杭州G20峰会期间气溶胶和云凝结核微观特征个例分析

论文总字数：12910字

目 录

引言 4

1　探测飞机及观测仪器 5

2　飞行信息 5

3 飞机观测结果 6

3.1 气溶胶粒子及CCN的数据统计 6

3.2 气溶胶和云凝结核的垂直分布特征 9

3.2.1 气溶胶粒子的垂直分布特征 9

3.2.2 CCN粒子的垂直分布特征 12

3.3气溶胶粒子的谱分布情况 12

3.4 气溶胶粒子分布特征与CCN粒子分布特征之间的联系 15

4 结论 16

参考文献 16

杭州Ｇ２０峰会期间气溶胶和云凝结核微观特征个例分析

卞逸舒

摘要：2016年9月1日和9月4日，装载着PMS机载粒子测量系统的飞机在华东的杭州及周边地区进行人工影响天气作业。在飞行期间，探测仪器取得了气溶胶粒子的数浓度、有效直径、云凝结核（CCN）数浓度及飞行高度、经纬度等基本参数。利用以上观测数据分析了气溶胶数浓度、谱分布、CCN数浓度等的垂直分布及云内外分布特征。结果显示气溶胶粒子数浓度在一定高度下随高度增加而递减，此高度以上有增加趋势；CCN数浓度随高度增加而递减，飞机在观测中有出入云过程，云内的CCN数浓度要低于云外；气溶胶粒子谱型随高度增加而变窄；云内气溶胶粒子的有效直径主要在0.3μm以下，云外气溶胶粒子的有效直径多大于0.3μm。CCN数浓度和气溶胶粒子数浓度的相关性分析显示二者呈正相关。

关键词：云凝结核　气溶胶　飞机探测 杭州

Aircraft measurements of microphysical properties of aerosol and cloud condensation nuclei during G20 in Hangzhou area

Yishu Bian

Abstract：On September 1 and 4 2016, aircrafts loaded with PMS carried on weather modification in Hangzhou and surrounding area. During the flight, PMS achieved data of number concentration of aerosol and cloud condensation nuclei, effective diameter of aerosol and some basic elements such as height, longitude and latitude, wind speed. With all the data above, combined with weather data, the vertical distribution of aerosol particles and cloud condensation nuclei was analyzed, along with spectral distribution of aerosol respectively at noon and at night, at different altitudes, inside and out of cloud. It turned out that number concentration of aerosol particles decreased with the increase of height under the certain height and had a growth tendency above the height; number concentration of cloud condensation nuclei decreased with the increase of height, which was also higher outside of clouds than inside; spectral pattern of aerosol particles narrowed with the increase of height; effective diameter of aerosol particles was mostly less than 0.3μm inside the cloud while mostly more than 0.3μm outside; last but not least, analysis of the correlation between aerosol particles and cloud condensation nuclei showed that they were positive.

Key words：cloud condensation nuclei; aerosol; aircraft measurements; Hangzhou

引言

气溶胶是指悬浮在气体中的固体和（或）液体微粒与气体载体组成的多相体系。现如今习惯上将其看作是大气中悬浮着的各种固体和液体粒子。所有可能形成云滴的气溶胶粒子称为凝结核（CN），在此其中，一部分能在特定的过饱和度（SS）下活化成云凝结核（CCN）。在不同地区，气溶胶粒子的数浓度分布各有差异，它受地理位置、地表性质、周边人口密集度及生产活动状况和气象条件等因素影响。气溶胶粒子在云雾降水、大气辐射、大气光电等大气物理过程中起着重要作用。随着科技的高速发展和人们生产活动的增加，多数城市面临着气溶胶污染现象，气溶胶粒子成为影响人们生活的重要因子。气溶胶颗粒物的浓度变化直接或间接的影响到人们的生存环境和生理健康，影响了大气中发生的物理化学过程，进而影响了天气及气候的变化。因此，研究气溶胶及云凝结核的特征是研究天气、气候、环境的重要组成部分。

国内外对气溶胶和云凝结核的相关特性开展了诸多观测研究。王婷婷等在天津武清地区开展的研究分析表明云凝结核（CCN）数浓度受风速和过饱和度影响，过饱和度0.1％时，1级以下风速时的CCN浓度是4级以上风速的10倍，过饱和度为1％时，该浓度比值为4倍^[1]。 李力等在黄山地区对不同高度的云凝结核观测分析时发现云凝结核数浓度随高度递减，山顶的CCN日变化主要受到大气边界层的日变化的影响，山底的CCN日变化主要受到早晚人为活动较频繁的影响^（2）。李军霞等对2011年1～12月山西地面CCN观测研究发现近地面CCN浓度最大，随高度增加不断减小，且CCN数浓度日变化一般呈现双峰型，分别出现在07：00～11:00和17:00～20:00，对应于每天人为活动和交通运输较密集的时段^[3]。孙霞等在石家庄雾霾天气下对云凝结核时空分布特征的观测结果显示高空云粒子粒径总体大于低空云粒子^[4]。张杰等认为气溶胶分布可分为3种类别：在稳定大气条件下，随着高度变化，气溶胶呈单峰型变化趋势；混合层中气溶胶垂直变化无明显特征；在不稳定层结下，气溶胶呈指数型分布特征；且大气边界层高度的日变化表现为早晨低、正午高、下午开始下降的单峰型分布特征，边界层中的气溶胶上边界也随之呈现出早晨低、下午高的单峰型变化趋势^[5]。封秋娟等对华北部分地区的云凝结核研究分析时发现CCN数浓度日最大值、日平均值与过饱和度呈正相关，随着过饱和度的增大而增加，且飞机水平穿云过程观测显示云内CCN比云外明显减少，说明云体对CCN有消耗作用^[6]。气溶胶和云凝结核之间的关系是很复杂的，因为气溶胶来源于各种各样的排放，而且经过了很多大气物理和化学过程^[7]。

杭州是我国七大古都之一，是浙江省的省会，政治、经济、文化和金融中心。依托沪杭铁路等铁路线路的通车以及上海在进出口贸易方面的带动，轻工业发展迅速。此次研究数据由机载粒子测量系统测得。机载粒子测量系统PMS（Particle Measuring Systerm)在我国于20世纪80年代开始投入使用。此测量系统对研究分析云的宏微观特征有重要作用，它可以通过飞机观测测量气压、粒子数浓度、云中液态含水量、粒子有效直径、风速、风向及云微观特征量的三维分布。该数据资料可供云微观特征研究，辅助人工影响天气作业，为遥感观测如卫星、雷达等提供有效的观测依据，同时可为云与降水数值模拟研究服务。不同地区因地形、地理位置、人为活动等原因，气溶胶空间分布会有所差异。为了研究各地的气溶胶分布情况，需要在当地进行观测分析。此次为了研究华东地区云凝结核和气溶胶的垂直分布特征， 利用G20期间在杭州及周边地区取得的飞机探测资料，分析和揭示该地区上空气溶胶和云凝结核微观特征及其垂直分布，为云降水和空气质量模拟提供支撑，有助于改进对华东背景地区云凝结核和气溶胶时空分布的认识。　

1　探测飞机及观测仪器

参与此次试验的飞机共4架：中国气象局人工影响天气中心新舟60两架（分别是B-3435和B-3726），北京市人工影响天气办公室运12（B-3830）和空中国王（B-3587）。选取新舟60的B-3726飞机作为探测平台。

此飞机上装载的机载粒子测量系统PMS（Particle Measuring Systerm的缩写）是20世纪70年代后期开始在世界各地逐步广泛采用的云物理探测仪器。该仪器已成为探测云物理结构最常见的仪器设备^[8,9]。所载探测仪器包括AIMMES-20（Aircraft Integrated Meteorological Measurement System）气象常规探头，可探测温度、相对湿度、气压、风速、风向、经纬度、空速及三维风速等基本气象要素；云粒子图像探头CIP,测量范围是25～1550μｍ，分辨率为25μｍ，；气溶胶粒子探头PCASP（测量范围为0.10～3.00μm，分辨率为0.01μm），用来探测粒子数浓度、体积浓度、有效直径等；CCN云凝结核计数器，用于测量CCN数浓度及对应的过饱和度ss；还有PIP(Precipitation Imaging Probe)降水粒子探头,探头的探测范围是100～6200μm，分辨率为100μm。

2　飞行信息

为在G20期间进行消云减雨工作，新舟60的B-3726飞机分别在9月1日和9月4日飞行作业，每日飞行两架次。选取B3726在9月4日的两次飞行，利用在新舟60的B-3726上的机载粒子测量系统PMS所探测到的数据进行研究，分析云中微观特征量（如数浓度、有效直径等）的垂直分布。已知飞机飞行区域在杭州及周边地区，具体飞行信息见表1。　

　　　　　　　　　　表1 杭州G20期间B- 3726于9月4日的飞行情况

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