华北中部夏季气溶胶垂直分布及其与云凝结核和云滴转化关系的飞机观测研究

李义宇 郭学良 金莲姬 李培仁 孙鸿娉 赵德龙 马新成

1 山西省人工增雨防雷技术中心, 太原 030002

2 中国科学院大气物理研究所, 北京 100029

3 南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室, 南京 210044

4 北京市人工影响天气办公室, 北京 100089

1 引言

气溶胶是云降水形成的重要组成部分。由于对气溶胶时空分布、化学组分及其核化特性等方面认识仍然不足，导致气溶胶的间接气候效应在辐射强迫中具有很大的不确定性（IPCC, 2007）。气溶胶的间接气候效应主要是通过云凝结核（CCN）和冰核（IN）影响云覆盖、生命史和降水形成和演变过程，从而改变大气辐射平衡。因此，深入了解气溶胶的时空分布特征、来源及其与CCN、云滴数浓度的关系，对于认识气溶胶核化成云及其间接气候效应具有重要的意义。

在20 世纪50年代，国外科学家就开始关注气溶胶对云宏、微观特性的影响（Gunn and Phillips,1957; Squires, 1958; Squires and Twomey, 1960;Warner and Twomey, 1967; Warner, 1968），研究指出人类活动所产生的高浓度气溶胶、CCN 可以增加云滴数浓度，潜在地降低了降水效率。Terliuc and Gagin（1971）在地面及飞机上进行的CCN观测研究表明，雨天、干燥天CCN 谱呈典型的大陆性分布，CCN 浓度变化受风向影响显著，CCN 对降水机制起重要作用。Hudson（1993）的研究表明，人为CCN 会影响层云，最明显的证据是1987年卫星观测到了船烟迹云。Rosenfeld（1999）利用TRMM 卫星观测资料，分析了森林大火后，烟尘对热带对流云中暖云降水过程的影响，发现烟尘影响到云的形成，降水受到抑制。Rosenfeld（2000）认为，随着污染的加重，城市居住区降水将有所减少。Chuang et al.（2000）、Snider and Brenguier（2000）、Ramanathan et al.（2001a, 2001b）通过分析机载CCN、云粒子探测资料发现，CCN 的增加会导致云滴浓度的增加，但CCN 浓度的进一步增加，云滴浓度的增加将趋于停止。

通过飞机观测可以最直接有效地开展气溶胶与云物理特性的研究。自20 世纪90年代以来，我国学者相继在华北、华东和华中等地区开展了一系列气溶胶与云凝结核的飞机观测试验。在气溶胶特征的飞机观测方面，Zhang et al.（2006）、范烨等（2007）、陈鹏飞等（2012）、马新成等（2016）、段婧等（2019）、杨怡曼等（2020）、董晓波等（2021）在我国不同地区开展研究，包括不同天气背景下气溶胶分布特征对比，晴天和重污染天气下气溶胶垂直分布，气溶胶垂直分布与大气边界层的关系，不同模态气溶胶空间分布特征，以及海洋与大陆气溶胶垂直分布特征的对比。范烨等（2007）分析了2004年的8～9月北京地区8架次气溶胶飞行探测资料，发现风速较小的晴天和阴天都有可能使气溶胶浓度出现高值，大气有逆温层存在时，逆温层底有气溶胶粒子的明显累积，气溶胶粒子浓度谱为单峰分布。孙霞等（2011）对比分析石家庄地区春季晴、霾天气溶胶数浓度的垂直分布，发现霾天粗粒子气溶胶的数浓度比晴天高一个量级。张瑜等（2011）综合分析2005～2007年河北秋季不同天气下的气溶胶垂直分布特征，发现气溶胶在降水天气呈双峰分布，其余天气以单峰分布为主，陆地上空的气溶胶比海洋上空高一个量级。在云微物理特征的飞机观测方面，Deng et al.（2009）、李军霞等（2014）、庞朝云等（2016）、郝囝等（2019）、蔡兆鑫等（2019）针对不同云系、不同区域和不同过程中的云微物理参数的时空分布开展了相关研究。石立新和段英（2007）发现华北地区的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；污染地区乡村上空CCN 浓度比无污染地区乡村高5 倍以上。卢广献和郭学良（2012）研究了2009年春季北京周边大气气溶胶的分布、来源特征及其与云凝结核（CCN）的转化关系，结果表明，高浓度气溶胶基本分布在4500 m以下的区域，气溶胶平均粒子谱呈双（多）峰分布，而 在4500 m 以 上 基 本 为 单 峰 分 布。Zhang et al.（2011）分析了北京2008年7月的气溶胶观测资料，发现云滴数浓度（Nc）和气溶胶数浓度（Na）的比（Nc/Na）与气溶胶尺度和化学组分有关，其中Nc/Na与粒径呈线性关系；尺度大的气溶胶粒子能促进CCN、云滴的形成。Li et al.（2015）分析了山西地区2013年的气溶胶观测资料，发现过饱和度越大，CCN 核化比率越大。然而，由于飞行费用、飞行安全、空域限制等原因，利用飞机开展气溶胶和云物理空间分布的观测研究仍然较为缺乏。

云下气溶胶与CCN 及云中云滴数浓度的关系可以揭示气溶胶成云的特征，利用飞机对淡积云下气溶胶、CCN 与云底之上云滴进行原位测量，在国内鲜有，气溶胶、CCN、云滴三者的拟合关系可以为改进模式提供重要的依据。O’ Dowd et al.（1999）分析了北大西洋和东太平洋云下Na和Nc之间的关系，得到了云滴数和气溶胶浓度的关系式。本文利用2013～2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次飞机观测资料，分析了气溶胶垂直分布、谱分布和来源特征，以及与CCN、云中云滴数浓度的转化关系，为揭示气溶胶在成云过程中的作用提供科学依据。

2 仪器与观测数据

观测资料来源于2013～2014年期间山西省人工降雨防雹办公室运-12 飞机观测数据，该飞机观测 平 台 搭 载 美 国DMT（ Droplet Measurement Technologies）公司的机载云降水粒子测量系统。本文用到的仪器有气溶胶谱仪PCAPS-100X（Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe），量程为0.1～3 μm，分为15 个不同间隔的通道。虽然PACSPS-100X 探头测量范围有限，只能代表积聚模态（0.1～1 μm）和部分粗粒子模态（1～3 μm）的气溶胶粒子。但PCAPS-100X 探头是专用的机载设备，其观测数据相对可靠。蔡兆鑫等（2021），Yang et al.（2020）都用PCAPS-100X 探头来研究气溶胶的垂直分布。本文用到0.1～3 μm 的气溶胶作为CCN，计算所得的CCN 比率较实际值偏大；云 凝 结 核 计 数 器CCN-200（Cloud Condensation Nuclei Counter-200）；云 粒 子 谱 仪CDP（Cloud Droplet Probe），量程为3～50 μm，分为30 个不同间隔的通道。仪器采样频率都为1 Hz，每年按时返回美国DMT 公司进行标校，并每次观测前对仪器进行维护，以确保观测数据质量。

飞行方案是起飞后进行垂直探测获得气溶胶和CCN 浓度的垂直分布数据，晴空时在目标区域以300 m 或600 m 为间隔分层盘旋平飞探测，获得不同高度层的气溶胶资料。在淡积云天气时，飞机在云底之下100～300 m 范围平飞探测，获得云下气溶胶和CCN 的分布数据，然后在云底之上100～200 m 水平穿云探测，获得云中云滴粒子数据。2014年8月11日起飞过程CCN 工作状态异常，因而没做这次CCN 数据分析。飞行区域如图1所示，主要在山西省中部的忻州、文水地区。

图1 2013～2014年间在华北飞行区域示意图（矩形区域为飞行区域）Fig. 1 Experimental area for aircraft measurements in northern China from 2013 to 2014. The rectangular area denotes the aircraft flight region

本文依据大气边界层逆温情况，将2013～2014年夏季气溶胶垂直分布分为两类，一类是大气边界层有明显的逆温情况，大气边界层顶高度一般在1500 m 左右。另一类无明显逆温情况。

3 结果分析

3.1 气溶胶和CCN 的垂直分布及来源特征

3.1.1 不同大气层结条件下的气溶胶垂直分布特征

图2 和图3 分别给出了边界层有无逆温情况的Na与气溶胶有效直径（ED）随高度的变化，同时左边给出了对应的温湿度廓线。从图2 可以看到，在有边界层逆温的情况下，由于逆温层的阻挡作用，使气溶胶主要集中在边界层顶（1500 m）以下，气溶胶在边界层内出现明显的累积现象，Na最大值达到3000～4000 cm−3以上。而边界层顶以上气溶胶浓度出现剧减现象，可减小2 个量级左右。可见，因逆温造成的稳定性边界层对气溶胶的累积效应，在低能见度雾—霾天气形成过程中起到至关重要的作用。由于边界层内强烈的湍流混合作用，使气溶胶混合均匀，ED 均在0.4 μm 左右。而无边界层逆温存在的情况下（图3），气溶胶垂直扩散混合作用加强，无明显累积效应。不同大气层结条件下的垂直扩散程度不同，图3 中2013年8月30日显示的情况表示大气温度随高度的递减率大，大气层结不稳定性高，垂直扩散作用强，从地面到3000 m高度的气溶胶浓度均在500 cm−3，但ED 出现随高度递减现象，这是因为上升扩散气流对不同大小的气溶胶粒子具有筛选作用，小粒子易被上升气流带到高层，而大粒子留在低层。可见此种情况下的对流扩散比较强烈，有利于地面污染气溶胶向上输送，对气溶胶参与云和降水形成过程提供了有利条件。而其他两个例子2014年8月11日和2014年8月12日的大气温度随高度的递减率较小，不稳定性较弱，垂直扩散作用偏小，气溶胶浓度和大小均出现明显的垂直递减现象，进入空中的气溶胶量明显减小。

图2 2013年8月3日（绿色）、4日（红色）和12日（蓝色）边界层逆温条件下气溶胶（a）数浓度Na（单位：cm−3）与（b）有效直径ED（单位：μm）的垂直分布及（c）温度、湿度廓线（实线为温度，虚线为相对湿度）Fig. 2 Vertical distributions of (a) number concentration (Na, units: cm−3), (b) effective diameter (ED, units: μm), and (c) profiles of temperature(solid lines) and relative humidity (dashed lines) with atmospheric inversion condition on 3 (green), 4 (red), and 12 (blue) August 2013

图3 2013年8月30日（青色）、2014年8月11日（蓝色）和12日（粉色）边界层无逆温条件下（a）Na 与（b）ED 的垂直分布及（c）温度、湿度廓线Fig. 3 Vertical distributions of (a) number concentration (Na, units: cm−3), (b) effective diameter (ED, units: μm), and (c) profiles of temperature(solid lines) and relative humidity (dashed lines) without atmospheric inversion condition on 30 August 2013 (cyan), 11 August 2014 (blue), and 12 August 2014 (pink)

表1 给出了6 个例子在不同高度的Na统计特征，可以看到，逆温情况下1500 m 以下Na的平均值为3189 cm−3，而无逆温情况下边界层内的Na平均值只有1509 cm−3。逆温情况下ED 在1500 m 以下平均值为0.36 μm；在1500 m 以上ED 随高度的增加呈现增大的趋势，1500～3000 m ED 平均值为0.42 μm，3000 m 以上，ED 平均值为0.53 μm。在逆温情况下，出现ED 随高度增大情况应与气溶胶来源不同有关，在后面详细讨论。没有边界层逆温的情况下，1500 m 以下，ED 平均值为0.45 μm；1500～3000 m ED 平均值为0.35 μm；3000 m 以上，ED 平均值为0.32 μm。ED 随高度变化很小或出现减小现象，这与垂直扩散气流对粒子输送过程的筛选作用有关。

表1 不同高度气溶胶数浓度Na 统计特征Table 1 Statistical summary of number concentration (Na) at different heights in each flight

3.1.2 不同大气层结条件下的CCN 浓度垂直分布特征

图4 是不同大气层结条件下CCN 数浓度（过饱和度为0.3%）的垂直分布。从图中可以看出，CCN 数浓度垂直分布与气溶胶数浓度垂直分布相似，也与大气稳定度密切相关。在边界层有明显逆温的稳定大气层结条件下（图4a），CCN 数浓度在边界层内也存在明显累积现象，然后随高度出现剧减，CCN 数浓度最大值可以达到2000～3000 cm−3，而对应的气溶胶数浓度最大值为3000～4000 cm−3，说明在过饱和度为0.3%的条件下，边界层内累积的高浓度气溶胶具有很高的核化率。在无明显逆温的不稳定大气层结条件下（图4b），CCN 数浓度在边界层内无明显累积现象，而是随高度呈递减趋势。

表2 给出了5 个例子的CCN 数浓度的平均值和最大值。逆温层结条件下，1500 m 以下CCN 数浓度平均值为1992 cm−3，最大值为2656 cm−3；1500～3000 m 高度，CCN 数浓度平均值为610 cm−3，最大值为1119 cm–3；3000 m 以上，CCN 数浓度平均值仅为475 cm−3，最大值为562 cm−3。无明显逆温层结条件下，1500 m 以下的CCN 数浓度平均值为1190 cm−3，最大值为1826 cm−3；1500～3000 m高度层，CCN 数浓度平均值为701 cm−3，最大值为885 cm−3；在3000 m 以上，CCN 数浓度平均值为360 cm−3，平均值为586 cm−3。对比两种类型的CCN 数浓度垂直分布，可以看出，在边界层内，逆温情况下的CCN 数浓度约为无逆温层结情况下的1.5 倍，而在1500～3000 m、3000 m 以上，两种类型的CCN 数浓度较为接近，这与两类气溶胶数浓度的垂直分布趋势基本一致。

3.1.3 气溶胶来源分析

为解释气溶胶浓度或尺度随高度增加，但CCN 浓度不一定增加的现象（如图2a 和图4a），了解不同高度气溶胶的来源具有重要意义。利用HYSPLIT_4模式（HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model）分别对6次个例在不同高度气溶胶粒子做了后向轨迹分析。图5 为6次个例在距地面500 m、1200 m、2200 m、2700 m高度的气团72 小时的后向轨迹。

图4 （a）有边界层逆温和（b）无边界层逆温情况下CCN 数浓度（过饱和度为0.3%）垂直分布Fig. 4 Averaged vertical distributions of the CCN number concentration at 0.3% supersaturation (a) with atmospheric inversion condition and (b)without atmospheric inversion condition

图5 2013年8月（a）3日、（b）4日、（c）12日、（d）30日以及2014年8月（e）11日、（f）12日观测期间太原不同高度72 小时后向轨迹 红、蓝、绿、青色实线分别代表500 m、1200 m、2200 m、2700 m 高度的后向轨迹。Fig. 5 Backward trajectories of air masses in Taiyuan station on (a) 3 August, (b) 4 August, (c) 12 August, (d) 30 August 2013, (e) 11 August 2014 and (f) 12 August 2014 The red, blue, green, and cyan solid lines represent the backward trajectories at 500 m, 1200 m, 2200 m, and 2700 m height,respectively.

可以看出，2013年8月3日、8月4日和8月12日三次大气探测过程中，低层气溶胶主要来自本地源，以城市群人类活动排放源为主，而高层气溶胶来自西北地区，其中2013年8月3日来自柴达木盆地，2013年8月4日和2013年8月12日来自新疆地区，经过戈壁沙漠之后进入山西。因此，由于这三次探测期间高层气溶胶来自西北地区远距离输送的尺度较大沙尘粒子，而低层气溶胶主要来自局地城市群人类活动排放的尺度较小的粒子，又因为有边界层逆温阻碍垂直输送，气溶胶垂直混合受阻，造成气溶胶有效直径随高度增加呈现增大的趋势。一般情况下，沙尘粒子为非吸湿性气溶胶粒子，因此，核化成CCN 的浓度较小。2013年8月30日低层气溶胶来自东北地区输送，高层气溶胶来自蒙古地区的输送。2014年8月11日低层气溶胶来自蒙古地区而高层气溶胶来自西北地区。2014年8月12日，低层气溶胶来自局地的排放，高层气溶胶来自西北地区。可见2013年8月30日和2014年8月11日低层气溶胶有效直径较大，是因为低层气溶胶有来自其他地方的输送，而三次观测的高层气溶胶均来自西北或蒙古地区的远距离输送，而高层气溶胶有效直径比较小，这可能是由于云对气溶胶的湿清除作用，尺度较大的气溶胶容易形成云滴，因此，气溶胶有效直径出现随高度增加呈现减小或不变的趋势。

3.2 气溶胶谱分布及其与CCN 的相关性和转化关系

利用2013年7月31日、8月3日、8月4日三次在山西文水地区不同高度层飞机水平盘旋探测数据，分析了不同高度层的气溶胶粒子谱分布。其中2013年7月31日探测时，空中有一层较薄的云层，2013年8月3日、2013年8月4日为晴空天气。

这三次飞行探测的方案是，在山西文水地区从最低飞行安全高度1200 m 开始，以300 m 或600 m 为间隔分层水平盘旋飞行探测，在每一个高度层大约飞行5 min。图6 是三次探测相同高度盘旋平飞时的气溶胶谱。图6a 中7月31日、8月4日、8月3日气溶胶谱均呈单峰分布，不同日期相同尺度的气溶胶浓度相差较大，图6b–d 中8月3日和8月4日气溶胶谱呈双峰分布，而7月31日气溶胶谱呈单峰分布，图6c–d 中7月31日气溶胶谱与8月3日和8月4日气溶胶谱型差异较大，直径小于1.2 μm 的气溶胶浓度与8月3日和8月4日相比较小，而直径大于1.2 μm 的气溶胶浓度较大，这是由于7月31日平飞探测时，飞机在1800～2500 m 位于云中，由于湿增长作业而使得气溶胶粒子增大；图6e–f 中三次探测气溶胶谱型较为一致，都呈单峰分布，说明不同日期3000 m 以上气溶胶分布差异较小。

图6 2013年7月31日、8月3日、8月4日不同高度气溶胶粒子谱分布：（a）1200 m；（b）1500 m；（c）1800 m；（d）2500 m；（e）3100 m；（f）3700 m。图中N 和D 分别表示粒子的数浓度和直径Fig. 6 Aerosol particle size distributions at (a) 1200 m, (b) 1500 m, (c) 1800 m, (d) 2500 m, (e) 3100 m, and (f) 3700 m on July 31, August 3, August 4, 2013. N, D represent number concentration and diameter of particle, respectively.

综上，不同日期气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致；因为低层受人为排放的气溶胶影响较大，造成不同日期气溶胶谱型相差较大；而不同高度的气溶胶谱型不同，1200 m 气溶胶谱呈单峰或双峰分布，1500～2500 m 气溶胶谱呈双峰分布，3100～3700 m，气溶胶谱呈单峰分布；云中气溶胶谱呈单峰分布，与晴空相比，直径小于1.2 μm 的气溶胶浓度小，而直径大于1.2 μm 的气溶胶浓度较大。

图7 为不同高度的平均气溶胶谱分布，可以看出，气溶胶粒子主要集中在小粒子端，大粒子端的Na较小；低层各粒径段的Na都比较高，随着高度的增加各粒径段的Na都有所减小，特别是小粒子端，Na减小非常明显，从而使高层气溶胶中大粒子所占的比例有所增加，从后向轨迹来看，观测期间低层的气溶胶粒子主要来自近地面的局地排放；而高层的气溶胶粒子来自西北地区的远距离输送，高层气溶胶大粒子所占比例增加，就是由于来自西北地区沙尘气溶胶的影响，但整个气溶胶谱型没有明显变化，说明大粒子气溶胶对本地气溶胶谱型的影响较小。

图7 不同高度平均气溶胶谱分布Fig. 7 Averaged aerosol particle size distributions at different heights

由以上分析可知，气溶胶数浓度与CCN 数浓度的分布趋势较为一致，因此我们做了二者的相关性分析。图8 所示是5架次的飞行探测过程中，气溶胶数浓度与CCN 数浓度（过饱和度为0.3%，表3）相关性分析。CCN 数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性，决定系数R2可达到0.8 以上，决定系数R2达到0.9 以上的有两次，分别是2013年8月3日和2013年8月4日的飞行探测过程，决定系数R2分别为0.91 和0.96。其余三次的R2都在0.8～0.9 之间，为此我们统计了不同日期气溶胶的平均有效直径，如表4 所示，可以看出，2013年8月3日和2013年8月4日探测过程中，气溶胶粒子的平均有效直径较大，均大于0.4 μm，而其余三日气溶胶粒子的平均有效直径都小于0.4 μm，因此，华北中部夏季垂直方向上，气溶胶数浓度与CCN数浓度有较好的相关性，并且当气溶胶粒子平均有效直径大于0.4 μm时，气溶胶数浓度与CCN 数浓度的相关性更好。

图8 (a) 2013年8月3日, (b) 2013年8月4日, (c) 2013年8月12日, (d) 2013年8月30日和(e) 2014年8月12日飞机探测过程中CCN 数浓度与气溶胶数浓度的相关性Fig. 8 Linear regressions between the CCN number concentration and Na in flights of (a) 3 August, 2013, (b) 4 August, 2013, (c) 12 August, 2013 (d)30 August, 2013 and (e) 12 August, 2014

表3 不同高度CCN 数浓度（NCCN；过饱和度为0.3%）统计特征Table 3 Statistical summary of the CCN number concentration (NCCN)at 0.3% supersaturation at different heights in each case

表4 垂直探测过程中不同日期气溶胶数浓度与CCN 数浓度的决定系数及气溶胶有效直径的统计特征Table 4 Statistical properties for the correlation coefficient values between the CCN number concentration, Na, and ED

气溶胶成为CCN 的能力与尺度和化学组分有很大的关系。在不了解气溶胶详细化学组分的情况下，为了进一步了解气溶胶尺度与气溶胶活化能力的关系，我们分析了0.3%过饱和度条件下，CCN比率（CCN/CN，CN 为“凝结核”的简称）与ED 的关系。图9 为2013年8月03日飞行探测时，整个探测过程中CCN/CN 与ED 的关系图。可以看出，CCN/CN 与ED 呈线性关系，随着ED 的增大，CCN/CN 也增大，当ED 为0.25 μm时，CCN/CN大约为0.25，即约25%的气溶胶可以作为CCN，当ED 为0.6 μm时，CCN/CN 大约为0.45，即约45%的气溶胶可以作为CCN，当ED 为0.9 μm时，CCN/CN 大约为0.65，即约65%的气溶胶可以作为CCN，表明尺度越大的气溶胶越容易成为CCN。

图9 2013年8月3日飞行探测过程中CCN 占CN 的比例(CCN/CN)与ED 的关系Fig. 9 Relationship between the CCN to CN ratio (CCN/CN) and ED during the flight on 3 August 2013

为了研究不同高度气溶胶的活化能力，分析了低层和高层的CCN/CN 与ED 的关系（图10）。图10a 为低层（1500 m 以下）CCN/CN 与ED 的关系图，图中可以看出，低层气溶胶ED 值较小，大部分集中在0.5 μm 以下，低层CCN/CN 与ED 也呈线性关系，随着ED 的增大，CCN/CN 也增大，当ED 为0.25 μm时，CCN/CN 大约为0.2，即约20%的气溶胶可以作为CCN，当ED 为0.4 μm时，CCN/CN 大约为0.35，即约35%的气溶胶可以作为CCN；同样，图10b 为高层（3000～4000 m）CCN/CN 与ED 的关系图，图中可以看出，高层气溶胶ED 值较大，高层CCN/CN 也与ED 呈线性关系，随着ED 的增大，CCN/CN 也增大，当ED 为0.4 μm时，CCN/CN 大约为0.4，即约40%的气溶胶可以作为CCN，当ED 为0.9 μm时，CCN/CN大约为0.65，即约65%的气溶胶可以作为CCN。

图10 2013年8月3日飞行探测过程（a）1500m 以下以及（b）3000～4000 m 高度CCN/CN 与ED 的关系Fig. 10 Relationships between the CCN/CN and ED at different heights during the flight on 3 August 2013: (a) 0–1500 m, (b) 3000–4000 m

由以上分析可以得出，CCN/CN 随着高度增加而增大。CCN 活化率受到气溶胶粒子尺度和气溶胶化学成分的影响，Fitzgerald（1973）和Kuwat etal.（2008）等研究表明粒子尺度对活化率的影响高于化学成分的影响。本文中不涉及化学成分的研究，从物理的角度来讲，过饱和度较高的情况下，CCN/CN 受到粒子尺度影响很大。故虽然低层和高层粒子来源不同，但由于高层粒子尺度较大，受到粒子尺度的影响，高层CCN/CN 的值较大。

3.3 云下气溶胶、CCN 浓度与云中云滴数浓度的关系

CCN 活化谱是CCN 数浓度随过饱和度的变化曲线，CCN 数浓度观测的一个很重要的应用就是CCN 活化谱。通常用经验公式N=CSK来拟合，其中，C、K为拟合参数，N为过饱和度S下的CCN数浓度，气溶胶粒子的尺度或化学组分的信息隐含在拟合参数C、K之中。根据拟合参数C、K的值，把CCN 活化谱分为海洋型（C<1000 cm−3，K<1）、过渡型（1000 cm−31）、大陆型（C>2200 cm−3，K<1）三种（表5 所示个例）。

云下气溶胶粒子能否成为CCN，对云的形成及云的微物理特征有重要的意义。在以往的研究中，很少有在云底之下300 m 范围内直接对气溶胶和CCN 进行观测，所以本次对CCN 活化谱的研究所选取的观测位置是位于云底之下100～300m 范围和云外的区域，图11 中2014年7月15日是在云外做的观测，高度3700 m 做水平飞行，2014年7月19日是在云底之下100 m（高度为3100 m）做云底之下保持高度水平盘旋飞行，过饱和度分别设置为0.4、0.6、0.8。拟合参数C、K值如表5 所示，2014年7月15日的云外观测属于过度型活化谱，过饱和度分别设置为0.2、0.4、0.6。2014年7月19日的云底之下观测属于清洁大陆型活化谱，而封秋娟等（2012）对山西省地面做的CCN 活化谱属于典型大陆型活化谱。

图11 云外及云下CCN 活化谱Fig. 11 CCN spectra were observed below cloud bases and the environment.

表5 CCN 活化谱拟合参数值Table 5 Parameters of CCN Spectrum

气溶胶不仅对云的形成及云的宏微观特征有重要的影响，气溶胶还可以通过影响云的宏微观特征而影响气候，而气溶胶对云的影响又具有很大的不确定性，本研究想通过对云下气溶胶粒子与云底之上的云滴粒子进行观测，确定气溶胶粒子与云滴粒子的转化关系。气溶胶粒子能否活化成为云滴粒子，与气溶胶粒子的物理化学性质、环境过饱和度以及上升速度等有关系，本研究只做了Na、CCN 浓度和Nc的观测分析。

利用2014年8月11日的观测资料，分析了Na与Nc以及CCN 数浓度与Nc之间的关系。本次观测的飞行方式是在云底之下200 m（高度为3400 m）做保持高度水平盘旋飞行，大约水平盘旋5 min 之后从云底入云，在云底之上100 m（高度3700 m）做保持高度水平盘旋飞行。在云底之下盘旋平飞为了获取气溶胶和CCN 的观测资料，在云底之上盘旋平飞为了获取云滴粒子的观测资料。在不了解实际过饱和度、上升速度以及气溶胶化学组分的情况下，我们希望在气溶胶和云滴之间找到一种简单的线性关系，如图12 所示，拟合方程为y=1.3x−616.3，拟合相关系数为0.96，计算得到气溶胶转化为云滴的比率为47%。

图12 云底之下200 m 高度层Na 与云底之上100 m 高度层云滴数浓度Nc 的关系Fig. 12 Relationship between Na and Nc (cloud droplet number concentration) near the cumulus cloud base

此外，本次研究还做了在固定过饱和度0.3%条件下，CCN 数浓度与Nc之间的关系，如图13所示，拟合方程为y=1.6x−473.8，拟合相关系数也为0.96，计算得到CCN 转化为云滴的比率为69%。

图13 过饱和度0.3%条件下云底之下200 m 高度层CCN 数浓度与云底之上100 m 高度层Nc 的关系Fig. 13 Relationship between the CCN number concentration (0.3%supersaturation) and Nc near the cumulus cloud base

4 结论

本文分析了山西省9架次的夏季云物理飞机探测资料，得到如下主要结论：

（1）大气边界层逆温层结对大气气溶胶粒子的垂直分布有重要的影响。当大气边界层有逆温存在时，边界层内Na高且ED 在边界层内比较均匀；当大气边界层无逆温层结时，气溶胶粒子可随大气垂直输送到较高的高度，边界层内Na较小。有逆温时，边界层内Na大约为无逆温时的2 倍；两类Na的垂直分布都呈随高度增加而减小的趋势。相同日期里CCN 数浓度的垂直分布趋势与Na的垂直分布趋势基本一致，有逆温时，边界层内CCN 数浓度大约为无逆温时1.5 倍。

（2）华北中部夏季高层一般受到来自西北或蒙古等地的气团影响，造成晴空时高层气溶胶尺度大，ED 在0.45 μm 以上，有云时，高层尺度较大的气溶胶活化成为云滴，造成高层气溶胶尺度小，ED 在0.35 μm 以下；低层气溶胶以局地排放为主时，气溶胶尺度小，ED 在0.4 μm 以下。

（3）气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致；因为低层受局地排放的气溶胶影响较大，造成不同日期气溶胶谱型相差较大；而不同高度的气溶胶谱型不同，1200 m 气溶胶谱呈单峰分布，1500～2500m 气溶胶谱呈双峰分布，3100～3700 m，气溶胶谱呈单峰分布；云中气溶胶谱呈单峰分布。与晴空相比，直径小于1.2 μm 的气溶胶浓度小，而直径大于1.2 μm 的气溶胶浓度大。低层气溶胶各粒径段的粒子浓度均高于高层，高层气溶胶由于受到来自西北地区沙尘气溶胶的影响，大粒子所占比例增加，但整个气溶胶谱型没有明显变化，说明大粒子气溶胶对本地气溶胶谱型的影响较小。

（4）垂直方向上，气溶胶数浓度与CCN 数浓度有较好的相关性，相关系数都在0.8 以上，并且当ED 大于0.4 μm时，气溶胶数浓度与CCN 数浓度的相关性好于气溶胶粒子平均有效直径小于0.4 μm 的情况。2013年8月03日整个探测过程中CCN/CN 与ED 呈线性关系，随着ED 的增大，CCN/CN 也增大，并且低层、高层均表现出这种关系。气溶胶粒子尺度是影响CCN/CN 的重要因素。

（5）用N=CSK拟合得到的山西地区空中CCN 活化谱参数，云外属于过度型核谱，云底之下300 m 范围内属于清洁大陆型核谱。

（6）积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x−616.3，拟合决定系数为0.96，气溶胶转化为云滴的比率为47%。过饱和度0.3%条件下，云下CCN 与云滴的线性拟合方程为y=1.6x−473.8，拟合决定系数也为0.96，CCN 转化为云滴的比率为69%。