胡向峰,孙 云,李二杰,范根昌 (1.河北省人工影响天气办公室,河北 石家庄 050021；2.河北省气象台,河北 石家庄 050021；3.河北省环境气象中心,河北 石家庄 050021；4.河北省气象与生态环境重点实验室,河北 石家庄 050021)

气溶胶浓度是大气环境质量的重要研究内容之一.同一地区污染源相对稳定的情况下,气象条件是影响气溶胶浓度的重要因素[1].近些年来,国内外很多学者开展了气溶胶特征分布与气象因素变化关系的研究.IPCC第4次评估报告[2]指出,气溶胶数浓度及气溶胶粒子尺度的时空分布是评估大气污染状况以及研究气溶胶与云相互作用的关键因子.Snide等[3]通过分析 ACE-2试验的观测资料,认为相对湿度是影响气溶胶粒子大小分布的重要因素之一;Liu等[4]对华北地区气溶胶分布特征进行了研究,指出边界层结构对气溶胶垂直分布特征有显著影响.孙玉稳等[5]、张佃国等[6]、黄海燕等[7]、马新成等[8]认为逆温层对气溶胶空间分布特征有重要影响.杨军等[9]认为高湿环境下气溶胶粒子吸湿增长,粒子谱型变宽.刘婷等[10]研究发现,相对湿度增大有利于爱根核模态的粒子向积聚模态转化.风速风向是影响气溶胶数浓度的重要因素.张仁健等[11]研究发现,相对湿度低于75%的条件下,气溶胶小粒子数浓度随相对湿度增大呈上升趋势.气-粒转化过程是小尺度大气气溶胶的主要来源.张瑜等[12]指出河北地区近地面气溶胶数浓度在非降水天气条件下强烈依赖于地面大气环境状况及逆温、风速等气象条件,降水天气条件下与地面大气状况及降水量密切相关.林俊等[13]、邱玉珺等[14]认为风速增大有利于气溶胶垂直输送和扩散.风通量越大气溶胶数浓度越低.苏捷等[15]、周黎明等

[16]发现风速较小的状态下,降水对积聚模态的气溶胶粒子清除作用不明显.范烨等[17],马梁臣等[18]发现边界层内的气溶胶数浓度阴天轻雾条件下大于晴天和雨天.马新成等[19]认为气溶胶垂直分布特征与理查森数、风通量等密切相关.Holzworth[20]研究发现混合层高度是影响大气污染物稀释和扩散的重要因素.李二杰等[21]指出,大气层结稳定,混合层高度低,逆温层深厚是影响河北中南部地区污染程度的重要因素.大量的观测结果表明,大气层结、混合层高度、逆温层、相对湿度、风通量等气象因子对大气气溶胶的空间分布特征有着重要影响.本文分析大气稳定度、混合层高度等对气溶胶空间分布特征的影响,研究气溶胶分布特征与气象条件的关系,对深入了解河北中南部地区不同天气条件下气溶胶的时空分布特征和物理特性提供参考.

1 观测概况

1.1 观测区域

河北省中南部是京津冀地区霾污染的重灾区.为研究该地区的气溶胶分布特征,选择石家庄市、邢台市隆尧县和保定市作为观测区.石家庄地处河北省中南部,东与衡水接壤,南与邢台毗连,西与山西为邻,北与保定相接.保定市地处河北省中部,位于石家庄的东北方向,距离石家庄约140km.邢台市隆尧县地处华北平原腹地,位于石家庄东南方向,距离石家庄约 83km.河北中南部地区的产业结构以钢铁、建材、化工、火电等高污染、高耗能企业为主,大气污染以烟煤型污染为主,大气环境污染形势十分严峻.

1.2 观测仪器

PCASP-100X 主要用途是气溶胶观测.探头的量程为0.1～3.0µm,由15个间隔不等的测量通道组成,分辨率为0.02μm. FSSP主要用于测量小云粒子,共有4个量程,每个量程又分成15个等间隔的通道,量程覆盖范围为 1～95μm. FSSP探头最小分辨率为1μm[22].

1.3 数据处理方法

1.3.1 粒子平均直径和数密度 计算公式：

式中：D为粒子平均直径(μm);Di为第i通道粒子的中值直径(μm);N(Di)是第 i通道的粒子数浓度(个/cm3);N为单位体积内气溶胶粒子总数浓度(个/cm3);n(Di)是[D,D+ΔD]范围内的气溶胶粒子数密度(cm-3⋅μm-1).

1.3.2 混合层高度表征 污染物在垂直方向被热力对流与动力湍流输送所能达到的高度,是影响污染物扩散的重要参数.混合层高度计算公式：

式中：MLH为混合层高度(m);T-Td为温度露点差(K);P为帕斯圭尔稳定度级别,大气稳定度级别为A～F(A～F依次为强不稳定、不稳定、弱不稳定、中性、较稳定、稳定)时,P值依次分别为1～6;UZ为高度Z处的平均风速(m/s);Z0为地表粗糙度;f为柯氏参数(S-1).

1.3.3 地表通风系数反应污染物的累积情况 地表风速越大越有利于污染物的扩散;反之,越有利于污染物的累积.地表通风系数的计算公式：

式中：VI为地表通风系数(m2/s);MLH为混合层高度(m);U为地面风速(m/s).

1.4 天气形势及飞机探测概况

2008年10月18日,欧亚中高纬度多短波扰动,主要影响系统为高空短波槽、低涡切变.华北中南部地区位于低涡槽前的正涡度平流区,地面为弱冷锋.8：00邢台探空表明,整层相对湿度较小,925hPa以下存在逆温层.地面观测实况显示,8：00隆尧位于锋前的弱气压场,地面风速较小.14：00隆尧转为东北风,风速 2m/s,地面观测有霾.受弱冷锋影响,石家庄早晨前后出现零星降水.19日白天保定、石家庄高空受弱脊的控制,地面为弱气压场,天气晴转多云.20：00邢台探空显示边界层存在逆温层.20日500hPa高空槽过境,低层配合有风切变,华北中南部有西南气流的水汽通道建立,水汽条件比较好,地面有倒槽向北发展.地面降水实况显示,石家庄市区20：00之前出现零星小雨,20：00～21：00 无降水, 21：00～22：00 小雨.

利用搭载PMS系统的夏延飞机观测平台对河北中南部地区的气溶胶特性进行了 3个架次航测.表1给出了10月18～20日的飞行概况.

表1 飞行概况Table 1 An overview of the flight status in October 2008

2 结果与讨论

2.1 数据统计结果表2给出了河北中南部上空气溶胶和云滴微物理量的统计结果.

2.2 大气气溶胶垂直分布特征类型

表2 河北中南部600～3900m的气溶胶及云滴特征统计Table 2 The statistical characteristics of aerosol and cloud droplet properties at heights between 600 and 3900m over central and southern Hebei

气溶胶垂直分布是在高低空天气形势配置下形成的.孙霞等[23-24]对 2006～2010年河北中南部地区104架次的气溶胶观测数据进行了统计分析,发现气溶胶垂直分布特征主要包括指数递减型(ED)、近地层高值型(SAL)、边界层高值型(BAL)3种类型.其中,ED型是指整层气溶胶数浓度随高度呈指数递减.SAL型是指气溶胶在边界层以下混合较好,数浓度随高度垂直递减率较小,气溶胶在地面至边界层之间累积.边界层以上数浓度随高度迅速减小. BAL型是指近地面气流上升运动较弱,边界层内气溶胶混合较差,数浓度随高度递减.边界层高度处气溶胶累积,形成气溶胶层.

2.3 不同天气条件下河北中南部大气微物理量的垂直分布特征

图1给出18、19、20日河北中南部上空的气溶胶数浓度、环境温度、粒子平均直径、相对湿度及云滴数浓度的垂直分布特征.本文对观测数据在高度上进行了50m间隔的算术平均.

图1 石家庄上空大气微物理量的垂直分布特征Fig.1 Vertical distribution of atmospheric micro-physics characteristic over Shijiazhuang

18日石家庄机场本场气温为23.1℃,地面风速4m/s.从图1a给出的气溶胶数浓度垂直廓线可以看出,气溶胶数浓度高值主要集中 1200～2300m 的中高空,1400～2100m 的数浓度变化范围为614.3～1145.0个/cm3,平均数浓度约975.3个/cm3,数浓度随高度起伏变化比较明显.18日石家庄气溶胶数浓度垂直分布特征接近于边界层高值型(BAL).由于午后大气热力和动力湍流作用加强,局地产生的气溶胶在湍流作用下向上输送.温度垂直廓线显示 600～3900m上空存在多个逆温或恒温层.受逆温层和恒温层的影响,气溶胶垂直输送受到抑制,导致气溶胶主要集中在 2300m以下.18日混合层高度约1028m,从数浓度垂直廓线可以发现,混合层以下气溶胶随高度分布相对比较均匀.2700m以上数浓度随高度变化趋势减缓,趋于背景气溶胶.600～3900m气溶胶粒子直径范围为0.16～0.22μm,表明18日雾霾天气条件下探测区域上空主要以细小粒子为主.从18日后向轨迹(见图3a)看出,观测区域1500m的气团由低层气团抬升而来.观测期间低层气团基本上在河北南部地区活动,气团移动速度缓慢,移动路径上受到了地面污染源的影响.3500m以上的气团主要由我国西北地区 7500m高空远距离输送而来.2500m附近粒子平均直径存在极值,这可能是由于高层气团携带的沙尘粒子重力沉降至该高度层所导致.

19日气溶胶数浓度垂直分布特征明显区别于18日.气溶胶数浓度高值集中在600m混合层高度附近,之后数浓度随高度增加而下降.1000m开始气溶胶数浓度开始累积增加,1250m出现峰值.1500～1700m 数浓度随高度迅速下降,2300m又出现峰值,2500m以上趋于背景气溶胶.19日气溶胶数浓度垂直分布特征属于近地层高值型(SAL).观测期间石家庄机场本场温度为19.0℃.由于夜间湍流混合作用减弱,大气层结趋于稳定,现,石家庄1260,1620,2360m附近存在3个较为明显的逆温层.结合湿度垂直廓线,从600m相对湿度开始增加,分别在1248,1602,2375m出现极值.由于逆温层与相对湿度峰值的共同影响,气溶胶数浓度在以上3个高度附近出现峰值或极值.这与张佃国等[6]对济南及周边地区大气气溶胶空间分布的研究得出的“逆温层附近和相对湿度的峰值区会产生较高的气溶胶数浓度”结论比较一致.后向轨迹显示,观测区域3500m气团主要由我国西北地区6000m高空经蒙古国输送至观测区域.

从图1a可以看出,20日气溶胶主要集中在边界层附近,数浓度垂直分布特征属于边界层高值型(BAL).受稳定的大气层结与较小地面风速(2m/s)的共同影响,气溶胶在中低空聚集,1100m附近出现峰值.20日600～1850m范围的气溶胶数浓度显著高于18、19日.边界层以上数浓度随高度迅速减少,2600～3400m 范围出现极值,3500m以上趋于背景气溶胶.从粒子平均直径垂直廓线可以看出,20日大粒径的气溶胶粒子主要分布在中高空.粒子平均直径随高度波动幅度较大,粒子尺度明显大于18和19日.云层对气溶胶垂直分布有很大影响.从图1e给出的云滴数浓度垂直廓线可以看出,1100m以下云滴数浓度小于10.0 个/cm3.根据 Hobbs等[30]和 Zhang 等[31]等关于云内与云外的判别标准,可推断1100m以下位于云底位置.云底云滴蒸发释放的气溶胶粒子可能是导致20日中低空气溶胶数浓度较高的另外一个重要原因.

从图2a可以看出,隆尧655～1717m的气溶胶数浓度随高度波动幅度较大,变化范围为813.4～2272.0个/cm3.18日的混合层高度为969m,混合层以下的气溶胶数浓度随高度波动起伏不大,数浓度变化范围为 1896.0～2272.0个/cm3,极值出现在 655m附近.地表通风系数小于3000m2/s,空气水平流动缓慢,使得人为排放产生的气溶胶水平扩散能力较差,导致气溶胶主要集中在近地面附近.另外隆尧14：00和20：00地面风速均为2m/s,较小的地面风速也是气溶胶出现累积的重要原因.根据宏观记录,1133,557m 的高空风分别为 356/16、8/8m/s(风向/风速).由于风速对气溶胶的水平扩散、输送及稀释的作用,不同高度层的高空风是影响气溶胶数浓度随高度波动起伏的主要气象因素之一.18日大气稳定度为B,大气层结不稳定.近地面气溶胶受湍流作用的影响向上垂直输送,但由于1450m附近存在的逆温层阻止气溶胶向上垂直输送,使得气溶胶数浓度在逆温层下1330 m附近出现累积现象.

从图2a可以看出,保定600～1500m的气溶胶数浓度随高度迅速减少,1500m以上随高度变化趋势减缓.稳定的大气层结(大气稳定度为 F)阻止气溶胶向自由大气垂直输送,使得气溶胶主要集中在1000 m以下.受1400、2650m附近逆温层和相对湿度峰值的共同影响,气溶胶在1249、2480m附近累积增加,数浓度出现极值2000～ 2500m范围的气溶胶数浓度与相对湿度呈正相关性,相关系数高达 0.71.这与张仁健等[11]对北京地区气溶胶粒子分布特征的研究结论在相对湿度低于 75%时,气溶胶粒子数浓度随相对湿度增加而减少;相对湿度为 39%的低湿条件下,数浓度与相对湿度呈正相关性,相关系数达0.65基本一致.

图2 隆尧和保定上空大气微物理量的垂直分布特征Fig.2 Vertical distribution of atmospheric micro-physics characteristic over Longyao and Baoding

数据统计结果表明,河北中南部地区近地面气溶胶数浓度变化范围为 904.4～3005.0个/cm3.这与其他研究[25-29]的观测结果相比明显偏小.这与奥运期间北京及周边六省市采取了大规模区域联防联控措施有关.地面人为排放源近似的前提下,近地面气溶胶数浓度的空间分布特征与混合层高度、逆温层、相对湿度、风向、风速及云区分布等气象条件密切相关.由于地处污染严重的工业区,隆尧近地面气溶胶数浓度显著高于石家庄和保定.阴天条件下的气溶胶粒子尺度比霾天和晴天大.相对湿度55%的条件下,爱根核模态的气溶胶粒子吸湿增长效应比较明显.

2.4 气溶胶来源与特性分析

图3给出了HYSPLIT后向轨迹模式计算的探测期间所观测气团的 48h后向轨迹.根据气团移动路径,分析了观测区气溶胶的来源和特性,以及远距离传输对气溶胶分布特征的影响.

从图3a、b看出,隆尧、石家庄低层气团移动速度缓慢,观测期间气团主要在河北南部活动,移动路径上受到了地面污染源的影响.石家庄3500m以上的气团主要从哈萨克斯坦经我国西北地区和蒙古国远距离输送而来.高层气团携带的沙尘粒子可能是导致石家庄中高空粒径出现峰值的重要原因.19日保定的气团后向轨迹与石家庄接近.从图3c看出,高层气团均从哈萨克斯坦经蒙古国、内蒙古地区远距离输送而来,移动速度很快.低层气团从我国西北地区经陕西、山西输送至观测区域,气团移速较慢.气团整体比较稳定,对流输送作用较弱,低层高浓度污染气溶胶很难到达高层.3000m以下气溶胶主要源自当地近地面污染源的排放.从图3d看出,20日5000m高层气团主要来源于青藏高原, 3500m气团主要来源于我国西南地区,含有丰富的水汽.观测期间1500、500m气团活动范围主要集中在河北东南部地区,由低层气团抬升形成.

图3 2008年10月18～20日48h后向轨迹Fig.3 The 48h back trajectories of air masses on Oct 18～20, 2008

3 气溶胶粒子谱分布特征

3.1 不同高度层的粒子谱

图4给出了600,1200,3900m的气溶胶粒子谱分布.从图4a看出,600m的气溶胶粒子谱离散度较小.18日隆尧与石家庄的粒子谱型基本一致,但粒子谱峰值隆尧比石家庄市高 1个量级.18日隆尧地面观测有霾.这可能是导致隆尧粒子谱峰值量级高达104的重要因素.19日晴空条件下保定600m粒子谱呈单峰分布,石家庄呈双峰分布.探测期间正值保定市交通晚高峰,受局地污染排放及城市功能区布局等影响,保定粒子谱峰值明显高于石家庄.20日石家庄600m相对湿度接近 55%.探测阶段正值交通晚高峰,机动车产生大量的爱根核模态气溶胶粒子,在高湿条件下向积聚模态转换.这可能都是导致600m 粒子谱峰值量级高达 104的重要原因.从图4b看出,18日隆尧1200m粒子谱呈双峰分布,谱峰值比石家庄高1个量级.这可能是由于隆尧上空大气层结不稳定,近地面气溶胶向上垂直输送,使得1200m的粒子谱峰值量级达到104.19日保定、石家庄1200m粒子谱分别呈单峰、双峰分布.受 1200m 逆温层的影响,石家庄粒子谱在0.11、0.185μm处出现峰值,粒子谱峰值明显高于保定.20日石家庄 1200m气溶胶粒子谱呈多峰分布,谱峰值向大粒子端偏移.从图4c看出,18、19日石家庄和保定的粒子谱均呈单峰分布,20日呈多峰分布.结合20日气团后向轨迹可知,3900m气团主要由我国西南暖湿气团抬升而来.气溶胶粒子吸湿增长使得粒子谱向大尺度方向偏移.霾天和晴天条件下,随着高度增加,气溶胶粒子谱分布中积聚模态峰值向小尺度方向偏移. 相对湿度、逆温层及气溶胶来源特性是影响气溶胶粒子谱分布状态的重要因素.

图4 不同高度层的气溶胶粒子谱分布Fig.4 The aerosol particle size distribution at different height levels

3.2 云不同部位的气溶胶粒子谱分布

根据Hobbs等[30]和Zhang等[31]对云内与云外的判别标准“FSSP测量的云粒子(3～50μm)总浓度≥10个/cm3,或OAP-2D测量的直径＞100μm的粒子总浓度≥0.1个/cm3”,结合云滴数浓度垂直分布廓线(图1e)和飞行宏观记录,可知石家庄上空以中低云为主.地面观测记录为蔽光高层云As.低云云底和云顶高度分别约 1100, 1580m.中云云底高度约 2150m,4000～4900m 存在夹层,5000～5400m 入云.5400m 机身结冰严重,飞机不能继续上升,因此中云云顶位置不能确定.

图5 云内不同部位的气溶胶粒子谱Fig.5 The aerosol particle size distribution at different part within clouds

从图5a看出,云内与云外的气溶胶粒子谱在小粒子端(0.11～0.28μm)均呈双峰分布,且谱型基本一致.这可能是由于 20日大气层结不稳定,湍流运动较强,1600m以下的气溶胶混合较为均匀,使得气溶胶粒子谱型比较接近.粒子谱峰值量级达 103,气溶胶主要集中在小粒子端.1.35～2.75μm 的气溶胶粒子谱型差异比较明显.从图5b看出,2100～2900,3080～3340m 的粒子谱分别呈3峰、多峰分布.5100～5369m的粒子谱在0.11～1.05μm 之间呈单峰分布,在 1.05～2.25μm 之间数密度小于 0.1个/cm3.中、低云粒子谱宽相同.粒子谱在4100～4400,4600～4900m之间均呈双峰分布,谱宽显著变窄.粒子谱宽云外比云内窄. 760～3340m的粒子谱峰值比4000m以上高出1个量级.云内气溶胶粒子谱峰值随高度迅速降低.

4 结论

4.1 大气层结稳定度、混合层高度、逆温层、相对湿度、风速、风向、下垫面及气溶胶来源特性等因素共同影响着河北中南部地区大气气溶胶的空间分布特征.

4.2 河北中南部不同天气条件下的气溶胶粒子谱型主要呈双峰或多峰分布.冷锋,弱气压场,倒槽控制的地面形势下,边界层内的气溶胶粒子谱分布呈现不同的特征.云内气溶胶粒子吸湿增长,粒子谱云内比云外宽.

4.3 边界层内的气溶胶粒子谱分布状态与逆温层、相对湿度、下垫面及粒子来源特性等密切相关.霾天和晴空条件下,随着高度增加粒子谱峰值直径向小尺度方向偏移.霾天和晴空条件下的粒子谱在小粒子端处的离散度比阴天小.

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致谢：向河北省人工影响天气办公室外场登机观测人员致谢.