華北部分地區云凝結核的觀測分析

封秋娟，李培仁，樊明月，侯團結

(1.山西省人工降雨防雹辦公室，山西太原030032;2.山東省人工影響天氣辦公室，山東濟南250031;3.中國科學院大氣物理研究所，北京100029)

0 引言

云凝結核(CCN)是指在云中過飽和條件下能夠活化成云滴的粒子，它可以直接定量地將氣溶膠和云相聯系，因此CCN研究是氣溶膠、云和氣候之間相互作用研究中的一個重要環節，開展CCN的觀測對研究天氣氣候變化具有重要的現實意義。作為CCN，大氣氣溶膠通過改變云的微物理和輻射特性可以間接影響氣候(楊軍等，2000;Mukai et al.，2003;黃夢宇等，2005;朱彬等，2006;任永建等，2009;銀燕等，2010)。國外對CCN的觀測研究已經有50多年的歷史。在污染云中CCN粒子增多，會出現降水不發生或延遲發生的現象(Rosenfeld，2000;Frias-Cisneros and Baumgardner，2007)。南極洲在過飽和度約為1.3%的情況下，云凝結核數濃度范圍是1～700 cm－3，平均數濃度為20 cm－3。在霧天、降水或降水后的晴天都會出現CCN的低值(DeFelice，1996)。利用觀測事實和模式結果分析得知，CCN數濃度的改變對全球水循環、降水和氣候有影響(Andreae and Rosenfeld，2008)。1997—2000年在歐洲阿爾卑斯山利用CCN儀研究了CCN的分布規律(Hitzenberger et al.，2000)。Rosenfeld et al.(2008)建立了一個概念模型，將氣溶膠的光學厚度和微物理量聯系起來，從理論上估計了人為污染氣溶膠對降水的消減和促進作用，并提出了分別產生這兩種影響的背景條件。到目前為止，我國已開展CCN觀測的幾個地區和城市主要集中在東北地區、華北地區、寧夏賀蘭山地區和青島等地。1983—1985年“北方層狀云人工降水試驗研究”中利用MEE-130型CCN儀進行觀測研究(王鵬云等，1989;游來光等，2002)。1994—1995年使用MEE-130型CCN儀在寧夏賀蘭山地區開展了CCN的觀測，結果表明該地區夏季地面平均CCN數濃度為610 cm－3，最大數濃度達104cm－3，降水時或降水后云凝結核數濃度明顯減小，云凝結核數濃度與風向、風速、沙塵暴等氣象因子或天氣現象沒有明顯關系(樊曙先和安夏蘭，2000)。2006年利用DMT(Droplet Measurement Technologies)公司的云凝結核儀對河北空中和地面的云凝結核(CCN)進行了觀測研究(石立新和段英，2007)。

華北地區氣候干燥，污染嚴重，煙塵等污染物粒子的大量存在能改變大氣氣溶膠及云和降水的物理化學特性。隨著山西煤炭產業和城鄉建設的飛速發展，人類活動對環境的影響日益突出，山西是全國污染較為嚴重的省份之一，因此對云凝結核的觀測研究具有現實意義。鑒于云凝結核在降水形成中的作用及對我國華北地區氣候的影響，2008年9月—2009年7月在華北部分地區開展了CCN地面和空中觀測。

1 儀器和觀測方法

1.1 儀器

云凝結核觀測使用的是美國DMT公司生產的連續氣流單過飽和度云凝結核計數器(DMT-CCN儀)，DMT-CCN儀是基于Greg Robert博士的海洋學理論而設計研制的。該儀器核心部分是一個高50 cm、內徑2.3 cm的圓柱形連續氣流縱向熱梯度云室，云室上、中、下部分別安裝了熱敏元件(RTD)以精確測量溫度，通過上、中、下部的3組熱電制熱器(TEC)分別控制上、中、下部溫度，使云室溫度上低、下高，形成一定的溫度梯度。云室內壁維持一定量的水流以保持濕潤。由于從云室內壁向云室內部的水汽擴散比熱擴散快，環境氣溶膠從頂部垂直進入儀器，當它穿過儀器圓柱狀部分時由于水蒸汽氣流逐漸變得過飽和，樣本氣溶膠處于圓柱中心線區域最大過飽和度位置。環境空氣進入儀器后被分為采樣氣流和鞘氣兩部分，經過過濾和加濕，沒有氣溶膠粒子的鞘流環繞在采樣氣流周圍進入云室，可以把采樣粒子限制在云室垂直中心線區域。采樣粒子在設定的過飽和度下活化增長，活化后的粒子進入云室下的光學粒子計數器腔體(OPC)記錄尺度和數目，濾去樣本附近潮濕的空氣。

CCN儀器(表1)在飛機和地面均可使用。該儀器的量程是0.75～10 μm，分20檔，測量出每檔粒子個數和每秒數濃度。過飽和度S設置的范圍為0.1%～2.0%，過飽和度可以設置為單一的情況，進行連續測量，也可以設置最多5個不同的情況進行連續循環觀測。

表1 DMT-CCN儀主要技術參數Table 1 Main parameters for DMT-CCN Counter

云滴觀測使用的是美國DMT公司生產的云粒子探頭CDP(Cloud Droplet Probe)，CDP用于測量不同直徑范圍云滴的個數分布并計算出云滴的總數濃度、云滴液態含水量、云滴中值體積直徑和有效直徑。CDP量程從3 μm到50 μm，分30檔，其中3～14 μm的直徑間隔為1 μm，14～50 μm的直徑間隔為2 μm。

1.2 觀測方法

1.2.1 地面觀測

2008年9月—2009年4月，使用DMT-CCN儀對太原地面CCN分布特征進行了固定點觀測。在地面觀測時把采樣氣口固定在山西省人工降雨防雹辦公室四樓頂部的平臺上，距地高約16 m，周圍環境空曠，北鄰富士康，東南主要是企事業單位，西面為居民生活區，觀測點附近人類生活污染和工業污染較嚴重。地面觀測采用S(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1%)循環測量的方式，每組觀測所用的時間約為25 min。

1.2.2 飛機觀測

2009年利用機載DMT-CCN儀對山西太原上空和河北張家口上空CCN分布進行飛機觀測，觀測使用的運-12飛機的飛行上限為6 km，飛機采用盤旋上升、下降和不同高度層平飛的飛行方式，DMTCCN儀設置S固定為0.3%。

2 太原地面CCN特征分析

2.1 CCN特征值統計分析

通過太原地面CCN觀測資料(選取資料為儀器正常采集下24 h連續觀測)的統計結果(表2)發現，在同一過飽和度下CCN數濃度差異很大。CCN數濃度日最大值、日平均值均隨過飽和度的增加而增大。過飽和度S=0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%下，CCN平均數濃度范圍分別為1 187～4 151、7 509～14 109、10 104～21 464、12 016～26 217和13 215～30 239 cm－3。與河北CCN觀測數值進行對比可知，均明顯高于2005年石家莊夏季地面CCN數濃度(石立新和段英，2007)，這可能與太原嚴重的污染狀況有關。

2.2 地面CCN的日變化

太原地面CCN數濃度具有明顯的日變化特征。圖1a為2008年12月17日太原S=0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%下CCN的日變化。可見，CCN數濃度一天中出現兩次峰值，分別為09時和20時左右。結合氣象要素，圖1b給出了2008年11月19日S=0.4%下CCN數濃度、溫度、濕度的日變化。可見，08時溫度較低而相對濕度較高，同時也是汽車尾氣排放的高峰階段，溫度較低使得近地面湍流活動較弱，大氣層結穩定，有利于氣溶膠粒子的積聚，給CCN提供了源。14:30地面溫度達到極大值，相對濕度很低，較高的溫度有利于近地面空氣湍流運動加強，近地面氣溶膠粒子向高空傳輸使地面CCN數濃度降低。傍晚后溫度降低，近地面大氣較穩定，不利于氣溶膠粒子擴散，同時也可能是人類活動的影響充當了CCN的源，使夜間CCN數濃度上升。

表2 2008年9月—2009年4月太原地面CCN數濃度的統計結果Table 2 Statistics of ground CCN number concentration in Taiyuan from September 2008 to April 2009

圖1 2008月12月17日太原地面CCN數濃度的日變化(S=0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)(a)和2008年11月19日太原地面CCN數濃度、溫度和相對濕度的日變化(S=0.4%)(b)Fig.1 (a)Diurnal variations of ground CCN number concentration on 17 December 2008 in Taiyuan(S=0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%)and(b)diurnal variations of ground CCN number concentration，temperature and relative humidity on 19 November 2008 in Taiyuan(S=0.4%)

2.3 降雪對地面CCN的影響

降水對CCN具有明顯的沖刷作用。圖2為過飽和度S=0.2%下，2009年2月8日下雪過程與2009年2月7日晴天條件下，太原地面同一觀測時間范圍內CCN數濃度隨時間的變化。2009年2月8日08:00—14:00太原下雪，2月8日CCN數濃度較同一時刻2月7日偏低，降雪快結束時，CCN數濃度略有上升。2月8日降雪過程中，CCN數濃度的變化范圍為1 700～3 000 cm－3，而2月7日晴天的變化范圍為3 000～5 000 cm－3。

2.4 地面CCN活化譜的對比分析

為了研究CCN活化譜特征，利用N=CSk對太原地面CCN活化譜進行了擬合，其中S為過飽和度，N為過飽和度下的CCN數濃度。根據C、k值把核譜分為大陸型(C≥2 200 cm－3，k＜1)、過渡型(1 000 cm－3＜C＜2 200 cm－3，k＞1)和海洋型(C＜1 000 cm－3，k＜1)三種(Hobbs et al.，1985)。

表3給出了太原地面CCN的擬合特征參數。可以看出，太原地區C＞2 200 cm－3，k＜1，屬于典型的大陸型核譜。圖3為2008年10月17日觀測的太原地面CCN活化譜。作為對比，圖3同時給出了石家莊(石立新和段英，2007)、銀川和祁連山地面(趙永欣等，2010)CCN活化譜。可以看出，太原由于污染物較多，k值較高而C值明顯高于其他地區;銀川雖然也是北方省會城市，但是它屬于西部地區，城市規模小和工業相對較簡單等特點直接決定了銀川氣溶膠污染強度和種類可能不及太原地區，這進一步導致兩地CCN粒子成分不同，CCN活化譜也就不同。另外，祁連山地區受大陸氣團影響，遠離人群，屬清潔地區，C和k值都非常低，屬清潔大陸型核譜。

圖2 2009年2月7日和8日CCN數濃度隨時間的變化(S=0.2%)Fig.2 Temporal evolutions of CCN unumber concentration on 7 and 8 February 2009(S=0.2%)

表3 太原地面CCN特征參數Table 3 Characteristic parameters for ground CCN in Taiyuan

圖3 太原(2008年10月17日)、石家莊、銀川、祁連山地面CCN活化譜Fig.3 Surface CCN spectra of Taiyuan(on 17 October 2008)，Shijiazhuang，Yinchuan and Qilianshan

3 高空CCN特征分析

3.1 CCN數濃度隨高度分布

圖4 (a)張家口、(b)太原上空CCN(S=0.3%)、云滴數濃度(取自CDP)的垂直分布Fig.4 Vertical distributions of CCN(S=0.3%)and cloud droplet concentration(from CDP)over(a)Zhangjiakou and(b)Taiyuan

為了研究CCN數濃度的垂直分布特征，圖4給出了兩次觀測的CCN、云滴數濃度(CDP測得)隨高度的垂直變化曲線。圖4a為張家口上空一次雨后天氣的探測，探測時系統趨于消散，低層淡積云，高層密卷云，云滴平均數濃度僅有0.64 cm－3，CCN的數濃度隨高度增加明顯減少，從105量級減小至101量級，表明CCN主要來源于地面。圖4b為太原上空一次降水過程的垂直探測，受冷槽影響，探測區域降小到中雨，降水云系由層積云(1 700～2 200 m)和高層云(3 550～4 650 m)組成，3 000 m以下CCN數濃度隨高度增加而減少，CCN主要來源于地面。自3 000 m向上，CCN數濃度有兩次突增過程，第一次開始于3 000 m高度，第二次開始于高層云云底(3 550 m)附近，數濃度的極大值超過近地面極大值，有別于圖4a的觀測結果，根據高空風向隨高度的變化，認為云中高數濃度的CCN不是來自地面垂直抬升，而可能是來自于長距離氣團的輸送。Li and Shao(2009)也認為，長距離輸送的氣團有利于氣溶膠老化和二次氣溶膠的生成，這些老化的氣溶膠在大氣中更容易被激活并成為CCN，因此在高空中長距離輸送的氣團中有更多氣溶膠能夠轉化為CCN。高層云中上部CCN數濃度隨高度增加逐漸減小，從103量級減小至102量級。4 650 m飛機出云，云頂以上CCN數濃度較小，平均數濃度只有129 cm－3。

3.2 水平穿云過程CCN變化特征

為了研究云內外CCN的變化特征，以2009年5月9日在古交地區上空進行水平穿越積狀云為例。由圖5可見，16:38之前飛機在云外飛行，云滴數濃度(CDP測得)平均值為1.39 cm－3，隨后入云，云滴數濃度顯著增加，云滴平均數濃度達到213.81 cm－3;CCN數濃度在入云后明顯減少，平均數濃度從1 288.09 cm－3減少到841.65 cm－3，表明云中一部分CCN活化成云滴，從而導致云內外CCN的顯著差異。

圖5 2009年5月9日水平穿越積狀云過程中CCN和云滴(取自CDP)數濃度的變化(高度為3 600 m，S=0.3%)Fig.5 Changes of CCN and cloud droplet(from CDP)number concentration during the horizontally penetrating cumuliform at 3 600 m height on 9 May 2009(S=0.3%)

圖6 穿云過程CCN譜分布(a)和云滴譜變化(b)Fig.6 Changes of(a)CCN and(b)cloud droplet spectral distributions during the penetrating cumuliform

為了研究穿云過程中云內的微物理變化，對上述資料取水平探測時20 s平均的CCN和云滴的譜分布。圖6a是飛機入云過程CCN譜分布演變;圖6b是與此相對的云滴譜分布演變。可見:1)云外階段。圖6a中飛機在云外時CCN譜分布呈明顯的多峰結構，譜型較寬，CCN數濃度較高;與此對應，圖6b中云滴數密度最大值為0.37 cm－3·μm－1，且隨著直徑增大呈指數遞減，譜型較窄，云滴數濃度較小，譜分布不連續。2)初入云階段。圖6a中初入云階段CCN譜分布呈雙峰分布，譜型較寬，0.75～6 μm段的CCN數濃度明顯小于云外，說明入云后，部分CCN活化成云滴;與此對應，圖6b中云滴譜呈單峰分布，譜分布連續，云滴數濃度和粒徑均變大，在10 μm處有數密度最大值40.49 cm－3·μm－1，譜寬增大。3)云的發展階段。在云的發展階段，圖6a中CCN數濃度變小，CCN譜型變窄，呈多峰分布，說明活化后的較大CCN粒子進一步增長為云滴，導致數濃度減小，譜變窄。與CCN粒子發展不同，圖6b中云滴表現為數濃度和粒徑均變大，云滴譜型呈多峰分布，粒子數濃度變大，在10 μm處達到最大數密度37.7 cm－3·μm－1，較云外高兩個量級，大粒子段數濃度變大，云滴粒徑也得到增長。

4 結論

1)太原地面同一過飽和度下CCN數濃度差異很大。CCN數濃度日最大值、日平均值均隨過飽和度的增加而增大。地面CCN數濃度較高，這可能與太原嚴重的污染有關。

2)太原地面CCN具有明顯的日變化特征，一天中出現兩次峰值，分別為09時和20時，受氣象因子、人類活動等的影響顯著。降水對地面CCN具有明顯的沖刷作用。

3)利用關系式N=CSK擬合得到的太原地面CCN活化譜參數，由于污染物較多，C＞2 200 cm－3，k＜1，且C、k值很高，屬于典型的大陸型核譜。

4)高空CCN數濃度主要來源于地面，隨高度增加而減少。高空風向有轉變時，長距離氣團輸送提供CCN二次源。飛機水平穿云過程觀測顯示云內CCN比云外明顯減少，表明云對CCN有消耗作用。

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