引言

气溶胶对辐射、云、降水以及气候环境有重要影响。气溶胶影响地气辐射系统，改变大气的能量收支；气溶胶在大气中可以成为云凝结核(CCN)或者冰核(IN)，影响云和降水的形成。而人类排放大量的气溶胶，使云滴数密度增加，云滴平均半径减小，改变云的辐射特性，使云的生命期延长，减少降水^[1]。以上效应会影响地气系统的能量收支，从而对气候产生影响^[2]。气溶胶粒子是主要污染物之一，影响空气质量和能见度以及人类健康^[3]。

气溶胶的基本特征的研究一直是大气物理重点领域，对气溶胶特性的研究是确定其气候效应的基础。对大气气溶胶的直接观测是一种广泛使用的研究手段。机载粒子探测系统PMS(Particle Measurement System)是研究云微物理特征和大气气溶胶与云相互作用的重要工具。其中的PSSCP为气溶胶探头，可以直接连续观测气溶胶直径和浓度的资料。20世纪60年代以来，国外进行了大量的PMS飞机探测^[4-7]。从20世纪80年代开始，我国科研人员利用PMS的气溶胶探头在一些地区进行飞机探测试验。何绍钦^[8]分析了1982年夏天在西安的一次晴空探测，发现西安晴空气溶胶粒子浓度最大值38cm^-3，最小值为4cm^-3，浓度最大值出现在700～1000m高度处, 在近地层谱分布满足荣格分布。孙玉稳等^[9]分析了1990年秋河北人工影响天气办公室利用PMS对河北南部地区的飞机观测资料，结果表明，石家庄地区的气溶胶源于本地。逆温层影响气溶胶的垂直分布。杨军等^[10]对辽宁1996—1997年春夏气溶胶观测表明，在混合层以下的气溶胶数密度不严格满足幂指数分布。黄梦宇等^[11]在对1990—1991年河北PMS观测资料分析时发现，层状云云滴浓度与云下气溶胶浓度存在正相关关系。成天涛等^[12]分析了2005年4—5月份内蒙古浑善达克地区沙尘气溶胶的浓度和谱分布，结果表明沙尘气溶胶的浓度主要与风速、天气现象等因素有关。

北京地区近年来城市发展迅速，气溶胶的分布是研究北京地区的云、降水、环境和气候变化的重要问题。

利用PMS中的PSSCP-100X探头观测到数据以及机载GPS系统所得的温湿资料分析了2005年4月2日和4月17日两个架次PCASP-100X的气溶胶粒子分布航测资料。选取这两天是因为其处于同一季节的不同气象条件：晴和霾，飞行航线中有重合。分析了两架次中气溶胶粒子垂直和水平的分布特征、气象条件以及地区的关系。

1 仪器和方法 1.1 探测仪器

探测飞机上装载的探测仪器有GPS全球定位系统、温湿度探头、机载微波辐射计、热线含水量仪、PMS粒子测量系统等。PMS系统主要包括气溶胶粒子探头PCASP-100X、一维云粒子探头FSSP-100-ER、二维灰度云粒子探头OAP DGA-2和OAP DGB-2等。这些探头均是根据米散射理论, 依散射光强的大小, 推算粒子的尺度。其中PCASP-100X可汇集所有方向散射光来测量粒子, 分15个通道, 分辨率由0.02μm逐渐增加到0.5μm，探测范围为0.11～2.75μm。各探测仪器每秒采样一次。

1.2 飞机探测概况

4月2日和4月17日探测都历时3小时左右，高度均在4000m以下。4月2日航线为沙河—昌平—易县—北京—沙河北部，飞行的纬度区间为38.20°～42.38°N。4月17日航线为沙河—廊坊—渤海湾—天津—北京—沙河，飞行的纬度区间为38.90°～40.10°N。表 1给出两次飞行概况。

1.3 计算公式

浓度：${N_a} = \sum\limits_{i = 1}^{nbin} {{n_i}\Delta } {d_i}$

平均直径：${M_d} = \frac{{\sum\limits_{i = 1}^{nbin} {{n_i}\Delta {d_i}{d_i}} }}{{\sum\limits_{i = 1}^{nbin} {{n_i}\Delta {d_i}} }}$

式中，N_a:气溶胶浓度，单位为cm^-3；

d_i:第i通道粒子的中值直径，单位为μm；

Δd_i:第i通道直径间隔；

n_i:第i通道的粒子数密度，单位为cm^-3·μm^-1；

M_d:平均直径，单位为μm。

2 结果分析

4月2日气溶胶数平均浓度和最大浓度均小于4月17日相应的值(表 2)。气溶胶浓度总体飞行过程中最大值都分别为5927.9cm^-3和8931.9cm^-3。而以前试验在北京地区探测到的春季最大气溶胶浓度为12000cm^-3[11], 这两天的气溶胶最大浓度均小于此值。平均直径M_d分别为0.22μm和0.25μm，与2004年秋季探测的结果基本一致^[13]。最大直径为0.69μm和0.52μm，略大于2004年秋季的探测结果。

2.1 垂直分布特征

图 1和图 2分别给出了在4月2日和4月17日飞机起飞上升过程中沙河机场上空的气溶胶特性的分布。

4月2日起飞上升阶段，沙河为晴天弱风天气。垂直探温范围在-3～18℃之间, 近地面相对湿度为25%，不存在逆温。气溶胶浓度极大值出现在近地面，水平方向上有小波动，主要是由飞机水平飞行过程中经过不同区域造成的。混合层在1200m左右。在混合层内，相对湿度较小，气溶胶浓度随高度变化很小，在2000cm^-3左右。平均直径M_d维持在0.22μm左右。在混合层以上，气溶胶浓度N_a急剧减小，到1800m附近只有500cm^-3左右。

根据飞行记录，4月17日起飞时在3000m以上有高积云(Ac)存在。近地面有弱霾, 无风，相对湿度为30%。垂直探测区间的温度为8～18℃。气溶胶浓度比4月2日起飞过程大得多。气溶胶浓度和尺度分布基本上可以分为2层。在1000m以上有逆温层存在，1000m以内为霾层，近地面浓度大于6000cm^-3，由于湍流混合作用，气溶胶随高度减小缓慢, 各种特性随高度变化很小。在此高度以上的大气中，浓度随高度迅速减小。

4月2日降落过程(图 3)，垂直探温范围为-11～20℃，0℃线在2500m附近。逆温层位于500～700m之间。在逆温层下, 气溶胶浓度达到最大, 尺度变化不大。逆温层以上，浓度随高度减小。在2300m处有弱云区出现，在云内外粒子浓度和尺度分布不均匀。云区内数据的浓度和尺度偏大，这可能是由于在云区内部，相对湿度较大，可作为CCN的气溶胶吸湿增长，使粒子谱加宽。但在云区内测得的气溶胶数据有可能混有小云滴。

4月17日降落过程(图 4)，垂直探温范围在-3.5～20℃，逆温层在1000～1200m，边界层顶在1200m左右。近地面大气相对湿度为35%。气溶胶浓度和尺度均大于4月2日的降落过程。在近地面，浓度大于8000cm^-3。在1000m达到最大值。这是由于逆温层对湍流发展有抑制, 气溶胶易于积聚。在逆温层上，气溶胶浓度随高度迅速减小, 尺度范围开始增大。

由以上分析可知，这两天气溶胶的垂直分布有很大差异。但总体来说，低层气溶胶浓度大，这是因为低层气溶胶粒子主要来源是地面。除逆温层外，气溶胶浓度总体上都随高度增加而减小，边界层内气溶胶浓度大于自由大气，浓度的最大值出现在逆温层底部。有霾且风速较小时，气溶胶浓度数大于晴天条件。在边界层内，由于湍流混合作用，不同高度气溶胶尺度相近，大部分在0.2～0.3μm之间。边界层以上，粒子尺度变化比较复杂，当有弱云区出现时，粒子尺度范围增大，原因应该是在云区内部，相对湿度比较大，一部分吸湿性气溶胶粒子会增长。

2.2 水平分布特征

图 5(见彩页)和图 6(见彩页)分别表示在平飞或绕飞路线上的气溶胶特性的水平分布。黑色实线代表飞机主要的水平飞行的高度随时间的变化(左纵坐标和上横坐标)。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别代表三个主要水平飞行过程，蓝色、红色和绿色实线分别对应Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三个高度上的浓度和平均直径随纬度的变化(右纵坐标和下横坐标)。第Ⅰ阶段(蓝线)飞行高度为3100m，方向为由北向南，经过北京西南，大兴和河北安平等地。可见在这个高度上，北京市区(39.3°～39.5°N)的浓度略大于其他地区上空，但整个过程浓度均小于1000cm^-3。第Ⅱ阶段(红线)高度为1600m，方向由南向北飞过河北安平，大兴和北京西南上空。总体来说，这个高度上气溶胶浓度大于3100m上的浓度。在同高度上，北京市区内的气溶胶浓度显著大于其他地区。第Ⅲ阶段(绿线)，高度为1000m，方向为从北京北三环由南向北到沙河南部。气溶胶浓度波动比较大，但是趋势由南向北逐渐减小。

由图 6(见彩页)可知，在三个阶段上气溶胶平均直径集中在0.22～0.24μm之间，第Ⅰ、Ⅱ阶段由南向北逐渐增大，北京市区内气溶胶平均直径大于其他地区。

图 7(见彩页)和图 8(见彩页>)中，黑色实线代表飞机主要的水平飞行的高度随时间的变化(左纵坐标和上横坐标)。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分别代表 4月17日三个主要水平飞行过程，蓝色、红色、绿色实线分别对应Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三个高度上的浓度和平均直径随纬度的变化(右纵坐标和下横坐标)。图 7中，第Ⅰ阶段(蓝线)对应高度为1610m，飞行方向由北京东部东南方向，经河北到达渤海湾附近。在此阶段，气溶胶浓度分布曲线出现两个比较明显的大值区，根据GPS资料，这两个大值区分别位于北京市区和河北唐山附近，可见当时唐山上空的气溶胶浓度也比较大。第Ⅱ阶段(红线)，飞行高度为1580m，方向由东南向西北，经保定北部—大兴—北京北三环附近。此阶段上气溶胶浓度随纬度变化很小，浓度维持在小于1500cm^-3，是由于当天北京市区的逆温层抑制了底层气溶胶向上输送。第Ⅲ阶段(绿线)，飞机由南向北自北三环附近至沙河机场上空，飞行高度在980m左右。当天的逆温层位于1000m到1200m，此阶段位于逆温层下，气溶胶浓度波动很大，平均浓度为4500cm^-3。

由图 8(见彩页)可知，当天第Ⅰ阶段的气溶胶平均直径变化较大，在0.25～0.35μm之间，这应该是由于此阶段飞行路径经过的不同区域有关。第Ⅱ和第Ⅲ阶段气溶胶平均直径变化较小。

图 9给出了4月2日在不同地点不同高度进行平飞120s时间段内采样的气溶胶水平分布特征。其中，urban代表在北京市区内取样，rural为在大兴以及附近地区。根据GPS资料，在3100m和1600m分别取市区内和郊区两个地点，1000m取北京市区内。从图 9显示的气溶胶水平分布可以看到，总体来说，在同一地点，气溶胶浓度随高度增加而减小。在同一高度处，市区内气溶胶浓度大于郊区。但是随高度的增加，市区内外气溶胶浓度的差值在减小，在1600m上，市区内气溶胶浓度大多大于2000cm^-3，而在郊区仅为1000cm^-3左右。而在3100m上，市内仍大于郊区，但是相差不大。

图 10给出了与图 9相对应的平均谱分布。在4月2日气溶胶粒子谱型基本一致，为单峰分布，主要集中在小粒子端。在3100m和1600m高度处，在整个尺度范围内, 北京市区气溶胶浓度均大于其他地区。

图 11给出了4月17日气溶胶浓度在不同地点和不同高度处120s水平平均。在1610m上和1580m上各取两个地点的值，分别为北京上空、北京郊区，在980m上取北京市区。总体的分布仍为同地点处高层小于低层，同高度处郊区小于市区。除980m北京上空的分布外，其他的几段的分布很类似，北京市区内的980m上的浓度明显大于其他段的值，而在1600m左右的浓度基本上小于2000cm^-3, 原因是底层气溶胶的向上输送受到逆温层的抑制。由图 12可知，气溶胶粒子谱型相似，都为单峰型分布，小粒子浓度远大于大粒子浓度，粒子主要集中在直径小于1.25μm的范围内。

3 结论

本文对2005年4月2日和4月17日在在北京以及周边地区进行的2次飞机气溶胶探测结果进行了初步分析。结论如下:

(1) 2005年4月2日和4月17日气溶胶浓度和尺度都小于以往的阴天或多云状态下的观测结果。气溶胶高浓度主要分布在2000m以下。气溶胶分布规律与当时的气象条件有直接关系。温度廓线和混合层顶高度都对气溶胶分布有重要影响。

(2) 除逆温层外，气溶胶浓度随高度的增加总的趋势是减小的。4月2日无逆温，气溶胶浓度最大值出现在近地面。4月17日有逆温层，气溶胶垂直分布的最大浓度出现在逆温层底部。气溶胶浓度在混合层以下浓度、平均直径不随高度变化或变化很小。在混合层以上, 浓度随高度迅速减小, 平均直径随高度变化比较复杂，特别是当有弱云区出现时，尺度范围增大，应该是由于云内相对湿度较大，气溶胶中的吸湿性粒子开始增长。

(3) 大气中的气溶胶分布规律，除了与大气层结状态有关外，还与气溶胶的排放源有直接关系。北京市内的气溶胶浓度比同高度的市郊大。

(4) 4月2日和4月17日这两天气溶胶粒子谱型基本上为单峰分布，粒子主要集中在小粒子端。