夏季氣溶膠空間分布范文

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《中國環(huán)境科學雜志》2014年第八期

1結果與分析

1.1統(tǒng)計分析根據(jù)觀測實驗所選擇的不同儀器的測量范圍、分檔粒徑以及不同的采樣時間間隔,對4次飛行觀測獲取的氣溶膠數(shù)據(jù)進行了重新計算和相互訂正.為方便于不同觀測儀器的數(shù)據(jù)整合,依據(jù)觀測到的氣溶膠粒子尺度大小,將氣溶膠粒子劃分為3個模態(tài)(核模態(tài):0.01μm<D<0.11μm;積聚模態(tài):0.11μm<D<3μm;粗粒子模態(tài):D>3μm.D:粒子直徑)進行統(tǒng)計和分析.其中,核模態(tài)氣溶膠信息來源于SMPS,積聚模態(tài)氣溶膠信息來自PCASP-100X,粗粒子模態(tài)氣溶膠采用APS的觀測數(shù)據(jù).從表2來看,核模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度最大值出現(xiàn)在7月31日,達到了42689個/cm3,平均值為8334個/cm3.高濃度核模態(tài)細粒子的存在導致當日能見度較差.8月2日,核模態(tài)的氣溶膠粒子數(shù)濃度最大值較7月31日明顯降低,約為1.0×104個/cm3,平均值為2.0×103個/cm3.8月3日和4日,氣溶膠粒子數(shù)濃度較8月2日又略有升高.綜合4次的觀測數(shù)據(jù)來看,核模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度均明顯高于積聚模態(tài)和粗粒子模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度.因此核模態(tài)氣溶膠對氣溶膠總濃度貢獻最大.并且,從統(tǒng)計數(shù)據(jù)來看,大于3µm的粗粒子模態(tài)氣溶膠粒子非常少.結合觀測日天氣條件分析,7月31日,觀測區(qū)域內為霾天,氣溶膠粒子數(shù)濃度特別是核模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度非常大,約為非霾日核模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度的2~3倍.7月31日傍晚和8月1日,太原及周邊地區(qū)有陣性降水出現(xiàn),8月2日觀測區(qū)域內有少量淡積云,8月3日和4日均為晴朗無云的天氣.從統(tǒng)計結果來看,由于降水對于氣溶膠粒子的濕清除作用以及云對氣溶膠粒子的消耗,使得8月2日氣溶膠粒子數(shù)濃度有明顯的降低,并且降水對于小粒子的清除作用相對更為明顯.綜合分析3個氣溶膠觀測儀器的結果,SMPS和PCASP觀測到的氣溶膠粒子數(shù)濃度很高,而APS觀測到的粗粒子模態(tài)的氣溶膠粒子非常少.因此,山西中部地區(qū)夏季非降水天氣條件下氣溶膠粒子多為核模態(tài)和積聚模態(tài).

1.2氣溶膠數(shù)濃度、粒徑的分布特征選取2013年7月31日和8月2~4日的觀測數(shù)據(jù),分析每一次觀測時段內飛行海拔高度和不同儀器觀測到的氣溶膠粒子數(shù)濃度隨時間的變化.圖2為2013年7月31日、8月2~4日SMPS、PCASP、APS觀測的氣溶膠粒子數(shù)濃度與飛行高度隨飛行時間的分布,圖中實線加圓點、實線加方塊、實線加三角形標識分別代表PCASP、SMPS、APS觀測的氣溶膠粒子數(shù)濃度,虛線加米字標識代表觀測飛機飛行海拔高度軌跡.從四幅圖中均可以直觀的看出氣溶膠粒子數(shù)濃度與飛行高度呈反相關,隨著飛行高度的增加,各個儀器觀測到的氣溶膠粒子數(shù)濃度都明顯減小.例如,在7月31日的圖中,從飛機起飛至第1次到達最高點,氣溶膠粒子數(shù)濃度急劇減小,在地面,氣溶膠粒子濃度(除APS)量級為103~104個/cm3,當飛機至最高點(約3000m以上)時,氣溶膠粒子濃度量級降至102個/cm3.飛機在文水區(qū)域盤旋下降時,在每間隔300m高度做水平盤旋飛行(軌跡中的階梯).可以看到,在每個水平飛行時段,對應的氣溶膠粒子數(shù)濃度變化很小,而當飛機下降或上升至下一個高度的時間段,氣溶膠粒子數(shù)濃度變化明顯.另外,從4次觀測不同的觀測儀器獲取的氣溶膠粒子數(shù)濃度信息可以看出,由SMPS觀測到的細粒子數(shù)濃度最大,PCASP觀測得到的積聚模態(tài)的氣溶膠粒子數(shù)濃度略小,而由APS觀測到的粗粒子數(shù)濃度則非常小,平均量級僅有10個/cm3,并且3個儀器觀測的氣溶膠數(shù)濃度隨高度的變化趨勢一致性較好.選取2013年7月31日和8月2~4日的觀測數(shù)據(jù),分析每一次觀測時段內飛行海拔高度和不選擇4次飛機觀測過程中從起飛至飛行到最高點時PCASP觀測的氣溶膠數(shù)據(jù)(分別為7月31日10:38~11:32、8月2日15:05~16:03、8月3日09:52~10:31、8月4日11:00~11:39),分析積聚模態(tài)氣溶膠在垂直方向的數(shù)濃度和粒子尺度的分布狀態(tài),并且結合相同時段內溫度的垂直分布狀況研究了兩者之間的關系.圖3為氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子尺度的垂直分布廓線,圖4為相同觀測時段內溫度的垂直廓線.從圖3可以看出,在飛機起飛之前剛開始觀測的時段內,地面氣溶膠粒子濃度非常大,隨著觀測設備的逐漸穩(wěn)定,氣溶膠粒子濃度逐漸減小.4次飛行觀測中,從地面(海拔778m)至1200m左右,氣溶膠粒子數(shù)濃度逐漸增大,達到一個峰值之后隨高度急劇降低.氣溶膠粒子數(shù)濃度的第一個峰值區(qū)位于海拔1200~1500m,形成一個明顯的近地層氣溶膠累積區(qū).例如,在7月31日的觀測中,氣溶膠粒子數(shù)濃度最大值為5436個/cm3,位于海拔1100m;8月2日,氣溶膠粒子數(shù)濃度最大值出現(xiàn)在1300m,最大數(shù)濃度值為4914個/cm3;8月3日,氣溶膠數(shù)粒子濃度最大值為3493個/cm3,位于1100m;8月4日,氣溶膠粒子濃度最大值為5630個/cm3,出現(xiàn)在1100m左右.并且,4次觀測中,氣溶膠粒子數(shù)濃度在高空均出現(xiàn)了第2個峰值區(qū),8月3日,氣溶膠在高空的累積區(qū)出現(xiàn)在2000m左右,其余3天氣溶膠數(shù)濃度的高空峰值都出現(xiàn)在3000m以上.從飛行觀測的宏觀記錄來看,在對應于高空氣溶膠累積區(qū)的3000m左右高度存在一層近似灰霾的穩(wěn)定層.氣溶膠有效直徑(ED)是研究氣溶膠特性的另一個重要參數(shù),它代表了氣溶膠粒子尺度大小的平均狀態(tài).從圖3可見,氣溶膠粒子有效直徑隨高度的增加而逐漸增大,氣溶膠粒子有效直徑在垂直方向上也存在兩個峰值,大粒子多集中在2500m以上的高空.從地面起,第1個粒徑峰值區(qū)出現(xiàn)在2500~3000m,第2個出現(xiàn)大的氣溶膠粒子的區(qū)域在3500m高度以上.例如,7月31日,氣溶膠粒子有效直徑最大值為0.78µm,出現(xiàn)在2413m;8月2日,氣溶膠粒子有效直徑最大值為1.7µm,出現(xiàn)在4832m;8月3日,氣溶膠粒子有效直徑最大值出現(xiàn)在3922m,為0.84µm;8月4日,氣溶膠粒子有效直徑最大值為0.61µm,出現(xiàn)在3000m左右.綜合4次觀測的氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子尺度的垂直分布來看,細粒子對于氣溶膠總濃度的貢獻較大,分布在近地層的大氣中,粒徑較大的氣溶膠粒子多分布在高層,且濃度很低,在氣溶膠總濃度中只占很小的比例.由于觀測的4天均為非降水天氣,大氣層結比較穩(wěn)定,低層的細粒子多來源于地面污染物的排放,而高空少量的大粒子則可能為經(jīng)遠距離輸送而來的沙塵等.一些飛機觀測研究表明,氣溶膠的垂直分布與邊界層結構非常密切.邊界層頂有逆溫層存在時,在邊界層內氣溶膠數(shù)濃度均勻分布,在邊界層之上迅速遞減.圖4為4次觀測過程中大氣溫度隨高度的分布狀態(tài).在海拔1200~1500m之間,7月31日存在一個弱的逆溫層,而8月2日、3日和4日,逆溫層結構非常明顯.對照圖3,在1200~1500m之間,正好對應于氣溶膠粒子數(shù)濃度的大值區(qū),因此邊界層頂部逆溫層的存在可能是導致氣溶膠粒子在逆溫層底形成累積區(qū)的主要原因.另外,從飛機觀測宏觀記錄來看,4次的觀測飛行中均發(fā)現(xiàn)在2000~3200m之間,存在一層像霾的穩(wěn)定的氣溶膠累積層,呈現(xiàn)灰藍色.對照溫度的垂直廓線發(fā)現(xiàn),7月31日,在2200m左右存在一個弱的高空逆溫層,8月3日高空逆溫層出現(xiàn)在2700左右;特別是8月4日,溫度廓線分別在1300m左右、2100m左右、2600m左右出現(xiàn)了3個逆溫層,而在氣溶膠數(shù)濃度的垂直廓線中(圖3d),可以看到3個數(shù)濃度的峰值區(qū)與這3個逆溫層的位置有較好的對應.高空逆溫層的存在,致使高空也存在相對穩(wěn)定的大氣層結,使得氣溶膠的垂直輸送受到阻礙,在高空形成氣溶膠的累積層.因此,通過對觀測時段內溫度垂直廓線以及氣溶膠數(shù)濃度垂直廓線的對比,發(fā)現(xiàn)逆溫層的存在對于氣溶膠積累區(qū)的形成有重要的影響,氣溶膠的垂直分布狀態(tài)與天氣條件密切相關.

1.3氣溶膠平均譜分布特征大氣氣溶膠包含多種不同尺度不同成分的粒子,描述氣溶膠粒子分布的一個重要的物理量是其數(shù)濃度隨粒子尺度的分布,稱為粒子譜分布.不同地區(qū)不同環(huán)境下的氣溶膠粒子會有不同的譜分布,由于大氣條件的變化,會改變粒子的吸濕、碰并、凝結等微物理過程,從而使粒子譜發(fā)生變化.氣溶膠粒子譜分布是決定氣溶膠在大氣中的傳輸、壽命以及光學特性的重要因素之一.以往針對于氣溶膠粒子譜分布的數(shù)據(jù)多是來源于PCASP,而該儀器只能給出積聚模態(tài)氣溶膠(0.1μm<D<3μm)的譜分布信息.本研究選取SMPS和APS的觀測數(shù)據(jù),覆蓋了從10nm~20μm的不同模態(tài)的氣溶膠粒子信息.對4次觀測數(shù)據(jù)按照不同的高度區(qū)間進行綜合分類整理,分析了山西地區(qū)夏季非降水天氣背景下氣溶膠在不同高度上的譜分布平均狀態(tài),見圖5.從氣溶膠粒子平均譜分布圖可以直觀的看出,在海拔2000m以下[圖5(a),(b)],氣溶膠粒子數(shù)濃度非常大,達到104個/cm3的量級,并且核模態(tài)的小粒子占據(jù)了氣溶膠總濃度的絕大部分.1000m以下,核模態(tài)氣溶膠粒子數(shù)濃度峰值出現(xiàn)在對應直徑為0.05μm處,說明在地面之上的300m范圍內,多為0.05μm左右的細粒子.積聚模態(tài)尺度范圍內的氣溶膠粒子數(shù)濃度峰值出現(xiàn)在對應粒徑為0.8μm處,而大于1μm的粗粒子譜連續(xù)且平滑,沒有明顯的峰值.貼地層氣溶膠粒子譜分布大致呈雙峰分布,兩個峰值分別位于核模態(tài)和積聚模態(tài)氣溶膠尺度內.1000~2000m高度內[圖5(b)],對應著邊界層內逆溫層底的低空氣溶膠累積區(qū),所以數(shù)濃度非常大,且同樣以小于2µm的細粒子為主.并且氣溶膠粒子譜略有展寬,在核模態(tài)尺度范圍內,氣溶膠濃度峰值出現(xiàn)在粒子尺度為0.1µm處,次峰值出現(xiàn)在積聚模態(tài),對應氣溶膠粒徑為1µm.在大于2µm的粗粒子區(qū)間內,氣溶膠譜為單峰結構,氣溶膠粒子數(shù)濃度隨粒子尺度的增大逐漸減小.與1000m以內的氣溶膠譜分布對比,整體都為雙峰分布,但是1000~2000m高度內積聚模態(tài)的粒子明顯增多,積聚模態(tài)區(qū)間的粒子數(shù)濃度峰值最大可達103個/cm3.2000~3000m高度內[圖5(c)],氣溶膠粒子總數(shù)濃度顯著減少,數(shù)濃度最大峰值為103個/cm3,氣溶膠譜呈三峰分布.第1個峰值出現(xiàn)在核模態(tài)的小粒子端,峰值對應粒徑較2000m以下又有所增大,對應粒徑約為0.2µm,第2個峰值仍然出現(xiàn)在積聚模態(tài),峰值對應粒徑為0.8µm,第3個峰值對應于粗粒子模態(tài)的2µm處.3000~4000m高度內[圖5(d)],氣溶膠粒子譜與3000m以內的相似,最大數(shù)濃度峰值繼續(xù)降低,氣溶膠粒子在大于0.2µm的范圍內數(shù)濃度急劇降低,粗粒子端部分觀測樣本譜型有些雜亂.4000m以上(圖5e),觀測樣本較少,氣溶膠粒子譜非常平滑.數(shù)濃度峰值繼續(xù)降低,峰值對應數(shù)濃度為102個/cm3.從近地面到5000m高空,氣溶膠數(shù)濃度在不斷降低,氣溶膠粒子譜特別是細粒子譜隨高度有所展寬,3個模態(tài)的氣溶膠譜型基本一致,沒有太大的變化,均呈雙峰或三峰分布.由于觀測時段是連續(xù)的四天且在同一區(qū)域內,天氣背景也基本相同,也沒有強的垂直對流擾動,均為較穩(wěn)定的大氣層結,因此在各個高度上氣溶膠譜型變化不大.圖5基本反映了山西地區(qū)夏季在非降水天氣背景下不同高度內的氣溶膠數(shù)濃度隨粒子尺度的分布特征.3.4氣溶膠來源分析采用HYSPLIT模式計算了2013年7月31日和8月4日山西中部地區(qū)氣團48h后向軌跡(圖6).后向軌跡顯示,4000m以上高空氣溶膠粒子隨氣團從哈薩克斯坦經(jīng)中國西北地區(qū)(7月31日)和經(jīng)外蒙古地區(qū)(8月4日)遠距離輸送而來(粉色和淺藍色線條);3000m以下氣溶膠多源自近地面污染物的排放,并且向上輸送(深藍色和紅色線條),輸送距離較短.高空3000m一些氣溶膠粒子在輸送過程中可能因重力作用沉降至近地面(綠色線條).綜合氣團后向軌跡模擬結果以及氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子尺度的垂直廓線(圖3),低空高濃度的氣溶膠細粒子多來源于近地面排放,而高空少量的氣溶膠粒子為經(jīng)遠距離輸送而至的沙塵等粗粒子.

2結論

2.1氣溶膠飛機觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示,山西夏季非降水日氣溶膠多以核模態(tài)和積聚模態(tài)的粒子為主,核模態(tài)的氣溶膠粒子對氣溶膠總濃度貢獻最大.霾日氣溶膠粒子數(shù)濃度非常大,是晴空氣溶膠數(shù)濃度的2~3倍.

2.2氣溶膠粒子數(shù)濃度和粒子尺度的垂直廓線顯示,氣溶膠粒子數(shù)濃度隨高度逐漸減小,海拔1200~1500m之間存在低空氣溶膠累積區(qū).逆溫層的存在是導致氣溶膠在逆溫層底形成累積區(qū)的主要原因.氣溶膠粒子有效直徑隨高度逐漸增大,在2000~2500m之間存在氣溶膠粒子的快速增長區(qū).粒徑小的氣溶膠粒子分布在近地面大氣中;粒徑較大的氣溶膠粒子多分布在高空,且濃度很低,在氣溶膠總濃度中只占很小的比例.

2.3氣溶膠粒子譜分布特征顯示,從地面到5000m高空,氣溶膠數(shù)濃度不斷降低,氣溶膠粒子譜隨高度的增加略有展寬.各個高度上氣溶膠譜型基本一致,均呈雙峰或三峰分布.

2.4氣團48h后向軌跡模擬顯示,在觀測日內山西中部地區(qū)大氣層結相對比較穩(wěn)定.3000m以下高濃度的氣溶膠細粒子多來源于近地面污染物的排放,而4000m以上高空少量的氣溶膠粒子為經(jīng)遠距離輸送而至的沙塵等粗粒子。

作者：李軍霞銀燕李培仁李潤君晉立軍李勁單位：南京信息工程大學,中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室山西省人工降雨防雹辦公室北京師范大學全球變化與地球系統(tǒng)科學研究院