山西地区气溶胶物理特性的飞机-地面观测研究

摘要

以位于中国黄土高原东部、华北平原西侧的山西地区作为主要的观测基地，2013年夏季和2014年夏季开展了关于气溶胶特性的大型综合观测实验。通过对连续两年的飞机和地面观测数据的分析，对该地区对流层中低层（5000m以下）气溶胶粒子数谱特征、光学特性的垂直分布以及气溶胶活化特性有了全面的认识，得到了一些能合理表达山西地区气溶胶空间分布状态以及气溶胶活化特性的特征参数。研究成果可为区域天气和环境预报、气候预测分析以及气候辐射模式、气溶胶和云数值模拟等提供宝贵的实测依据。本研究主要结论如下：　　(1)通过2013年夏季飞机观测实验，获得了粒径范围为10nm～20μm气溶胶粒子数浓度、粒子尺度的垂直分布廓线、不同高度气溶胶粒子谱分布特征、云凝结核(CCN)的垂直廓线及活化特性。山西地区夏季气溶胶以直径小于0.8μm的粒子为主，霾日核模态的气溶胶粒子数浓度是非霾日的2倍以上。气溶胶粒子数浓度随海拔高度升高逐渐减小，核模态和积聚模态气溶胶粒子数浓度的垂直廓线可用e指数公式进行拟合，并获得了相关拟合参数。气溶胶粒子平均有效直径随高度增大。从地面到5000m高空，核模态和积聚模态气溶胶数谱随高度变窄。气溶胶粒子谱分布一般呈双峰或三峰分布，通过拟合得到三模态对数正态分布特征参数。CCN数浓度随高度降低，CCN比率(fCCN/CN)随着高度而增大。　　(2)通过气溶胶光学特性飞机观测，得到对流层中低层气溶胶光学特性参数，包括气溶胶散射系数(σsc)、后向散射系数（σbsc）、后向散射比（βsc）、Angstr(o)m指数(α)、质量散射比(Qsc)、表面积散射比(Q'sc)、吸收系数(σab)和单散射反照率(ω)的垂直分布廓线以及不同高度范围的平均气溶胶光学特征参数。气溶胶散射和吸收系数随着高度逐渐减小，对流层低层大量的小粒子对气溶胶总辐射强迫的贡献较大。不同高度上气团48h后向轨迹分析得出，2000m以下的气溶胶粒子多来源于局地和区域污染物的排放，导致气溶胶浓度和光学特征参数较大；而3000m以上高空大部分气溶胶粒子来源于我国西部和北部气溶胶粒子的远距离输送，气溶胶粒子浓度相对较低，其光学特征参数也较小。　　(3)通过2014年夏季的地面观测实验，获得了山西地区近地面10～600nm的气溶胶数谱特征、质量谱特征以及气溶胶散射特征。观测期间近地面气溶胶质量浓度、数浓度、散射系数和Angstr(o)m指数的平均值分别为17.1μgm-3、18572个cm-3、192.1Mm-1、1.79。气溶胶数浓度日变化呈现单峰分布，新粒子生成是造成气溶胶数浓度日变化特征的主要原因；气溶胶质量浓度日变化呈双峰特征，主要是受局地人为活动带来的污染排放影响；气溶胶散射系数日变化与质量浓度的日变化相似。气溶胶质量浓度和散射系数呈很好的线性相关，相关系数为0.95。气溶胶平均数谱分布呈现两个峰值，气溶胶平均质量谱为单峰分布。粒径小于200nm的小粒子对于气溶胶总数浓度的贡献较大，粒径大于200nm的粒子对于气溶胶总质量浓度的贡献较大。对观测区域进行了气溶胶潜在源区贡献分析，发现气溶胶主要的源地集中在位于山西省东部的河北省和山东省西南部山西东南部以及位于山西南部的河南省北部和东北部等工业较发达、人口稠密的地区，潜在源贡献值在0.6以上。　　(4)通过对山西太原全年近地面CCN观测数据分析发现，冬季CCN数浓度最高，春秋季次之，夏季最低。CCN数浓度日分布呈现两个峰值，分别对应于每天人为活动以及交通运输比较密集的时段。用公式NCCN=CSk对山西地区不同季节的CCN核谱进行了拟合，C、K值均为典型的大陆型核谱。开展了气溶胶分档活化率观测实验，得到山西地区不同粒径的气溶胶粒子在5个过饱和度(0.07%、0. 1%、0.2%、0.4%、0.8%)下的分档活化率基本特征。粒径小于20nm的气溶胶粒子在任何过饱和度下都不能活化；粒径大于100nm的气溶胶粒子活化能力较强，在0.2%及以上的过饱和度下，对应的平均活化率为80%以上；粒径200nm以上的气溶胶粒子在所设的5个过饱和度下活化率都达到了70%以上。5个过饱和度下，50%的活化点对应的粒径(D50)分别为145nm、124nm、83nm、56nm和38nm。较高的活化率和较小的D50表明山西地区夏季气溶胶粒子中含有大量高可溶性化学成分。

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