类型:类型Ⅰ为海洋型气溶胶,数浓度小,粒子尺度大,谱型呈双峰分布;类型Ⅲ为大陆型气溶胶,数浓度高,粒子尺度小,谱宽较宽且呈三峰分布;类型Ⅱ为海洋大陆影响型气溶胶,即受海洋和大陆共同影响,数浓度低于类型Ⅲ高于类型Ⅰ,谱型为双峰分布。拟合了包含海洋型及大陆型气溶胶的3个架次近地面云凝结核活化谱,计算了气溶胶在不同过饱和度条件下的活化效率。

2009年石家庄地区不同天气条件下大气气溶胶分布特征

利用2009年石家庄地区4次机载PMS探测资料,对不同天气条件下大气气溶胶的数浓度、平均直径垂直分布和谱分布及一次晴天条件下的水平分布进行分析。结果表明:PCASP探头探测的0.1—3.0μm气溶胶粒子最大数浓度量级为102—104cm-3之间,平均值量级为102—103cm-3之间,平均直径最大值介于0.225—0.717μm,平均值介于0.148—0.167μm。晴天条件下,气溶胶的数浓度随高度递减,直径随高度变化不大;逆温层底气溶胶明显积累,气溶胶浓度在大气边界层内明显高于其他层次;阴天轻雾情况下边界层内的气溶胶数浓度大于雨天和晴天,雨天气溶胶浓度最低;晴天气溶胶数浓度的水平分布不均匀;在云中气溶胶浓度明显下降,在云外气溶胶浓度较高。不同天气条件和晴天不同高度情况下,石家庄地区气溶胶谱型呈单峰分布,小于0.3μm的细粒子对气溶胶的数浓度贡献最大,且随高度的增加谱宽变窄。

一次对流过程对气溶胶清除和再生过程的影响

利用中尺度天气预报和研究模式(WRF)对2007年4月23~24日广东省发生的一次飑线过程进行了模拟,研究了水凝物粒子对气溶胶的清除过程、液滴蒸发引起的气溶胶再生过程以及动力输送作用对气溶胶数浓度的影响.结果表明,降水与近地层气溶胶数浓度的变化呈负相关关系.综合对比各水凝物种类的碰撞清除率和核化清除率,发现云滴核化过程对气溶胶的清除率最高,对流层低层雨水和高层雪的碰撞清除率次之.云滴核化和冰晶核化分别是吸湿性核和非吸湿性核的主要清除过程.气溶胶数浓度的变化是动力输送、湿清除过程和蒸发再生共同作用的结果.蒸发再生过程主要作用在地面~10km高度.在对流发展过程中,近地层降水区气溶胶显著减少,飑线发展前沿的非降水区由于动力输送作用出现高污染区.

吐鲁番和若羌冬季气溶胶垂直分布的飞机观测分析

利用2019年冬季吐鲁番和2020年冬季若羌共14次完整机载探测气溶胶资料,结合宏观天气资料及大气污染数据,研究飞机爬升或降落阶段两地上空气溶胶粒子数浓度、粒子平均粒径的垂直变化规律,分析不同高度的粒子谱分布特征。结果表明:(1)两地冬季气溶胶粒子数浓度及粒子直径存在明显差异。在无明显天气过程下,若羌气溶胶粒子数浓度均值(5354·cm^(-3))明显高于吐鲁番(3948·cm^(-3));粒子平均粒径来看,均值差异不大,但吐鲁番出现大直径粒子(0.16μm)数量高于若羌(0.13μm)。2019年12月15日大风后最为明显,粒子直径最大值达到0.21μm,这与沙尘气溶胶多有关联。从垂直变化情况来看,两地气溶胶粒子数浓度均随高度增加而升高,若羌各层普遍高于吐鲁番,但吐鲁番近地面粒子直径随高度增加有明显下降,若羌整层变化很小。(2)吐鲁番、若羌气溶胶粒子数浓度和粒子平均粒径受大风、降水等天气过程以及逆温层的影响十分明显。两地高层均主要为输入型气溶胶,低层差异主要是由于吐鲁番地区人为源气溶胶粒子的排放导致的大气环境污染。(3)吐鲁番、若羌两地粒子谱分布在0.10~3.00μm范围内变化趋势大体一致,主要以小粒径为主,谱分布受天气过程影响变化较为明显。(4)从三模态粒径相似度对比可以得出,无论是吐鲁番还是若羌,在第一模态中数谱分布差异不大,若羌平均相似度为50.330%,略高于吐鲁番46.770%。有明显天气过程时,吐鲁番气溶胶数谱在二、三模态相似度(小于0.020%)急剧下降,而若羌第二模态相似度仍满足置信度95%,但第三模态中变化凸显,相似度不足0.020%。

一次沙尘过程对天津气溶胶浓度分布的影响

利用气溶胶质量浓度和数浓度监测资料以及不同高度的常规气象资料,结合后向轨迹模式,分析2011年4月30日至5月1日一次沙尘天气过程对天津城区气溶胶浓度的影响。结果表明:沙尘过程前的轻雾天气下PM1贡献了气溶胶质量浓度的96%和数浓度的99.9%以上;本次沙尘天气存在两个不同的浮尘过程,主要区别体现在细粒子浓度差异上,第一次浮尘过程PM1～2.5、PM2.5～10和PM10～100分别占气溶胶数浓度的6.5%、2.5%和0.1%,第二次浮尘过程占比则依次为11.3%、2.6%和0.01%;两次浮尘过程气溶胶粒子性质有明显差异,第一次浮尘过程中粗粒子浓度占PM10的80%以上,第二次浮尘过程风向转变为偏北风,细粒子浓度增高至40%,气溶胶由单纯的沙尘气溶胶转变为沙尘-污染气溶胶。

云光学厚度影响因子的模拟研究

基于绝热气泡模式的模拟结果,研究了垂直速度、气溶胶数浓度和气溶胶的化学成分对云光学厚度的影响。模拟结果不仅能够很好地再现气溶胶第一间接辐射效应,且发现云光学厚度与垂直速度间的正相关性。当云中液态水含量不变时,垂直速度与气溶胶数浓度的增加导致云滴数浓度的增加和云滴有效半径的减小,进而使云滴总表面积增加、云的反照率增强。然而垂直速度与气溶胶数浓度的迅速增加导致云滴数浓度的增速与云滴有效半径的减速同时减缓,进而使云滴总表面积增速减缓、云的反照率增速减缓,云的光学厚度增速减缓。此外,当气溶胶数浓度粒径谱分布相同时,其化学成分分别为有机碳、硫酸铵、海盐时所对应形成云滴的有效半径依次减小、总表面积依次增加,所以云的光学厚度依次增加。该研究结果阐明了以上因素对云光学厚度的影响机理,有利于加深对气溶胶第一间接效应的理论认识。

基于无人机探测大柴旦地区近地层气溶胶特征

通过改装多旋翼无人机(UAV)和搭载各类载荷以及联合地基观测设备对大柴旦地区大气、环境以及气溶胶参数进行测量。利用获得的数据资料,对该地区近地层气溶胶粒子数浓度(即单位体积空气中气溶胶粒子的数目)、消光系数以及气象要素等特征进行了分析。结果表明,在大柴旦地区,近地层气溶胶粒子数浓度日变化显著,呈现双峰形态,气溶胶粒子数浓度的变化范围为75~220 cm^(-3),消光系数的变化范围为0.004~0.038 km^(-1);当风速小于6 m/s时,气溶胶粒子数浓度与风速呈负相关关系;当风速大于6 m/s时,二者呈正相关关系;相对湿度对气溶胶粒子的影响较小,这可能是由于该地区以沙尘型气溶胶为主,吸湿性较弱。本研究基于多旋翼无人机探测平台,可以有效地获得近地层精细化大气、环境结构,有助于研究人员了解该地区气溶胶的结构、变化特征以及建立气溶胶模式,同时也为气溶胶及大气环境参数探测方法提供了技术支撑及思路拓展。