石家庄地区春季晴、霾天气溶胶观测研究
2011-12-20孙玉稳吴志会南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室江苏南京0044河北省人工影响天气办公室河北石家庄0500
孙 霞,银 燕*,孙玉稳,段 英,吴志会 (.南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室,江苏 南京 0044;.河北省人工影响天气办公室,河北 石家庄 0500)
石家庄地区春季晴、霾天气溶胶观测研究
孙 霞1,银 燕1*,孙玉稳2,段 英2,吴志会2(1.南京信息工程大学中国气象局大气物理与大气环境重点开放实验室,江苏 南京 210044;2.河北省人工影响天气办公室,河北 石家庄 050021)
利用2006年和2007年河北省机载粒子探测系统(PMS)获得的飞行探测资料,分析了石家庄地区春季上空大气气溶胶粒子的浓度垂直分布特征、不同高度上的谱分布和水平变化特征,并对粒子谱分布进行了负幂函数拟合.分析表明,霾天气下的气溶胶粒子数浓度高于晴天1个量级,达到104个/cm3;粒子平均直径为0.13~0.26µm;气溶胶粒子浓度水平变化受下垫面、云区等局地影响因子较大,受不同天气状况影响较小;负幂函数对细粒子谱分布有较好的拟合效果.
气溶胶;垂直分布;水平分布;谱分布;机载PMS系统;石家庄地区
霾作为一种天气现象,其本质是大气气溶胶的细粒子浓度增加,且粒子表面吸附了有害物质.不仅降低了能见度,也构成了对人体健康的危害.随着经济发展及城市化进程加速,人为排放的气态污染物加剧了霾的生成.因此研究霾天气下气溶胶粒子的分布特征具有重要意义.
国外利用机载粒子探测系统(PMS)对大气气溶胶的观测开始于 20世纪 70年代后期.如Twohy等[1]发现大多数气溶胶的直径<0.20μm. Snider等[2]基于分析ACE-2试验的观测资料,认为相对湿度对气溶胶粒子的大小分布有影响. Irena等[3]认为气溶胶会对碰撞冻结产生的云滴谱分布有中等程度的影响.Lo等[4]研究了美国冬季风暴中降水粒子尺度谱分布.
我国气溶胶的飞机观测始于1982年,如游景炎等[5]利用中国气象科学研究院购置的美国早期PMS的ASASP-100探头曾对晴空大气气溶胶的分布进行过观测分析.逐步运用到一些省份的外场试验,取得了很多有价值的探测资料[6-10].以上这些观测过程大部分是在晴空天气下进行的,分别研究了气溶胶粗、细粒子的浓度变化,粒子谱分布特征以及引起这些变化的气象因素等.而对于霾天气下的PMS观测资料尚不多见,为此作者利用PMS粒子测量系统及天气资料,分析了2006、2007年春季石家庄地区气溶胶在晴、霾天条件下的垂直分布、水平分布、谱分布特征及大气状态的关系,为研究霾的形成机理提供飞机观测依据.
1 飞行概况及分析方法
1.1 PMS观测仪器
观测使用的飞机是美国派珀飞机公司生产的夏延ⅢA型,加装探测仪器后最大飞行高度8000m,巡航速度一般在 360~400km/h.机上装载了由美国 PMI公司生产的气溶胶粒子探头(PCASP-100X)、前向散射滴谱探头(FSSP-100-ER)、二维灰度云粒子探头(OAP 2DGA-2)和二维灰度降水粒子探头(OAP 2DGB-2). PCASP-100X探头用于大气中气溶胶粒子的探测,它只有一个量程,其测量范围为 0.10~3.00μm,整个量程被分为15个间隔不完全相等的测量通道,分辨率为0.02μm(在最小的测量通道上),采样体积为1cm3/s,并可根据高度变化在0.5~1.5cm3/s之间调整.FSSPER探头分为 4个量程(range= 0,1,2,3),每个量程测量范围不一样,4个量程合计覆盖范围1~95μm.每个量程下分为15档,等间距.各探测仪器每秒钟采样一次.FSSP-100-ER探头量程一般无云的时候用量程 3,有云的时候用量程 1.此外,飞机上还安装了温度计、露点仪、气压传感器、液态含水量仪、GPS等设备.能够得到云粒子浓度、含水量、粒子的平均直径等数据的连续观测资料,也可以得到温度、露点、气压、高度、空速等资料[11].
1.2 观测期间地面天气实况及飞行概况
根据河北省2006年和2007年春季飞机人工增雨(大气探测)资料库,在确定观测期间地面天气实况时有一个区分霾与雾的问题.雾和霾的存在都会致使环境能见度的恶化.一般雾的厚度比较小,常见辐射雾的厚度大约从几十米到一两百米左右,雾滴尺度较大,从10μm到102μm;而霾是水平能见度小于 10km时,由非水成物组成的气溶胶系统造成的视程障碍度小至μm大小.实际上近地层大气中每时每刻总是有气溶胶存在,而雾滴的存在是少见和罕见的.霾粒子要想通过吸湿增长成为雾滴,必须有足够的过饱和度,这在自然界并不容易.在非饱和条件下,不但非水溶性的霾粒子不能转化成雾滴,即便是水溶性的霾粒子一般也不可能吸湿转化成雾滴[12].根据吴兑[13]提出的建议,将相对湿度<80%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化的天气现象确定为霾,相对湿度>90%时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化确定为雾,相对湿度介于80%~90%之间时的大气混浊视野模糊导致的能见度恶化是霾和雾的混合物共同造成的,但其主要成分应该是霾.
根据观测期间宏观记录、机载仪器的相对湿度数据及天气图分析,可以确定2006年4月8日和2007年3月21日出现霾天气,其中3月21日的大气能见度仅为1300m.2006年4月29日与2007年5月20日为晴天,其中5月20日少云.
表1给出了4个日期架次的飞行时间与飞行航线统计.由表 1可知,飞行时间为 09:13:12~21:55:53,每个架次平均飞行时间为 2h 20min,飞行区域主要在石家庄市区和郊区.由机载测量系统PMS中探头记录数据得出飞行高度由地面至7000m高度.
表1 飞行概况Table 1 Flight survey
1.3 计算方法
各微物理量的计算方法如下式(1)、式(2).
式中:Di为i通道粒子的中值直径,μm; N(Di)为单位体积内 i通道粒子的数浓度,个/cm3;N为单位体积内粒子总数,个/cm3;n(Di)为气溶胶粒子数密度谱分布,个/(cm3⋅μm).数浓度值采用飞机上安装的PCASP探头中记录的相关数据经处理后的气溶胶浓度数据.
2 结果与分析
2.1 统计特征
表2 气溶胶浓度及尺度统计结果Table 2 Statistical results of number concentration and diameter of aerosol particles
从PCASP粒子尺度来看,2006年4月8日气溶胶小粒子直径为 0.13μm,4月 29日为0.20μm,这两日的平均值均约为0.12μm;2007年3月21日气溶胶小粒子直径为0.26μm,5月20日为 0.23μm,这两日的平均值均约为 0.2μm.这些数据只是单次测量数据,不反映变化趋势.有待于取得大量观测数据后,进行统计,做进一步的研究.
结合表1和表2分析得出,气溶胶粒子数浓度与地面大气状况等有关.2006年4月8日探测区域白天出现大风,风速达 11~13m/s,晚间出现静风,出现霾天气.白天,西北风带来较多沙尘粒子,夜晚由于静风状况粒子水平输送程度小,使得该日的气溶胶小粒子数浓度高出其他架次测定值一个量级,达到104个/cm3.2007年3月21日平均直径较大,大粒子较多,根据天气实况飞行期间 16:00~17:00风向由东南偏东转为东北风,得出由于气溶胶传输方向突然改变而出现了曲线气流,有些粒子特别是粒径稍大的粒子,脱离气流,这些粒子中有一部分沉积在地面或其他障碍物上[14].
2.2 垂直分布特征
以飞机上升或下降阶段探测到的数据作为主要研究对象,飞机进行环绕爬升飞行.对所有数据资料0~600m、600~3000m、3000~6000m作分阶段高度平均,来减少观测数据的波动,从而使图示能更明显的表现出数浓度(N)、算术平均直径(D)等参数的高度变化.图1给出了4次探测过程中的数浓度、平均直径以及大气温度的垂直分布廓线.
晴天状况下,2006年4月29日(图1c)气溶胶数浓度随高度的变化可分为2个阶段: 0~2700m间,数浓度随高度减小,期间由于几个弱逆温层的存在导致数浓度在逆温层底出现积累现象(图1d).结合相对湿度和云粒子探头数据,平均直径在进入云区约3200m出现最大值0.202μm,粗细粒子的最大值均出现在近地层.粗粒子数浓度的最大值仅为4.14个/cm3,对总粒子数浓度的贡献极小.2700~5200m 间,数浓度随高度变化不大.2007年5月20日(图1g)数浓度在逆温层底约2738m 出现极大值,此逆温层强度为14.4℃/km(图 1h),其后随高度递减.平均直径在进入云区1500m和3926m出现极大值.粗粒子浓度极大值也出现在1500m左右,这是由于观测期间该高度有云系存在,较大的相对温度使部分吸湿性粒子活化成为凝结核,水汽在其上凝结使粒子增大,粗粒子数相对增多.
霾天状况下,如2006年4月8日(图1a).由于通常是晴朗的天气,日照较强烈、湿度较低,如果遇到风速较小或静风时,容易出现霾天气[15].由于白天出现西北向大风,风速高达 13m/s,带来大量风沙质粒,晚间出现静风,出现霾天气,其飞行主要在石家庄至藁城间,其间工厂排放大量废气.在人为源和大气状况的综合作用下,气溶胶数浓度量级达104个/cm3.706m高度出现逆温层,强度为 7.8℃/km,使得粒子在该高度累积而出现极值.5000m上数浓度随高度迅速减小.粗粒子数浓度极大值42.667个/cm3出现在721m,相比晴天高一个量级.2007年3月21日(图1e)中,气溶胶总数浓度整体随高度递减,在约1200和2400m出现弱逆温,气溶胶粒子在此积累,出现小峰值.粗粒子数浓度极大值45.867个/cm3出现在近地层.平均直径在相对湿度出现极大值的6000m高度左右也出现极大值.
图1 气溶胶平均数浓度、平均直径、温度的垂直分布Fig.1 Vertical distribution of aerosol number concentration,mean diameter and atmospheric temperature
总体来说,有霾时气溶胶粒子浓度很高,在3000m或5000m以上才开始明显减少.而晴天时(2007年 5月 20日)气溶胶低层浓度比较高,但1000m以上迅速减少.有霾时低层谱很宽,但高层谱较窄.无霾时(2007年5月20日)低层谱很宽但因飞行时穿越少量高云,导致粒子吸湿性增长,所以高层谱比较宽.2006年4月29日也是在3000m以上才开始明显减少.由于对流层的气溶胶是一个自然和人为源的包括固体和液体质粒的复杂的动力混合体系,虽然此处的细质粒可远距离输送,但是由于源区主要在地面,其中直接发射的大质粒常沉降在局地源区附近,故大多数气溶胶质粒集中于对流层边界层1~2km范围内,并表现出具有最宽的尺度和最大变动性,4~5km以上,因地面直接发射的影响较弱,其尺度分布类似于稳定的背景气溶胶[16].晴天状况下气溶胶浓度和直径基本随高度减小.无云情况下,0~1000m之间存在着气溶胶的累积层,1km~3km间气溶胶浓度随高度递减,3km以上气溶胶随高度变化不明显.逆温层严重影响气溶胶粒子的垂直输送、扩散,并造成气溶胶在逆温层内垂直分布不连续,粒子在逆温层下累积;无逆温时数浓度最大值出现在近地面附近;平均直径在云区有明显增加.霾天状况下,气溶胶数浓度比晴天下高,粗粒子数浓度可比晴天下高一个量级.相对湿度对粒子直径有很大影响,湿度增大,粒子直径增大;湿度降低,粒子直径减小.
2.3 水平分布特征
气溶胶的水平变化一般远小于其在垂直方向上的变化.在研究气溶胶的水平分布特征时,对平飞阶段的数浓度和平均直径进行30s平均.飞行过程中基本位于石家庄市区上空及周边乡镇地区.所选平飞阶段2006年4月8日5000m高度在市区和郊区环绕飞行,7000m高度主要在市区周边的郊区平飞;2006年4月29日655m高度和 7000m高度均主要在郊区飞行,其间较少时间经过市区;2007年3月21日3310m高度上主要飞行于市区(长安区与裕华区)内;2007年5月20日3310m高度上桥东区及其附近工业园区飞行,5000m高度上主要在裕华区及其西边郊区飞行.
气溶胶质粒的水平输送受 4种不同尺度空气运动的影响,包括小尺度(<10km),中尺度(10~10km),大尺度或天气尺度(km)和全球尺度(>103km)[16].石家庄地区春季气溶胶输送属于小尺度空气运动.小尺度空气运动涡动扩散机制比较重要,在边界层中表现明显,受局地排放源的不均匀性影响,数浓度的水平分布除存在随机波动外,还存在一定幅度的系统变化[16].
由图2得出,粒子数浓度和平均直径在水平方向上的分布是不均匀的.655m高度上,2006年4月 29日粒子数浓度的变化范围是 3924.87~5598.18个/cm3,粒子尺度变化不大,为 0.125~0.129μm(图2b).2007年3月21日的数浓度较晴天时同高度大,变化范围为 4618.78~5983.27个/ cm3,平均直径也较大,变化范围是 0.247~0.254μm(图2a).这是与2007年3月21日的霾天气状况相联系的.
3310m高度上2007年3月21日与5月20日的粒子数浓度和平均直径的水平变化(图2c、图 2d).3月 21日气溶胶数浓度的最小值为108.93个/cm3,最大值为121.18个/cm3,粒子平均尺度变化范围是0.185~0.192μm.5月20日平飞时间较短,数浓度最小值为 113.58个/cm3,最大值出现在17:53:42,为187.82个/cm3,由该平飞阶段的航线图可知此时正经过石家庄工业开发园区,工业废气等的排放可能导致上空气溶胶数浓度偏大.粒子平均直径变化幅度较小,为 0.197~0.198μm.
图2e得出2006年4月8日霾天气下高空仍保持较高的粒子浓度,飞行区域内最高值为5089.47个/(cm3⋅μm),此时飞机在石家庄上空平绕飞行,经过裕华区、长安区以及大郭镇等周围乡村,导致浓度曲线出现波动,粒子浓度在经过郊区时出现低值,经过市区上空时,粒子浓度值回升.该高度上的气溶胶平均直径变化范围很小,全部为细粒子,平均值为0.113μm.2007年5月20日晴天飞机主要在石家庄市裕华区西部郊区飞行,由于天气状况和飞行区域综合原因,该高度上粒子浓度值低,整体呈下降趋势(图2f).
图2 不同高度组上气溶胶粒子的水平分布Fig.2 Horizontal distribution of aerosol particles at different high level groups
图2g中7000m高度组上数浓度较5000m高度组值减小.2006年4月8日飞机主要在石家庄市区西部郊区沿线飞行,靠近市区时浓度有所增加.2006年4月29日数浓度高达104个/cm3,对这一层气溶胶粒子谱的初步分析表明,粒子谱比下层有明显的展宽,大粒子数增加明显,卷云的影响是可能的因素之一.在11:32分和11:37分出现低值,飞机飞出云区.此时飞机在裕华区上空飞行.
总体来说,郊区气溶胶数浓度低于市区或污染厂区.平均直径与气溶胶数浓度变化趋势呈负相关,细粒子数多时候,气溶胶数浓度增大,粗粒子数增大时,气溶胶数浓度相对减小.纵向比较得出,高空气溶胶的数浓度和平均直径水平分布变化较低空幅度小,这是由于低空距地面的高度小,受下垫面和人类活动的直接影响.除2006-04-29飞行架次中 600m高度飞行个例,其余个例中粒子浓度与平均直径平飞阶段变化呈现负相关性.细粒子对气溶胶浓度的贡献值大.气溶胶水平分布特征受下垫面、云区等局地影响因子较大,受不同天气状况影响较小.
2.4 平均谱分布特征
大气气溶胶是由许多尺度不同的粒子组成的,称为多谱气溶胶.描述多谱气溶胶的最重要的物理量是它的浓度随粒子尺度的分布,称为粒度谱分布.气溶胶的粒度谱分布式它在大气中的运输特性、寿命及其光学特性的决定因素之一[17].不同来源的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[18].
图3 不同高度组粗细粒子谱分布Fig.3 Size distribution of fine and coarse particles of different heights
由图3可以看出,同一尺度的气溶胶粒子在不同天气状况下的谱分布是有差异的.霾天气(2006-04-08和 2007-03-21)下数密度谱往往较晴天天气状况下高出1~2个量级.细粒子数密度明显大于粗粒子.
分析图3中细粒子谱可以看出,细粒子谱分布在0.2μm左右处出现峰值,这可能是由于在气~粒转化过程由低挥发性的均质成核过程开始,形成约为0.2μm左右的小粒子.分析图3中粗粒子谱分布可以看出,粗粒子谱分布在1.0μm附近有峰值.可能是由于在城市污染大气中,直径为0.5μm左右的原生粒子比较丰富,一些污染性气体有可能在这些粒子上凝结使之增大成直径为1.0μm左右的粒子.
尺度谱型类似,呈单峰或双峰分布,且随高度增加,峰值数密度值降低.细粒子谱分布中,600m高度组中,峰值直径处,峰值数密度为 2007-03-21架次17603.73个/(cm3⋅μm);3000m高度组中,峰值数密度为 2006-04-08架次 1999.45个/ (cm3⋅μm); 5000m 高度组中,峰值数密度为2007-05-20架次1867.30个/(cm3⋅μm);7000m高度组中,峰值数密度为 174.55个/(cm3⋅μm).粗粒子谱分布中,600m高度组中,峰值直径处,峰值数密度为 2007-03-21架次 38.61个/(cm3⋅μm); 3000m高度组中,峰值数密度为2006-04-08架次2.91个/(cm3⋅μm);5000m高度组中,峰值数密度为2007-05-20架次1.08个/(cm3⋅μm);峰值数密度为7000m高度组中,峰值数密度为2006-04-08架次0.37个/(cm3⋅μm).可以看出晴天与霾天气状况下的气溶胶粗细粒子谱分布的峰值数密度最大值均出现在霾天气状况下.
晴天、霾天对比情况下,600m高度组中,霾天气下气溶胶细粒子谱分布在 0.2~0.35μm 及>0.45μm后显著大于晴天下.3000m高度组中,晴天、霾天的细粒子谱分布差别不大.5000m高度组中,直径小于0.15μm小粒子谱分布在霾天气下高于晴天.7000m高度组中,霾天气下气溶胶细粒子谱分布在0.15~0.35μm段之间显著高于晴天.霾天气下粗粒子谱分布值在总波段都是高于晴天同尺度粒子谱分布值的.有一个例外是 3000m高度组粗粒子谱分布上霾天2007年3月21日反而值最低,谱宽较窄,可能是由于此时处于密卷云云区,而云粒子多而较小,粗粒子数较少.
对 4个高度组中的细粒子谱分布图进行平均,然后进行负幂函数拟合 nd=AD-b,负幂函数对积聚态粒子有较好的拟合效果.参数值如表 3.负幂函数表示的分布曲线在对数坐标中是一条斜率为-b的直线,A为该斜线的截距.随高度增加, A值变小, b值相差不大.
表3 不同高度组细粒子谱分布按负幂函数拟合参数值Table 3 Parameters in fitting fine particle size distribution of different height groups in terms of negative power function
3 结论
3.1 逆温层严重影响气溶胶粒子的垂直输送、扩散,并造成气溶胶在逆温层内垂直分布不连续,粒子在逆温层下累积;无逆温时数浓度最大值出现在近地面附近;平均直径在云区有明显增加.霾天状况下,气溶胶数浓度比晴天下高,粗粒子数浓度可比晴天下高1个量级.相对湿度对粒子直径有很大影响,湿度增大,粒子直径增大;湿度降低,粒子直径减小.
3.2 气溶胶的水平变化远小于其在垂直方向上的变化.郊区气溶胶数浓度低于市区或污染厂区.气溶胶水平分布特征受下垫面、云区等局地影响因子较大,受不同天气状况影响较小.
3.3 霾天气下的同尺度下气溶胶数密度谱值一般要高出晴天下1个量级以上.
3.4 霾天气下数密度谱往往较晴天天气状况下高出1~2个量级.细粒子数密度明显大于粗粒子.粗粒子谱分布在1.0μm附近有峰值.细粒子谱分布在0.2μm左右处出现峰值,气溶胶粗细粒子谱分布的峰值数密度最大值均出现在霾天气状况下.负幂函数对积聚态粒子有较好的拟合效果.
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An observational study of aerosol particles tlsing aircroft over Shijiazhuang Area in clean and hazy days during spring.
SUN Xia1, YIN Yan1*, SUN Yu-wen2, DUAN Ying2, WU Zhi-hui2(1.China Meteorological Administation Key Laboratory for Atmospheric Physics and Environment, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;2.Weather Modification Office of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China). China Environmental Science, 2011,31(5):705~713
The vertical profile of number concentration and size distribution of aerosol particles at different altitudes over Shijiazhuang area were analyzed based on aircraft measurements conducted in Hebei Province in 2006 and 2007. The size distributions were fitted with negative power function. The number concentration and size distribution of different heights were significantly different. The number concentration of aerosol particles in hazy days was one order of magnitude higher than that in the clean days, reaching 104/ cm3. The mean diameter of particles ranged from 0.13 to 0.26μm. Concentration of aerosol particles was very sensitive to weather conditions and the underlying surface. The size spectra of fine mode particles could be satisfactorily fitted with a negative power function.
atmospheric aerosol;vertical distribution;horizontal distribution;size distribution;airborne Particle Measurement System;Shijiazhuang Aera
x131.1
A
1000-6923(2011)05-0705-09
2010-09-29
公益性行业(气象)科研专项(GYHY(QX)2007-6-36);国家“973”项目(2006CB403706);江苏省“333人才工程”项目;河北省气象局科研开发项目“河北省雾霾天气的飞机观测研究”(10ky14)
* 责任作者, 教授, yinyan@nuist.edu.cn
孙 霞(1988-),女,河北石家庄人,南京信息工程大学硕士研究生,主要研究方向为大气气溶胶与云降水相互作用、大气成分及其气候效应.发表论文2篇.