鄭博華， 陳 勝， 李圓圓， 樊茹霞， 孔令文， 郝 雷

（1.新疆維吾爾自治區(qū)人工影響天氣辦公室，新疆 烏魯木齊 830002；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)氣象科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

doi：10.12118/j.issn.1000-6060.2022.056入人體肺部并在肺泡內(nèi)沉積，因此不斷增加的氣溶膠不僅污染環(huán)境，同時加速影響全球的氣候變化趨勢。與20世紀(jì)相比，這些人為源氣溶膠粒子濃度呈指數(shù)型增長趨勢［2-3］。在我國中部部分大氣污染嚴(yán)重區(qū)域，大氣溫度廓線及環(huán)流受到氣溶膠直接輻射影響凸顯，由此帶來對氣溶膠層的高度厚度、氣溶膠光學(xué)特性影響也各有不同。因此，氣溶膠造成的環(huán)境變化及氣候變化問題受到了公眾和科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

通過飛機(jī)搭載機(jī)載探測粒子設(shè)備對大氣氣溶膠的觀測統(tǒng)計系統(tǒng)出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代初［4-7］。國內(nèi)探測起步稍晚，起初主要集中在環(huán)境效應(yīng)層面，王喜紅等［8-11］分別對鹽類氣溶膠進(jìn)行了研究，通過對粒子譜分布、化學(xué)組成和輻射（光學(xué)）特性研究為由氣溶膠輻射強(qiáng)迫對環(huán)境效應(yīng)模型及氣候變化評估預(yù)測模式提供了參考依據(jù)。沙塵氣溶膠方面，高衛(wèi)東等［12］得出塔里木地區(qū)沙塵暴期間其氣溶膠濃度遠(yuǎn)大于非沙塵暴期間；田磊等［13］計算分析了沙塵氣溶膠對太陽輻射和大氣逆輻射的影響，得出沙塵對太陽總輻射有一定程度的削弱作用；申彥波等［14］對敦煌地區(qū)氣溶膠粒子數(shù)濃度做了觀測分析，分析了戈壁沙漠和綠洲農(nóng)田的氣溶膠粒子數(shù)濃度與沙塵天氣的關(guān)系以及2種地表下數(shù)濃度的差異；此外，高宇瀟等［15］用MODIS 氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）數(shù)據(jù)和地面監(jiān)測站PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析，二者相關(guān)性良好；范學(xué)偉等［16］利用CALIOP 冰云和氣溶膠3級月平均產(chǎn)品以及大氣3級日平均產(chǎn)品研究了氣溶膠對冰云的影響，認(rèn)為緯度與冰云的分布密切相關(guān)。近20 a，隨著高性能飛機(jī)的不斷投入使用以及機(jī)載探測設(shè)備的穩(wěn)定性逐步提升，利用飛機(jī)對氣溶膠粒子直接觀測成為了了解氣溶膠基本特性不可或缺的手段之一［17-18］，Zhang 等［19］通過對北京2005年和2006年春季17架次的飛行觀測資料進(jìn)行了分析研究后，認(rèn)為氣溶膠的垂直分布特征與氣象條件有十分密切的關(guān)系；黃夢宇等［20］得出不同地區(qū)氣溶膠粒子區(qū)域分布特征存在明顯差異，例如北京氣溶膠粒子數(shù)濃度超過6000·cm-3，細(xì)模態(tài)粒子主要分布在邊界層內(nèi)，而山西氣溶膠粒子數(shù)濃度為1000·cm-3，主要為積聚模態(tài)粒子［21］；朱首正等［22］使用一套基于碘分子濾波器的機(jī)載高光譜分辨率激光雷達(dá)系統(tǒng)開展飛行實驗，研究了秦皇島地區(qū)的氣溶膠變化趨勢、不同下墊面類型下的氣溶膠分布以及秦皇島氣溶膠AOD的高值地區(qū)，得出三者相關(guān)性優(yōu)于0.95；趙德龍等［23］利用空中國王飛機(jī)平臺搭載單顆粒黑碳光度計（SP2）針對北京2016 年12 月冬季一次污染過程進(jìn)行了連續(xù)觀測，結(jié)果表明，此次污染過程是以PM2.5污染為主的霾污染過程，最大值為432 μg·m-3。不可否認(rèn)很多地區(qū)受到探測設(shè)備和經(jīng)費的限制，對氣溶膠垂直分布的觀測還極度缺乏，況且大氣氣溶膠時空分布復(fù)雜多樣，因此需要在不同地區(qū)持續(xù)開展氣溶膠探測分析彌補(bǔ)其空間空缺。

新疆作為21 世紀(jì)戰(zhàn)略資源樞紐和歐亞大陸通道，在推進(jìn)“一帶一路”壯麗宏圖中，國家立志將新疆打造成“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶核心區(qū)”，成為絲綢之路上舉足輕重的交通樞紐、商貿(mào)物流和文化科教絕對核心。吐魯番，是烏魯木齊的門戶，地理位置優(yōu)越，地處亞歐大陸腹地，擁有多個國家級景區(qū)，2018 年11月市區(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)（AQI）曾一度達(dá)到全國倒數(shù)第一；若羌，地處巴音郭楞蒙古自治州東南部，塔克拉瑪干沙漠東南緣，2020 年3 月城區(qū)出現(xiàn)了能見度不足50 m的強(qiáng)沙塵天氣，仿佛置身沙海。霧霾沙塵等問題［24］近年來也一直受到各級政府的高度關(guān)注，不少學(xué)者專家也致力于如何有效減少大氣霾現(xiàn)象的產(chǎn)生，隨著霾現(xiàn)象日益加劇，更多的探測飛行也集中在霾天氣下進(jìn)行，氣溶膠對霾天氣的作用機(jī)理得到了一些研究成果［25-28］。此前在新疆地區(qū)進(jìn)行高性能飛機(jī)機(jī)載氣溶膠探測飛行幾乎為空白，自2019年年底起在吐魯番、若羌兩地開展氣溶膠探測飛行，分析研究氣溶膠粒子數(shù)濃度、垂直分布、粒子平均粒徑等，這對了解兩地大氣氣溶膠時空分布及粒子的物理、化學(xué)特征具有重要意義。

1 研究區(qū)概況

吐魯番是天山東部的一個東西橫置的形如橄欖狀的山間盆地，四面環(huán)山，西起阿拉山溝口，東至七角井峽谷西口，日照時間長，全年約3200 h，以干燥、高溫、多風(fēng)為主，屬于典型的大陸性暖溫帶荒漠氣候。蒸發(fā)量大，降水量少，冬少嚴(yán)寒，風(fēng)小雪少，是中國乃至世界上干旱少雨區(qū)之一。由于吐魯番地勢高低懸殊，高差達(dá)到5600 m，溫度振幅大，進(jìn)一步導(dǎo)致了多風(fēng)天氣的產(chǎn)生，因此由大風(fēng)引起的土壤揚沙塵和周邊小型工業(yè)源成為了該地最主要的氣溶膠貢獻(xiàn)源。

若羌位于新疆維吾爾自治區(qū)巴音郭楞蒙古自治州境內(nèi)，西接且末縣，北鄰尉犁縣及鄯善縣和哈密市。境內(nèi)高山、盆地相間，地形多樣。若羌屬暖溫帶大陸性氣候，其特點是冬冷夏熱、干燥少雨，光熱資源非常豐富，日照時間長，晝夜溫差大；年平均降水量28.5 mm。由于其西鄰塔克拉瑪干沙漠東部，東南與庫姆塔格沙漠相接，與北疆其他區(qū)域相比，地理位置較為特殊，因此具備豐富的沙源，其土壤中粒徑小于2.5 μm 細(xì)顆粒達(dá)到了50%，因此是大氣沙塵氣溶膠中的主要來源和潛在來源［29］。

2 數(shù)據(jù)與方法

2.1 機(jī)載探測儀器

飛行探測使用的是美國生產(chǎn)的空中國王350i飛機(jī)，改裝后最大升限為8400 m，巡航速度為350～400 km·h-1，爬升速度為400 m·min-1，最大探測作業(yè)航程4 h，最大載重7200 kg。飛機(jī)上搭載了美國DMT公司的粒子測量系統(tǒng)，該飛機(jī)于2019—2020年冬季和2020—2021 年冬季分別在吐魯番和若羌開展飛機(jī)探測作業(yè)試驗任務(wù)。儀器主要包括：Ka波段云雷達(dá)、被動氣溶膠譜探頭、云凝結(jié)核計數(shù)器、云組合探頭、降水顆粒圖像探頭、熱線含水儀、航空器綜合氣象監(jiān)測系統(tǒng)等。

本文主要對氣象要素與被動氣溶膠譜探測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析（圖1）。飛機(jī)綜合氣象要素測量系統(tǒng)主要測量溫度、氣壓、動壓、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速等氣象與飛機(jī)飛行要素，采樣頻率為1 Hz；被動氣溶膠譜探頭利用散射中米散射原理測量氣溶膠的粒子譜及濃度，進(jìn)而得到大氣氣溶膠粒子分布特征，測量范圍是0.10～3.00 μm，采樣體積為1 cm3，頻率為1 Hz，最小分辨率為0.01 μm，其中粒徑范圍位于0.10～0.18 μm、0.18～0.30 μm、0.30～0.60 μm、0.60～3.00 μm 所對應(yīng)的通道間距分別為0.01 μm、0.02 μm、0.10 μm、0.20 μm，總計30擋。

圖1 航空器綜合氣象監(jiān)測系統(tǒng)大氣數(shù)據(jù)探頭和被動氣溶膠譜探頭Fig.1 Atmospheric data probe of aircraft integrated meteorological monitoring system and passive aerosol spectroscopy probe

2.2 飛行概況及資料

表1 給出了14 次具有完整探測數(shù)據(jù)的飛行概況以及當(dāng)天天氣實況，飛機(jī)的起落分別在吐魯番交河機(jī)場和若羌樓蘭機(jī)場，氣溶膠粒子數(shù)譜分布特征采用的數(shù)據(jù)為所在機(jī)場上空起降時3700 m 內(nèi)的大氣氣溶膠數(shù)據(jù)；表2給出了14次探測飛行起飛降落時次所對應(yīng)的小時能見度，由于若羌未有環(huán)保監(jiān)測站點，故只羅列了吐魯番環(huán)保局對應(yīng)時間內(nèi)AQI、PM2.5小時濃度以及PM10小時濃度，表中AQI、PM2.5小時濃度、PM10小時濃度數(shù)據(jù)由國家生態(tài)環(huán)境部設(shè)置的監(jiān)測站點觀測得到，來源于網(wǎng)址（http://www.aq?istudy.cn/historydata/）。從表2 不難看出，對應(yīng)起降時間內(nèi)若羌能見度（均值15.5 km）明顯優(yōu)于吐魯番（均值6.7 km），在吐魯番前6 次探測飛行中AQI 均達(dá)到了三級輕度污染（101～150），2020 年1 月14 日AQI 超過了150，到達(dá)了四級中度污染，四級中度污染可能對健康人群心臟及呼吸系統(tǒng)有一定影響。從吐魯番PM2.5、PM10數(shù)據(jù)分析來看，7 次飛行的PM2.5/PM10分別為：48.4%、66.7%、69.7%、48.8%、76.1%、50.5%、49.0%，可以看到小粒徑（小于2.5 μm）占10 μm 一半甚至更高，也說明了吐魯番周邊工業(yè)發(fā)展帶來的人為源氣溶膠粒子的過多排放，可能加劇了該地大氣環(huán)境污染。圖2給出了兩地探測作業(yè)飛機(jī)的飛行軌跡。

圖2 飛行軌跡Fig.2 Flight trajectory

表1 飛行概況Tab.1 General situation of flight

表2 能見度與污染指數(shù)Tab.2 Visibility and pollution index

被動氣溶膠譜探頭得到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后根據(jù)以下方法計算后得出對應(yīng)結(jié)果。

直流配電網(wǎng)接地設(shè)計的目的是給裝置提供一個零參考電位，避免設(shè)備電位懸空而發(fā)生意外，一般分為直流側(cè)接地和交流側(cè)接地兩種形式。

2.3 Kolmogorov-Smirnov非參數(shù)檢驗（KS檢驗）

KS 檢驗是一種非參數(shù)檢驗，常用于判斷樣本與預(yù)先給定的分布是否一致，或者2 個樣本的概率分布是否相同。顯然，當(dāng)兩分布相近的時候，距離自然就非常小，這個統(tǒng)計量就是描述的距離的最大值。其原理假設(shè)H0：2 個數(shù)據(jù)分布一致。當(dāng)實際觀測值D＞D(n,α)（其中n為樣本數(shù)；α為可信度）則拒絕H0，否則接收H0 假設(shè)。KS 檢驗與t檢驗之類的其他方法不同是KS 檢驗不需要知道數(shù)據(jù)得分布情況，在樣本量比較小的時候，KS 檢驗為非參數(shù)檢驗中分析2 組數(shù)據(jù)之間是否不同時相當(dāng)常用。一般當(dāng)P值低于0.01或0時，拒絕原假設(shè)，即認(rèn)為2份數(shù)據(jù)源于不同的分布。本文選擇95%置信區(qū)間，假設(shè)希望檢驗的2 個樣本來自同一分布的原假設(shè)，如果P值大于0.05，假設(shè)成立；反之則拒絕原假設(shè)。

3 結(jié)果與分析

3.1 氣溶膠統(tǒng)計特征

表3 給出了2019—2021 年共14 次探測飛行過程中起降階段吐魯番、若羌兩地氣溶膠粒子數(shù)濃度與粒子平均粒徑的統(tǒng)計計算結(jié)果。從吐魯番前6次探測飛行數(shù)據(jù)變化來看，氣溶膠粒子數(shù)濃度變化幅度不大，維持在3900·cm-3附近，2019 年12 月15 日凌晨大風(fēng)過程后出現(xiàn)氣溶膠粒子數(shù)濃度最小值1263·cm-3，為前6次探測中的最小值，該過程同時出現(xiàn)了粒子平均粒徑最大值、最小值、均值的極值；說明大風(fēng)過程打破了氣溶膠之前的膠性結(jié)構(gòu)，氣溶膠粒子數(shù)濃度短暫上升，但在消散過程中在重力影響下大直徑粒子又具有明顯的沖刷導(dǎo)致濃度降低，但大風(fēng)過后仍有大量小直徑粒子未消失，進(jìn)而增加了中高層粒子氣溶膠粒子數(shù)濃度，增大了粒子直徑。從空氣污染指數(shù)來看，2019 年12 月15 日15:00 AQI為137 已接近中度污染，無論是AQI、PM2.5以及PM10都為前6 次探測飛行指數(shù)最大值，進(jìn)而說明了大風(fēng)過程后，自然源氣溶膠加之人為源氣溶膠使得氣溶膠粒子數(shù)濃度上升并加重空氣污染程度。2020年1月14日實況天氣為陰轉(zhuǎn)小雪，23:00開始降雪，此次降雪持續(xù)了十多個小時，其中鄯善縣最大降雪量達(dá)9.8 mm，雪深100 mm，這場降雪突破了歷史極值，為鄯善縣、托克遜縣建站60多年來最大一場降雪。從表1、表2 明顯看出2020 年1 月14 日探測飛行數(shù)濃度最大值、最小值、平均值以及污染指數(shù)均達(dá)到了極值，其中氣溶膠粒子數(shù)濃度最大值超過了20000·cm-3，AQI超過了150，PM2.5濃度接近117 μg·m-3，達(dá)到了中度污染；造成該結(jié)果的直接原因是降雪天氣前有明顯的上升氣流，導(dǎo)致氣溶膠粒子數(shù)濃度均值高出前幾次探測的3～4 倍，加之此次降雪過程又是吐魯番2020 年首場降雪，地表干燥且濕度不高，過飽和的氣溶膠粒子無法吸濕而增長為微小云滴，因此粒子直徑變化不明顯。若羌前5次探測飛機(jī)數(shù)濃度與粒子直徑變化不明顯，2021年2月28日凌晨浮塵天氣使得氣溶膠粒子數(shù)濃度先降后升，粒子平均粒徑稍有增加，說明以細(xì)沙氣溶膠為主的浮塵天氣過程消散緩慢。

表3 起落階段氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子平均粒徑Tab.3 Aerosol particle concentration and average diameter during the take-off phase

從這14次探測飛行中可以看出，對比兩地氣溶膠粒子數(shù)濃度與粒子平均粒徑發(fā)現(xiàn)具有明顯的差異性，在無明顯天氣過程下若羌?xì)馊苣z粒子數(shù)濃度最大值明顯高于吐魯番，但最小值卻普遍低于吐魯番，總體均值若羌高于吐魯番；粒子平均粒徑方面，吐魯番最大值普遍高于若羌，而最小值與平均值差距不大，但2019 年12 月15日出現(xiàn)大直徑粒子（0.21 μm），這與大風(fēng)后沙塵氣溶膠多有關(guān)聯(lián)。

3.2 不同高度氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子平均粒徑的垂直分布特征

圖3、圖4 分別給出了吐魯番、若羌各7 次探測飛行及過程中起落階段氣溶膠粒子數(shù)濃度以及粒子平均粒徑的垂直分布，為減少儀器誤差與飛行爬升降落過程中速度的差異，選取每個高度層±50 m的平均值進(jìn)行分析計算，吐魯番和若羌探測數(shù)據(jù)計算高度分別為400～4000 m 和1000～4600 m。圖5a～b 為吐魯番2 次（2019 年12 月15 日、2020 年1 月14日）探測飛行氣溶膠粒子數(shù)濃度、溫度、濕度的垂直分布變化，圖5c～d 為若羌2021 年2 月28 日飛行起降過程中探測對應(yīng)數(shù)據(jù)的垂直分布情況。

圖3 吐魯番氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子平均粒徑的垂直分布Fig.3 Vertical distributions of aerosol particle concentration and average diameter in Turpan City

從若羌7次探測飛行（圖4a～g）粒子直徑垂直變化來看，無論是低空還是中高空其粒子直徑變化非常小，粒子平均粒徑在0.11 μm 左右；從表2能見度也不難發(fā)現(xiàn)，晴天和多云若羌能見度明顯優(yōu)于吐魯番，即使沒有環(huán)保監(jiān)測站點，其空中質(zhì)量指數(shù)以及PM2.5應(yīng)優(yōu)于同時段吐魯番指數(shù)。由圖4 可見，除2021 年2 月28 日起飛探測外，其余6 次探測其數(shù)濃度均隨高度上升而增加，2月28日當(dāng)天為多云天氣，00:00—06:00時出現(xiàn)浮塵，山區(qū)出現(xiàn)微雪。首先，天氣過程對氣溶膠粒子數(shù)濃度的垂直分布影響很大，出現(xiàn)了隨高度上升數(shù)濃度下降的趨勢；其次天氣過程后對氣溶膠有明顯的沖刷作用，數(shù)濃度減小直徑不變，氣溫與高度基本為線性關(guān)系（圖5c、圖5d），沒有逆溫存在，數(shù)濃度垂直分布相對穩(wěn)定；最后，天氣過程結(jié)束后（圖4g、圖5d），高層輸入型氣溶膠及時補(bǔ)給，各高度層數(shù)濃度逐步增加，緩慢恢復(fù)原有穩(wěn)定膠性結(jié)構(gòu)。

圖4 若羌?xì)馊苣z粒子數(shù)濃度和粒子平均粒徑的垂直分布Fig.4 Vertical distributions of aerosol particle concentration and average diameter in Ruoqiang County

圖5 探測飛行氣溶膠粒子數(shù)濃度、溫度、相對濕度的垂直分布Fig.5 Vertical distributions of aerosol particle number concentration,temperature and relative humidity in detection flights

總體來看，吐魯番、若羌高層均主要為輸入型氣溶膠，低層以局地性為主，差異可能是由大風(fēng)天氣以及吐魯番近年來工業(yè)迅速發(fā)展加快了人為源氣溶膠粒子的排放量。從數(shù)濃度垂直變化情況來看，在晴空或多云天氣條件下若羌?xì)馊苣z數(shù)濃度普遍大于吐魯番，吐魯番近地面粒子半徑有明顯波動，若羌無變化，這說明與吐魯番相比若羌較大直徑粒子數(shù)量相對較少，以大量小沙塵氣溶膠為主，其地理位置也決定了該區(qū)域工業(yè)活動少人為活動也少，故人為排放的人為源氣溶膠粒子相對較少。

3.3 氣溶膠粒子譜分布特征

大氣氣溶膠是由許多不同尺度的粒子構(gòu)成的，因此數(shù)濃度在不同尺度上的分布情況是描述氣溶膠最重要的物理量之一，稱為粒子譜分布。不同的微物理過程如吸濕、碰并、聚合等都會對粒子譜分布產(chǎn)生明顯變化。同樣氣象要素如溫度、相對濕度、風(fēng)向風(fēng)速等對氣溶膠粒子水平垂直方向的聚合、消散及吸濕能力具有極為重要影響［30-34］。圖6給出了吐魯番、若羌各7 次探測飛行指定高度下的粒子譜分布情況。由于數(shù)濃度變化幅度較大，采用對數(shù)坐標(biāo)便于分析討論。由圖6 可見，兩地粒子直徑在0.10～3.00 μm 范圍內(nèi)變化趨勢大體一致，主要以小粒徑為主，譜分布受天氣過程影響變化較為明顯。吐魯番2020年1月14日探測飛行中，其探測粒子直徑0.80～3.00 μm 數(shù)濃度為0，很可能在逆溫層的影響下，抑制了對流運動的發(fā)展，高溫低濕不利于粒子凝結(jié)增長，但有利于向更高層或地面擴(kuò)散，導(dǎo)致高層小直徑粒子以及近地面小直徑氣溶膠粒子數(shù)濃度上升，進(jìn)而導(dǎo)致近地面空氣質(zhì)量下降，PM2.5與PM10指數(shù)上升，空氣污染嚴(yán)重。若羌探測飛行（圖6b）粒子譜分布整體變化不明顯，但2021年2月28 日探測飛行中其大直徑粒子數(shù)量要明顯高于其余5 次探測飛行數(shù)據(jù)，天氣過程后導(dǎo)致的浮塵天氣使得直徑（1.00～3.00 μm）粒子占據(jù)了主導(dǎo)。

圖6 吐魯番、若羌?xì)馊苣z粒子譜分布Fig.6 Aerosol particle distributions in Turpan City and Ruoqiang County

3.4 氣溶膠粒子不同模態(tài)相似度

為定量了解吐魯番、若羌兩地氣溶膠數(shù)譜分布特征，對兩地氣溶膠數(shù)譜不同模態(tài)下進(jìn)行KS 檢驗，以了解其數(shù)譜分布情況。文中將第一、第二、第三模態(tài)［28］粒徑段分別劃分為0.10～0.20 μm 、0.20～1.00 μm、1.00～3.00 μm，分別計算3個模態(tài)每次有效探測飛行數(shù)譜之間的相似度。從表4 明顯看出，無論是吐魯番還是若羌，在第一模態(tài)中數(shù)譜分布差異不大，吐魯番最高相似度達(dá)到100.000%，最低16.780%，平均相似度為46.770%；若羌同樣最高100.000%，最低5.240%，均值略高于吐魯番，為50.330%。吐魯番2020 年1 月14 日探測飛行中，其第二、三模態(tài)相似度急劇下降，小于0.020%，說明降雪過程對氣溶膠數(shù)濃度影響很大，打破其原有譜分布，逆溫層的存在，對流運動受阻，大氣低層氣溶膠粒子擴(kuò)散抑制，進(jìn)而破壞其原有垂直分布，其余6次飛行第二、三模態(tài)相似度分別為31.550%和23.640%；從若羌（表5）第二、三模態(tài)相似度中可以得出，2021 年2 月28 日2 次探測飛行第二模態(tài)相似度仍滿足置信度95%，第三模態(tài)小于0.020%，其余5次飛行第二、三模態(tài)相似度分別為28.340%和15.440%，天氣過程打破了其氣溶膠數(shù)譜分布，但相比吐魯番2020年1月14日過程，未有逆溫層對其第二模態(tài)中的粒子影響不大，數(shù)譜僅在第三模態(tài)中變化凸顯。

表4 吐魯番起降階段氣溶膠粒子不同模態(tài)相似度Tab.4 Similarity of different modes of aerosol particles during take-off and landing in Turpan City /%

表5 若羌起降階段氣溶膠粒子不同模態(tài)相似度Tab.5 Similarity of different modes of aerosol particles during take-off and landing in Ruoqiang County /%

4 討論

近幾年，地基測量、探空氣球、衛(wèi)星遙感反演等多渠道手段來獲取氣溶膠數(shù)據(jù)已極為普遍，眾多學(xué)者圍繞其粒子濃度以及所處地理位置、天氣條件、污染狀況等方面開展一系列研究，由于細(xì)顆粒物不僅對輻射平衡、環(huán)境質(zhì)量有影響，同時威脅著人類身體健康。飛機(jī)作為最有效的大氣探測儀器運載工具，高效地推進(jìn)中尺度天氣觀測以及云微物理學(xué)研究，搭載探測設(shè)備的高性能飛機(jī)不斷投入使用，填補(bǔ)了氣溶膠等不同粒子尺度在空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的空白。飛機(jī)是有效的大氣探測儀器運載工具，它既能在短時間內(nèi)飛行很大距離，獲取不同要素的空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)資料，又能實時、實地的精準(zhǔn)化細(xì)致觀測，因而在中尺度觀測及云微物理學(xué)研究中廣泛利用。高性能飛機(jī)還可使用衛(wèi)星中繼系統(tǒng)實時地發(fā)送探測資料，對補(bǔ)充海洋、沙漠無人區(qū)等稀少地區(qū)的氣象資料有著重要作用。飛行速度快、高低空溫差大、飛行顛簸等這些對機(jī)載探測儀器的設(shè)計及測量技術(shù)有特殊的要求，比如儀器靈敏度高、滯后效應(yīng)低、測量精度高等，此外，飛機(jī)中還有激烈的機(jī)械振動也對測量精度有很大的要求。2018 年年底新疆吐魯番AQI 達(dá)到六級嚴(yán)重污染，2020 年3 月若羌出現(xiàn)強(qiáng)沙塵天氣，能見度不足50 m，人如置身沙海，嚴(yán)重沙塵霧霾天氣備受各級政府及學(xué)者專家高度關(guān)注。本文利用2019—2020 年冬季吐魯番和2020—2021 冬季若羌14 次完整氣溶膠探測數(shù)據(jù)資料，研究了飛機(jī)爬升或降落階段兩地上空3700 m范圍內(nèi)氣溶膠粒子數(shù)濃度、粒子平均粒徑的變化規(guī)律，給出了飛機(jī)起飛或降落階段各個高度層中的粒子譜分布特征。由于不同地區(qū)的地形地貌、環(huán)境氣候有差距性，因此對不同地區(qū)氣溶膠的探測分析尤為重要，該結(jié)論對后續(xù)研究所在地區(qū)的大氣環(huán)境、輻射以及氣溶膠建模等方面的研究具有參考意義，為后續(xù)大氣環(huán)境探測研究提供新的思路。

5 結(jié)論

（1）從14 次探測飛行中可以看出，吐魯番、若羌兩地冬季氣溶膠粒子數(shù)濃度與粒子平均粒徑存在明顯的差異性，在無明顯天氣過程中若羌?xì)馊苣z粒子數(shù)濃度最大值（11829·cm-3）及均值（5354·cm-3）均明顯高于吐魯番（最大值8045·cm-3，均值3948·cm-3），但最小值（1421·cm-3）卻普遍低于吐魯番（2276·cm-3）；粒子平均粒徑方面，兩地差異不大，但吐魯番出現(xiàn)大直徑粒子（0.16 μm）數(shù)量高于若羌（0.13 μm），2019 年12 月15 日大風(fēng)后最為明顯，粒子直徑出現(xiàn)0.21 μm，這與沙塵氣溶膠多有關(guān)聯(lián)。

（2）兩地氣溶膠粒子數(shù)濃度、粒子平均粒徑受大風(fēng)、降水等天氣過程以及逆溫層的影響十分明顯。大風(fēng)過程導(dǎo)致氣溶膠粒子數(shù)濃度上升，在低層消散過程中大直徑粒子又具有明顯的沖刷力使低層氣溶膠數(shù)濃度降低，但仍有大量小直徑粒子未消失，進(jìn)而增加了數(shù)濃度，增大了粒子直徑，加重加快了空氣污染。降雪天氣過程前存在一定的緩慢上升氣流，導(dǎo)致數(shù)濃度高出均值的3～4倍，干燥低濕使得過飽和的氣溶膠粒子無法吸濕增長為微小云滴，所以粒子直徑變化不明顯。在逆溫層的影響下，對流運動受阻，大氣低層氣溶膠粒子擴(kuò)散抑制，破壞其垂直分布，從而加重了吐魯番空氣污染指數(shù)。

（3）總體來看，吐魯番、若羌高層均主要為輸入型氣溶膠，低層以局地性為主，差異可能原因是大風(fēng)天氣以及吐魯番近年來工業(yè)迅速發(fā)展加快了人為源氣溶膠粒子的排放量。從數(shù)濃度垂直變化情況來看，在晴空或多云天氣條件下若羌?xì)馊苣z數(shù)濃度普遍大于吐魯番，兩地均隨高度增加而升高，但吐魯番近地面粒子半徑隨高度有明顯波動，若羌幾乎無變化。這說明與吐魯番相比，若羌較大直徑粒子數(shù)量相對較少，以大量小沙塵氣溶膠為主，其地理位置也決定了該區(qū)域工業(yè)活動少、人為活動也少，故人為排放的人為源氣溶膠粒子相對較少。

（4）吐魯番、若羌兩地粒子譜分布（直徑在0.10～3.00 μm）變化趨勢大體一致，主要以小粒徑為主，譜分布受天氣過程影響變化較為明顯。從三模態(tài)粒徑相似度對比可以看出，無論是吐魯番還是若羌，在第一模態(tài)中數(shù)譜分布差異不大，吐魯番、若羌最高相似度均達(dá)到100.000%，若羌平均相似度為50.330%，值略高于吐魯番（46.77%）。在2020 年1月14 日探測飛行中，其第二、三模態(tài)相似度急劇下降，均小于0.020%，相似度極低，逆溫層的存在打破其原有譜分布。而若羌在2021 年2 月28 日2 次探測飛行第二模態(tài)相似度仍滿足置信度95%，而第三模態(tài)僅為0.020%，其余5 次飛行第二、三模態(tài)相似度均值分別為28.340%和15.440%。