大氣冰核研究進展及展望

畢凱 黃夢宇 虎雅瓊

（1 中國氣象局華北云降水野外科學試驗基地，北京 101200；2 云降水物理研究和云水資源開發北京市重點實驗室，北京 100089；3 北京市人工影響天氣中心，北京 100089）

0 引言

大氣冰核是指懸浮在大氣中，能使過飽和水汽凝華或者過冷水滴凍結形成初始冰晶的微粒。大氣冰核和云凝結核一樣，能夠通過促進水的相變參與云的微物理過程[1]。冰核活化對過冷云和冰云的特征以及降水的形成有重要影響，它能促進過冷云滴冰晶化，直接影響云中冰粒子的尺度和數濃度[2-3]，也間接影響到降水的形成和云的生命周期[4]，從而在水循環中有重要作用[5]，反過來也會影響大氣輻射傳輸和氣候變化[6-11]。有關大氣冰核一件很重要的事是，與云凝結核不同，即使在對流層大氣中，冰核的數量也是不足的，這就導致在冷云中會出現過冷水的現象，由此會造成飛機結冰和冰凍災害等天氣現象。但過冷水存在的同時，也為人工增雨和人工防雹打開了一個窗口[12-13]。

混合云降水是影響我國北方地區降水的主要類別，混合相態云是過冷水和冰晶共存的云，占大氣中云的大部分。目前我們對這些云的微物理特征仍缺乏足夠的了解[14]，尤其對這些云中冰是如何形成的以及冰核在降雨降雪發展中的角色認識較少。盡管我們已經認識到在混合相云中，冰晶的初始形成需要冰核粒子，但冰核濃度、變化特征，以及它們的物理化學特性等很多問題都需要解決。氣候模式中對冰核的氣候效應的估計更加困難，氣候模式甚至沒有能力去量化冰核氣溶膠的氣候效應[15]。其中很重要的原因是缺乏區域代表性冰核特征的大量外場觀測及室內試驗研究，我們還沒有理解清楚冰核的特性以及冰核通過哪些物理機制影響冰晶的生成。

國外開始對大氣冰核的研究時間較早。早在20世紀初，有人就提出云中需要某些核，才能使云滴凍結或水汽凝華形成冰晶[16]。從20世紀40年代開始，國外學者嘗試設計了多種冰核觀測方法與設備。近一二十年來，冰核氣溶膠對云的影響在國際上受到了越來越多的重視，在外場和室內實驗室中開展了大量的冰核觀測研究實驗和數值計算研究，對冷云的研究也取得了很多進展。與此對比，我國大氣冰核研究起步較晚，開展的研究工作也非常有限。為了進一步拓展我國冰核研究領域，本文梳理了大氣冰核研究領域在冰核活化理論、冰核觀測方法、理化特征及參數化方面的主要進展，并探討了該領域的研究熱點和未來的發展方向，以推進我國大氣冰核領域的研究工作。

1 大氣冰核的核化理論

冰核活化有兩種方式，一種是同質核化，由液態水滴直接凍結形成，發生在?38 ℃以下且接近水面飽和的時候[17]；一種是異質核化，在冰核上形成[18]，在相對濕度接近冰面飽和，溫度高于?38 ℃時發生[19-20]。

冰核氣溶膠的存在能夠大大提高云中的過冷成冰的溫度。到目前為止，人們對冰晶的異相核化過程還遠沒有研究清楚。科學家們提出了冰核促進冰晶生成的4種方式：凝華核華、接觸凍結、浸潤凍結和凝結凍結[21]，圖1給出了不同核化機制的概念圖。每種機制下，冰核（圖中三角號）都是從置身于水汽的氣溶膠開始。凝華核華是由水汽凝華核化生成冰晶；接觸凍結核化是指冰核通過布朗運動與云滴接觸，使得云滴凍結生成冰晶；浸潤凍結核化是指氣溶膠先在0 ℃以上的暖云中生成云滴，當溫度降到0 ℃以下時，通過冰核浸入在云滴內部的凍結方式而成冰；凝結凍結核化是指在溫度低于0 ℃的大氣中，水汽先在冰核氣溶膠上凝結成水滴，然后再凍結成為冰晶，稱為凝結凍結核化。其中浸潤凍結被認為是混合相態云中最主要的核化機制[22-23]。

圖1 冰核4種核化機制[24]Fig.1 Four types of INP nucleation mechanism

除了上述核化機制以外，科學家們通過實驗室和外場的觀測，發現了上述理論均無法解釋的現象，并提出了“蒸發凍結”的概念[25]。并通過實驗室的研究對“蒸發凍結”的現象進行了理論，提出了冰核從液滴內部向外接觸液滴表面是導致蒸發凍結的原因（圖2），這個機制可以用來解釋山區地形云消散過程導致的高濃度冰晶粒子[26]。

圖2 接觸核化概念模型[26]（a）通常意義的接觸凍結核化，（b）冰核由內向外核化Fig.2 The conceptual model of contact nucleation（a）the contact nucleation in the general sense,（b）the nucleation from inside to outside

2 大氣冰核的測量方法

從20世紀40年代起，科學家們開始探索大氣冰核的不同觀測方法，總體來看，可以分為在線測量和離線測量大類。在線測量主要有膨脹云室法、混合云室法、連續流量的熱力擴散云室法等。離線測量主要通過把冰核氣溶膠采樣到濾膜或硅片，然后在實驗室中通過配置氣溶膠懸濁液放置冷臺、擴散云室中或電鏡下單顆粒觀測等。

2.1 在線測量法

Cwilong提出一種探測冰核生成冰晶閾值的靈敏方法，用膨脹云室測定室外空氣的冰核含量[27-28]。Schaefer改進了這種方法，采用聚乙烯醇溶液的皂泡作為檢測器件，在冷云室中成功地檢測并計數了活化后的冰晶[29]。Bigg采用了類似的檢測方法，把外界環境空氣直接引入混合云室，通過計數落到糖液中的冰晶個數而得到冰核濃度[30-32]，該裝置稱為比格混合云室[33]，這種方法操作簡便，造價低，但難以實現空中采樣，無法深入研究冰核。

目前，用于冰核研究的大型膨脹云室包括AIDA和MRI-DCECC[34-35]。首先在容器內形成冰面過飽和條件，向云室中注入水汽，降壓使得氣溶膠降溫冷卻，即可測定不同溫度和過飽和條件下氣溶膠的成冰活性。

Rogers提出了連續流量擴散云室（CFDC），詳細描述了CFDC的性能和使用方法[36-37]，在連續采樣氣流中，通過把環境大氣引入可控溫度和冰面過飽和度的云室環境中，來測量大氣冰核。后來DeMott對CFDC進行了改進，由于連續流量擴散云室由于可以在線實時觀測，最大程度上排除了人為因素的干擾，并且可以改裝后進行空中觀測，溫濕度可控，被廣泛應用在國際知名大氣冰核觀測項目中[38-39]。CFDC類設備發展至今，外觀有了較大的變化，如ZINC、SPIN和PINC，將同心圓設計改成了垂直平行的平板設計[40-42]。為了使該類型冰核觀測設備用于野外無人值守觀測，北京市人工影響天氣辦公室的BJ-CFDC在CSU-CFDC的基礎上進行了改進（圖3），主要對制冷系統、硬件控制系統和軟件進行了改造，改進后的軟件系統方便用戶編程，能夠自動化控制云室，包括抽真空、漏氣測試、云室制冷、去離子水制冰、設置云室目標溫濕度、開始采樣、切換溫濕度環境、融冰以及循環周期采樣等等[43]。

圖3 新型在線連續流量擴散云室（a）及測量原理圖（b）[44]Fig.3 The new diffusion cloud chamber with online continuous flow (a) and the measurement schematic diagram (b)

2.2 離線測量法

離線測量法指的是在外場觀測時首先把氣溶膠采樣到濾膜或硅片等基質上，然后在實驗室的降溫裝置環境中模擬云中的溫度環境，通過觀察顆粒物凍結性能從而得到冰核濃度。

濾膜法，即在濾膜上采樣氣溶膠，然后放到靜態云室在不同溫度和水面過飽和條件下分析冰核特性[45-46]。濾膜法由于取樣方便，采樣與活化處理分開、易于保存、取樣地點不受限制等優點，尤其適合在荒無人煙的外場環境中進行冰核觀測[47]。后來學者們改進了濾膜法，使用靜穩氣流和控制濾膜濕度等動態云室法，所測的冰核濃度比靜態法高出一個數量級，并且在?16 ℃活化溫度下和?3%～+5%的相對水過飽和度在條件下與連續流量擴散云室（CFDC）測量的結果幾乎一致，從而大大提高了冰核觀測可靠性[48-50]。

液滴凍結計數法是通過計數附著在自由降落的冷凍管上的過冷水凍滴的數量來測量冰核[51-52]。

2006年德國歌德大學研發了快速冰核計數器FINCH，可以實現云凝結核和冰核數濃度的在線測量[53]。2008年，Klein等研發了靜力真空水汽擴散云室FEIDGE，能較高精度自動測量分析凝結凍結和凝華核化機制下的大氣冰核濃度[54]。Wang等搭建了一臺可用于測定干顆粒凝華成冰過程的儀器，用來研究浸潤核化模式下的冰核性能[55]。

近年來，液滴凍結方法被國外科學家們廣泛用來測量大氣冰核濃度，基于此原理進行測定的儀器很多，如BINARY、NC State-CS、CSU-IS、KITINSEKT、CRAFT、PKU-INA、FINDA（圖4）等[56-62]。這類設備是把含有冰核氣溶膠的液滴置于冷臺裝置，通過精確控制冷臺的降溫率，并利用CCD對液滴凍結過程進行實時識別，通過凍結比率反演冰核的濃度[63]。

圖4 FINDA冰核測量裝置圖[62]Fig.4 The equipment drawing of INP measurement

除了群滴的統計法測定冰核濃度，科學家們還研制出了單顆粒法測定氣溶膠成冰性能。主要包括電動平衡懸浮法、超聲懸浮法和單顆粒電鏡法[64-66]。通過對懸浮狀態的顆粒降溫測定從而獲得顆粒物的冰核特性。

目前，不同的設備各有優缺點，加上冰核測量的不確定性很多，還沒有任何可用的設備能同時測量4種不同的冰核核化機制，也不能真實反映出自然大氣云中常見的緩慢冷卻和長時間保持低的過飽和狀態。為了評估不同站點、不同采樣方法下真實大氣環境中不同設備的一致性，Demott在外場環境中對比了在線觀測設備CFDC和不同的離線觀測設備的CSU-IS、CRAFT和MOUDI-DFT協同觀測結果，發現在線法和離線法的結果有較好的一致性，在沙塵個例中離線法的結果高3倍左右，這與CFDC設備前段的2.5 μm切割頭有關。在不同的溫度段綜合應用不用的測量設備具有較大的應用潛力[67]。

3 冰核的理化性質

經過幾十年的實驗室和外場大氣冰核觀測研究，學者們取得了一些寶貴成果。國際上曾經開展了大量的項目涉及冰核觀測研究，比較著名的有WS（Wintericing and Storm）項目、SUCCESS項目、INSPECT-II和德國的INUIT項目等[68-71]。

總體上冰核數濃度隨溫度降低呈指數增長，但在特定溫度下，冰核數濃度的變化高達5個數量級（圖5）[72]。這與冰核的成分及不同的時空環境有關。

圖5 不同物質種類的冰核濃度的溫度分布[72]Fig.5 Temperature distribution of INP concentration from different sustances

3.1 冰核的種類及尺度特征

學者們研究發現，部分礦塵氣溶膠能在高于?38℃活化，有效促進冰晶的形成[73-75]。煤煙粒子、生物細菌，火山灰和海鹽都能作為大氣冰核[76-79]。有機顆粒和海洋性藻類也是重要的冰核氣溶膠源[75,80]。生物氣溶膠冰核比礦塵冰核活化溫度要高[81-83]。Cziczo等對卷云中冰粒子升華后的破碎冰晶進行了成分觀測，發現礦塵和金屬顆粒是破碎冰粒子主要的成分，另外還有硫化物和有機物[84]。塵土黑炭氣溶膠也可以作為冰核，但核化條件比礦塵和生物核更高[85-86]。2008年Klein等在歐洲山頂站測量了一次沙塵暴過程的冰核濃度。結果表明，冰核和沙塵相關性較好，尤其是與沙塵氣溶膠表面積濃度，提出該過程沙塵氣溶膠是主要的冰核來源[87]。二氧化硫和揮發性有機化合物（VOC）等二次氣溶膠前體物也能促進冰的形成[88]。硫酸銨等可溶性物質可作為浸潤凍結核和凝華核[89-91]。含硫礦塵上形成的液滴，能在?10℃的條件下凍結，高于純硫酸鹽滴的活化溫度[92]。

學者們研究了氣溶膠和冰核的關系，得出尺度大的氣溶膠更易形成冰核，尤其是直徑大于0.5 μm的氣溶膠[93-94]。Santachiara等測量了不同粒徑下的細顆粒氣溶膠（PM1，PM2.5和PM10）和懸浮顆粒中的冰核，發現PM1貢獻50%，PM10貢獻70%～90%，表明冰核氣溶膠粒子的直徑在10 μm以下[95]。

3.2 冰核的濃度特征及影響因素

世界上不同地區冰核濃度的時空變化差異很大。20世紀60年代北半球中緯度地區冰核平均濃度范圍1.7～32 個/L。20世紀50—70年代大西洋、澳大利亞、撒丁島、夏威夷、北京等地冰核濃度1～9 個/L，不同地區差異不大[16]。近20年，世界各地冰核濃度差別較大，不同地區濃度差異達到了幾個數量級，這可能是工業化發展和人類活動加劇的結果[96]。Belosi等系統地匯總了前人對南極冰核的觀測結果，發現冰核濃度在南極不同的地區差異很大[97]。Ardon-Dryer等用擴散云室研究了南極的浸潤凍結核，發現凍結溫度區間為?27～?18 ℃，50%的液滴在?24℃下凍結，其中?23℃的冰核濃度為1 個/L[98]。Saxena等觀測到瑞典的冰核濃度在活化溫度?7～?5 ℃為0.03～10 個/L，冰核濃度與鋅、硅、鉀等成分的濃度一致性較好[99]。

從20世紀60年代開始，國內先后在北京、吉林白城、西安和大連和蘭州、福建石塔山、南京和內蒙古東勝、賀蘭山、黃土高原、甘肅瑪曲、青海、新疆、沈陽、撫順、南京、黃山等地采用比格混合云室法、濾膜采樣法等不同方法對大氣冰核濃度及其與氣象條件的關系開展了外場觀測，也在云室中對冰核活化進行了研究，也進行了模式研究[1,33,43,61,100-124]。李麗光等匯總了前人的大氣冰核研究結果，并對未來冰核研究提出展望[125]。國內冰核研究初步結果表明，大氣冰核的變化具有明顯的區域特點，跟天氣條件密切相關[102]。游來光等使用比格混合云室在20世紀60年代和90年代觀測了北京地區的冰核濃度，對比發現冰核平均濃度增加了15倍，提出人類活動和社會發展對冰核濃度的變化也可能有重要影響[1]。石塔山地區冰核具有明顯的日變化特點，早上比午后高[104]。青海河南縣冰核濃度隨溫度降低呈指數增長，?20℃活化溫度下最大數濃度可達186 個/L[112]。牛生杰等使用濾膜法觀測了賀蘭山地區冰核濃度，發現冰核濃度在低云天氣下比晴空和高云下要低，并通過飛機采樣觀測了冰核濃度的垂直分布，發現冰核濃度隨高度增加呈減少的趨勢[107]。楊磊等使用中國氣象科學研究院楊紹忠改進過的5 L比格混合云室和濾膜采樣法對南京地區冰核進行了觀測，研究了濃度特征及其與氣溶膠粒子濃度的關系，得出活化溫度越低、濕度越大，冰核濃度越高，霧和降雨對冰核有明顯的沖刷作用，冰核濃度與不同來向氣團的性質有關，較大粒徑的氣溶膠表面積濃度與冰核濃度相關性更高，并給出了活化溫度和氣溶膠數濃度計算冰核濃度的經驗公式[118-119,126]。蘇航等利用自行搭建的大氣冰核高壓靜電采樣器和靜力真空水汽擴散云室，研究了黃山地區的大氣冰核濃度及其與相關氣象要素的關系[120]。Jiang等用3個混合云室和一個靜力擴散云室，測量了黃山不同高度的冰核特點，得出冰核濃度隨高度增加而減少，冰核濃度與氣團來向有密切關系[121]。周德平等同樣利用楊紹忠研究員改進過的5 L比格混合云室，以及濾膜采樣法研究了遼寧沈陽、撫順等地不同天氣條件下的大氣冰核，并利用飛機進行了冰核的濾膜采樣，分析了冰核濃度的月變化、在不同霧霾天氣下的特征，初步給出了大氣冰核濃度的尺度分布及隨高度的變化[115-117]。北京城區重污染天氣對冰核的影響較小[61]；北京城區和山區的冰核差異較大，山區存在大量在?15 ℃下活化的冰核，沙塵比污染對冰核的貢獻大[33,43]。

4 冰核的參數化方案

在冰核參數化研究方面，學者們通過實驗室研究和外場觀測，根據溫濕度、氣溶膠數濃度、尺度和化學成分等不同因素對冰核的參數化方案進行了設計。得到了活化溫度與冰核濃度的關系，濕度與冰核濃度的關系，溫度、冰面過飽和度與冰核濃度三者的經驗公式，氣溶膠數濃度、溫度與冰核濃度的關系，氣溶膠成分、表面積與冰核濃度的參數化公式[94,127-131]（表1）。畢凱等對冰核的參數化方案進行了匯總，并與華北地區本地化觀測的結果進行了對比分析，獲得了基于觀測的我國華北地區大氣冰核譜參數化方案（表2）。

表1 大氣冰核溫度譜擬合參數NINP=A×e(?B×T)Table 1 The fitting to the data with the functional form NINP=A×e(?B×T)

表2 大氣冰核與溫度、氣溶膠濃度參數Table 2 The fitting to the data with the functional with T and aerosol

5 冰核當前的研究熱點與展望

目前國際上大氣冰核研究的熱點主要集中在冰核對云和氣候的影響、大氣冰核顆粒的特征、冰核濃度與云中冰粒子濃度、冰核基礎理論、人類活動對冰核的影響、人工冰核對天氣氣候的影響、全球大氣冰核觀測趨勢等方向。未來具有較大潛力的研究方向包括：冰核的核化機制、不同設備的協同匹配觀測、空中冰核的理化特征、冰核模式與觀測的協同配合、人工智能技術在冰核反演中的應用。

由于不同設備的測量性能差異，如何在外場觀測中協同不同觀測手段研究大氣冰核具有很大的研究潛力。尤其是由于在線連續流量擴散云室觀測手段成本高昂，如何開發利用較低成本的較高性能冰核觀測設備對于開展我國冰核研究具有重要的意義。目前國內開展冰核研究的測量方式各不相同，不同觀測方式之間的測量結果差異需要開展協同對比觀測研究。尤其是傳統比格云室觀測法與當前國際上主流的在線法和離線凍滴法等測量方法的偏差，需要進行進一步的研究，以拓展我國大氣冰核的長時間序列研究結果及應用。

目前冬季降雪中雨雪相態轉換時機是預報員面臨的一大難題，使用FINDA等離線凍結法測量降水（雨、雪、霧、雹）樣品中的冰核含量，可以獲得降水中冰核初始活化的溫度，對于預報云中降水物的相態演變層結有重要的指示意義，也在人工影響天氣效果評估中有重要的應用前景。

在氣候研究中，開展氣溶膠?云相互作用研究是難點和熱點。它對預測氣候變化、以及改進天氣預報模式和氣候模式中氣溶膠和云物理過程的參數化具有重要意義。目前的氣候模式中氣溶膠作為冰核對云的影響還遠未研究清楚，對冰核的氣候效應的估計更加困難，甚至沒有能力去量化冰核氣溶膠的氣候效應[134]。亟待加強對冷云中冰核氣溶膠?云相互作用機制的研究，研究國內不同季節、不同天氣條件下各類氣溶膠作為冰核的成冰能力，觀測冰核氣溶膠的濃度，分析各類冰核氣溶膠如何影響云的微物理特性和降水等過程。這些研究結果可揭示云中的冰核氣溶膠?云相互作用機制，并為冷云過程參數化提供實驗數據和理論基礎，以改進氣候模式和天氣預報模式中對冰核氣溶膠?云相互作用過程的描述。