居麗玲，牛生杰，段英

(1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044;2.河北省衡水市氣象局，河北衡水053000;3.河北省人工影響天氣辦公室，河北石家莊050021)

一次秋季冷鋒降水過程氣溶膠與云粒子分布的飛機(jī)觀測

居麗玲1，2，牛生杰1，段英3

(1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇南京210044;2.河北省衡水市氣象局，河北衡水053000;3.河北省人工影響天氣辦公室，河北石家莊050021)

利用機(jī)載PMS(Particle Measuring Systems)測量系統(tǒng)，對2008年10月4—5日石家莊地區(qū)一次冷鋒降水云系的3次氣溶膠和云粒子探測資料進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，冷鋒過境降水前后，氣溶膠粒子分布差異較大。降水發(fā)生前，氣溶膠粒子平均數(shù)濃度約為103cm－3，平均直徑為0.95 μm;氣溶膠主要集中于3 000 m高度以下的對流層低層，云內(nèi)氣溶膠數(shù)濃度明顯減少。降水發(fā)生后，氣溶膠粒子平均數(shù)濃度約為102cm－3，比降水前約小1個量級，平均直徑為1.28 μm;氣溶膠主要集中于1 200 m以下的近地面層，其數(shù)濃度隨高度增加而降低。氣溶膠粒子濃度在低層云區(qū)內(nèi)水平變化較小，而在無云區(qū)和云下近地層水平起伏較大。云粒子平均濃度比氣溶膠小1～2個量級。氣溶膠粒子平均譜主要呈雙峰型，而云粒子譜主要為單峰型。

秋季冷鋒;氣溶膠;云粒子;飛機(jī)觀測;石家莊地區(qū)

0 引言

氣溶膠是大氣的重要組成部分，雖然在大氣中的含量很低，卻對大氣的許多物理過程有著重要影響，氣溶膠對云、降水的形成以及氣候、環(huán)境的變化均具有重要作用。氣溶膠通過輻射效應(yīng)對氣候的影響可以分為兩大方面，即直接效應(yīng)和間接效應(yīng)。直接效應(yīng)是指氣溶膠粒子吸收太陽輻射和地—氣長波輻射，從而影響地—氣輻射收支，使地表溫度降低;間接效應(yīng)是指氣溶膠作為云的凝結(jié)核(CCN)，改變云的微物理特性，進(jìn)而影響云量、云的輻射特性(劉強(qiáng)等，1999;王明星和張仁健，2001)。

在國外，氣溶膠及云與降水的關(guān)系已得到大量研究。Mukai et al.(2003)通過分析衛(wèi)星ADEOS/POLDER獲得的氣溶膠、水汽、云的資料和衛(wèi)星傳回的全球照片，認(rèn)為氣溶膠的數(shù)濃度與云滴半徑成反比關(guān)系，氣溶膠的特性、云的微物理結(jié)構(gòu)和水汽含量之間具有相關(guān)性。Peng et al.(2002)分析了北大西洋和東太平洋云下氣溶膠數(shù)濃度(CNa)和云滴數(shù)濃度(CNc)之間的關(guān)系，并得到CNc=197(1－exp(－6.13×10－3CNa))的關(guān)系式。Jin et al.(2005)研究了紐約和休斯頓地區(qū)城市氣溶膠是如何隨云和降水變化的;通過觀測發(fā)現(xiàn)，休斯頓和紐約的地面降雨并沒有季節(jié)性變化特征，因此認(rèn)為，氣溶膠對降雨的影響比對云的影響要小。

在國內(nèi)，近些年機(jī)載PMS(Particle Measuring Systems)已成為大氣探測的重要工具，對飛行得到的云觀測資料分析是研究云微物理特征和大氣氣溶膠與云相互作用的重要手段，尤其在氣溶膠與云相互作用的研究中作用重大(牛生杰等，2001;段婧和毛節(jié)泰，2008)。谷福印等(1989)分析1982年在北京沙河探測的大氣氣溶膠發(fā)現(xiàn)，氣溶膠最大數(shù)濃度為70 cm－3，在2 000 m以上氣溶膠數(shù)濃度水平變化較小，2 000 m以下波動較大，譜分布符合冪指數(shù)分布;同時，還討論了逆溫層、風(fēng)和相對濕度對大氣氣溶膠粒子的影響。孫玉穩(wěn)等(1990)利用1990年秋季在石家莊地區(qū)不同天氣條件下對流層低層大氣氣溶膠的飛機(jī)觀測資料，分析了氣溶膠粒子數(shù)密度、質(zhì)量濃度水平和垂直分布特征及其日變化。楊軍等(2000)詳細(xì)分析了1996、1997年春末夏初在遼寧省飛機(jī)探測的氣溶膠粒子數(shù)濃度和尺度譜分布的垂直、水平變化特征，并討論了它們與溫度和相對濕度的關(guān)系。馮圓等(2005)分析了河南春季一次冷鋒降水過程云的微物理結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明，冷鋒前后云中粒子的濃度、液水含量及粒子譜型存在較大差異，鋒前云粒子譜為單峰型，鋒面過境時，譜型轉(zhuǎn)變?yōu)殡p峰或多峰型。黃夢宇等(2005)研究發(fā)現(xiàn)，在河北觀測到的云外氣溶膠濃度值達(dá)到l04量級，層狀云云下氣溶膠數(shù)濃度與云滴數(shù)濃度存在正相關(guān)關(guān)系。黃夢宇等(2006)、張佃國等(2007)和范燁等(2007)分別分析了大氣氣溶膠排放、天氣系統(tǒng)(如鋒前、鋒后)對北京及周邊地區(qū)氣溶膠的影響，結(jié)果表明，不同季節(jié)和天氣條件下，北京及周邊地區(qū)氣溶膠粒子數(shù)濃度和尺度有較大差異，近地層逆溫、風(fēng)速、云狀況對氣溶膠的分布和譜分布影響很大。郝立生等(2008)和孫玉穩(wěn)等(2010)研究華北衡水湖地區(qū)晴空PMS數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)，衡水湖上空的氣溶膠粒子尺度比該市區(qū)和鄰近城鎮(zhèn)上空的小，且三地上空氣溶膠特征和垂直分布不同;衡水湖不同高度的氣溶膠平均譜呈單峰分布;多階Γ函數(shù)對氣溶膠粒子譜有較好的擬合效果。黃海燕等(2009)認(rèn)為，北京市區(qū)南部氣溶膠濃度大于北部，逆溫層、風(fēng)速等天氣條件對氣溶膠在不同高度的分布有重要影響。孫霞等(2010)分析了一次霾過程大氣氣溶膠(包括粗細(xì)粒子)的濃度、尺度譜分布及其時空變化特征，并對不同高度的譜分布進(jìn)行了擬合。

華北地區(qū)是中國北方重要的經(jīng)濟(jì)地區(qū)，隨著經(jīng)濟(jì)和城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市大氣環(huán)境的污染也日趨嚴(yán)重，石家莊是中國113個重點城市中空氣污染較為嚴(yán)重的城市之一(國家環(huán)?？偩郑?004)。因此，研究石家莊地區(qū)大氣氣溶膠與云粒子及降水的關(guān)系具有重要的現(xiàn)實意義。

本文選取2008年10月4—5日石家莊市區(qū)一次冷鋒降水前后獲得的3架次氣溶膠、云粒子飛機(jī)探測資料(PMS資料)，分析氣溶膠粒子數(shù)濃度、平均直徑和不同高度譜分布的變化特征，為進(jìn)一步研究氣溶膠與云和降水的關(guān)系創(chuàng)造條件。

1 飛行資料及PMS設(shè)備

探測過程中使用的飛機(jī)是我國民航部門引進(jìn)的美國派珀飛機(jī)公司生產(chǎn)的夏延IIIA飛機(jī)，該飛機(jī)加裝云物理探測儀器后最大飛行高度仍可達(dá)到8 000 m，巡航速度為300～400 km/h。機(jī)上安裝了美國PMI公司(Particle Metrics，Inc.)生產(chǎn)的新型機(jī)載粒子測量系統(tǒng)PMS(Particle Measuring Systems)等儀器。本研究主要運(yùn)用并分析了其中PCASP-100X和FSSP-100-ER兩個探頭的資料。所用機(jī)載探測設(shè)備基本情況見表1。

表1 機(jī)載探測設(shè)備的基本情況Table 1 Basic situation of airbone measuring equipments

2008年10月4—5日利用河北省改裝的上述飛機(jī)及機(jī)載PMS系統(tǒng)，在石家莊市區(qū)(沿二環(huán)路)進(jìn)行了大氣氣溶膠和云滴的探測，共飛行了3架次，詳細(xì)飛行探測概況見圖1。飛行航線結(jié)合了探測設(shè)計。飛機(jī)由正定機(jī)場起飛至配備高度后平飛至石家莊市區(qū)上空，根據(jù)探測目的和云系分布進(jìn)行探測飛行，飛機(jī)采用盤旋式上升、下降和水平飛行相結(jié)合的飛行探測方案，每架次平均飛行時間為1.4～2.5 h，最高探測高度約為7 000 m，最低探測高度為550 m。水平探測飛行高度分別位于580、790、980、1 155、1 465、1 970、2 375、2 590、3 260、3 600、5 000、6 000和6 990 m。

2 統(tǒng)計特征

2.1 天氣背景分析

表2給出了2008年10月4—5日3架次的宏觀天氣分析情況。由表2看出，10月4日第1架次處于冷鋒云系的前部即冷鋒前端，第2架次正好處于鋒面過境前期，10月5日為冷鋒過境后。水平能見度的變化范圍為6 000～11 000 m。地面天氣狀況以輕霧、降水為主。3架次探測均為Sc云、As云，其中，第二架次還有Ci云存在。10月4日2架次地面風(fēng)速不大，其變化范圍為1～2 m/s，云量均為10/10。

2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征分析

圖1 2008年10月4—5日三架次三維飛行軌跡圖(f1、f2、f3分別代表第一、第二、第三飛行架次)a.第一飛行架次;b.第二飛行架次;c.第三飛行架次Fig.1 Three-dimensional flight path of the three flights on 4—5 October 2008(f1，f2 and f3 presents the first，second and third flight，respectively)a.the first flight;b.the second flight;c.the third flight

表3給出了3架次垂直探測的氣溶膠、云粒子濃度及尺度統(tǒng)計結(jié)果。從PCASP氣溶膠探頭探測結(jié)果來看，3架次飛行探測到的氣溶膠粒子平均數(shù)濃度為102～103cm－3，最大值為5 110 cm－3，低于1990年石家莊地區(qū)秋季氣溶膠的平均數(shù)濃度1.25×104～3.25×104cm－3(孫玉穩(wěn)等，1990;黃夢宇等，2005)，與2005年秋季氣溶膠的平均數(shù)濃度103cm－3的探測結(jié)果相差不大(張瑜，2007)。比較表2和表3可以看到，氣溶膠數(shù)濃度的高低強(qiáng)烈依賴于天氣狀況，特別是地面風(fēng)速大小和逆溫層高度，氣溶膠數(shù)濃度的高值出現(xiàn)在地面風(fēng)速小(小于2 m/s)或有逆溫的狀態(tài)下。10月5日陰雨，近地面風(fēng)速達(dá)到6 m/s，氣溶膠數(shù)濃度最大值為2 104 cm－3，比在10月4日陰天有霧情況下少一半多。說明雨水對氣溶膠粒子具有明顯的沖刷作用;風(fēng)速的增加也對氣溶膠粒子的擴(kuò)散起到積極的作用。從氣溶膠尺度看，10月5日陰雨天氣觀測到的氣溶膠粒子直徑的平均值達(dá)到1.28 μm，其余2次為陰天有輕霧，其觀測到的氣溶膠平均直徑主要集中在0.95～1.06 μm。這可能是由于在陰雨天氣條件下，部分氣溶膠粒子在過飽和條件下核化凝結(jié)增長為微小云滴的緣故。

由表3中FSSP云粒子探頭的探測結(jié)果來看，3次飛行探測的云粒子平均數(shù)濃度值為101cm－3，比氣溶膠粒子的小1～2個量級，表明在云內(nèi)僅有極少數(shù)量的氣溶膠可以核化為云粒子。

表2 觀測期間的大氣狀況Table 2 Atmospheric conditions during the observation period

3 垂直分布特征

圖2和圖3分別給出了10月4日2次飛機(jī)盤旋下降和10月5日盤旋上升探測到的氣溶膠粒子和云滴數(shù)濃度、直徑、溫度隨高度的垂直分布。由圖2a和圖3a可以看出，10月4日上午Sc云高度為1 500～2 200 m(正好處在兩個逆溫高度層中間)，云層較薄，厚度約為700 m，As云高度為4 500～6 990 m;在Sc與As之間存在厚度約為2 300 m無云區(qū)。在Sc云云區(qū)里，云粒子數(shù)濃度、尺度有很好的一致性，在云底和云頂處較大，在云的中部則相對較小。在云底1 200 m以下，氣溶膠數(shù)濃度隨高度下降而增大，尤其800 m以下氣溶膠粒子數(shù)濃度增大顯著，這可能是由近地面輕霧造成的。在Sc云中部1 841 m處，出現(xiàn)了數(shù)濃度為2 630 cm－3的峰值區(qū)，隨后又隨高度波動減小;同時，在1 500 m層(Sc云底)和2 200 m層(Sc云頂)分別出現(xiàn)了2.50～2.75 μm的氣溶膠峰值直徑。在上述2 200～4 500 m的無云區(qū)內(nèi)，在2 800 m高度處又出現(xiàn)了氣溶膠數(shù)濃度的峰值，這可能是由于平流輸送造成的。隨后氣溶膠數(shù)濃度隨著高度增加而迅速減小，在3 500～4 500 m高度層內(nèi)，氣溶膠粒子數(shù)濃度均在50 cm－3以下。上述分析表明，云層對氣溶膠垂直分布有很大影響，在Sc云內(nèi)，氣溶膠粒子數(shù)濃度和云粒子數(shù)濃度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，而二者的粒子尺度則呈正相關(guān)關(guān)系。這可能是由于部分氣溶膠粒子核化為云凝結(jié)核所致。

由圖2b和3b可以看出，10月4日下午探測對象屬于較深厚的層狀云，Sc云在1 300～3 400 m，厚度達(dá)2 100 m;As云在3 600～5 900 m間，厚度達(dá)到2 300 m;Sc云與As云之間夾層(干層)只有200 m。氣溶膠數(shù)濃度在1 200 m以下基本隨高度迅速遞減;1 200～1 400 m逆溫層底隨高度快速增加;在Sc云區(qū)內(nèi)，云的中下部氣溶膠數(shù)濃度隨高度波動增大，在云的中部2 189 m處出現(xiàn)2 847 cm－3的峰值，云的中上部氣溶膠數(shù)濃度隨高度波動減小。在云的中下部1 300～2 200 m處出現(xiàn)2.1～2.5 μm的氣溶膠直徑峰值區(qū)，可能是粒子吸濕、碰并增長的結(jié)果;As云氣溶膠數(shù)濃度基本維持在50～500 cm－3之間，比Sc云小1～2個量級。

表3 氣溶膠、云粒子數(shù)濃度和直徑的統(tǒng)計特征Table 3 Statistical characteristics of number concentration and diameter of aerosol or cloud particle

由圖2c和3c可以看出，10月5日上午Sc云在550～1 250 m，As云在2 250～3 400 m，二者之間有約1 000 m的夾層。Sc云中的氣溶膠數(shù)濃度一般為500～2 000 cm－3，且隨高度增加明顯下降，然而在逆溫層底1 100 m高度，又迅速出現(xiàn)氣溶膠數(shù)濃度的極值，且粒子尺度較大，粒子直徑均為2.1～2.6 μm。夾層中的氣溶膠數(shù)濃度一般為100～300 cm－3，隨高度增加而下降，粒子尺度較小。As云及以上觀測到的氣溶膠數(shù)濃度基本維持在100 cm－3左右，但在As云中，粒子尺度較大。在As云中，云粒子數(shù)濃度與粒子尺度呈負(fù)相關(guān)。

綜上所述，冷鋒過境(降水)前后的氣溶膠垂直分布有很大的差異。除有云或大氣低層有逆溫狀況外，氣溶膠數(shù)濃度總體上都隨著高度增加而減小，逆溫層底是數(shù)濃度的高值區(qū)，此高度往上數(shù)濃度值迅速減小30%左右，這就造成了粒子數(shù)濃度垂直分布的不連續(xù)。另外，近地面霧層的高度和云層厚度、云底高度也同樣對氣溶膠數(shù)濃度垂直分布有很大的影響。無論是低層云還是中高層云，在云區(qū)內(nèi)，氣溶膠數(shù)濃度的峰值區(qū)均位于云的中部。

圖2 2008年10月4—5日氣溶膠粒子數(shù)濃度、直徑和溫度的垂直分布a.10月4日上午;b.10月4日下午;c.10月5日Fig.2 Vertical distributions of aerosol number concentration，diameter and temperature during 4—5 October 2008a.in the morning of 4 October;b.in the afternoon of 4 October;c.on 5 October

圖3 2008年10月4—5日云粒子數(shù)濃度、直徑的垂直分布a.10月4日上午;b.10月4日下午;c.10月5日Fig.3 Vertical distributions of cloud number concentration and diameter during 4—5 October 2008 a.in the morning of 4 October;b.in the afternoon of 4 October;c.on 5 October

4 水平分布特征

圖4—6分別給出了在近地層(570 m左右)(圖4)、逆溫層(圖5)、飛行探測最高層(圖6)進(jìn)行平飛采樣得到的氣溶膠(PCASP)水平分布特征。

由圖4可見，由于飛行期間的天氣、大氣層結(jié)狀況存在顯著差異，所以氣溶膠在近地層水平分布也出現(xiàn)了顯著不同。相比而言，冷鋒過境降水發(fā)生前(圖4a、b)，氣溶膠數(shù)濃度顯著偏高，水平分布不均勻性大，4日上午云下558 m高度的數(shù)濃度最大與最小差值達(dá)2 600 cm－3，下午云下588 m高度的數(shù)濃度最大與最小差值達(dá)1 000 cm－3，兩次飛行氣溶膠粒子直徑基本維持在0.3～1.7 μm之間。冷鋒過境降水發(fā)生后(圖4c)，氣溶膠的數(shù)濃度普遍偏低，水平分布極不均勻，起伏較大，粒子直徑基本維持在0.3～2.6 μm之間，其中有三段記錄表明粒子直徑維持在2.2～2.6 μm，說明此時飛機(jī)在層積云云底570 m高度飛行，其他時段則在云區(qū)外或云區(qū)間隙飛行。

圖5是氣溶膠粒子在逆溫層Sc云底或云頂?shù)乃椒植?。可以看出，氣溶膠粒子數(shù)濃度水平分布極不均勻。圖5a為10月4日上午在層積云底部探測，出現(xiàn)粒子直徑為2.1～2.5 μm的大值區(qū)，云區(qū)里粒子數(shù)濃度相對較均勻;其他兩個時段在云區(qū)外或云區(qū)間隙飛行，氣溶膠粒子數(shù)濃度比云區(qū)內(nèi)偏大，而粒子直徑相對較小，在0.4～1.5 μm之間。圖5b為10月5日上午在層積云頂部探測，氣溶膠粒子數(shù)濃度相對均勻，粒子直徑在0.3～2.1 μm之間。

由圖6可見，氣溶膠粒子在6 000～7 000 m的水平分布差異也較大。10月4日上午在As云云頂6 990 m高度探測的氣溶膠粒子數(shù)濃度分布均勻，分布曲線上的小抖動是由于飛機(jī)水平飛行中高度的微小差異造成的;而粒子直徑起伏較大。10月4日下午在Ci云6 967 m高度探測的氣溶膠粒子分布不均，起伏較大。10月5日上午在無云區(qū)6 084 m高度探測的氣溶膠粒子分布較均勻。

3個架次平飛探測顯示，冷鋒過境降水前后，云下或云底氣溶膠粒子數(shù)濃度變化顯著，降水發(fā)生前比降水后大;而云內(nèi)氣溶膠粒子數(shù)濃度普遍比云外小，層積云和高層云氣溶膠粒子的水平變化相對較小，而高層卷云粒子數(shù)濃度的水平分布起伏較大，可能與粒子是冰晶有關(guān)。高層無云區(qū)氣溶膠粒子分布均勻，低層無云區(qū)和云下近地層氣溶膠粒子數(shù)濃度水平分布不均，可能是由于大氣狀態(tài)(霧、風(fēng)、濕度等)或飛機(jī)水平飛行過程中經(jīng)過不同區(qū)域因污染原因造成的。云區(qū)內(nèi)氣溶膠粒子尺度較大，粒子直徑基本維持在2.1～2.6 μm之間。

圖4 近地層氣溶膠粒子數(shù)濃度、直徑的水平分布a.2008-10-04f1;b.2008-10-04f2;c.2008-10-05f3Fig.4 Horizontal distributions of aerosol number concentration and diameter at the near surface layera.2008-10-04f1;b.2008-10-04f2;c.2008-10-05f3

圖5 逆溫層氣溶膠粒子數(shù)濃度、直徑的水平分布a.2008-10-04f1;b.2008-10-05f3Fig.5 Horizontal distributions of aerosol number concentration and diameter at the inversion layera.2008-10-04f1;b.2008-10-05f3

5 氣溶膠和云粒子平均譜的特征

5.1 總平均譜分布

圖7給出了2008年10月4—5日3次飛行過程上升或下降階段的氣溶膠(取自PCASP探頭)和云粒子(取自FSSP-100ER探頭)平均譜。由圖7a可以看出，氣溶膠譜型相似，譜分布基本呈雙峰結(jié)構(gòu)，冷鋒過境前飛行探測峰值直徑均為0.275 μm和2.75 μm，而冷鋒過境后探測峰值直徑為0.11 μm和2.75 μm。冷鋒過境前峰值數(shù)濃度比過境后大約1個量級，4日下午降水發(fā)生前峰值數(shù)濃度最大，為214.4 cm－3，估計與云層增厚有關(guān)。氣溶膠粒子直徑主要在0.11～2.75 μm范圍內(nèi)變化。由圖7b可見，F(xiàn)SSP-100ER的譜分布，在冷鋒過境前后均為單峰譜結(jié)構(gòu)，峰值為3.5 μm。峰值數(shù)濃度最大值位于4日下午降水發(fā)生前，為31.3 cm－3，陰天有霧且云層較厚，由多層云組成，地面風(fēng)速較小，只有1 m/s;峰值數(shù)濃度最小發(fā)生在5日，僅為7.5 cm－3，屬于陰雨天氣且地面風(fēng)速較大。譜寬基本一致，變化范圍均為3.5～45.5 μm。

圖6 6000～7 000 m高度氣溶膠粒子數(shù)濃度和直徑的水平分布a.2008-10-04f1;b.2008-10-04f2;c.2008-10-05f3Fig.6 Horizontal distributions of aerosol number concentration and diameter at the height of 6 000—7 000 ma.2008-10-04f1;b.2008-10-04f2;c.2008-10-05f3

圖7 2008年10月4—5日3次飛行探測的氣溶膠粒子(a)和云粒子(b)的平均譜Fig.7 Mean spectra of(a)aerosol and(b)cloud particle from three flights during 4—5 October 2008

5.2 不同高度層的譜分布

不同來源的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(jié)等微物理過程，從而使粒子譜發(fā)生變化(盛裴軒等，2003)。圖8—10給出了不同天氣條件下不同高度層飛機(jī)平飛觀測的氣溶膠粒子(取自PCASP探頭)、云粒子(取自FSSP-100ER探頭)平均譜分布情況。

10月4日上午冷鋒過境前，在陰天、有輕霧情況下，氣溶膠粒子譜呈多峰型分布，且譜寬較寬，但不同高度層的譜型不盡相同(圖8)。近地層558 m和577 m譜型相似，譜線峰值位于0.11、0.155、1.75 μm處，峰值數(shù)濃度約為103cm－3;云下1 133 m和Sc云中1 540 m譜型相似，譜線峰值位于0.11、0.275、2.75 μm處，峰值數(shù)濃度約為102cm－3;高層云5 000 m和6 990 m譜型相似，譜線峰值位于0.11、0.155、2.25 μm處，峰值數(shù)濃度約為101cm－3?？傊瑥牡蛯拥礁邔託馊苣z粒子主要為D＜0.275 μm的細(xì)粒子。云粒子譜呈單峰型分布，且隨高度增加，譜寬變寬。云下1 133 m和云中1 540 m處峰值數(shù)濃度最大(102cm－3);近地層云粒子峰值數(shù)濃度為100cm－3;高層云粒子峰值數(shù)濃度為10－1cm－3。當(dāng)D＞15.5 μm時，高層云大粒子增多。

圖8 2008年10月4日上午氣溶膠粒子(a)和云粒子(b)在不同高度的平均譜Fig.8 Mean spectra of(a)aerosol and(b)cloud particle at different height layers in the morning of 4 October 2008

圖9 2008年10月4日下午氣溶膠粒子(a)和云粒子(b)在不同高度的平均譜Fig.9 Mean spectra of(a)aerosol and(b)cloud particle at different height layers in the afternoon of 4 October 2008

圖10 2008年10月5日氣溶膠粒子(a)和云粒子(b)在不同高度的平均譜Fig.10 Mean spectra of(a)aerosol and(b)cloud particle at different height layers on 5 October 2008

10月4日下午冷鋒即將過境時，降水發(fā)生前(圖9)，氣溶膠粒子譜也呈多峰分布，其不同高度層譜型與圖7對應(yīng)高度層極其相似;峰值數(shù)濃度、直徑也大致相同。云粒子譜云下及近地層均為單峰分布，且隨高度增加，譜寬拓寬，而高層6 967 m云粒子譜為多峰分布，可能與此時云層發(fā)展旺盛，高層有卷云有關(guān)。

10月5日冷鋒過境后，降水天氣下(圖10)，氣溶膠粒子譜較復(fù)雜，除云的中部1 970、2 590 m高度層為雙峰結(jié)構(gòu)外，其他基本為多峰分布，不同高度層，譜型差異較大。雙峰結(jié)構(gòu)峰值直徑為0.11、2.75 μm;除高層6 005 m外，多峰結(jié)構(gòu)峰值均位于0.11、0.275、2.75 μm處。云粒子譜除高層6 005 m譜不連續(xù)外，在云區(qū)內(nèi)基本為雙峰結(jié)構(gòu)且譜型一致;其他均為單峰分布，但由于峰值直徑不同造成譜型略有差異。由于受降水影響，氣溶膠粒子譜和云粒子譜都比較寬。

由以上分析可知，冷鋒過境降水發(fā)生前后，氣溶膠粒子譜和云粒子譜在云區(qū)內(nèi)有很大差別;不同高度層，譜型差異較大。降水發(fā)生前，氣溶膠粒子在云下、近地層及云區(qū)內(nèi)外基本呈多峰型分布;但降水發(fā)生后，云區(qū)內(nèi)氣溶膠粒子譜呈雙峰型分布，其他為多峰型分布，且譜較寬。相同尺度的氣溶膠粒子在不同的天氣條件下，數(shù)濃度不同，近地面受霧和逆溫層的影響，高空主要受云層的影響。降水后，氣溶膠粒子數(shù)濃度比降水前少很多，主要是由于降水對氣溶膠粒子具有清除作用。對氣溶膠粒子數(shù)濃度貢獻(xiàn)最大的是小于0.275 μm的細(xì)粒子。云粒子譜在降水發(fā)生前，除Ci云呈多峰型分布外，其他均為單峰型分布;而降水發(fā)生后，云區(qū)內(nèi)云粒子譜則呈雙峰型結(jié)構(gòu)，其他基本呈單峰型分布，且隨高度增加，譜寬拓寬。

6 結(jié)論

分析2008年10月4—5日石家莊市區(qū)上空利用PCASP探頭探測的氣溶膠粒子和FSSP-100ER探頭探測的小云粒子資料，得到以下結(jié)論:

1)3次飛行探測表明，氣溶膠粒子數(shù)濃度的高低強(qiáng)烈依賴于天氣狀況和云層分布，特別是地面風(fēng)速大小和逆溫層的存在對氣溶膠數(shù)濃度影響明顯，雨水對氣溶膠粒子具有明顯的沖刷作用。降水發(fā)生前，氣溶膠粒子平均數(shù)濃度為103cm－3，比降水后大1個量級。云區(qū)內(nèi)氣溶膠粒子數(shù)低于云外，直徑較大。云粒子數(shù)濃度比氣溶膠粒子數(shù)濃度小1～2個量級。降水發(fā)生前期，也就是冷鋒即將過境時，云粒子數(shù)濃度最大，冷鋒過境后，在陰雨天氣下云粒子數(shù)濃度相對較小。

2)冷鋒過境降水前后，氣溶膠垂直分布的差異較大。除有云或大氣低層有逆溫狀況外，氣溶膠數(shù)濃度總體上隨高度增加而減小，逆溫層底是數(shù)濃度的高值區(qū)。另外，近地面霧層的高度、云層厚度和云底高度也同樣對氣溶膠數(shù)濃度的垂直分布有很大影響。

3)冷鋒過境降水前后，云下或云底氣溶膠粒子數(shù)濃度變化顯著，降水發(fā)生前比降水后的數(shù)濃度大;云內(nèi)氣溶膠粒子數(shù)濃度普遍比云外小。氣溶膠粒子數(shù)濃度在層積云和高層云內(nèi)水平變化相對較小，而在高層卷云內(nèi)水平分布起伏較大，這可能與部分氣溶膠粒子核化為冰晶有關(guān)。高層無云區(qū)氣溶膠粒子分布均勻，低層無云區(qū)和云下近地層氣溶膠粒子數(shù)濃度水平分布不均。云區(qū)內(nèi)氣溶膠粒子尺度較大，粒子直徑基本維持在2.1～2.6 μm之間。

4)冷鋒過境降水發(fā)生前后，氣溶膠粒子譜和云粒子譜在云區(qū)內(nèi)有很大差別;不同高度層，譜型差異較大。相同尺度的氣溶膠粒子在不同的天氣條件下，數(shù)濃度不同，近地層主要受霧以及逆溫層的影響，高空主要受云層的影響。對氣溶膠粒子數(shù)濃度貢獻(xiàn)最大的為小于0.275 μm的細(xì)粒子。

段婧，毛節(jié)泰.2008.氣溶膠與云相互作用的研究進(jìn)展［J］.地球科學(xué)進(jìn)展，23(3):253-261.

范燁，郭學(xué)良，付丹紅，等.2007.北京及周邊地區(qū)2004年8、9月間大氣氣溶膠分布特征觀測分析［J］.氣候與環(huán)境研究，12(1):49-62.

馮圓，淮江平，趙斌華，等.2005.河南春季一次冷鋒降水過程的云物理結(jié)構(gòu)分析［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，6(6):591-597.

谷福印，馬培民，游來光.1989.北京地區(qū)大氣氣溶膠的物理特征［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，9(3):319-327.

國家環(huán)?？偩?2004.2003年國家環(huán)境保護(hù)重點城市環(huán)境管理和綜合整治年度報告［EB/OL］.［2011-09-12］.http://www.sepa.gov.cn.

郝立生，閔錦忠，段英，等.2008.衡水湖濕地氣溶膠分布的飛機(jī)觀測［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，31(1):109-115.

黃海燕，房文，鄭國光.2009.北京市區(qū)秋季邊界層氣溶膠水平分布特征的飛機(jī)觀測研究［J］.北京大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，45(2):273-278.

黃夢宇，趙春生，周廣強(qiáng)，等.2005.華北地區(qū)層狀云微物理特征及氣溶膠對云的影響［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，28(3):360-368.

黃夢宇，張薔，趙春生，等.2006.2005年北京地區(qū)大氣氣溶膠的飛機(jī)探測初步研究［C］//中國氣象學(xué)會2006年年會“大氣成分與氣候、環(huán)境變化”分會場論文集.成都:中國氣象學(xué)會:116-123.

劉強(qiáng)，王明星，李晶，等.1999.大氣氣溶膠研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.中國粉體技術(shù)，5(3):17-23.

牛生杰，章澄昌，孫繼明.200l.賀蘭山地區(qū)沙塵氣溶膠粒子譜分布的觀測研究［J］.大氣科學(xué)，25(2):224-252.

盛裴軒，毛節(jié)泰，李建國，等.2003.大氣物理學(xué)［M］.北京:北京大學(xué)出版社:25-29.

孫霞，銀燕，孫玉穩(wěn)，等.2010.一次霾過程的氣溶膠特征分析［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，46(專輯):102-106.

孫玉穩(wěn)，段英，吳志會.1990.石家莊秋季大氣氣溶膠物理特征分析［J］.氣象，22(2):40-43.

孫玉穩(wěn)，孫霞，銀燕，等.2010.華北平原濕地上空氣溶膠的分布特征研究［J］.蘭州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，46(專輯):96-101.

王明星，張仁健.2001.大氣氣溶膠研究的前沿問題［J］.氣候與環(huán)境研究，6(1):119-124.

楊軍，周德平，宮福久.2000.遼寧地區(qū)大氣氣溶膠粒子的垂直分布特征［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，23(2):197-203.

張佃國，郭學(xué)良，肖穩(wěn)安.2007.北京及周邊地區(qū)2003年夏秋季氣溶膠和云滴分布特征［J］.南京氣象學(xué)院學(xué)報，30(3):402-410.

張瑜，銀燕，段英，等.2007.石家莊地區(qū)秋季氣溶膠飛機(jī)探測資料分析［C］//中國氣象學(xué)會2007年年會大氣成分觀測、研究與預(yù)報分會場論文集.成都:中國氣象學(xué)會:646-652.

Jin M，Shepherd J M，King M D.2005.Urban aerosols and their variations with clouds and rainfall:A case study for New York and Houston［J］.JGeophysRes，110，D10S20.doi:10.1029/2004JD005081.

Mukai S，Sano L，Yasumoto M.2003.Interrelation of aerosols，water vapor and clouds on global scale［J］.Advances in Space Research，32(11):2181-2191.

Peng Y，Lohmann U，Leaitch R，et al.2002.The cloud albedo-cloud droplet effective radius relationship for clean and polluted clouds from RACE and FIRE ACE［J］.J Geophys Res，107(D11)，4106.doi:10.1029/2000JD000281.

Aircraft observation of aerosol and cloud droplet during an autumn cold front precipitation process

JU Li-ling1，2，NIU Sheng-jie1，DUAN Ying3

(1.School of Atmospheric Physics，NUIST，Nanjing 210044，China;2.Hengshui Meteorological Bureau of Hebei Province，Hengshui 053000，China;3.Hebei Weather Modification Office，Shijiazhuang 050021，China)

Based on the airborne Particle Measuring Systems(PMS)，the aerosol and cloud particle observation data over Shijiazhuang during a cold-front precipitation cloud system on 4—5 October 2008 are analyzed.Results show that the aerosol distribution is obviously different before and after precipitation.Before precipitation，the average number concentration of aerosol is about 103cm－3with mean diameter of 0.95 μm.The aerosol particles are mainly concentrated on the low troposphere below 3 000 m and the aerosol concentration obviously decreases in cloud.After precipitation，the average number concentration of aerosol is about 102cm－3with mean diameter of 1.28 μm，and the number concentration is about one order of magnitude smaller than that before precipitation.The aerosol particles are mainly concentrated near the surface layer below 1 200 m，and the number concentration decrease with height.Horizontal fluctuation of the aerosol number concentration is smaller(larger)in lower level cloud area(in no cloud area or near the surface layer below cloud area).The mean number concentration of cloud particle is one or two orders of magnitude smaller than that of aerosol.The average aerosol spectrum is bimodal and the average cloud particle spectrum is unimodal.

autumn cold front;aerosol;cloud droplet;aircraft observation;Shijiazhuang area

P426

A

1674-7097(2011)06-0697-11

2010-11-23;改回日期:2011-10-11

國家科技支撐計劃項目(2006BAC12B00-01-01-07);江蘇省青藍(lán)工程“云霧降水與氣溶膠研究”創(chuàng)新團(tuán)隊項目

居麗玲(1968—)，女，河北秦皇島人，博士生，高級工程師，研究方向為云和降水物理，qhd12121@sina.com.

居麗玲，牛生杰，段英.2011.一次秋季冷鋒降水過程氣溶膠與云粒子分布的飛機(jī)觀測［J］.大氣科學(xué)學(xué)報，34(6):697-707.

Ju Li-ling，Niu Sheng-jie，Duan Ying.2011.Aircraft observation of aerosol and cloud droplet during an autumn cold front precipitation process［J］.Trans Atmos Sci，34(6):697-707.

(責(zé)任編輯:倪東鴻)