华中地区一次气溶胶与云微物理特性的飞机观测研究

龙玉燕，曹琪敏，周 旭，邹嘉南，张泽群

（1.中国气象科学研究院中国气象局云雾物理环境重点实验室，北京 100081；2.南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，南京 210044；3.中山大学大气科学学院，广东 珠海 510275；4.中国气象局人工影响天气中心，北京 100081；5.中国气象局云降水物理与人工影响天气重点开放实验室，北京10081；6.中国气象局大气化学重点开放实验室，北京 100081）

引言

气溶胶是指悬浮在大气中的各种固体和液体粒子，气溶胶粒子在云雾降水形成过程中起着重要的作用。当大气环境处于过饱和状态时，气溶胶可以作为云凝结核（CCN）和冰核（IN）参与云的形成过程，进一步影响云微物理特性，从而间接影响气候变化，即气溶胶的间接辐射效应［1］。华中地区是我国气溶胶数浓度较高的区域之一，河南省郑州市近些年来污染较为严重［2］。韦增岸等［3］指出，在人影作业前期，若能合理规划作业区域、范围以及高度，制定详细的作业方案，能够增强飞机人工增雨的效果。钟小英［4］通过提取广西冬季两个月的飞机作业数据，对人工增雨作业效果进行了评估，为广西开展冬季人工增雨作业的可行性提供了依据。因此，利用机载资料对华中地区的气溶胶和云微物理特征进行研究具有重大的现实意义，不仅能够增强对气溶胶-云效应的认识，还能提高云模式的准确率，从而更加有效地指导人影作业的开展。

20 世纪50 年代以来，关于气溶胶与云微物理特性的飞机观测试验在国内外相继开展。Snider 等［5］在第二次气溶胶表征实验（ACE-2）期间，研究了层积云特性与气溶胶之间的关系，指出基于上升气流速度和CCN 活化谱的液滴浓度计算结果与直接观测结果一致，并改进了气溶胶和云微物理之间相互作用的模拟模型。李军霞等［6］利用2013 年7 月和8月的6 次全面观测的飞机数据对黄土高原地区的气溶胶进行研究，结果表明：逆温层造成了气溶胶积聚，使得气溶胶数浓度随海拔呈指数下降，但气溶胶的平均粒径随高度不断增大。蔡兆鑫等［7-8］在山西忻州进行了气溶胶和浅积云的飞机观测，对华北地区的气溶胶、云凝结核和浅层云的微物理特征进行了细致的分析，并对气溶胶与云的相互作用机理进行了深入的探讨，同时还研究了大陆性积云不同发展阶段宏观和微观物理特性。彭冲［2］利用飞机微物理探测资料，对2018 年3 月26 日河南中北部地区一次气溶胶分布特征进行了综合分析，比较了郑州市区与郊区的积聚模态气溶胶粒子的分布情况以及CCN 的活化率。

本文基于2018 年12 月10 日一次华中地区的飞机观测，利用机载资料分析了华中地区的气溶胶与云的分布特征。

1 实验与方法

1.1 机载探头介绍

本次研究使用的是新舟60，飞机上搭载了美国DMT 云物理探测系统，机载采样探头［9］主要包括：（1）二维降水粒子探头（PIP，Precipitation Imagine Probe）：该探头为图像探头，探测范围为100～6200 μm，分辨率为100μm，共分为62 档，主要用于探测降水粒子，能够实时显示降水粒子的二维图像和一维粒子谱分布。（2）云粒子图像探头（CIP，Cloud Imagine Probe）：该探头为图像探头，探测范围为25～1550μm，分辨率为25μm，分为62 档，主要用于探测冰晶粒子和大云滴。（3）云粒子探头（CDP，Cloud Droplet Probe）：该探头为前向散射探头，探测范围为2～50μm，分为30 档，用来探测云滴、霾等粒子。（4）气溶胶探头（PCASP，Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe）：该探头为气溶胶粒子散射探头，此次使用的气溶胶探头型号为PCASP-100X，探测范围为0.1～3μm，分为30 档，可用来探测气溶胶粒子。（5）热线含水量仪（Hotwire LWC，The hot-wire cloud liquid water content）：使用加热的传感线圈测量液体含水量。（6）飞机综合气象要素测量系统（AIMMS-20，Aircraft -Integrated Meteorological Measurement System）：主要用于探测风向风速、温度、相对湿度、压强、真空速、轨迹（经纬度）等参数。在探测之前，所有仪器均经过地面标定，各探头参数如表1 所示。

表1 各探头参数列表

1.2 数据来源与处理

1.2.1 数据来源

文中使用的数据为北京人工影响天气办公室编号为B3435 的飞机新舟60 在2018 年12 月10 日的机载探测数据，起飞机场在新郑国际机场（郑州），起飞的时间为16∶01∶54，郑州市区为轻度污染，云中液态水和冰晶共存。

1.2.2 数据处理

（1）数据预处理：利用3σ 原则剔除CIP、CDP、PIP、PCASP 和AIMMS -20 中的异常数据，如AIMMS-20 中经纬度不符、高度个例突变等情况。

（2）分析气溶胶谱分布时，由于第一档（Bin1）数据误差较大，因此应把第一档的数据剔除［10］。各尺度间隔内气溶胶度尺度分布函数ni=，单位为cm-3μm-1，ΔD 为直径间隔（档宽），探头PCASP-100X 采用不等间隔，Ni为一个采样周期内测得的直径在Di～Di+ΔD 之间的粒子数目，采样体积V=，c 为采样流量（cm-3s-1），f 为采样频率（s-1）。

（3）分析云滴粒子谱分布时，也要剔除第一档的数据，以免误差较大造成结果干扰［10］。每档粒子数浓度Ci=，各档谱分布ni=，单位为cm-3μm-1。其中Ni为每档的粒子个数，S 为采样面积，v 为真空速，t 为采样时间，ΔD 为档宽。下文有关符号意义见表2。

表2 符号说明

1.3 飞行方案描述

从飞行三维轨迹（图1）来看，飞机在起落阶段以垂直探测为主，经过许昌市上空逐渐爬升到3610m 高度，然后平飞，接着在2300～2900m 高度范围内呈“s”型盘旋3 次，最后经过太康县和中牟县上空逐渐下降回到新郑国际机场。

图1 飞行三维轨迹

2 结果与分析

2.1 华中地区气溶胶物理特征

本文选取飞机在图1 上升（红色段）和下降（绿色段）的两个阶段进行垂直方向上的气溶胶探测分析，从而获得气溶胶在一定区域内垂直方向上的变化特征。

2.1.1 大气层结情况

由图2 可以看出，在上升和下降阶段，大气的温度层结均为不稳定的，位温随着高度升高而降低。上升阶段最低温度可达到230K，且在2400m 高度附近存在一个浅薄的逆温层。两个阶段的相对湿度随着高度增加而不断增大，下干上湿甚至在高层相对湿度超过了100%，处于过饱和状态，由此可知，飞机在高层穿过了云层。

图2 上升和下降阶段的大气层结情况

2.1.2 气溶胶浓度与有效直径的垂直分布

对气溶胶探头探测到的气溶胶数浓度和有效直径作200m 高度上的平均，同时制作误差棒以方便分析离散度。因此，在500m 高度上的数据为400～600m 高度范围内的观测结果的平均值和误差值。

无论在上升（图3a）还是下降阶段，在1000m 高度以下，气溶胶的数浓度都大于2000cm-3，且数浓度的离散度较大，说明低层气溶胶粒子主要来源于地面。在1000m 高度以上，由于重力沉降作用，气溶胶的数浓度随着高度增加而递减，在高层数浓度非常小。在下降阶段（图3b），气溶胶数浓度随着高度增加先增大后减小，但下降阶段的温度层结是不稳定层结，不存在逆温层，这可能是由于下降的时候，水平方向飞过的范围很大，气溶胶区域特征相差比较大，所以导致气溶胶浓度的垂直分布会出现随高度增大的趋势。

由图3c、d 可以看出，这两个阶段的气溶胶有效直径的垂直分布存在明显的差异。在1000m 高度以下，两者的有效直径均集中在0.4μm 附近。在1000m 高度以上，上升段有效直径随着高度增加而增大，最大有效直径为2.4μm，但该层误差较大，说明该层气溶胶的有效直径的离散度较高；对于下降段，有效直径的分布复杂多变，离散度也大，其最大值为1.5μm。由此可见，在高层，上升阶段气溶胶大粒子所占的比例要大于下降阶段，因为在云中过饱和度环境下，有一些气溶胶粒子可以作为云凝结核被活化，形成小云滴，然后通过凝结增长，使得粒子尺度有所增大。

图3 上升和下降阶段气溶胶数浓度与有效直径的垂直廓线

2.1.3 气溶胶粒子谱的垂直分布

研究气溶胶粒子谱分布时，对各档的气溶胶粒子个数在500m 高度范围内取平均值。由图4 可以发现，无论上升阶段还是下降阶段，气溶胶粒子谱均为多峰型分布。大部分气溶胶粒子处于小粒径端，而且气溶胶浓度随着尺度的增大而逐渐降低，其中在0.3～0.4μm 降低得最明显。低层的气溶胶浓度明显高于高层，随着高度不断增加，各粒径段的气溶胶浓度都有所降低，特别在小粒径端，气溶胶浓度减低非常明显；而在大粒子端，随着高度增加，气溶胶浓度变化不明显。

图4 上升和下降阶段气溶胶粒子谱的垂直分布

两个探测阶段的大气层结情况类似，但由于经过的下垫面不一样，因此气溶胶粒子谱的垂直分布会存在差异。两者的气溶胶粒子谱分布均为多峰型，第一峰值直径都在0.14μm。对比图4a、4b 发现，在1250m 高度以下，两个阶段的气溶胶粒子谱分布基本一致。在1250m 高度以上，两个阶段的粒子谱型明显不同：在小粒子端，下降阶段气溶胶浓度要高于上升阶段，可能是与下降探测区域的气溶胶近地面来源增加有关；而在大粒子端，上升阶段的气溶胶浓度则高于下降阶段，这是因为上升阶段穿云的时间大于下降阶段，而飞机穿过云层时探头PCASP-100X 探测到的气溶胶数据会受到云中云滴粒子的干扰，导致该探头测到的气溶胶粒子在大粒子端占的比例增大。

2.2 华中地区的云微物理特征

2.2.1 入云条件

在分析云微物理特征之前，首先要设置一个合适的入云条件。参考前人研究［11］，以及此次飞机探测的实际情况，本文设置入云条件为：（1）液态水含量LWC＞0.001g·cm-3；（2）云滴粒子数浓度Nc＞10cm-3；（3）相对湿度＞=95%；（4）上述条件持续时间超过10s。

根据设置的入云条件和飞机探测方式，选取图5 黑色箭头所标注的两个阶段A 和B 来分析混合云的云微物理特征。其中A 段称为不等间隔分层水平探测［10］，B 段为水平探测。

图5 飞行高度与相对湿度的时间变化

2.2.2 间隔分层水平探测的云微物理特征

（1）云微物理量的垂直分布

根据入云条件可知（表3），飞机在A 段云中探测的时间为16∶47∶05—17∶20∶08。为了研究飞机在穿云过程中云微物理量在2258～3660m 上的垂直分布特征，对机载探头LWC 和CDP 探测到的云微物理量资料作100m 高度平均。

表3 A 和B 两个阶段的飞行信息表

由图6 可知，液态水含量LWC 的值小于0.6g·m-3，随着高度的增加而逐渐减小，在2650m 高度上的离散度最大。云滴数浓度Nc随着高度不断增加，最大值可达500cm-3，在2850m 高度以上，Nc的离散度较大。而云滴有效直径Ec的垂直廓线是先减小后增大，在2550～2850m 高度范围内，尺度变化不明显，Ec＜20μm，说明云中以凝结增长为主。

图6 云微物理量的垂直廓线

（2）云滴粒子的谱分布

研究云滴粒子在不同高度上的谱分布时，同样取100m 高度平均。图7 是云滴粒子的谱分布，在不同高度上均呈现多峰分布，第一峰值直径为6 μm，第二峰值直径为13μm。在小粒子端，各个高度上的云滴粒子谱的谱型非常相似；而在大粒子端，谱型比较多样化。大部分云滴粒径集中在20μm 内，直径大于30μm 的云滴粒子所占比例很小，说明云内以凝结增长为主。随着高度的增加，云滴数浓度逐渐增加，在2350～2550m 高度范围内数浓度增加得比较明显。

图7 云滴在不同高度的谱分布

2.2.3 水平探测的云微物理特征

结合入云条件可知，飞机在水平探测阶段（B段）有四次明显的穿云过程，如表4 所示。

表4 穿云过程与时间信息表

为研究空间水平方向上的混合云中的粒子谱分布特征，分析了B 段四次不同的穿云过程（I、II、III和IV）的云滴粒子在2280m 高度上的谱分布情况。图8 为四次穿云过程的云滴谱分布图，均呈现多峰分布，第一峰值直径为6μm，第二峰值直径为13μm。过程I 和III 的云滴谱较窄，I 的云滴谱宽为34μm，II 的云滴谱宽约为30μm；而过程II 和IV 的云滴谱宽为50μm。当粒径小于20μm 时，四个过程的云滴谱型很相似。从过程I 到过程II，云滴谱变宽，云滴谱宽从34μm 增加到50μm，小于20μm 的云滴数浓度有所降低，大于20μm 的云滴数浓度明显增加。由此可知，在过程I，云滴以凝结增长为主，因此云滴谱较窄；在过程II，云滴主要通过碰并增长使得云滴尺度增长到较大尺度，从而云滴谱拓宽。从过程III 到过程IV 变化与过程I 到过程II 类似，云滴通过碰并增长扩宽谱，云滴尺度可增大到50μm。

图8 四次穿云过程云滴粒子谱分布

3 结论

本文基于2018 年12 月10 日飞机在华中地区（河南）的机载资料，分析华中地区的气溶胶与云微物理量的分布特征，得到以下结论：

（1）气溶胶数浓度随着高度的增加而迅速减低，在高层气溶胶数浓度非常小。在低层，气溶胶有效直径主要集中在0.4μm，气溶胶数浓度超过2000cm-3。在高层，上升段的气溶胶有效直径随着高度缓慢增加，集中在2～2.5μm 范围内；下降段的气溶胶有效直径在垂直方向上复杂多变，离散度也大，主要集中在0.5～1μm。气溶胶粒子谱都为多峰型，第一峰值直径在0.14μm，大多数气溶胶粒子处于小粒径端，随着粒子尺度的增大，气溶胶浓度逐渐降低，粒径在0.3～0.4μm 之间气溶胶浓度减小得最快。

（2）在穿云过程中液态水含量随着高度增加而降低，云滴数浓度随高度增大，云滴有效直径随高度先减小后增大。在不同高度上的云滴谱均呈现多峰分布，第一峰值直径在6μm，云滴谱宽为50μm 左右。

（3）四次穿云过程的云滴谱均为多峰型，过程I和III 的云滴谱较窄，分别为34μm 和30μm，而过程II 和IV 的云滴谱宽为50μm。