Airborne Observation of Wintertime Aerosols Vertical Distributions in Northern Guangdong
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摘要: 2024年1月18—20日，利用人工影响天气飞机首次对粤北地区开展了大气气溶胶空间分布飞机观测，为评估该区域生态屏障功能的有效性提供基础数据。选取2架次飞行获取的气溶胶、云滴、气象综合观测资料及风廓线雷达、ERA5再分析资料，结合天气形势分析了粤北地区冬季气溶胶数浓度、有效直径及粒径谱的垂直分布特征。结果表明：观测期间，粤北地区在静稳晴好天气下气溶胶数浓度最大值为1 679个·cm-3，1 500 m以下数浓度平均值约为1 000个·cm-3，有效直径平均值为0.3 μm。气溶胶平均谱表现为双峰结构，峰值分别为0.14~0.15 μm和0.20~0.22 μm；谱宽随高度减小，1 800 m以下气溶胶谱宽为3 μm，以上则为1 μm。气溶胶平均谱峰值浓度在500 m以下为140~160个·cm-3。气溶胶数浓度总体随高度升高而减小，在边界层顶会出现陡降，逆温层的存在使得数浓度会在多个高度层出现相对高值区。高空输送会影响本地高空气溶胶数浓度的变化。自近地面至高空，整层相对湿度大于80%的大气环境条件有利于可溶性气溶胶粒子在上升过程中吸湿增长。Abstract: From 18 to 20 January 2024, aerial observations of atmospheric aerosol spatial distribution were conducted for the first time in northern Guangdong using a weather modification aircraft, establishing baseline data to assess the region's ecological barrier effectiveness. This study analyzes the vertical distribution characteristics of aerosol number concentration, effective diameter, and particle size distribution in winter in northern Guangdong utilizing the data from two flights (including aerosol, cloud droplet, and comprehensive meteorological observations), wind profile radar data and ERA5 reanalysis data, combined with synoptic weather analysis. The results indicate that during the observation period, under stable and clear weather conditions the aerosol number concentration in the northern Guangdong region reached a maximum of 1 679 cm-3, with a mean value of approximately 1 000 cm-3 below 1 500 m and an average effective diameter of 0.3 μm. The average aerosol size distribution exhibited a bimodal structure, with peaks at 0.14-0.15 μm and 0.20-0.22 μm. The average aerosol size distribution width decreased with altitude, measuring 3 μm below 1 800 m and 1 μm above 1 800 m. The peak concentration of aerosol particle size distribution below 500 m was approximately 140-160 particles · cm-3. Overall, aerosol number concentration decreased with altitude, exhibiting a sharp drop at the top of the boundary layer. The presence of an inversion layer resulted in relatively high concentration zones at multiple altitudes. Long-range transport influenced the variation of aerosol number concentration in the upper atmosphere. From the surface to high altitudes, atmospheric conditions with a relative humidity greater than 80% throughout the entire layer facilitated the hygroscopic growth of soluble aerosol particles during their upward transport.
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图 1 广东省地图(审图号为GS(2017)3320号)(a)及2024年1月18日(b)、20日(c)航迹线
填色等值区域表示2024年1月1—31日平均气溶胶光学厚度分布，数据来源于MODIS产品。梅州市用黑色五角星标出。
图 2 2024年1月18日上升段(a)、下降段(b)，20日上升段(c)、下降段(d)立体航迹
黑线表示航迹，红色箭头标出飞行的方向，绿色虚线是在垂直面上的航迹投影，蓝色虚线是在水平面上的航迹投影。
图 3 2024年1月18日(左)、20日(右)11:00—19:00，梅州机场周边(115~117 °E，23~25 °N)温度(a, b)、相对湿度(c, d)、垂直速度(e, f)平均值随气压层变化
数据来源于ERA5。
图 4 2024年1月梅州五华风廓线雷达观测垂直风场随时间变化(a, b)及飞机在梅州观测温度垂直廓线(c, d)
a、c为18日，b、d为20日。a, b图，蓝色框中是飞机起降时刻对应的垂直风场，红色线段标出了低层与高层风切变的高度；c, d图，上下两条横虚线之间的区域代表逆温层，蓝色字体“TIL”表示上升和下降段的共同逆温层，黑色字体“TIL”表示仅上升段的逆温层，红色字体“TIL”表示仅下降段的逆温层。
表 1 2024年1月飞机观测过程梅州天气形势及地面气象条件
飞行日期 垂直探测时间 天气形势及天气状况 地面温度/℃ 风向 风速/(m·s-1) 地面相对湿度 01月18日 11:13—11:33 高空槽前西南气流，中层偏南气流，地面低槽；晴 22 东北 1.2 60% 14:09—14:40 26 东南 2.2 44% 01月20日 16:12—16:30 高空槽前西南气流，中层弱切变线，地面强冷空气；晴 22 西北 4.3 50% 17:45—18:23 16.5 西北 3.8 61% 
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表 2 梅州近地层(1 500 m高度以下)气溶胶数浓度与有效直径的平均值和标准差与其他观测结果的对比
时间/地点 气溶胶数浓度/(个·cm-3) 有效直径/μm 地面温度/℃ 风速 地面平均相对湿度 天气形势及天气状况 出处 2014-01-18/梅州 876±97 0.323±0.129 24 1.7 52% 地面低槽；晴 本文 2014-01-20/梅州 1 069±59 0.291±0.082 19 4.1 55% 地面强冷空气；晴 本文 2017-09-27/深圳 5 352±3 246 0.296±0.02 24.8 1.0 94% 地面弱脊控制；晴 文献[30] 2013-08-03/太原、文水 1 000~3 500 0.35~0.5 25 / / 晴 文献[1] 2007—2018冬季/北京 2 000~4 500 0.5~0.6 / / / / 文献[25] 2005—2006春季/北京 3 000~10 000 0.2~0.3(平均直径) / / / 低压控制；晴 文献[23] 2008-10-19/石家庄 100~1 500 0.2~0.22(平均直径) 20 / 25% 地面弱脊控制；晴 文献[26] 2008-10-19/保定 100~1 450 0.17~0.19(平均直径) 20 / 25% 2013-10-13/正定 1 800~3 400 0.19~0.2(平均直径) 17 / / 晴 文献[27] 注：/代表文献中没有相关信息。
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图(7) / 表(2)
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