马学谦 郭学良 刘 娜 张玉欣 韩辉邦 康晓燕

1)(青海省人工影响天气办公室， 西宁 810001)

2)(中国科学院大气物理研究所， 北京 100029)

引 言

气溶胶通过直接效应和间接效应影响气候变化，大气中的气溶胶粒子吸收和散射太阳辐射影响地-气系统的辐射收支，称为直接效应。气溶胶粒子作为云凝结核(cloud condensation nuclei，CCN)或冰核(ice nuclei，IN)影响云的微物理过程，以及气溶胶浓度变化影响云的光学特性、云量、云的寿命等，云的变化影响气候，称为间接效应[1-4]。间接效应是影响气候的两种效应中不确定性最大的。针对间接效应国际上开展了大西洋层积云转换试验(ASTEX)、印度洋试验(INDOEX)、南半球海洋、东北大西洋和亚洲东北部(ACE)等气溶胶特征的大型综合观测试验[5]，研究气溶胶时空分布特征、理化特性及其对云微物理和降水过程的影响。我国科研工作者在特定地区也开展了同类试验[6-7]，如环北京地区和四川盆地开展的飞机观测试验，研究表明：北京地区的气溶胶垂直浓度分布差异较大，低层以污染物为主，数浓度达103cm-3，高层西风携带的西北地区沙尘气溶胶含可溶性成分，易成为CCN；四川盆地外源输入影响较小，以当地污染物为主，核化率为17%左右。近年，内陆地区通过开展大量观测试验，在气溶胶及其机理研究方面取得较大进展[8-18]，但青藏高原地区受自然条件和科技基础等因素影响，观测试验研究较少，尤其是垂直观测试验。

青藏高原(以下简称高原)既是我国乃至亚洲重要的生态安全屏障区，也是全球气候变化的敏感区和影响严重区[19-24]，深入研究该地区气溶胶特征不仅具有重要的科学意义，还具有业务应用价值。高原长期站点监测和短期强化观测表明，高原不同地区的气溶胶时空分布、传输过程和机理相差很大[25-29]。20世纪50—60年代高原西部和北部的冰川融化中发现欧洲黑碳高排放有重要影响[30]；80年代中期以来，在高原东南部、南部的雪冰研究中得出南亚地区的黑碳排放占主导作用[28-31]，并且这些污染物跨境传输至高原对其生态系统产生负面影响[30]。研究表明：气溶胶是通过跨越喜马拉雅山、山谷风和山脉南北坡局地环流耦合3种方式实现跨境传输，特别是“南亚通道”关键区的雅鲁藏布大峡谷和季风作用是重要的跨境传输途径，使高原地区气溶胶时空分布呈明显的季节振荡[31-32]。利用观测和MODIS数据以及数值模式模拟分析发现，各地气溶胶具有明显的季节、日变化差异[33-39]，高原上空的下平流层也存在明显的季节振荡和日变化特征，该层的气溶胶数浓度呈冬季最大、春秋季次之、夏季最小的特征[37]。夏季上对流层的下方也存在浓度极大值，其他季节位于上对流层上方，且季风期间亚微米颗粒物数浓度较高，表现为季风前期(春季)高、季风期(夏季)低, 这也反映南亚棕色气团爆发和夏季风降水清除作用[32-43]。高原的气溶胶除外部海盐、粉尘等的输入外，夏季旺盛的对流活动和高海拔地形也极易扬升本地粉尘至西风急流区，进入上对流层和下平流层区域，导致此层出现沙尘，且沙尘数浓度显著小于地面，就此而言高原本身也是一个重要的粉尘源地[40]。在高原青海瓦里关站和五道梁站的近地面观测表明：春季气溶胶数浓度是夏秋季的1.75倍，且秋季高于冬季[41-42]，略有别于上对流层。以上利用遥感、模式、物质跟踪、地面监测等方法开展的气溶胶分析研究，主要针对上对流层和近地面的局地，可大体了解气溶胶的时空分布概况及其传输过程，但对高原核心区和重点生态关注区并未开展精细的观测分析，也未实施垂直和水平方向上更广泛的气溶胶观测研究，针对以上薄弱环节，开展该地区的气溶胶空间分布、输入路径以及核化特征方面的研究，不仅有利于优化数值模式基础参数，也为当地生态保护修复提供气溶胶-云-降水之间相互转化机理方面的科学依据[44]。

1 飞机观测试验

1.1 观测区特征

青藏高原中东部主要指黄河、长江和澜沧江的发源地及其以北的格尔木地区(图1)。该地区南部称为三江源，平均海拔高度为5.0 km左右(文中若无特别说明均为海拔高度)，属高原大陆性气候，年平均降水量为100～700 mm，降水时空分布差异较大，南部多、北部少，夏秋季降水约占全年降水量的70%。夏秋季受南亚大槽、东亚季风和高原地形的共同影响，高原中东部盛行西南暖湿气流、东南倒灌气流以及西北冷空气，因而气流携带的气溶胶特征也有较大差异。

图1 青藏高原中东部试验区及其飞行观测区(黑实线为河流或湖泊，虚方框为试验区或飞行观测区，填色为地形高度)

观测试验范围为3.9×105km2，因试验区内部差异大，将试验区按照地形高度、人类活动、天气系统影响以及地表特征等因素划分为4个飞行观测区，分别为格尔木地区(A区)、长江源区(B区)、三江共源区(黄河、长江、澜沧江共同水源区，C区)和黄河上游河曲地区(D区)，详见图1和表1。格尔木地区位于柴达木盆地西部，高度约为2.9 km，在4个飞行观测区中高度最低，该区有盐湖工业，生产钾肥、食盐等无机盐和矿物，西部为沙漠或戈壁滩，南部为昆仑山脉，飞机观测起降场为格尔木机场。长江源区有西北—东南走向的巴颜喀拉山，南部有唐古拉山，平均高度约为5.0 km，最高山顶达 6.7 km，发源了北麓河、沱沱河等长江源支流。三江共源区北部湖泊众多，有黄河源头的扎陵湖和鄂陵湖，中南部有巴颜喀拉山和唐古拉山系，是长江和澜沧江源头的重要水源地。黄河上游河曲地区地势西高东低，阿尼玛卿山系位于中西部，该区中东部形成黄河上游“第一弯”，是黄河上游重要水源补给区。受天气系统影响，试验期间将格尔木地区、三江共源区和黄河上游河曲地区作为重点观测区。

表1 青藏高原中东部4个观测区特征

1.2 观测试验天气系统概况

2011年和2013年夏秋季，在高原中东部共开展11架次飞行观测试验，其中2011年6架次，2013年5架次，具体飞行观测时段、垂直范围，以及天气系统和大气宏观要素详见表2。由表2可知，夏秋季高原中东部以低压槽或低涡天气系统为主，其中7次试验为低压槽，除2011年9月16日500 hPa槽线滞后于400 hPa槽线外，其余6次均表现为500 hPa 槽线超前400 hPa槽线；另外，2次为低涡系统，1次为高压天气系统，1次为平直西风气流。天气系统分析表明：试验区500 hPa与400 hPa天气系统类似，500 hPa天气系统较强，范围变窄，如400 hPa为宽广低压槽时，长江源区、三江共源区和黄河上游河曲地区位于槽底，盛行西风或偏西西北风，对应500 hPa为低压槽或低涡，天气系统和降水区均位于三江共源区和黄河上游河曲地区。飞行观测试验垂直范围为2.8～8.5 km，零度层高度位于4.2～5.1 km，温度跨度为-28～23 ℃，根据雷诺数可知试验天气均具有对流特征。

表2 飞行观测试验及天气系统气象要素观测概况

1.3 机载观测仪器

试验采用美国微滴测量技术公司(DMT)的仪器，包括被动腔式气溶胶探头(PCASP-100X)、双云室云凝结核计数器(CCN-200)、综合气象要素测量系统(AIMMS-20)、云气溶胶测谱仪(CAS)，以及云粒子图像探头(CIP)和降水粒子图像探头(PIP)。2011年5月全套仪器安装在运-8飞机机腹两侧和机头前顶部，按飞行方向，PIP安装在机腹右侧下方，CIP和CAS位于右侧上方；PCASP-100X安装在机腹左侧上方，水平位置与右侧CIP位置一致，AMMIS-20安装在左侧中间支架。整套仪器离机头顶点6.0 m，支架顶点离机身1.0 m，CAS离机身最近为0.4 m，AIMMS-20离机身1.5 m，CCN-200进气口位于机头前顶部[45]。经计算，正常飞行状态下安装点机身表面负压层厚度小于0.1 m，因而以上安装探头在飞行状态下均处于非扰动环境中，采样结果受安装位置影响较小。

PCASP-100X主要测量空气中粒径为0.1～3 μm 的气溶胶粒子，分为30个间隔不等的测量通道，可对观测装置加热，得到干气溶胶的信息。CCN-200内设两个高为50 cm、内径为2.3 cm的圆柱型云室，两个云室同时工作，互不干扰，且独立设置0.07%～2%可固定或循环的过饱和度状态，两个云室可设置不同的初始过饱和度，进行动态循环观测。AIMMS-20主要测量大气温度、湿度、飞行轨迹、飞行参数等气象宏观要素和飞机动态参数。CAS可测量粒子前向散射和后向散射，文中统一利用前向散射测量值，其测量范围为0.61～50 μm，共分30个通道，按粒径从小到大分辨率分别为0.07，0.5，0.7，2.5，5 μm，用于测量霾、沙尘、云滴等粒子。CIP和PIP主要测量粒径为25～6200 μm的云和降水粒子，文中不涉及这两种仪器的数据使用。其中CAS，CIP和热线液态含水量仪(LWC)以及真空速、温压湿等常规气象参数整合为一种仪器，称为云气溶胶降水谱仪(CAPS)。所有仪器观测前均经过地面和飞行标校，观测试验中整套仪器采样频率设为1 Hz，按运-8飞机真空速，可得到110～180 m空间的气溶胶和CCN数浓度、粒径和数谱的平均特征。

1.4 数据处理及方法

利用AIMMS-20，PCASP-100X，CAS前向散射及CCN-200采集的数据，分析夏秋季高原中东部气溶胶的数浓度空间分布和核化特征。虽然飞行观测前整套仪器进行了标定，但在飞行过程中受爬升、气流、操控等各类因素影响，航发输出电压经逆变器后存在电压起伏，导致观测仪器输入电压和激光电压不稳，引起数据质量下降，为此，需进行数据质量控制，方法有阈值法、同步法、对比法、统计法。阈值法利用硬件固有特性或飞行状态参数得到各种参量的阈值，剔除阈值范围外的数据，如激光器电流电压阈值、飞行姿态阈值等。同步法以AIMMS-20采集的定位、大气参数等为基准数据，其他仪器与其实现时间同步，若AIMMS-20数据出现异常，其他仪器对应时段数据均做剔除处理。对比法利用DMT不同仪器同步测量同种参量，如温度既可以由AIMMS-20测量，也可以由CAPS测量，利用Baumgardner[46]求两种仪器相关系数和均方根误差的方法进行对比分析。统计法计算经以上方法控制后的数据量占未进行质量控制的数据量的百分率，值越低说明观测过程中其他因素影响越多，该方法常用于检测仪器的稳定性和数据可用量。以上数据质量控制分析表明CAPS观测的温度比AIMMS-20偏高5～7℃左右(AIMMS-20与格尔木探空站相比，偏差为0.5～1℃)，受飞行状态影响，气压偏差为8%～23%，真空速两者误差最小，偏差为0.1%～0.4%，相对湿度偏差为4%～9%。另外，飞行状态和大气环境对观测影响分析表明：直线平飞、相对湿度为65%～80%(AIMMS-20数据)、真空速为110～130 m·s-1时，PCASP-100X和CAS同步观测的0.6～3 μm重叠区的粒子数浓度取对数后相关系数为0.38，误差约为1.5%。综合各类因素，用AIMMS-20观测的大气宏观要素值优于其他观测仪器。

云滴的存在对CCN的观测结果有较大影响，为研究气溶胶及其核化特征，需要剔除云内数据。不同研究者使用不同的标准，缺乏相互之间的比较研究，参考大多数研究者的工作[47-48]，定义CAS仪器3～50 μm的数浓度小于10 cm-3为云外数据，反之为云内数据。同步利用CCN-200双云室优势，在观测中设定不同初始过饱和度进行动态循环采样，可获取不同过饱和度下的CCN数浓度数据。

2 结果分析

2.1 格尔木地区(A区)气溶胶特征

2.1.1 平均数浓度和数谱的垂直分布特征

图2为夏秋季格尔木机场起降11架次过程中PCASP-100X采集的数据，经质量控制和条件筛选，得到高度间隔为200 m不同盛行风向和风速下的气溶胶平均数浓度(Na)和体积直径(Dv)随高度的垂直分布特征，其中部分高度缺测可能由起降阶段无此盛行风向造成，如3.5 km高度以下无0°～180°风向，即未出现偏东北、东、偏东南风，这也比较符合夏秋季格尔木近地面风向特点。由图2可知：①当盛行东北、东、东南风时(风向0°～180°，黑色线段)，可分为两层，一层为3.6～5.2 km高度，另一层为6.2～8.2 km高度。第1层气溶胶平均数浓度随高度升高先降低(4.3 km高度)后升高，对应图2b的体积直径也呈现随高度升高先减小后增大特征，分析表明当地盛行东风，特别是东南风时，常有低层水汽输送，同时，零度层也位于4.2～5.1 km高度，说明该层中上层受云降水清除影响，气溶胶数浓度和体积直径均呈下降特征。第2层随高度升高气溶胶数浓度总体呈升高态势，至8.0 km高度最高达104cm-3左右，但各高度体积直径差异较大，6.2 km 高度和7.2～7.4 km高度体积直径约为2 μm，其余高度体积直径在0.3 μm以下，根据高度和当地地形，6.2 km高度气溶胶可能由近地面风吹粉尘引起，对应的风速约为40 m·s-1，7.2～7.4 km高度气溶胶可能由高原夏季旺盛的对流形成的，其余高度层出现的数浓度最高为8×103cm-3，体积直径最小为0.1 μm，对应的风速为25～45 m·s-1，这可能主要由外源输入形成。②当盛行西风时(风向181°～270°，红色线段)，也可分为两层，一层为6.5 km 高度以下，另一层为6.5 km高度以上。第1层除零度层4.2～5.1 km高度外，气溶胶数浓度随高度升高呈逐步下降特征，平均数浓度为1.5×103cm-3左右，对应体积直径也总体呈下降特征，其中零度层高度数浓度总体先升高后降低，体积直径先大后小再变大，对应风速为40 m·s-1以上，这可能由零度层抑制上升气流或较大风速携带的沙尘引起。6.5 km高度以上，气溶胶数浓度先减小，体积直径同步减小，至7.2 km高度体积直径最小为0.1 μm。随后，数浓度阶段性上升，最高达1.5×103cm-3，对应体积直径介于0.2～0.5 μm。盛行东风时，7.2～7.4 km高度数浓度为1.5×103cm-3、体积直径为1.0～1.5 μm 的气溶胶颗粒在盛行西风时此高度特征不明显。8.0 km高度的东西风数浓度相比，盛行东风比盛行西风输入的亚微米颗粒粒径偏小、数浓度偏高。

图2 格尔木地区不同风向风速下气溶胶平均数浓度和体积直径随高度的垂直分布及偏差(圆圈大小表示风速大小，不同颜色的纵向线段表示风向范围内的平均数浓度或体积直径随高度变化，横向线段表示数浓度或体积直径的偏差)

为详细了解盛行西南风和西北风输送气溶胶差异，图2c和2d分别为不同风向风速下的气溶胶数浓度和体积直径。由图2c和图2d可以看到盛行西南风(181°～270°)且风速达40 m·s-1时，3～4 km高度数浓度约为2×103cm-3，随高度升高数浓度相对稳定，对应体积直径为0.5～0.8 μm，随高度升高呈减小特征，这可能由机场南部的昆仑山口在西南风作用下风吹起粉尘形成。5～6 km高度也可能由此种方式形成。6.5 km高度以上数浓度先下降后升高，粒径约为0.3 μm，各高度层差异可能由不同天气系统下盛行风向不同，气溶胶来源地略有差异引起。盛行西北风时与西南风的差异主要表现在5 km 高度以下、6.2 km高度和7.6 km高度，其中5 km高度以下西北风时数浓度随高度升高和风速增大明显变大，但体积直径维持在0.5～0.8 μm，说明在西南风或西北风情况下，5 km高度以下主要以沙尘气溶胶为主。6.2 km高度出现的低数浓度、大体积直径也可能是沙尘气溶胶。7.6 km高度的高数浓度、体积直径为0.4 μm的气溶胶可能是人为气溶胶，且各高度的差异可能由天气系统差异引起。

综上，格尔木地区气溶胶在不同盛行风向下各高度层数浓度和体积直径差异较大。盛行东风时，低层的数浓度和体积直径均比西风低，在6.2 km 高度和7.2～7.4 km高度出现沙尘，但数浓度相比低层略小，但有时采样点不同，数浓度可能偏高。盛行西风时，低层均为沙尘气溶胶，西北风情况下随高度升高和风速增大沙尘数浓度升高，高层除6.2 km 高度西北风情况下出现沙尘外，其余高度层均由不同天气系统影响下外源输入亚微米颗粒形成。

图3分别为用PCASP-100X(粒径为0.1～3 μm)和CAS前向散射(粒径为0.6～50 μm)数据每间隔100 m高度求出格尔木地区的气溶胶平均谱(dNa/dDe)垂直分布，其中De为有效直径，表现为0.1～0.5 μm和0.5～50 μm两种谱型，每种谱型均包含多峰特征。图3a为PCASP-100X采集的粒径为0.12～3 μm的气溶胶粒子，可知6.0 km高度以下0.1～0.5 μm谱型中呈多峰特征，峰值分别位于0.12 μm，0.15 μm 和0.25 μm，除4.5 km高度受零度层云降水清除影响外，其余高度上下谱型基本一致；6.0～8.0 km高度由多峰谱转为双峰谱，0.25 μm峰值消失，第1峰值0.12 μm 的数浓度随高度升高，最高达103cm-3，且随高度升高0.12 μm峰值具有向右拓宽的特征。图3b为CAS前向散射测量的粒径为0.6～50 μm且剔除云后的平均谱垂直分布，其中0.6～3 μm范围与PCASP-100X测量的该范围谱分布特征除数浓度有一定差异外，谱型基本一致。0.5～50 μm谱型中6.5 km高度以下，多峰特征明显，峰值分别为1.0 μm，2.5 μm，7.5 μm和15 μm，峰值数浓度随高度升高也呈明显下降趋势，特别是2.5 μm和15 μm峰值数浓度下降明显；7.5 μm，15 μm 以及30 μm峰值在7.0 km高度以上数浓度又出现增加特征，根据与风向风速垂直分布分析，这可能由东风携带的沙尘引起。以上表明格尔木地区6.5 km高度以下气溶胶谱呈多峰特征，数浓度随高度升高呈明显下降趋势，以粒径为0.12～0.3 μm和0.7～3 μm的粒子为主，7～9 μm沙尘为辅；7.0 km高度以上的3～50 μm粒径分布具有与近地面类同的谱分布特征，可能与高原局地对流活动和风吹起尘有关，抬升地表粉尘至7.0 km高度以上(距地1.0 km高度左右)在高空形成多峰分布特征。

图3 格尔木地区气溶胶平均谱垂直分布特征

2.1.2 水平输入特征

图4为格尔木地区气溶胶平均有效直径和平均数浓度与风向风速的关系，象限内的任意一点与原点连线并与纵坐标正向成夹角，夹角表示风向，任意点与原点的连线表示风速。由图4a看到，格尔木地区粒径超过0.6 μm的气溶胶粒子主要由风速小于10 m·s-1的偏西到偏东北风和风速大于25 m·s-1的偏西南到偏西北风输入，配合图4b可知，风速大于25 m·s-1的偏西南到偏西北风输送的气溶胶数浓度大于5×102cm-3，甚至高达1.5×103cm-3，对照图2a和2c，这与5.0 km高度以下的低层或6.2 km 高度以及7.2～7.4 km高度输送的沙尘有关。粒径小于0.5 μm的粒子主要由风速约为20 m·s-1的偏西南至偏西风和风速约为10 m·s-1的偏南风输入至格尔木地区，对应图4b偏西南风输入的数浓度为103cm-3左右，偏南风输入的数浓度高达2.5×103cm-3，后者低速输入的数浓度较高的亚微米粒子可能与局地交通工具爬越昆仑山过程排放的气溶胶粒子有关。以上说明格尔木地区粒径大于0.6 μm的气溶胶粒子主要由强的偏西南风到偏西北风和弱的偏北风输入，粒径小于0.5 μm的粒子主要由强的偏西南风和弱的偏南风输入。格尔木地区的气溶胶空间分布特征不仅与当地或临近地区地表特征有关，也与当地盛行风向风速密切相关，还受道路交通的影响。

图4 格尔木地区的气溶胶粒子平均有效直径(De)(a)和平均数浓度(Na)(b)与风向风速的关系

2.2 高原中东部的气溶胶及其核化特征

2.2.1 空间分布特征

高原中东部是夏秋季高原天气系统形成和发展的核心区域，了解夏秋季该地区6.0～8.5 km高度的气溶胶水平空间分布特征，可为气溶胶-云-降水研究提供基础观测数据和数值模式参考值，也可为飞机人工增雨作业播撒量提供重要观测依据。图5a 为试验区航线上剔除云内数据后间隔10 s(约1～2 km 距离)的气溶胶有效直径和数浓度平均分布状况。气溶胶数浓度(色标)分布总体呈西北部高、东南部低的空间特征，其中格尔木地区、长江源区西部、三江共源区西南部及北部和黄河上游河曲地区东南部的数浓度局部偏高，大于1.5×103cm-3，其余地区数浓度偏低。从有效直径分布可知，长江源区、三江共源区以及黄河上游河曲地区，以粒径小于0.5 μm为主，其中三江共源区西南部(共和至玉树高速)、黄河上游河曲地区中东部(部分省道)观测的粒径大于0.5 μm，经初步分析，可能与交通路线或局地沙漠有关，三江共源区北部大于0.5 μm粒子可能与当地沙源地或强西北风有关，以上飞机观测点(距地1.5～3 km高度)粒径大于0.5 μm 的气溶胶或沙尘颗粒，可能在车辆扰动情况下，高原道路比周边偏暖，易形成局地对流上升运动，将比较大的气溶胶粒子携带到中高空，也可能因夏秋季高原局地旺盛对流将地面粉尘抬升至中高空形成。综上，高原中东部6.0～8.5 km高空主要以小于0.5 μm的粒子为主，局地受高原对流或交通影响也可出现大于0.5 μm 粒子。

气溶胶核化为CCN的核化率及CCN数浓度的空间分布特征是云降水研究和人工增雨的重要考虑因素。图5b为高原中东部不同过饱和度状态下CCN数浓度空间分布，在低过饱和度(0.07%～0.3%，较小圆圈)状态下，格尔木地区(起降地)和三江共源区北部的CCN数浓度较高，最高达2×102cm-3，这与附近盐碱地或盐湖工业密切相关；此外，长江源区和三江共源区西南部、黄河上游河曲地区南部的CCN数浓度偏低。在高过饱和度(0.8%～2.0%，较大圆圈)状态下，格尔木地区、三江共源区北部、黄河上游河曲地区东南部，CCN数浓度相对较高，最高达3×102cm-3。表3列出各飞行观测区的气溶胶平均数浓度(Na)及不同过饱和度状态下(0.07%～0.3%，0.3%～0.8%，0.8%～2.0%)测量的CCN平均数浓度(Nccn)，以及不同过饱和度状态下核化率(Nccn/Na)范围。由表3可知，格尔木地区6.0 km高度以下高过饱和度(0.8%～2%)状态下核化率高达47%，低过饱和度(0.07%～0.3%)状态下也有21%，明显高于其他地区，这与当地盐碱地或盐湖工业有密切关系。另外，黄河上游河曲地区东南部在高过饱和度状态下平均核化率达16%，有可能在偏南或东南倒灌气流作用下输入至黄河上游河曲地区。除以上两地核化率较高外，格尔木地区6.0 km高度以上、长江源区、三江共源区的核化率均偏低，其中三江共源区在低过饱和度状态下核化率仅为1%，高过饱和度状态下为13%，后者可能由西北气流将气溶胶粒子输入格尔木北部引起的。同时，格尔木地区6.0 km高度以上和长江源区平均有效直径相近，核化率也相近，说明这两区的高空气溶胶来源可能相同。以上分析表明：除6.0 km高度以下的格尔木地区之外，高原中东部的气溶胶核化为CCN的核化率整体偏低，不同地区的核化率表明夏秋季高原中东部的气溶胶空间分布及其核化特征与天气系统和来源密切相关。

图5 试验区航线上不同粒径的气溶胶数浓度(a)和不同过饱和度状态下观测的CCN数浓度(b)(图5a中圆圈为气溶胶有效直径，色标为气溶胶数浓度；图5b中圆圈为过饱和度，色标为CCN数浓度)

表3 青藏高原中东部各飞行观测区的气溶胶和CCN统计特征

2.2.2 核化特征

为了解高原中东部气溶胶在不同过饱和度状态、不同温度层和不同粒径大小条件下核化为CCN的情况，用PCASP-100X,CCN-200和AIMMS-20同步采集的气溶胶数浓度Na与CCN数浓度Nccn，以及核化率，绘出不同过饱和度(图6a)、不同温度层(图6b)和不同粒径大小(图6c)条件下的气溶胶核化率。

图6a为不同过饱和度状态下气溶胶核化率，在同一过饱和度范围内，当气溶胶数浓度低于1.0×103cm-3时，核化率介于3%～60%，随着气溶胶数浓度升高，核化率明显降低，除过饱和度介于1.51%～2%时核化率相对偏高外，其他过饱和度状态下核化率差异较小；当气溶胶数浓度高于1.0×103cm-3时，随气溶胶数浓度升高不同过饱和度状态下核化率均呈下降趋势，平均最低仅为0.1%。表明高原中东部气溶胶随着数浓度升高在任何过饱和度状况下，核化率均明显下降。图6b为不同温度层的气溶胶核化率，当温度介于-5～25℃、气溶胶数浓度低于103cm-3时，气溶胶核化率为8%～40%，且-5～5℃的核化率比5～25℃高，这也可能是过饱和度不同引起的微差；当气溶胶数浓度高于103cm-3时，-15～-5℃层的核化率比-25～-15℃层高，就0℃以下温度层而言，-15～-5℃层核化率相对较高。图6c为不同粒径大小的气溶胶核化率，当气溶胶数浓度低于103cm-3时，气溶胶核化率为3%～40%时，不同粒径相比核化率差异较小；气溶胶数浓度高于103cm-3时，粒径为1～3 μm的气溶胶核化率微高，为3%～6%。以上分析表明：高原中东部除低层气溶胶数浓度低于103cm-3时核化率较高外，-15～-5℃层核化率为2%～4%，其余情况核化率普遍偏低，反映该地区气溶胶不易核化为CCN。另外，气溶胶数浓度升高，核化率普遍降低，表明气溶胶主要由不易核化的亚微米粒子组成。

图6 不同过饱和度状态(a)、不同温度层(b)以及不同粒径(c)条件下气溶胶数浓度与核化率关系

3 结论及讨论

利用2011年和2013年夏秋季在青藏高原中东部开展的11架次飞行观测数据，重点分析格尔木地区的气溶胶数浓度和数谱的垂直分布及其输入特性，高原中东部气溶胶数浓度和CCN数浓度的水平分布特征，以及该地区气溶胶核化特征，得到以下结论：

1) 青藏高原中东部试验区总面积达3.9×105km2，夏秋季受天气系统、地形高度和地表特征影响，共分为4个飞行观测区，各区气溶胶数浓度和有效直径的垂直和水平分布差异较大。总体上气溶胶的数浓度呈西北高、东南低的特征，有效直径或体积直径呈低层大、高层小，中高层偶有沙尘层。

2) 格尔木地区不同风向风速下气溶胶数浓度、体积直径和数谱分析表明:盛行东风时云降水对低层气溶胶有清除作用，使数浓度和体积直径明显减小，同时因高原大风或对流作用在6.2 km高度和7.2～7.4 km高度形成沙尘层；盛行西风时低层均为沙尘气溶胶，随高度升高和风速增大沙尘数浓度升高，体积直径变幅较小，6.2 km高度也出现类似盛行东风时的沙尘层。8.0 km高度在不同天气系统影响下均输入亚微米颗粒，且盛行东风时比盛行西风时输入的气溶胶数浓度更大，粒径更小，谱垂直分布也表现出以上特征。

3) 高原中东部不同过饱和度云凝结核数浓度Nccn表明，Nccn水平空间分布在西北位置的低层高、高层低，东南位置微高，其他区域均偏低。除格尔木地区6 km高度以下在0.07%～2%过饱和度状态下平均核化率为21%～47%外，其他区域的平均核化率为1%～16%，特别是长江源区及格尔木6.0 km 高度以上的平均核化率仅为2%～8%，与格尔木6.0 km高度以下形成明显差异，总体反映出高原中东部地区6.0～8.5 km 高度的气溶胶不易核化为CCN。

4) 对不同过饱和度状态下、不同温度层和不同粒径大小的气溶胶核化率分析表明：随着气溶胶数浓度的增加核化率明显下降，且高过饱和度状态下、-15～-5℃层或粒径为1～3 μm的气溶胶核化率相对偏高。

通过高原中东部11架次飞行观测试验数据分析，基本了解该地区气溶胶垂直和水平空间分布、核化特征，但受观测季节、天气系统以及有限的飞行观测试验数据限制，要更精细地认识该地区不同季节不同地区和不同高度层的气溶胶整体特征还需开展有针对性的观测试验。