夏季气溶胶空间分布范文

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《中国环境科学杂志》2014年第八期

1结果与分析

1.1统计分析根据观测实验所选择的不同仪器的测量范围、分档粒径以及不同的采样时间间隔,对4次飞行观测获取的气溶胶数据进行了重新计算和相互订正.为方便于不同观测仪器的数据整合,依据观测到的气溶胶粒子尺度大小,将气溶胶粒子划分为3个模态(核模态:0.01μm<D<0.11μm;积聚模态:0.11μm<D<3μm;粗粒子模态:D>3μm.D:粒子直径)进行统计和分析.其中,核模态气溶胶信息来源于SMPS,积聚模态气溶胶信息来自PCASP-100X,粗粒子模态气溶胶采用APS的观测数据.从表2来看,核模态气溶胶粒子数浓度最大值出现在7月31日,达到了42689个/cm3,平均值为8334个/cm3.高浓度核模态细粒子的存在导致当日能见度较差.8月2日,核模态的气溶胶粒子数浓度最大值较7月31日明显降低,约为1.0×104个/cm3,平均值为2.0×103个/cm3.8月3日和4日,气溶胶粒子数浓度较8月2日又略有升高.综合4次的观测数据来看,核模态气溶胶粒子数浓度均明显高于积聚模态和粗粒子模态气溶胶粒子数浓度.因此核模态气溶胶对气溶胶总浓度贡献最大.并且,从统计数据来看,大于3µm的粗粒子模态气溶胶粒子非常少.结合观测日天气条件分析,7月31日,观测区域内为霾天,气溶胶粒子数浓度特别是核模态气溶胶粒子数浓度非常大,约为非霾日核模态气溶胶粒子数浓度的2~3倍.7月31日傍晚和8月1日,太原及周边地区有阵性降水出现,8月2日观测区域内有少量淡积云,8月3日和4日均为晴朗无云的天气.从统计结果来看,由于降水对于气溶胶粒子的湿清除作用以及云对气溶胶粒子的消耗,使得8月2日气溶胶粒子数浓度有明显的降低,并且降水对于小粒子的清除作用相对更为明显.综合分析3个气溶胶观测仪器的结果,SMPS和PCASP观测到的气溶胶粒子数浓度很高,而APS观测到的粗粒子模态的气溶胶粒子非常少.因此,山西中部地区夏季非降水天气条件下气溶胶粒子多为核模态和积聚模态.

1.2气溶胶数浓度、粒径的分布特征选取2013年7月31日和8月2~4日的观测数据,分析每一次观测时段内飞行海拔高度和不同仪器观测到的气溶胶粒子数浓度随时间的变化.图2为2013年7月31日、8月2~4日SMPS、PCASP、APS观测的气溶胶粒子数浓度与飞行高度随飞行时间的分布,图中实线加圆点、实线加方块、实线加三角形标识分别代表PCASP、SMPS、APS观测的气溶胶粒子数浓度,虚线加米字标识代表观测飞机飞行海拔高度轨迹.从四幅图中均可以直观的看出气溶胶粒子数浓度与飞行高度呈反相关,随着飞行高度的增加,各个仪器观测到的气溶胶粒子数浓度都明显减小.例如,在7月31日的图中,从飞机起飞至第1次到达最高点,气溶胶粒子数浓度急剧减小,在地面,气溶胶粒子浓度(除APS)量级为103~104个/cm3,当飞机至最高点(约3000m以上)时,气溶胶粒子浓度量级降至102个/cm3.飞机在文水区域盘旋下降时,在每间隔300m高度做水平盘旋飞行(轨迹中的阶梯).可以看到,在每个水平飞行时段,对应的气溶胶粒子数浓度变化很小,而当飞机下降或上升至下一个高度的时间段,气溶胶粒子数浓度变化明显.另外,从4次观测不同的观测仪器获取的气溶胶粒子数浓度信息可以看出,由SMPS观测到的细粒子数浓度最大,PCASP观测得到的积聚模态的气溶胶粒子数浓度略小,而由APS观测到的粗粒子数浓度则非常小,平均量级仅有10个/cm3,并且3个仪器观测的气溶胶数浓度随高度的变化趋势一致性较好.选取2013年7月31日和8月2~4日的观测数据,分析每一次观测时段内飞行海拔高度和不选择4次飞机观测过程中从起飞至飞行到最高点时PCASP观测的气溶胶数据(分别为7月31日10:38~11:32、8月2日15:05~16:03、8月3日09:52~10:31、8月4日11:00~11:39),分析积聚模态气溶胶在垂直方向的数浓度和粒子尺度的分布状态,并且结合相同时段内温度的垂直分布状况研究了两者之间的关系.图3为气溶胶粒子数浓度和粒子尺度的垂直分布廓线,图4为相同观测时段内温度的垂直廓线.从图3可以看出,在飞机起飞之前刚开始观测的时段内,地面气溶胶粒子浓度非常大,随着观测设备的逐渐稳定,气溶胶粒子浓度逐渐减小.4次飞行观测中,从地面(海拔778m)至1200m左右,气溶胶粒子数浓度逐渐增大,达到一个峰值之后随高度急剧降低.气溶胶粒子数浓度的第一个峰值区位于海拔1200~1500m,形成一个明显的近地层气溶胶累积区.例如,在7月31日的观测中,气溶胶粒子数浓度最大值为5436个/cm3,位于海拔1100m;8月2日,气溶胶粒子数浓度最大值出现在1300m,最大数浓度值为4914个/cm3;8月3日,气溶胶数粒子浓度最大值为3493个/cm3,位于1100m;8月4日,气溶胶粒子浓度最大值为5630个/cm3,出现在1100m左右.并且,4次观测中,气溶胶粒子数浓度在高空均出现了第2个峰值区,8月3日,气溶胶在高空的累积区出现在2000m左右,其余3天气溶胶数浓度的高空峰值都出现在3000m以上.从飞行观测的宏观记录来看,在对应于高空气溶胶累积区的3000m左右高度存在一层近似灰霾的稳定层.气溶胶有效直径(ED)是研究气溶胶特性的另一个重要参数,它代表了气溶胶粒子尺度大小的平均状态.从图3可见,气溶胶粒子有效直径随高度的增加而逐渐增大,气溶胶粒子有效直径在垂直方向上也存在两个峰值,大粒子多集中在2500m以上的高空.从地面起,第1个粒径峰值区出现在2500~3000m,第2个出现大的气溶胶粒子的区域在3500m高度以上.例如,7月31日,气溶胶粒子有效直径最大值为0.78µm,出现在2413m;8月2日,气溶胶粒子有效直径最大值为1.7µm,出现在4832m;8月3日,气溶胶粒子有效直径最大值出现在3922m,为0.84µm;8月4日,气溶胶粒子有效直径最大值为0.61µm,出现在3000m左右.综合4次观测的气溶胶粒子数浓度和粒子尺度的垂直分布来看,细粒子对于气溶胶总浓度的贡献较大,分布在近地层的大气中,粒径较大的气溶胶粒子多分布在高层,且浓度很低,在气溶胶总浓度中只占很小的比例.由于观测的4天均为非降水天气,大气层结比较稳定,低层的细粒子多来源于地面污染物的排放,而高空少量的大粒子则可能为经远距离输送而来的沙尘等.一些飞机观测研究表明,气溶胶的垂直分布与边界层结构非常密切.边界层顶有逆温层存在时,在边界层内气溶胶数浓度均匀分布,在边界层之上迅速递减.图4为4次观测过程中大气温度随高度的分布状态.在海拔1200~1500m之间,7月31日存在一个弱的逆温层,而8月2日、3日和4日,逆温层结构非常明显.对照图3,在1200~1500m之间,正好对应于气溶胶粒子数浓度的大值区,因此边界层顶部逆温层的存在可能是导致气溶胶粒子在逆温层底形成累积区的主要原因.另外,从飞机观测宏观记录来看,4次的观测飞行中均发现在2000~3200m之间,存在一层像霾的稳定的气溶胶累积层,呈现灰蓝色.对照温度的垂直廓线发现,7月31日,在2200m左右存在一个弱的高空逆温层,8月3日高空逆温层出现在2700左右;特别是8月4日,温度廓线分别在1300m左右、2100m左右、2600m左右出现了3个逆温层,而在气溶胶数浓度的垂直廓线中(图3d),可以看到3个数浓度的峰值区与这3个逆温层的位置有较好的对应.高空逆温层的存在,致使高空也存在相对稳定的大气层结,使得气溶胶的垂直输送受到阻碍,在高空形成气溶胶的累积层.因此,通过对观测时段内温度垂直廓线以及气溶胶数浓度垂直廓线的对比,发现逆温层的存在对于气溶胶积累区的形成有重要的影响,气溶胶的垂直分布状态与天气条件密切相关.

1.3气溶胶平均谱分布特征大气气溶胶包含多种不同尺度不同成分的粒子,描述气溶胶粒子分布的一个重要的物理量是其数浓度随粒子尺度的分布,称为粒子谱分布.不同地区不同环境下的气溶胶粒子会有不同的谱分布,由于大气条件的变化,会改变粒子的吸湿、碰并、凝结等微物理过程,从而使粒子谱发生变化.气溶胶粒子谱分布是决定气溶胶在大气中的传输、寿命以及光学特性的重要因素之一.以往针对于气溶胶粒子谱分布的数据多是来源于PCASP,而该仪器只能给出积聚模态气溶胶(0.1μm<D<3μm)的谱分布信息.本研究选取SMPS和APS的观测数据,覆盖了从10nm~20μm的不同模态的气溶胶粒子信息.对4次观测数据按照不同的高度区间进行综合分类整理,分析了山西地区夏季非降水天气背景下气溶胶在不同高度上的谱分布平均状态,见图5.从气溶胶粒子平均谱分布图可以直观的看出,在海拔2000m以下[图5(a),(b)],气溶胶粒子数浓度非常大,达到104个/cm3的量级,并且核模态的小粒子占据了气溶胶总浓度的绝大部分.1000m以下,核模态气溶胶粒子数浓度峰值出现在对应直径为0.05μm处,说明在地面之上的300m范围内,多为0.05μm左右的细粒子.积聚模态尺度范围内的气溶胶粒子数浓度峰值出现在对应粒径为0.8μm处,而大于1μm的粗粒子谱连续且平滑,没有明显的峰值.贴地层气溶胶粒子谱分布大致呈双峰分布,两个峰值分别位于核模态和积聚模态气溶胶尺度内.1000~2000m高度内[图5(b)],对应着边界层内逆温层底的低空气溶胶累积区,所以数浓度非常大,且同样以小于2µm的细粒子为主.并且气溶胶粒子谱略有展宽,在核模态尺度范围内,气溶胶浓度峰值出现在粒子尺度为0.1µm处,次峰值出现在积聚模态,对应气溶胶粒径为1µm.在大于2µm的粗粒子区间内,气溶胶谱为单峰结构,气溶胶粒子数浓度随粒子尺度的增大逐渐减小.与1000m以内的气溶胶谱分布对比,整体都为双峰分布,但是1000~2000m高度内积聚模态的粒子明显增多,积聚模态区间的粒子数浓度峰值最大可达103个/cm3.2000~3000m高度内[图5(c)],气溶胶粒子总数浓度显著减少,数浓度最大峰值为103个/cm3,气溶胶谱呈三峰分布.第1个峰值出现在核模态的小粒子端,峰值对应粒径较2000m以下又有所增大,对应粒径约为0.2µm,第2个峰值仍然出现在积聚模态,峰值对应粒径为0.8µm,第3个峰值对应于粗粒子模态的2µm处.3000~4000m高度内[图5(d)],气溶胶粒子谱与3000m以内的相似,最大数浓度峰值继续降低,气溶胶粒子在大于0.2µm的范围内数浓度急剧降低,粗粒子端部分观测样本谱型有些杂乱.4000m以上(图5e),观测样本较少,气溶胶粒子谱非常平滑.数浓度峰值继续降低,峰值对应数浓度为102个/cm3.从近地面到5000m高空,气溶胶数浓度在不断降低,气溶胶粒子谱特别是细粒子谱随高度有所展宽,3个模态的气溶胶谱型基本一致,没有太大的变化,均呈双峰或三峰分布.由于观测时段是连续的四天且在同一区域内,天气背景也基本相同,也没有强的垂直对流扰动,均为较稳定的大气层结,因此在各个高度上气溶胶谱型变化不大.图5基本反映了山西地区夏季在非降水天气背景下不同高度内的气溶胶数浓度随粒子尺度的分布特征.3.4气溶胶来源分析采用HYSPLIT模式计算了2013年7月31日和8月4日山西中部地区气团48h后向轨迹(图6).后向轨迹显示,4000m以上高空气溶胶粒子随气团从哈萨克斯坦经中国西北地区(7月31日)和经外蒙古地区(8月4日)远距离输送而来(粉色和浅蓝色线条);3000m以下气溶胶多源自近地面污染物的排放,并且向上输送(深蓝色和红色线条),输送距离较短.高空3000m一些气溶胶粒子在输送过程中可能因重力作用沉降至近地面(绿色线条).综合气团后向轨迹模拟结果以及气溶胶粒子数浓度和粒子尺度的垂直廓线(图3),低空高浓度的气溶胶细粒子多来源于近地面排放,而高空少量的气溶胶粒子为经远距离输送而至的沙尘等粗粒子.

2结论

2.1气溶胶飞机观测数据统计显示,山西夏季非降水日气溶胶多以核模态和积聚模态的粒子为主,核模态的气溶胶粒子对气溶胶总浓度贡献最大.霾日气溶胶粒子数浓度非常大,是晴空气溶胶数浓度的2~3倍.

2.2气溶胶粒子数浓度和粒子尺度的垂直廓线显示,气溶胶粒子数浓度随高度逐渐减小,海拔1200~1500m之间存在低空气溶胶累积区.逆温层的存在是导致气溶胶在逆温层底形成累积区的主要原因.气溶胶粒子有效直径随高度逐渐增大,在2000~2500m之间存在气溶胶粒子的快速增长区.粒径小的气溶胶粒子分布在近地面大气中;粒径较大的气溶胶粒子多分布在高空,且浓度很低,在气溶胶总浓度中只占很小的比例.

2.3气溶胶粒子谱分布特征显示,从地面到5000m高空,气溶胶数浓度不断降低,气溶胶粒子谱随高度的增加略有展宽.各个高度上气溶胶谱型基本一致,均呈双峰或三峰分布.

2.4气团48h后向轨迹模拟显示,在观测日内山西中部地区大气层结相对比较稳定.3000m以下高浓度的气溶胶细粒子多来源于近地面污染物的排放,而4000m以上高空少量的气溶胶粒子为经远距离输送而至的沙尘等粗粒子。

作者：李军霞银燕李培仁李润君晋立军李劲单位：南京信息工程大学,中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室山西省人工降雨防雹办公室北京师范大学全球变化与地球系统科学研究院