气溶胶垂直分布及活化特性的飞机观测个例研究

为了解气溶胶以及云凝结核(cloud condensation nuclei,CCN)活化谱的垂直分布特征,利用2014年7月30日在山西开展的机载和地面观测获得的气溶胶和CCN数据,分析研究了CCN活化谱函数(N=C·S~k)参数C和k的垂直分布规律和气溶胶的活化特征。结果表明:本次过程气溶胶的垂直分层明显,不同区域气溶胶的垂直分布存在差异,按照位温变化特征自下而上可分为四层,气溶胶数浓度、有效直径和粒子谱等垂直分布特征和层结特性关系密切,CCN活化谱参数k受气溶胶的化学组分及粒子谱共同影响,四层的k值差异较大,其中第一层k值随着高度增大,最大值为1,第二层的k先减小后增大,在1700～2000 m处最低,为0.3,第三层的k变化不大,在0.8左右,第四层稳定到0.6。观测区域气团后向轨迹模拟结果显示:不同高度层气溶胶来源差异较大,1000和2000 m高度的气团分别来源于山西东南方向的华北平原和西侧的黄土高原,3 000 m以上的高空气团来源于西北方的蒙古国。各层C、k结果与相应来源地的地面CCN活化谱的观测结果有较好的对应关系,气溶胶的性质与相应来源地的地面气溶胶性质较为一致。不同高度气溶胶来源差异是导致气溶胶分布以及CCN活化谱存在明显分层的原因。     

华北中部夏季气溶胶垂直分布及其与云凝结核和云滴转化关系的飞机观测研究

气溶胶的时空分布及其核化成云的转化过程是云降水物理研究的重点,也是气候变化中气溶胶间接效应关注的热点问题。利用2013～2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次夏季晴天和积云天气情况下的气溶胶、云凝结核（CCN）及云滴数浓度观测资料,分析研究了气溶胶的垂直分布、谱分布、来源特征及其与云凝结核、云滴数浓度的转化关系。研究结果表明,大气边界层逆温层结对气溶胶、CCN垂直分布有重要影响,不同天气条件下气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致;垂直方向上CCN数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性,过饱和度0.3%条件下CCN比率（云凝结核/凝结核）与气溶胶有效直径呈线性关系;积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x?616.3,拟合相关系数为0.96,气溶胶转化为云滴的比率可达到47%。在过饱和度0.3%条件下,云下CCN与云滴的线性拟合方程为y=1.6x?473.8,拟合相关系数也为0.96,CCN转化为云滴的比率可达到69%。     

基于飞机和MODIS观测的华北地区气溶胶标高分析

为研究华北地区的气溶胶分布情况,利用2012—2014年飞机观测资料和MODIS卫星资料,对石家庄等地的气溶胶标高进行了分析。结果表明:(1)与飞机观测资料对比后认为可以利用MODIS光学厚度和常规能见度资料计算气溶胶标高;(2)华北地区春夏季气溶胶标高一般大于秋冬季;6个主要城市中,位于平原地区的城市气溶胶标高较低,西北山区城市标高较高;(3)在不进行飞行探测,仅使用地面资料和卫星资料,通过计算得到气溶胶垂直分布是可行的,尤其是在对流层中层的结果比底层更可信;(4)分别使用观测资料与拟合数据计算光学厚度,分析其误差后,确认在计算光学厚度的过程中可以使用气溶胶数密度指数递减假设。     

层积云与积云中的微物理特征及其影响因子

美国大气辐射观测项目组进行的浅薄低云的光学辐射观测项目(RACORO)对出现在美国南部大平原的低云开展了为期五个月的观测,得到了大量层积云和积云中的数据.为了探究在层积云和积云中的微物理特征,采用伽马分布、对数正态分布、威布尔分布对微物理量的概率密度分布进行拟合,分析对比层积云和积云中微物理量的特征,并探讨两种云云滴谱...     

春末中国西北沙漠地区沙尘气溶胶物理特性的飞机观测

将APS-3310型激光空气动力学气溶胶粒子谱仪安装在飞机上,于1999年春末对中国西北沙漠地区上空气溶胶进行探测。结果表明:沙漠地区上空沙尘气溶胶粒子数浓度一般为1~10个.cm-3,平均直径为1.6~4.6μm,最大直径为13.0~28.0μm;TSP质量浓度为0.01~0.08mg.m-3,PM2.5和PM10分别占TSP的3.6%~13.8%和50.3%~88.1%。高空沙尘气溶胶数浓度与下垫面状况密切相关,沙漠地表上空的粒子数浓度高于植被覆盖较好的地区;当在沙漠地区上空飞行轨迹为上升、平飞、下降时,沙尘气溶胶粒子谱呈现出由单峰偏态、双峰、正态到单峰偏态等形式的演变。     

大陆性积云不同发展阶段宏观和微观物理特性的飞机观测研究

2014年7月3日,山西省人工降雨防雹办公室在该省忻州地区开展了国内首次大陆性积云飞机穿云探测。本文利用机载云物理探测资料,分析研究了不同发展阶段的积云宏、微观物理特性,主要结论有:（1）初生发展阶段的积云水平尺度约为8.2 km×5.5 km（经向×纬向,下同）,云厚约2 km;云中以小云粒子为主,云滴凝结增长;水平方向上,云液水含量（LWC）和粒子浓度（N_c）的最大值均位于云体中心位置;垂直方向上,云水分布相对均匀,但随着高度增加,云粒子浓度变小,粒子尺度增大;粒子谱符合伽马分布,峰值量级为102 cm-3 μm-1,谱宽在100 μm以下。（2）成熟阶段的积云水平尺度约为4.6 km×10 km,云厚约4 km;云内可以观测到积冰和雨线;小云粒子浓度随高度增加起伏变化,3600 m、4100 m和4900 m高度处存在峰值;大云粒子浓度随高度先增加后减小,最大值出现云底以上1.6 km高度,云底以上1.3 km高度附近有降水粒子形成;粒子谱呈多峰分布,暖区符合伽马分布,冷区为伽马分布和M-P分布相结合,且随着高度的增加拓宽,4400 m高度以下的谱宽小于200 μm。（3）消散阶段积云尺度约为11 km×5.6 km,云厚约2 km,云下有降水粒子存在。     

青藏高原中东部气溶胶特征的飞机观测

利用2011年和2013年夏秋季在青藏高原中东部开展的11架次气溶胶特征飞机观测数据,分析气溶胶数浓度、数谱及核化相关特征。结果表明:受天气系统、地形和地表影响,观测区内气溶胶数浓度（Na）和体积直径（Dv）的垂直和水平分布差异较大,Na呈西北高、东南低,Dv低层大、高层小,局地中高层有沙尘。格尔木盛行东风时,云降水对低层气溶胶有清除作用,Na和Dv明显降低,6.2 km高度和7.2~7.4 km高度的中高空受高原大风或对流影响形成沙尘;盛行西风时,低层Dv以0.5~0.8 μm为主,随高度升高和风速增大Na升高,Dv变幅较小,6.2 km高度也有沙尘;不同天气系统影响下6.5 km高度以上均输入亚微米颗粒,Na达5×103 cm-3,8.0 km高度盛行东风时比西风时Na更高,Dv更小,谱垂直分布也有以上特征,整层输入以偏北或偏西路径为主。不同过饱和度测量云凝结核数浓度（Nccn）表明,除格尔木6.0 km高度以下核化率（Nccn/Na）在21%~47%外,其他观测区平均核化率介于1%~16%,6.0~8.5 km高度的核化率总体偏低;当Na增加时核化率明显下降,且过饱和度1%~2%,-15~-5℃层或粒径1~3 μm时的核化率相对偏高。     

山西夏季气溶胶散射特征的飞机观测研究

利用3个架次的积分浊度仪和PCASP-100X（Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe）机载观测资料,分析了2013年山西夏季空中有云、无云和少云3种不同条件下气溶胶散射系数的分布特征,讨论了气溶胶散射系数垂直变化与气溶胶数浓度、气象条件的关系,并结合HYSPLIT（Hybrid of Single Particle Lagrangian Integrated Trajectory model）后向轨迹模型研究气溶胶的运动轨迹和可能的污染来源。结果表明:山西夏季空中气溶胶总散射系数变化范围为0～499 Mm-1,晴空气溶胶数浓度和总散射系数明显大于有云和少云时。气溶胶总散射系数一般随高度的增加而递减。造成气溶胶总散射系数、数浓度偏高的原因有下垫面污染源多、风速小、相对湿度高以及逆温层的存在。550 nm波段气溶胶后向散射比大于0.1,粒径0.1～0.5 μm的气溶胶粒子对散射影响最大,说明山西空中细粒子污染比较严重。气溶胶总散射系数与数浓度有一定的相关性。引起气溶胶总散射系数、数浓度较高的气团传输路径主要为西南路径,局地排放的气溶胶大于远距离传输的气溶胶对散射系数的贡献。     

一次秋季冷锋降水过程气溶胶与云粒子分布的飞机观测

利用机载PMS（Particle Measuring Systems）测量系统,对2008年10月4—5日石家庄地区一次冷锋降水云系的3次气溶胶和云粒子探测资料进行了分析。结果表明,冷锋过境降水前后,气溶胶粒子分布差异较大。降水发生前,气溶胶粒子平均数浓度约为103cm-3,平均直径为0.95μm;气溶胶主要集中于3000m高度以下的对流层低层,云内气溶胶数浓度明显减少。降水发生后,气溶胶粒子平均数浓度约为102cm-3,比降水前约小1个量级,平均直径为1.28μm;气溶胶主要集中于1200m以下的近地面层,其数浓度随高度增加而降低。气溶胶粒子浓度在低层云区内水平变化较小,而在无云区和云下近地层水平起伏较大。云粒子平均浓度比气溶胶小1～2个量级。气溶胶粒子平均谱主要呈双峰型,而云粒子谱主要为单峰型。     

一次冷涡过程降水的微物理机制分析

美国大气辐射观测项目组进行的浅薄低云的光学辐射观测项目（RACORO）对出现在美国南部大平原的低云开展了为期五个月的观测,得到了大量层积云和积云中的数据。为了探究在层积云和积云中的微物理特征,采用伽马分布、对数正态分布、威布尔分布对微物理量的概率密度分布进行拟合,分析对比层积云和积云中微物理量的特征,并探讨两种云云滴谱离散度的影响因子。结果表明,以上三种概率分布函数对层积云和积云中的微物理量的概率密度分布拟合效果很好,绝大部分总体拟合度达到了0.80以上。综合看来,伽马分布对层积云内的微物理量拟合效果最好,对数正态分布对积云内的微物理量拟合效果最好。对比层积云与积云中微物理量的分布差异得到,在积云中云滴数浓度更高,而云滴的平均半径更小;积云含水量、标准差和离散度与层积云相当。在云滴谱离散度的影响因子方面,层积云和积云中离散度与云滴数浓度、垂直速度呈负相关关系,这是因为垂直速度越大,过饱和度越大,云滴浓度越大,离散度越小;垂直速度减小往往对应着夹卷增强和云滴蒸发,从而导致云滴浓度减小和离散度增大。

     

Processing of Aerosol Particles in Convective Cumulus Clouds: Cases Study in the Mexican East Pacific

In the Mexican Intertropical Convergence Zone, particle size distributions within 500 m of cloud boundaries at altitudes of 1000, 2500, and 4200 m, were compared against size distributions at the same levels but 1500 m away from the clouds. The differences in the distributions near and far from the cloud are related to processes that may change particle properties inside the cloud. Chemical changes in the aerosols are deduced from the particles’ refractive index, as derived from comparisons with the scatter...     

华北地区一次积层混合云降水的数值模拟研究

利用WRF ARW中尺度数值模式对2009年4月18日华北地区的一次积层混合云系降水进行模拟。首先,对实况的天气形势和雷达反射率及垂直剖面进行分析;并通过垂直剖面对其流场结构概念图进行分析;然后,通过对比,模拟的自然降水分布与实测结果基本一致,模拟的雷达组合反射率和雷达反射率的垂直剖面与实测结果也基本一致;通过分析云中各要素的分布,了解了积层混合云系的微物理特征和动力特征;最后对积层混合云降水机制进行探讨。结果表明：积层混合云水凝物含水量分布不均匀,对流云和层状云相互粘连跨接,水平方向充分混合,雨水的大值中心、云水的大值中心及冰晶的大值区相互对应,存在播撒-供给机制。从动力场来看,在低层对流云区域垂直上升速度较大,高层对流云区域的旁侧有较明显的下沉气流,云区低层存在辐合,高层存在辐散,此种配置有利于维持云系的发展。积层混合云不仅在层状云区有层状云的简单的＂播撒-供给＂机制,或在积状云区有粒子群的循环增长机制,而且可以发生层云—积云间的粒子群交换。     

积云的清除作用与其酸化的数值模拟

一维时变参数化积云模式与污染物浓度连续方程相结合，根据积云内外SO2和HNO3浓度、云水S(VI)浓度、H2O2和O3的氧化速率以及地面雨水S(VI)浓度的时空变化，分别讨论核化清除、液相氧化、云下气溶胶清除、碱性气溶胶、云外污染物的夹卷以及SO2初始分布等因子的重要性。     

基于MODIS云宏微观特性的卫星云分类方法

利用MODIS云光学厚度、云粒子有效半径、云顶高度、云相态等产品,以及表征6种云类的云光学厚度、云粒子有效半径、云顶高度、云相态的特征值,采用最小距离分类法和多阈值判识法相结合,对卫星观测像元的云进行分类,包括层云、层积云、积云、积雨云、雨层云、高积云/高层云、卷云以及卷云伴随高积云或高层云的多层云、卷云伴随层云或层积云的多层云、高积云或高层云伴随层积云或层云的多层云10类。2008年、2013年卫星分类结果与地面站云类观测对比,达到60%的一致性;将相同时间的地面小时降水量与分类结果叠加显示,出现降水处多为雨层云或积雨云。     

华北层状冷云降水微物理特征及人工增雨可播性研究

利用DMT探测平台对2009年3月11日山西云降水观测外场试验区的一次云降水过程实施了综合探测,综合分析了此次云降水过程的宏微观物理特征。计算了云中过冷水含量距0℃层高度（1500m）的垂直分布：云中过冷水含量最大值出现在0℃层高度以上400 m处,其最大值为0.416 g·m^-3,之后随着距0℃层高度的增加,云中过冷水含量迅速减小,到0℃层高度以上600 m处基本为最低,之后直到云顶,云中过冷水含量维持低值。CDP探头探测的云中粒子浓度以及CIP探头探测的云中大粒子浓度应作为判别云中可播度的两项主要指标,CDP探测的粒子浓度不小于30个·cm^-3的云区才具有一定的可播度,其中CIP探测的大粒子浓度小于10个·cm^-3时,可确定为强可播区。云滴浓度随高度变化呈多峰分布,云中粒子谱型主要为双峰或多峰型。此探测过程中典型区域的粒子谱中均出现第二峰值的区段,分析表明只有当云粒子浓度不小于30个·cm^-3时,相应云区才具有一定的可播度。     

一次晴空条件下华北中南部上空气溶胶的飞机观测及特征分析

利用2008年5月4日在晴空条件下对石家庄市区及其东南部县城柏乡县的一次飞机探测资料,分析了石家庄市区及其附近乡村气溶胶粒子的垂直分布特征及粒子谱分布特征,比较了城市与城市附近乡村的气溶胶粒子分布变化情况。结果表明:气溶胶浓度随着高度的增加而递减;边界层以内,石家庄市上空和柏乡县上空的气溶胶粒子浓度都比较高,虽然石家庄市上空低层气溶胶粒子浓度高于柏乡县上空低层气溶胶粒子浓度,但两者差异不大。气溶胶在低层粒子谱比较宽,中高层较窄,两地气溶胶粒子平均直径均比较小,小于0.2μm。     

重庆冬季大气气溶胶的物理、化学特征

利用2001—2002年重庆冬季大气气溶胶粒子观测资料，分析了气溶胶粒子的数浓度、质量浓度、谱分布、化学元素组成及其与气象因子的关系。结果表明，重庆冬季大气气溶胶数浓度与我国其他大城市处于同一水平，大于0．3μm气溶胶粒子的平均数浓度为225．3个／cm^3（最大337．8个／cm^3）；冷空气入侵和降水是局地气溶胶的主要清除机制，雾的存在可以显著地改变气溶胶数浓度的一般日变化规律；PM10占TSP（Total Suspended Particles，总悬浮颗粒物）质量浓度的60％～80％；人为污染元素S、zn、As、Ph等在细粒子中富集较高。     

Characteristics of Aerosol Activation Efficiency and Aerosol and CCN Vertical Distributions in North China

By analyzing airborne observations over North China from 30 flights during spring and autumn of 2005-2007, characteristics of the vertical distributions of aerosol and cloud condensation nuclei (CCN) at 0.3% supersaturation in various locations of North China are investigated. The measurement samplings were conducted over different surfaces such as plains, plateau, and sea. The results show that the number concentration of accumulation mode aerosols was greater in autumn than in spring, but the reverse is true for CCN. This means that more aerosols with diameters smaller than 100 nm could be activated as CCN in spring, and this could induce higher aerosol activation efficiency. The aerosol activation efficiency over the plains near the Taihang Mountain was greater in spring than in autumn, and it was greater over sea than over land. The aerosol activation efficiency above the boundary layer over the Bashang Plateau was very low. Based on a fit of the negative exponential vertical distributions of aerosol and CCN, a spatial parameterization model of aerosol and CCN as well as aerosol activation efficiency over North China was proposed. The results show that aerosol activation efficiency was not clearly dependent on altitude because it was mainly affected by regional physical and chemical characteristics of aerosols and the ambient atmospheric conditions. The mean aerosol activation efficiency is 0.66, with values of 0.70 and 0.53 in spring and autumn,respectively.     

Identification of Aerosol Types and Their Optical Properties in the North China Plain Based on Long-Term AERONET Data

Characterization of aerosols is required to reduce uncertainties in satellite retrievals of global aerosols and for modeling the effects of these aerosols on climate.Aerosols in the North China Plain(NCP) are complex,which provides a good opportunity to study key aerosol optical properties for various aerosol types.A cluster analysis of key optical properties obtained from Aerosol Robotic Network(AERONET) data in Beijing and Xianghe during 2001-11 was performed to identify dominant aerosol types and their associated optical properties.Five dominant aerosol types were identified.The results show that the urban/industrial aerosol of moderate absorption was dominant in the region and that this type varied little with season.Urban/industrial aerosol of weak absorption was the next most common type and mainly occurs in summer,followed by that strong aerosols occurring mainly in winter.All were predominantly fine mode particles.Mineral dust(MD) and polluted dust(PD) occurred mainly in spring,followed by winter,and their absorption decreased with wavelength.In addition,aerosol dynamics and optical parameters such as refractive index and asymmetry factor were examined.Results show that the size of coarse mode particles decreased with AOD indicating the domination of external mixing between aerosols.     

The Microphysical Characteristics of Wintertime Cold Clouds in North China

The microphysical characteristics of wintertime cold clouds in North China were investigated from 22 aircraft observation flights from 2014 to 2017, 2020, and 2021. The clouds were generated by mesoscale weather systems with little orographic component. Over the mixed-phase temperature range (–40°C to 0°C), the average fraction of liquid, mixed-phase, and ice cloud was 4.9%, 23.3%, and 71.8%, respectively, and the probability distribution of ice mass fraction was a half-U-shape, suggesting that ice cloud was the primary cloud type. The wintertime mixed-phase clouds in North China were characterized by large cloud droplet number concentration, small liquid water content (LWC), and small effective diameter of cloud droplets. The main reason for larger cloud droplet number concentration and smaller effective diameter of cloud droplets was the heavy pollution in winter in North China, while for smaller LWC was the lower temperature during flights and the difference in air mass type. With the temperature increasing, cloud droplet number concentration, LWC, and the size of ice particles increased, but ice number concentration and effective diameter of cloud droplets decreased, similar to other mid-latitude regions, indicating the similarity in the temperature dependence of cloud properties of mixed-phase clouds. The variation of the cloud properties and ice habit at different temperatures indicated the operation of the aggregation and riming processes, which were commonly present in the wintertime mixed-phase clouds. This study fills a gap in the aircraft observation of wintertime cold clouds in North China.