利用系留气球研究珠穆朗玛峰（Everest）上气溶胶颗粒的垂直分布特征

《Atmospheric Environment》：Vertical distribution characteristics of aerosol particles at Mt. Qomolangma (Everest) using the tethered balloon

气溶胶垂直分布首次通过系留气球在珠峰站观测，发现三类分布：高海拔单峰型（北非/南亚传输）、线性递减型（局地排放）、地表累积型（浅边界层与逆温叠加），揭示6000米以下局地及南亚来源双峰粒径分布，以上远程来源单峰分布，为高原气溶胶-气候相互作用研究提供新数据。

　　

范丽航|吴光建|高静|黄菊|陈格班若

中国科学院青藏高原研究所青藏高原地球系统、环境与资源国家重点实验室（TPESER），中国北京100101

摘要

气溶胶的垂直分布对于确定其来源和传输机制至关重要。然而，在高海拔地区，高精度的原位气溶胶测量仍然有限。本文首次利用系留气球在2022年5月14日至26日期间，对珠穆朗玛峰（QOMS）站的气溶胶数浓度（N_a）进行了高分辨率的原位垂直剖面测量。通过K均值聚类分析，将14个垂直剖面分为三种类型：（I）高海拔单峰剖面，（II）线性递减剖面，以及（III）地表积累剖面。类型I与气溶胶通过西风急流和南亚季风从北非和南亚的长距离传输有关，其气溶胶数浓度峰值达到110 cm^?3。类型II和III与行星边界层的日变化有关，主要由局部排放产生。在类型III中，浅层行星边界层和强温度逆温（逆温层强度：每100米0.26°C）的共同作用导致气溶胶在地表附近积累，使得地表气溶胶数浓度达到203 cm^?3。有效直径和后向轨迹模型的分析揭示了气溶胶来源的明显垂直分层，大约6公里的高度是一个关键分界线：在此高度以下，气溶胶主要来源于局部和区域（南亚）源，呈现出双峰粒径分布；而在该高度以上，气溶胶主要来源于北非和中东的远距离源，呈现单峰粒径分布。这些结果增进了对青藏高原南部气溶胶垂直分布的理解，并强调了评估气溶胶-气候相互作用时高度依赖的来源和传输过程的重要性。

引言

气溶胶的垂直分布在大气-气溶胶-云-气候相互作用中起着关键作用，包括大气来源和传输过程（Murray等人，2012年）。然而，关于青藏高原（TP）上气溶胶垂直分布的观测数据仍然严重不足，尤其是气溶胶数浓度（N_a）方面（Yi等人，2024年），其中存在显著不确定性。气溶胶垂直分布观测数据的缺乏限制了我们对这一地区气溶胶时空特性的理解，迫切需要更多的观测来填补这一空白。

有多种方法用于观测气溶胶的垂直分布，包括地面激光雷达、飞机、无人机（UAVs）、数值模型和气象监测塔（Dai等人，2016年；Hu等人，2020年；Liu等人，2009年；Ma等人，2019年；Shen等人，2023年；Tang等人，2015年）。尽管这些研究提高了我们对气溶胶特性的理解，但它们的方法存在局限性：地面激光雷达存在近地表盲区，并依赖于先验的光学假设；飞机观测受空域限制，无法获取500米以下的关键污染信息；无人机只能携带轻型便携式仪器，难以进行长期实时测量；数值模型受参数化方案和空间分辨率的限制。相比之下，系留气球因其独特优势而受到广泛认可，它们可以携带相对较重的有效载荷并持续供电，从而实现从地面到高海拔的连续测量、密集的垂直采样以及在固定高度的长期测量（Zhang等人，2018年），从而能够全面检测边界层内的气溶胶。系留气球已被全球用于研究气溶胶的垂直分布（Bisht等人，2016年；Ferrero等人，2016年；Guan等人，2022年；Lu等人，2019年；Olivares等人，2023年；Ran等人，2016年；Wang等人，2022年）。这些发现为地表-大气相互作用提供了重要见解，从根本上推进了我们对气溶胶水平和垂直传输机制的理解。

青藏高原（TP）包含通常被称为“第三极”的地区，是拥有大量冰川和积雪的高原（Yao等人，2012年）。位于TP南部边缘的珠穆朗玛峰大气与环境观测与研究站（QOMS）具有近乎纯净的大气背景，但毗邻气溶胶排放密集的区域（Chen等人，2018年），使其成为研究气溶胶跨境传输的理想地点（Cong等人，2015年；Dhungel等人，2018年；Pei等人，2025年）。许多研究表明，南亚和东亚的排放是TP上气溶胶的主要来源（Li等人，2016年；Yang等人，2018年；Zhang等人，2015年），南亚的高排放可以穿越喜马拉雅山脉并进一步传输到内陆TP（Cong等人，2015年；Xu等人，2014年）。Yuan等人（2020年）在该地区发现了大量的棕色碳焦油颗粒，表明来自印度-恒河平原的燃烧气溶胶可以长距离传输到珠穆朗玛峰地区。根据激光雷达观测，Xiang等人（2021年）报告称，在非季风季节，QOMS的约64.2%±17.0%的黑碳来自南亚，特别是印度和尼泊尔。此外，大量研究表明，中亚和北非的尘埃也可以传输到珠穆朗玛峰地区（Wang等人，2016年；Zhang等人，2015年）。然而，上述研究主要依赖于地面观测和数值模拟。由于缺乏高海拔大气中的原位气溶胶观测数据，仍然难以准确识别局部排放与跨尺度传输之间的垂直相互作用边界，这限制了对气溶胶垂直分布的全面理解。

本研究首次使用系留气球系统在QOMS获得了气溶胶数浓度和粒径分布的高分辨率垂直剖面。通过将系留气球的垂直测量与同步的地面观测和遥感数据相结合，我们系统地分析了从地表（约4.3公里高度）到高海拔的气溶胶浓度的三维分布特征。本研究旨在准确描述该地区气溶胶浓度的垂直分布模式，识别影响这种分布的关键气象驱动因素，从而揭示气溶胶的跨尺度传输机制。

研究区域和数据

2022年5月14日至26日期间，使用配备便携式光学粒子光谱仪（POPS，Handix Scientific）的系留气球在QOMS（北纬28.36°，东经86.95°；海拔4312米；图1）进行了14个气溶胶数浓度（N_a）的原位测量。POPS能够确定0.141–3 μm光学粒径范围内的N_a光谱分布，时间分辨率为1秒，其测量结果已经过验证

大气气溶胶和气象参数的时间演变

图2展示了野外活动期间气象要素和气溶胶浓度的时间演变。PM_2.5和PM₁₀的平均日浓度分别为5.5 ± 2.1 μg m^?3和20.5 ± 10.1 μg m^?3，小时平均值分别为0.9至13.5 μg m^?3和1.2–85.1 μg m^?3。与华北和珠江三角洲（Li等人，2022年）相比，QOMS的气溶胶浓度低两个到三个数量级。

结论

本研究使用系留气球在2022年5月14日至16日期间收集了珠穆朗玛峰地区的高分辨率垂直剖面数据，包括气溶胶数浓度和一系列气象参数。此外，还对气溶胶的垂直分布进行了分类，并分析了其来源和传输机制。

根据分层情况，总结了三种不同类型的气溶胶垂直剖面。类型I剖面为高海拔单峰剖面

作者贡献声明

范丽航：撰写——原始草稿，正式分析。吴光建：监督，方法论。高静：调查。黄菊：撰写——审阅与编辑。陈格班若：调查。

利益冲突声明

这是由范丽航、吴光建、高静和陈格班若共同撰写的手稿，题为“利用系留气球研究珠穆朗玛峰（Everest）气溶胶粒子的垂直分布特征”。提交本手稿时不存在利益冲突，所有作者均同意发表。我代表我的合作者声明，所描述的工作是原创研究，尚未发表过，也未被其他研究引用。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2024YFF0808601）、西藏自治区科技项目（项目编号：XZ202401JD0002）和中国博士后科学基金会博士后奖学金计划（项目编号：GZC20232800）的资助。作者感谢中国科学院光学与电子研究所和珠穆朗玛峰站提供的数据收集支持和气象数据集。