王启花，张鹏亮，王丽霞，马学谦，刘 娜，颜海前，龚 静

(青海省气象灾害防御技术中心，青海 西宁 810001)

引 言

大气气溶胶是大气中颗粒物的总称[1]，气溶胶粒子数浓度、尺度的空间分布特征对气溶胶直接和间接辐射效应有重要影响[2-3]。气溶胶的直接效应表现在通过吸收和散射太阳辐射影响大气辐射收支平衡[4]；间接效应表现在参与云雾微物理过程，改变云雾微物理特征，从而影响降水的产生[5-6]。

我国先后利用PMS(particle measuring system)和DMT(droplet measurement technologies)仪器对气溶胶粒子分布特征进行了大量的观测研究。研究表明，气溶胶粒子垂直分布特征明显，大部分情况下，气溶胶数浓度随高度呈指数规律减少，在混合层上下粒子数浓度分布特征不同，且数谱在0 ℃层上下分布特征存在差异[7-10]。各地典型飞机观测个例分析发现，气溶胶粒子区域分布特征亦存在差异，如北京气溶胶数浓度超过6000 cm-3，细模态粒子主要分布在边界层内，粗模态粒子(沙尘)主要在边界层以上[11]；山西气溶胶粒子数浓度为1000 cm-3，主要为积聚模态粒子[12]。同时，气溶胶粒子分布特征与气象条件有明显的相关性，不同的气象条件使得气溶胶粒子分布特征差异明显[13-15]，气溶胶粒子数浓度与相对湿度正相关，与风速和温度负相关[16]。

由于受设备和经费限制，对气溶胶垂直分布的观测研究还很缺乏，而且，大气气溶胶时空分布复杂多样，因此需要在不同区域开展气溶胶探测分析。青海省格尔木地区位于柴达木盆地中南部，土地类型主要以盐碱地、沙地、戈壁为主，作为青藏高原最大的沉陷区，对全球气候变化具有较好的指示作用[17]。因此在格尔木地区开展气溶胶探测分析，对了解该地大气气溶胶背景具有重要意义。本研究利用2011年和2013年飞机探测得到的格尔木地区的气溶胶粒子数据，对该地气溶胶粒子数浓度垂直分布及气溶胶谱分布特征以及不同模态气溶胶数谱的分布特征进行分析。

1 资料与方法

1.1 观测地点及背景

格尔木位于青海省西部、柴达木盆地中南部，平均海拔2780 m，是典型的高原内陆盆地干旱气候，因该地区气候干燥，因此荒漠化严重[18-20]。格尔木地形复杂，北部及西部主要以沙地、戈壁和盐碱地为主，东部和南部主要为草地、戈壁滩和其他未利用的土地，人为活动主要集中在格尔木市区及其西北部地区(图1)。与华北、华东等其他区域相比，格尔木地区气溶胶粒子主要为沙尘、盐等粒径较大的粒子，小粒子相对较少。

图1 青海省土地利用类型分布

1.2 飞机飞行方案及仪器介绍

运-12飞机搭载了美国DMT(droplet measurement technologies)公司的粒子测量系统，于2011年和2013年在青海三江源地区实施了飞机观测实验。粒子测量系统包括：PCASP-SPP200(大气气溶胶探头)、CCN-200(云凝结核计数器)、CAS(云、气溶胶粒子探头)、CIP(云粒子图像探头)、PIP(降水粒子图像探头)、AIMMS-20(飞机综合气象要素测量系统)、LWC-100(热线液态水含量探头)等。本文主要用到的是PCASP-SPP200和AIMMS-20 。PCASP-SPP200由美国DMT公司设计生产，利用Mie散射原理测量大气气溶胶粒子分布特征。PCASP-SPP200测量0.1～3 μm粒径范围内的粒子，通道数为30，其中粒径范围位于0.1～0.18、0.18～0.3、0.3～0.6和0.6～3.0 μm的通道间距分别为0.01、0.02、0.1和0.2 μm，采样频率为1 Hz[21]。AIMMS-20主要用于测量温度、相对湿度、风速、风向、GPS轨迹(包括飞行经度、纬度、高度的三维坐标显示)等[22]。

采用HYSPLIT-4.9(hybrid single-particle Lagrangian intergrated trajectory)模式来分析气溶胶的来源，轨迹计算时选用的高度为距地高度(AGL, above ground level)[23-24]。

1.3 飞行资料

选用2011年7月25日、27日、8月2日、9月16日和2013年9月1日5飞行架次的气溶胶和气象要素数据进行分析，气溶胶数谱分布特征采用的数据为飞机在格尔木上空垂直上升和下降时5000 m高度以下的云下气溶胶数据。由于PCASP-SPP200观测的0.1 μm和0.11 μm通道气溶胶数据误差较大，故气溶胶数浓度和数谱分布剔除这两个粒径的数据。

2 结果与讨论

2.1 气溶胶来源的后向轨迹

应用HYSPLIT后向轨迹模式对格尔木地区72 h后向轨迹进行模拟，初始高度分别为距地100 m(655 hPa)、2400 m(495 hPa)和4500 m(375 hPa)。图2为2011年7月25及27日、8月2日、9月16日和2013年9月1日格尔木气溶胶72 h后向轨迹。可以看出，距地100 m高度气溶胶主要来源于格尔木北部的地面气溶胶，北部主要为沙漠、盐湖等地形，故该层的气溶胶主要为沙尘、盐粒子等大粒径气溶胶粒子；距地2400 m高度气溶胶传输主要分为高层传输和低层传输，其中7月观测日2400 m高度层气溶胶主要来源于格尔木西南部及西部同高度层及更高层，而8月和9月观测日，气溶胶主要来自格尔木北部和西南地区的低层气溶胶；距地4500 m高度气溶胶粒子路径有3条，分别为源于东欧平原、途径塔克拉玛干沙漠到格尔木；源于阿拉伯半岛、途经阿拉伯海、青藏高原到达格尔木；源于印度半岛、经过喜马拉雅山到达格尔木。

图2 2011年7月25日(a)及27日(b)、8月2日(c)、9月16日(d)和2013年9月1日(e)格尔木气溶胶72 h后向轨迹

2.2 气溶胶数浓度随高度分布

图3为观测日格尔木不同粒径气溶胶数浓度随高度变化。可以看出，格尔木低层主要为局地气溶胶，高层主要为输入型气溶胶，且各高度层气溶胶数浓度小，各观测日均小于500 cm-3，另外气溶胶数浓度随高度升高减小。在低层，各观测日气溶胶粒子有效粒径DE为1～2 μm；在3500～5000 m高度，气溶胶粒子DE趋于增大，为2～3 μm；高度大于5000 m时，DE<1 μm。这主要是由于该地区低层气溶胶主要来源于格尔木及其北部地区的地面，该区域人为活动较少，人为排放的小粒径粒子较少，小粒子中有一大部分为粒径更小的生物质气溶胶，且该地区周边有盐湖及沙漠地区，而盐粒子及沙尘气溶胶均为粒径较大的粒子，故该地区各观测日粒子DE较大，均大于1 μm；随高度增高，在3500～5000 m高度(距地高度700～2200 m)，气溶胶主要来源于地面及同高度层近距离传输，这些区域亦为盐湖、戈壁和沙漠，气溶胶粒子粒径亦更大；高度更高时，气溶胶大粒子转换成云凝结核、云雨粒子，观测到的气溶胶粒子DE变小。

图3 观测日格尔木不同粒径气溶胶数浓度随高度变化(圆圈的大小代表气溶胶粒子粒径大小，图例中给出了代表性粒径的圆圈大小，下同)

2.3 气象要素对气溶胶数浓度的影响

温度、相对湿度、风向、风速等气象要素对气溶胶粒子水平和垂直方向的混合、吸湿能力等具有重要影响[25-27]。图4为各观测日格尔木不同温度、不同相对湿度下不同粒径气溶胶数浓度随高度的变化以及不同风速风向时气溶胶数浓度分布。可以看出，各观测日格尔木温度随高度升高降低，没有逆温层出现；相对湿度随高度升高而增大。4200 m以下温度大于0 ℃，相对湿度小于50%，高温低湿不利于粒子凝结增长，但有利于地面粒子向高层扩散，气溶胶粒子主要为局地粒径较大的盐和沙尘气溶胶；高度大于6000 m时，相对湿度大于70%，温度小于-5 ℃，高湿低温的环境有利于气溶胶大粒子转化为云、雨粒子，从而大粒子减少，小粒子增多。格尔木以西北、西南及偏西风为主，偏西风和西北风时气溶胶粒子数浓度较大，粒子数浓度均超过450 cm-3，此时风速为15～25 m·s-1，影响气溶胶数浓度的粒子为距地1000 m以下的以沙尘和盐粒子为主的局地气溶胶粒子。

图4 观测日格尔木不同温度(a)及不同相对湿度(b)下不同粒径气溶胶数浓度随高度的变化以及不同风速风向下气溶胶数浓度分布(c)

2.4 格尔木气溶胶数谱分布特征

粒径为0.4 μm时，气溶胶粒子数观测值均为0，考虑为仪器原因，故删除0.4 μm粒径气溶胶数据。图5为观测日格尔木气溶胶数谱分布。可也看出，格尔木气溶胶数谱呈多峰分布，在粒径小于0.2 μm时气溶胶粒子数最多，随粒径增大，在0.3～0.6 μm粒径段，达第2峰值，在1.8～2.8 μm粒径段达第3个峰值。

图5 观测日格尔木气溶胶数谱分布

为定量了解格尔木气溶胶数谱分布特征，对该地区气溶胶数谱dN/dln(D)进行多模态的对数正态分布拟合[28]。具体拟合公式如下：

(1)

式中：D为粒径；Ni，σg,i和Dg,i分别为第i(i=1,2,3)模态粒子的数浓度、粒径几何标准差和几何平均粒径；第1、第2和第3模态粒径段分别为0.1～0.2 μm、 0.2～1 μm和1～3 μm。3个模态Ni和σg,i初值均分别为100 cm-3和1.3 μm。由于Dg,i的取值对拟合结果较敏感，只有少数取值能达到要求，故Dg,i在各模态粒径区间内随机取值。

图6为观测日格尔木3个模态气溶胶数谱对数正态拟合。可以看出，格尔木不同模态气溶胶数谱谱宽第2模态>第1模态>第3模态。气溶胶数浓度第1模态>第2模态>第3模态，第1模态数浓度达361.9 cm-3，第3模态的数浓度仅为6.84 cm-3；气溶胶粒子平均粒径第1、第2和第3模态分别为0.12、0.29和2.00 μm(表1)。

表1 观测日格尔木3个模态气溶胶数谱对数正态拟合参数

图6 观测日格尔木3个模态气溶胶数谱对数正态拟合

图7为格尔木、天津[29]和北京[30]第1、第2模态气溶胶数谱对数正态拟合。可以看出，天津和北京地区气溶胶数谱谱宽第1模态较第2模态宽，而格尔木气溶胶数谱谱宽第2模态较第1模态宽。第1模态，天津气溶胶数谱谱宽最宽，其次为格尔木，北京最窄，这可能是由于天津靠海，有较多粒径较大的海盐粒子传输到天津，而且人为排放的小粒径粒子也较多。第2模态，格尔木气溶胶数谱谱宽最宽，其次为天津，北京最窄，可能是由于格尔木地形复杂，其周边以盐碱地和沙地为主，其南边亦有大范围草地，且格尔木光照强烈。第1模态和第2模态气溶胶粒子数浓度北京最高，格尔木最低；气溶胶粒子的平均粒径北京最大，格尔木最小。

图7 格尔木、天津和北京地区第1模态(a)、第2模态(b)气溶胶数谱对数正态拟合

同一模态不同地区气溶胶数谱分布不同：第1模态，气溶胶粒子数浓度北京为格尔木的100倍左右，天津为格尔木的10倍左右；第2模态，气溶胶粒子数浓度北京是天津的2倍左右，是格尔木的10倍左右。粒径大于1 μm时，气溶胶粒子数浓度格尔木大于天津和北京，且随粒径的增大，这种差距亦越明显。

3 结 论

(1)格尔木距地100 m高度气溶胶源于其北部地面；距地2400 m高度气溶胶，7月观测日源于其西南及西部高层，8月和9月观测日来自其西南和北部地面。距地4500 m高度气溶胶，部分源于东欧平原，途经塔克拉玛干沙漠到达格尔木；源于阿拉伯半岛，途经阿拉伯海到达格尔木；还有部分源于印度半岛，经喜马拉雅山到达格尔木。

(2)格尔木低层为局地气溶胶，高层为输入型气溶胶，气溶胶数浓度各观测日均小于500 cm-3，且数浓度随高度减小。气溶胶粒子有效粒径在低层为1～2 μm，随高度升高，有效粒径增大，随高度继续升高，有效粒径变小。

(3)各观测日格尔木温度随高度升高降低，没有逆温层出现，相对湿度随高度升高增大。各观测日格尔木主要为西北、西南及偏西风，西南、西北风时气溶胶粒子数浓度较大，粒子数浓度超过450 cm-3，此时风速为15～25 m·s-1。

(4)格尔木气溶胶数谱呈多峰分布，在0.1～0.2 μm粒径段气溶胶粒子数达到最多，随粒径增大，0.2～0.6 μm粒径段达到第2个峰值，1.8～2.8 μm粒径段达到第3个峰值。

(5)通过对格尔木3个模态气溶胶数谱进行对数正态分布拟合发现，气溶胶粒子数浓度第1模态>第2模态>第3模态；气溶胶数谱谱宽第2模态>第1模态>第3模态。同一模态格尔木与天津和北京对比发现，第1模态气溶胶数谱谱宽天津最宽，北京最窄，第2模态格尔木最宽，北京最窄；第1模态和第2模态粒子数浓度北京均最高，格尔木均最低；粒子平均粒径第1模态和第2模态均为北京最大，格尔木最小。