余小嘉，高建秋，鐘建洪，趙博，林俊君

（1.廣東省突發(fā)事件預警信息發(fā)布中心，廣東廣州 510650；2.中國氣象局云霧物理環(huán)境重點開放實驗室，北京 100081；3.韶關市氣象局，廣東韶關 512026）

大氣氣溶膠是指懸浮在氣體介質中的固態(tài)或液態(tài)顆粒，是大氣的重要組成成分。分析氣溶膠及其相關物理量的時空分布特征，對研判氣候變化、人工影響天氣等具有重要意義。氣溶膠的時空分布特征復雜多變，但又缺乏有效觀測資料，這使得氣溶膠與云之間的相互作用的定量化研究成為一個科學難題［1-2］。與其他觀測資料相比，飛機探測資料可以提供更為直接、精準的氣溶膠、云粒子觀測數據，有助于將同一時空下的相關物理量緊密聯系起來。

20世紀80年代，我國首次引入機載測量系統(tǒng)進行飛機探測。經歷了近40年的探索，已在華北、華東、西南地區(qū)開展了較為廣泛的飛機探測實驗，推進人工影響天氣科學不斷進步。在氣象災害頻發(fā)的華南，對飛機探測資料的研究卻較為稀缺［3-4］。2004年Wang等［5］首次利用飛機對珠三角地區(qū)的大氣氣溶膠進行檢測；游積平等［6］利用2010年飛機探測資料，進一步分析了珠三角地區(qū)氣溶膠的譜分布特征。

美國水滴測量技術公司提供的DMT（Droplet Measurement Technologies）機載大氣探測系統(tǒng)在PMS（Partical Measurement System）的基礎上新增了計算和顯示功能，可以消除顯著的探測誤差，無論是從硬件還是軟件性能上都得到了提升。本研究利用新舟60飛機搭載的機載大氣探測系統(tǒng)DMT，在夏季對華南沿海地區(qū)的氣溶膠、云凝結核進行探測，分析夏季廣東沿海地區(qū)的一次飛機探測中，氣溶膠向云凝結核的活化轉變過程。

1 儀器與資料處理

本次飛行的探測平臺為新舟60飛機，新舟60飛機巡航速度約為119 m／s，爬升率為23.1 m／s，最大飛行高度為7 620 m，本次探測的最大飛行高度為4 411 m。機載粒子探測系統(tǒng)DMT主要包含的探頭有：測量范圍為0.1～3μm的氣溶膠探頭PCASP-100x+SPP200、測量范圍為2～50μm的云粒子探頭CDP、測量范圍為0.75～10μm的云凝結核計數器CCN，可以測量溫度、濕度、氣壓、經度、緯度、高度的飛機綜合氣象要素測量系統(tǒng)AIMMIS-20，以及熱線含水量儀Hotwire LWC。其中云凝結核計數器包含A、B兩個云室：A云室的過飽和度在0.2%～1%之間循環(huán)變化，B云室過飽和度恒定在0.3%。在研究云凝結核隨空間的變化時，為了排除過飽和度設置值的干擾，僅以過飽和度恒定的B云室所測數據為研究對象。鑒于僅有AIMMIS-20探頭能提供高度、經緯度信息，為了分析氣溶膠、云凝結核的空間分布特征，將其他粒子探頭所測數據以時間差最小為標準，匹配到了AIMMIS-20所測高度處。

2 天氣實況與飛行概況

2.1 天氣實況

2019年7月16日，500 hPa位于南海北部的副熱帶高壓西伸后控制華南地區(qū)，850 hPa廣東省受反氣旋環(huán)流影響，地面受均壓場控制，全省大部以晴到多云天氣為主。珠海市氣溫27.6～34.2℃，相對濕度78.3%～79.8%，氣壓997.1～1 003.5 hPa。江門市部分市縣出現零星小雨，早晚有輕霧，氣溫25.5～35.9℃，相對濕度76.5%～84.8%，氣壓994.4～1 003.8 hPa。陽江市氣溫27.6～35.3℃，相對濕度74.3%～82.3%，氣壓992.7～1 002.0 hPa。中山市氣溫26.7～35.5℃，相對濕度74.5%，氣壓998.9～1 002.3 hPa。

2.2 飛行概況

飛機的飛行航跡如圖1所示，新舟60飛機于2019年7月16日17：43：41（北京時，下同）從珠海金灣機場（113.34°E，22.02°N）起飛，向西南方向爬升。18：13：10飛機飛行到陽江市江城區(qū)上空4 400 m的最大高度處，此時距離珠海金灣機場的水平距離約為146.7 km。隨后從4 400 m開始盤旋下降，19：06：19飛機抵達最低高度2 456 m。之后飛機再次盤旋上升，19：28：11到達3 090 m，平飛一段時間后，于19：39：06向東北方向下降，最終于20：04：59回到珠海金灣機場。

圖1 飛機航跡平面圖

3 結果及分析

3.1 粒子濃度的空間分布

如圖2所示，在飛行航跡上氣溶膠濃度與B云室所測的云凝結核濃度滿足相似的分布特征。整體而言，粒子濃度隨高度上升先緩慢增大后迅速減小，但是在水平方向上粒子濃度變化不明顯。氣溶膠濃度在104cm-3以下，云凝結核濃度在103cm-3以下。在爬升和下降階段，飛機飛行到1 139 m時出現了氣溶膠濃度的極大值達1 468.1 cm-3，飛行到1 271 m時出現了云凝結核濃度的極大值640.1 cm-3。

圖2 氣溶膠（a）和云凝結核（b）的濃度

垂直方向上氣溶膠和云凝結核粒子濃度分布如圖3所示。在100 m以下，近地層氣溶膠濃度垂直分布變化不明顯，可能是因為受下墊面影響較大。在100 m以上，氣溶膠濃度在3個高度區(qū)間內呈現不同的分布特征。從100到1 496 m，隨著高度升高，氣溶膠濃度整體呈上升趨勢，數濃度在846.0～3 204.8 cm-3范圍內波動，平均值為1 725.3 cm-3。從1 496到2 265 m，隨著高度升高，氣溶膠濃度急劇下降，濃度在102.7～1 155.3 cm-3范圍內，平均值為534.3 cm-3。從2 265到4 411 m，隨著高度升高，氣溶膠濃度整體呈下降趨勢，濃度在1.0～196.4 cm-3范圍內波動明顯，平均值為13.1 cm-3。B云室測得的云凝結核濃度與氣溶膠濃度的垂直分布呈現出相似的分布特征。從100到1 383 m，隨著高度升高，云凝結核濃度整體呈上升趨勢，濃度在116.0～640.1 cm-3范圍內波動顯著，平均值為304.0 cm-3。從1 383到2 304 m，隨著高度升高，云凝結核濃度急劇減小，濃度在1.1～389.7 cm-3范圍內，平均值為107.7 cm-3。從2 304到4 411 m云凝結核濃度整體維持在一個較低的水平，濃度在86.3 cm-3以下，平均值為4.1 cm-3。

圖3 垂直方向上氣溶膠濃度（黑色實線）、云凝結核濃度、溫度和液態(tài)水質量濃度隨高度的變化

隨著高度升高，氣溫從28.7℃遞減到6.7℃，垂直遞減率為-0.49℃／hm。液態(tài)水質量濃度隨高度升高有線性下降趨勢。液態(tài)水質量濃度在526、1 372和3 039 m的高度層出現了極大值區(qū)，分別為0.091、0.088和0.087 g／m3。

3.2 粒子直徑空間分布

圖4a利用箱形圖展示了氣溶膠、云凝結核直徑隨飛機飛行時間的分布特征。其中，箱形的上邊框對應粒徑大小的上4分位數，箱形的下邊框對應粒徑大小的下4分位數，箱形內部的橫線對應中位數。將偏離上下4分位數1.5倍4分位距（上下4分位數之差）的離群點視為異常值，則圖4a中紅色圓點和綠色圓圈分別代表氣溶膠、云凝結核粒徑大小的異常值?？梢娫谠摯物w機探測過程中，氣溶膠、云凝結核直徑的中位數、上下4分位數隨航跡的變化較小，即樣本的粒徑大小較為平均。去除異常值以后，氣溶膠、云凝結核直徑的平均值分別為0.16、1.30μm。圖4b展示了飛行過程中，云粒子直徑的變化特征。利用云粒子探頭CDP采集到1 656個云滴樣本，平均有效直徑為6.0μm。在飛機爬升和下降600～2 200 m的高度區(qū)間時，出現了2個云粒子群集區(qū)，在該區(qū)域內采集到的樣本占樣本總數的62.7%，這是因為在大氣低層存在淺薄的暖云。

圖4 氣溶膠粒子平均直徑（紅色箱形圖）和云凝結核平均直徑（綠色箱形圖）（a）、飛行高度（黑色實線）和云粒子有效直徑（藍色實點）（b）隨時間的變化

如圖5所示，計算5個典型高度層500、1 000、2 000、3 000、4 000 m上下50 m內氣溶膠和云凝結核粒子的平均濃度。

圖5 不同高度上氣溶膠（a）和云凝結核（b）的濃度粒徑譜分布，以及3 000和4 000 m高度上氣溶膠（c）和云凝結核（d）的濃度粒徑譜分布

在各高度層上，氣溶膠平均濃度的粒徑譜均呈現多峰分布特征，峰值直徑主要出現在0.11 μm。在500和1 000 m高度上，還出現了第2個峰值顯著的區(qū)域，峰值直徑出現在0.16μm。云凝結核的濃度粒徑譜在500、1 000 m高度上出現了2個峰，峰值直徑分別出現在1和1.26 μm。云凝結核在2 000、3 000和4 000 m高度上基本為單峰分布，峰值直徑分別出現在1.26、1.00、1.00μm。

3.3 粒子空間分布的影響因素分析

無論是粒子濃度還是粒子直徑，氣溶膠和云凝結核都表現出相似的空間分布特征。這表明氣溶膠濃度、粒徑分布會影響其活化作為云凝結核的能力。整體而言，氣溶膠、云凝結核濃度隨著高度的上升，先增大后減小，在1 000～1 300 m的區(qū)間內出現了極大值（圖3）。在夏季華南的邊界層內，受熱力學作用，垂直對流運動強烈，很容易將近地層的氣溶膠輸送到邊界層頂。但伴隨著高度升高，高空風速的加大以及垂直輸送能力的減弱，氣溶膠濃度顯著減小。

在600～2 200 m的高度區(qū)間出現了云粒子群集區(qū)（圖4），對應區(qū)域的液態(tài)水質量濃度也偏大（圖3），在液態(tài)水質量濃度較大的情況下，吸濕性氣溶膠容易向云粒子活化轉化。在2 000 m以下，氣溶膠和云凝結核的濃度粒徑譜較廣，這是因為此時氣溶膠的來源較廣，成分復雜；在2 000 m以上，氣溶膠和云凝結核的直徑大小趨于單一，且偏小，只有少量小粒徑氣溶膠、云凝結核滯留于大氣高層（圖5）。

為了研究過飽和度設置值對云凝結核濃度的影響，取18：12：36—19：02：36飛機在3 405～4 402 m高度區(qū)間內的飛行過程（圖6）。在該過程中A云室過飽和度每隔10 min的數值分別為0.6%、0.8%、1%、0.2%、0.4%，而作為對比，B云室的過飽和度則恒定在0.3%。從圖6可以看到，B云室所測的云凝結核濃度一直穩(wěn)定在較低的數值，變化范圍在0～28.7 cm-3。在A云室內，整體而言云凝結核濃度隨著過飽和度的增加而升高，云凝結核濃度的變化相較于過飽和度的變化在時間上稍有滯后：云凝結核濃度最大值為176.8 cm-3，出現在過飽和度從1%減小到0.2%的10 s內；最小值為0 cm-3，出現在過飽和度變化到0.2%且穩(wěn)定維持約3.7 min后。說明在過飽和度高的環(huán)境下，更有利于提升云凝結核的活化率。當A云室過飽和度設置值在某一數值保持恒定時，云凝結核濃度出現了較大波動。這是因為高層氣溶膠很少，不同時刻采樣氣體中的氣溶膠濃度差異大，導致在云凝結核計數器中，由氣溶膠活化成的云凝結核濃度波動明顯。

圖6 云室所測云凝結核數濃度隨過飽和度設置值的變化

4 結論

1）隨著高度上升氣溶膠、云凝結核濃度先增大，后急劇減小，最后緩慢減小。氣溶膠、云凝結核濃度在水平方向上的變化較小。

2）不同高度層上氣溶膠和云凝結核的濃度粒徑譜分布特征較為相似。氣溶膠、云凝結核的平均直徑在2 000 m以下各層的粒徑譜較寬，在500和1 000 m層出現了兩個峰值。

3）氣溶膠濃度高且粒徑大、液態(tài)水含量高、過飽和度高的區(qū)域更有利于提升氣溶膠的活化作為云凝結核的能力。