一次广东夏季沿海气溶胶的飞机探测研究

余小嘉，高建秋，钟建洪，赵博，林俊君

（1.广东省突发事件预警信息发布中心，广东广州 510650；2.中国气象局云雾物理环境重点开放实验室，北京 100081；3.韶关市气象局，广东韶关 512026）

大气气溶胶是指悬浮在气体介质中的固态或液态颗粒，是大气的重要组成成分。分析气溶胶及其相关物理量的时空分布特征，对研判气候变化、人工影响天气等具有重要意义。气溶胶的时空分布特征复杂多变，但又缺乏有效观测资料，这使得气溶胶与云之间的相互作用的定量化研究成为一个科学难题［1-2］。与其他观测资料相比，飞机探测资料可以提供更为直接、精准的气溶胶、云粒子观测数据，有助于将同一时空下的相关物理量紧密联系起来。

20世纪80年代，我国首次引入机载测量系统进行飞机探测。经历了近40年的探索，已在华北、华东、西南地区开展了较为广泛的飞机探测实验，推进人工影响天气科学不断进步。在气象灾害频发的华南，对飞机探测资料的研究却较为稀缺［3-4］。2004年Wang等［5］首次利用飞机对珠三角地区的大气气溶胶进行检测；游积平等［6］利用2010年飞机探测资料，进一步分析了珠三角地区气溶胶的谱分布特征。

美国水滴测量技术公司提供的DMT（Droplet Measurement Technologies）机载大气探测系统在PMS（Partical Measurement System）的基础上新增了计算和显示功能，可以消除显著的探测误差，无论是从硬件还是软件性能上都得到了提升。本研究利用新舟60飞机搭载的机载大气探测系统DMT，在夏季对华南沿海地区的气溶胶、云凝结核进行探测，分析夏季广东沿海地区的一次飞机探测中，气溶胶向云凝结核的活化转变过程。

1 仪器与资料处理

本次飞行的探测平台为新舟60飞机，新舟60飞机巡航速度约为119 m／s，爬升率为23.1 m／s，最大飞行高度为7 620 m，本次探测的最大飞行高度为4 411 m。机载粒子探测系统DMT主要包含的探头有：测量范围为0.1～3μm的气溶胶探头PCASP-100x+SPP200、测量范围为2～50μm的云粒子探头CDP、测量范围为0.75～10μm的云凝结核计数器CCN，可以测量温度、湿度、气压、经度、纬度、高度的飞机综合气象要素测量系统AIMMIS-20，以及热线含水量仪Hotwire LWC。其中云凝结核计数器包含A、B两个云室：A云室的过饱和度在0.2%～1%之间循环变化，B云室过饱和度恒定在0.3%。在研究云凝结核随空间的变化时，为了排除过饱和度设置值的干扰，仅以过饱和度恒定的B云室所测数据为研究对象。鉴于仅有AIMMIS-20探头能提供高度、经纬度信息，为了分析气溶胶、云凝结核的空间分布特征，将其他粒子探头所测数据以时间差最小为标准，匹配到了AIMMIS-20所测高度处。

2 天气实况与飞行概况

2.1 天气实况

2019年7月16日，500 hPa位于南海北部的副热带高压西伸后控制华南地区，850 hPa广东省受反气旋环流影响，地面受均压场控制，全省大部以晴到多云天气为主。珠海市气温27.6～34.2℃，相对湿度78.3%～79.8%，气压997.1～1 003.5 hPa。江门市部分市县出现零星小雨，早晚有轻雾，气温25.5～35.9℃，相对湿度76.5%～84.8%，气压994.4～1 003.8 hPa。阳江市气温27.6～35.3℃，相对湿度74.3%～82.3%，气压992.7～1 002.0 hPa。中山市气温26.7～35.5℃，相对湿度74.5%，气压998.9～1 002.3 hPa。

2.2 飞行概况

飞机的飞行航迹如图1所示，新舟60飞机于2019年7月16日17：43：41（北京时，下同）从珠海金湾机场（113.34°E，22.02°N）起飞，向西南方向爬升。18：13：10飞机飞行到阳江市江城区上空4 400 m的最大高度处，此时距离珠海金湾机场的水平距离约为146.7 km。随后从4 400 m开始盘旋下降，19：06：19飞机抵达最低高度2 456 m。之后飞机再次盘旋上升，19：28：11到达3 090 m，平飞一段时间后，于19：39：06向东北方向下降，最终于20：04：59回到珠海金湾机场。

图1 飞机航迹平面图

3 结果及分析

3.1 粒子浓度的空间分布

如图2所示，在飞行航迹上气溶胶浓度与B云室所测的云凝结核浓度满足相似的分布特征。整体而言，粒子浓度随高度上升先缓慢增大后迅速减小，但是在水平方向上粒子浓度变化不明显。气溶胶浓度在104cm-3以下，云凝结核浓度在103cm-3以下。在爬升和下降阶段，飞机飞行到1 139 m时出现了气溶胶浓度的极大值达1 468.1 cm-3，飞行到1 271 m时出现了云凝结核浓度的极大值640.1 cm-3。

图2 气溶胶（a）和云凝结核（b）的浓度

垂直方向上气溶胶和云凝结核粒子浓度分布如图3所示。在100 m以下，近地层气溶胶浓度垂直分布变化不明显，可能是因为受下垫面影响较大。在100 m以上，气溶胶浓度在3个高度区间内呈现不同的分布特征。从100到1 496 m，随着高度升高，气溶胶浓度整体呈上升趋势，数浓度在846.0～3 204.8 cm-3范围内波动，平均值为1 725.3 cm-3。从1 496到2 265 m，随着高度升高，气溶胶浓度急剧下降，浓度在102.7～1 155.3 cm-3范围内，平均值为534.3 cm-3。从2 265到4 411 m，随着高度升高，气溶胶浓度整体呈下降趋势，浓度在1.0～196.4 cm-3范围内波动明显，平均值为13.1 cm-3。B云室测得的云凝结核浓度与气溶胶浓度的垂直分布呈现出相似的分布特征。从100到1 383 m，随着高度升高，云凝结核浓度整体呈上升趋势，浓度在116.0～640.1 cm-3范围内波动显著，平均值为304.0 cm-3。从1 383到2 304 m，随着高度升高，云凝结核浓度急剧减小，浓度在1.1～389.7 cm-3范围内，平均值为107.7 cm-3。从2 304到4 411 m云凝结核浓度整体维持在一个较低的水平，浓度在86.3 cm-3以下，平均值为4.1 cm-3。

图3 垂直方向上气溶胶浓度（黑色实线）、云凝结核浓度、温度和液态水质量浓度随高度的变化

随着高度升高，气温从28.7℃递减到6.7℃，垂直递减率为-0.49℃／hm。液态水质量浓度随高度升高有线性下降趋势。液态水质量浓度在526、1 372和3 039 m的高度层出现了极大值区，分别为0.091、0.088和0.087 g／m3。

3.2 粒子直径空间分布

图4a利用箱形图展示了气溶胶、云凝结核直径随飞机飞行时间的分布特征。其中，箱形的上边框对应粒径大小的上4分位数，箱形的下边框对应粒径大小的下4分位数，箱形内部的横线对应中位数。将偏离上下4分位数1.5倍4分位距（上下4分位数之差）的离群点视为异常值，则图4a中红色圆点和绿色圆圈分别代表气溶胶、云凝结核粒径大小的异常值。可见在该次飞机探测过程中，气溶胶、云凝结核直径的中位数、上下4分位数随航迹的变化较小，即样本的粒径大小较为平均。去除异常值以后，气溶胶、云凝结核直径的平均值分别为0.16、1.30μm。图4b展示了飞行过程中，云粒子直径的变化特征。利用云粒子探头CDP采集到1 656个云滴样本，平均有效直径为6.0μm。在飞机爬升和下降600～2 200 m的高度区间时，出现了2个云粒子群集区，在该区域内采集到的样本占样本总数的62.7%，这是因为在大气低层存在浅薄的暖云。

图4 气溶胶粒子平均直径（红色箱形图）和云凝结核平均直径（绿色箱形图）（a）、飞行高度（黑色实线）和云粒子有效直径（蓝色实点）（b）随时间的变化

如图5所示，计算5个典型高度层500、1 000、2 000、3 000、4 000 m上下50 m内气溶胶和云凝结核粒子的平均浓度。

图5 不同高度上气溶胶（a）和云凝结核（b）的浓度粒径谱分布，以及3 000和4 000 m高度上气溶胶（c）和云凝结核（d）的浓度粒径谱分布

在各高度层上，气溶胶平均浓度的粒径谱均呈现多峰分布特征，峰值直径主要出现在0.11 μm。在500和1 000 m高度上，还出现了第2个峰值显著的区域，峰值直径出现在0.16μm。云凝结核的浓度粒径谱在500、1 000 m高度上出现了2个峰，峰值直径分别出现在1和1.26 μm。云凝结核在2 000、3 000和4 000 m高度上基本为单峰分布，峰值直径分别出现在1.26、1.00、1.00μm。

3.3 粒子空间分布的影响因素分析

无论是粒子浓度还是粒子直径，气溶胶和云凝结核都表现出相似的空间分布特征。这表明气溶胶浓度、粒径分布会影响其活化作为云凝结核的能力。整体而言，气溶胶、云凝结核浓度随着高度的上升，先增大后减小，在1 000～1 300 m的区间内出现了极大值（图3）。在夏季华南的边界层内，受热力学作用，垂直对流运动强烈，很容易将近地层的气溶胶输送到边界层顶。但伴随着高度升高，高空风速的加大以及垂直输送能力的减弱，气溶胶浓度显著减小。

在600～2 200 m的高度区间出现了云粒子群集区（图4），对应区域的液态水质量浓度也偏大（图3），在液态水质量浓度较大的情况下，吸湿性气溶胶容易向云粒子活化转化。在2 000 m以下，气溶胶和云凝结核的浓度粒径谱较广，这是因为此时气溶胶的来源较广，成分复杂；在2 000 m以上，气溶胶和云凝结核的直径大小趋于单一，且偏小，只有少量小粒径气溶胶、云凝结核滞留于大气高层（图5）。

为了研究过饱和度设置值对云凝结核浓度的影响，取18：12：36—19：02：36飞机在3 405～4 402 m高度区间内的飞行过程（图6）。在该过程中A云室过饱和度每隔10 min的数值分别为0.6%、0.8%、1%、0.2%、0.4%，而作为对比，B云室的过饱和度则恒定在0.3%。从图6可以看到，B云室所测的云凝结核浓度一直稳定在较低的数值，变化范围在0～28.7 cm-3。在A云室内，整体而言云凝结核浓度随着过饱和度的增加而升高，云凝结核浓度的变化相较于过饱和度的变化在时间上稍有滞后：云凝结核浓度最大值为176.8 cm-3，出现在过饱和度从1%减小到0.2%的10 s内；最小值为0 cm-3，出现在过饱和度变化到0.2%且稳定维持约3.7 min后。说明在过饱和度高的环境下，更有利于提升云凝结核的活化率。当A云室过饱和度设置值在某一数值保持恒定时，云凝结核浓度出现了较大波动。这是因为高层气溶胶很少，不同时刻采样气体中的气溶胶浓度差异大，导致在云凝结核计数器中，由气溶胶活化成的云凝结核浓度波动明显。

图6 云室所测云凝结核数浓度随过饱和度设置值的变化

4 结论

1）随着高度上升气溶胶、云凝结核浓度先增大，后急剧减小，最后缓慢减小。气溶胶、云凝结核浓度在水平方向上的变化较小。

2）不同高度层上气溶胶和云凝结核的浓度粒径谱分布特征较为相似。气溶胶、云凝结核的平均直径在2 000 m以下各层的粒径谱较宽，在500和1 000 m层出现了两个峰值。

3）气溶胶浓度高且粒径大、液态水含量高、过饱和度高的区域更有利于提升气溶胶的活化作为云凝结核的能力。