干旱區(qū)云凝結(jié)核分布及其影響因子的觀測(cè)研究

岳巖裕,牛生杰*,桑建人,呂晶晶(.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 0044；.寧夏氣象科學(xué)研究所,寧夏 銀川 75000)

干旱區(qū)云凝結(jié)核分布及其影響因子的觀測(cè)研究

岳巖裕1,牛生杰1*,桑建人2,呂晶晶1(1.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044；2.寧夏氣象科學(xué)研究所,寧夏 銀川 750002)

利用DMT CCN儀對(duì)寧夏鹽池、銀川地區(qū)地面及高空的云凝結(jié)核(CCN)進(jìn)行實(shí)時(shí)連續(xù)觀測(cè).大量資料分析結(jié)果表明, CCN日變化明顯,受人為因素影響,清晨和傍晚出現(xiàn)高值.夜晚溫度與CCN濃度呈正相關(guān),白天相反;強(qiáng)降水對(duì)CCN具有一定沖刷作用;沙塵氣溶膠沒(méi)有有效增加鹽池地區(qū)的CCN濃度.與華北地區(qū)比較,銀川、鹽池地區(qū)CCN濃度偏低.此外,研究表明,過(guò)飽和度越高,活化CCN濃度越大.根據(jù)N=CSK擬合活化譜,銀川屬于典型大陸性核譜.由于云內(nèi)清除作用,高空CCN濃度下降明顯,但逆溫層的存在使得該區(qū)CCN濃度累積增加.

干旱區(qū)；云凝結(jié)核；氣象要素；高空觀測(cè)

Abstract：Using a droplet measurement technologies (DMT) cloud condensation nuclei (CCN) counter, distributions of CCN on the ground and in the air in Yanchi and Yinchuan of Ningxia Hui Autonomous Region were obtained. It was concluded that CCN had a distinctive diurnal cycle. The high concentration appears in the early morning and evening, affected by human activities. There was a positive correlation of CCN concentration with temperature during the day, and a negative correlation at the night. Heavy rainfall had a scavenging effect on CCN concentration, while dust aerosol did not increase CCN concentration effectively. With respect to other regions in North China, the CCN concentration in Yanchi was relatively low. With increasing supersaturation, more particles were activated. According to the expression N = CSk, the fitted spectra parameters in Yinchuan showed continental characteristic. In the air, CCN concentration decreased with height, especially in the cloud, which was due to scavenging while an inversion layer tended to increase CCN concentration.

Key words：drought region；cloud condensation nuclei；meteorological condition；upper-air observation

云凝結(jié)核(CCN)是大氣氣溶膠的一部分,在大氣凝結(jié)過(guò)程中起重要的作用,參與暖云的微物理過(guò)程,決定了云滴的濃度和初始大小的分布[1],影響降水的形成效率,而降水對(duì)清除大氣中的污染物具有重要的作用.因此,云凝結(jié)核是環(huán)境科學(xué)研究的一個(gè)重要的組成部分.

目前在國(guó)外的觀測(cè)試驗(yàn)[2-4]和數(shù)值模擬[5]中研究了CCN濃度變化特點(diǎn)及其對(duì)降水延遲和層積云光學(xué)特性的影響,發(fā)現(xiàn)光化學(xué)二次有機(jī)污染物可作為CCN的主要粒子.20世紀(jì)80年代我國(guó)開始研究沿海[6]、清潔大陸[7-8]、污染城市[9-10]等不同地區(qū)CCN的變化規(guī)律,對(duì)CCN濃度的日變化趨勢(shì)、影響因素、核譜類型等進(jìn)行了分析.這些研究基本為地面觀測(cè)且較少涉及干旱地區(qū),由于懸浮沙塵氣溶膠[11]作為凝結(jié)核,爭(zhēng)食水汽減少云滴有效半徑而無(wú)法達(dá)到降水閾值,因而綜合觀測(cè)研究我國(guó)干旱區(qū)CCN對(duì)于探討干旱沙塵源區(qū)及下游的降水情況有重要意義.

本研究利用2007年7～8月在寧夏地區(qū)取得的地面及高空對(duì)比觀測(cè)資料分析CCN演變與自然因素(即氣象要素)和人為因素之間的關(guān)系.同時(shí)將華北和寧夏地區(qū)的CCN進(jìn)行了對(duì)比,分析城市污染物、沙塵氣溶膠對(duì)CCN濃度增減的響應(yīng)機(jī)制.

1 觀測(cè)儀器與觀測(cè)地點(diǎn)

1.1觀測(cè)儀器

觀測(cè)中使用的是DMT公司生產(chǎn)的連續(xù)流單過(guò)飽和度云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器.儀器的核心部分是圓柱形的連續(xù)氣流縱向熱梯度云室,云室有上、中、下3部分,云室溫度上低下高,形成溫度梯度.從云室內(nèi)壁向內(nèi)部空氣熱量的擴(kuò)散比水蒸氣的擴(kuò)散慢,環(huán)境氣溶膠從頂部進(jìn)入儀器,穿過(guò)圓柱狀部分時(shí)水蒸氣氣流逐漸變得過(guò)飽和,樣本氣溶膠處于中心線區(qū)域最大過(guò)飽和度位置,采樣粒子在設(shè)定的過(guò)飽和度下活化增長(zhǎng),活化后的粒子進(jìn)入云室下的光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器腔體記錄尺度和數(shù)目,濾去樣本附近潮濕的空氣.過(guò)飽和度(ss%)可在0.1～2%之間任意設(shè)置,總抽氣流量為500cc/min,其中采樣流量約為45cc/min,采樣頻率為1HZ,OPC將粒子尺度從0.75到10μm分為20個(gè)檔.

高空觀測(cè)利用機(jī)載DMT CCN儀和PMS測(cè)量系統(tǒng)對(duì)云凝結(jié)核、氣溶膠、云滴等進(jìn)行探測(cè),PMS由PCASP、FSSPER-100、2D-C、2D-P等探頭組成,其中FSSPER-100探頭為前向散射滴譜測(cè)量?jī)x,用于云滴的濃度和尺度、液水含量等的觀測(cè).

1.2觀測(cè)地點(diǎn)

觀測(cè)地點(diǎn)是寧夏銀川和鹽池,鹽池地區(qū)(37.8°N, 107.4°E),海拔高度1349.3m.西部與銀川市接壤,北部為毛烏素沙地.

銀川采取ss(過(guò)飽和度)循環(huán)測(cè)量的方式進(jìn)行,ss分別設(shè)定為0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1.0%,采樣時(shí)間為2007年7月31日至8月2日;鹽池采樣采取0.3%的過(guò)飽和度進(jìn)行連續(xù)觀測(cè).采樣時(shí)間為2007年8月8～13日.飛機(jī)探測(cè)時(shí)設(shè)定的過(guò)飽和度為0.3%,觀測(cè)方式采取地面與高空同時(shí)進(jìn)行.

2 結(jié)果分析

2.1鹽池地區(qū)地面觀測(cè)的雨日與晴日CCN濃度日變化

圖1 鹽池地區(qū)CCN濃度與氣象要素的逐日變化Fig.1 Daily variation of CCN concentration and meteorological parameter over Yanchi

鹽池地區(qū)位于毛烏素沙地的南面,沙塵常從源區(qū)由北向南傳輸,因此受沙地影響比較大,尤其在春秋沙塵暴發(fā)生頻率多的季節(jié).觀測(cè)期間為夏季,沙塵活動(dòng)比較弱.同時(shí),觀測(cè)地點(diǎn)靠近加油站和公路,人類活動(dòng)產(chǎn)生的氣溶膠對(duì)CCN有較大的影響.由于觀測(cè)時(shí)間為8月9～12日,其中9日有一場(chǎng)降水過(guò)程,10～12日天氣晴間多云.因此,將CCN濃度日變化分為雨日和晴日兩個(gè)不同類型進(jìn)行分析.

由圖1可見(jiàn), 2007年8月9日下午降雨量約10mm/h. 6:00開始CCN濃度上升,8:00高峰期后下降,此后一直處于低值.可見(jiàn)降水沖刷作用明顯,使得降水發(fā)生后CCN濃度一直很低.10～12日變化規(guī)律基本相同,即在早晚出現(xiàn)升高,午后濃度下降.在夜間基本上濃度值均不高.由于9日的降水影響,10日CCN值與11、12日相比較偏低1000個(gè)/cm3左右.10日上午CCN濃度在清晨升高后維持了一段時(shí)間才下降.11日傍晚CCN濃度上升非常明顯.鹽池地區(qū)夜間的CCN濃度并不是很高這與黃河上游地區(qū)[7]的觀測(cè)不同,說(shuō)明該地夜間的逆溫不明顯,可能是由于人類活動(dòng)減少后導(dǎo)致CCN 的源減少造成的. CCN清晨濃度升高與人類活動(dòng)頻繁有很大的關(guān)系,車輛的增加和燃燒導(dǎo)致CCN濃度增加.汽車排放和光化學(xué)現(xiàn)象導(dǎo)致上午的CCN濃度上升.凝結(jié)核[12]25%來(lái)源于次生源,通過(guò)大氣光化學(xué)作用和其他化學(xué)過(guò)程促使大氣中的氣體成分轉(zhuǎn)化成小的質(zhì)粒.由于午后日照地面增溫,湍流交換加強(qiáng),CCN向高空的輸送也加強(qiáng),不易在低層積聚,CCN濃度減少,但是下降出現(xiàn)的時(shí)間有所不同.傍晚又出現(xiàn)濃度高值,主要原因是傍晚太陽(yáng)輻射減弱,人類活動(dòng)的影響作用明顯,導(dǎo)致CCN濃度上升.

2.2CCN濃度與氣象要素的關(guān)系

由圖1(a)可見(jiàn),降水對(duì)CCN有沖刷作用,該作用使得賀蘭山地區(qū)降水后的云凝結(jié)核比降水前減少了一半[8].圖1(b)可見(jiàn),溫度與CCN的關(guān)系基本上在夜間呈正相關(guān),白天時(shí)呈負(fù)相關(guān).太陽(yáng)輻射強(qiáng)時(shí)溫度較高,湍流加強(qiáng)也會(huì)導(dǎo)致CCN減少.夜間輻射降溫不顯著,沒(méi)有明顯逆溫層,CCN源少而使得濃度降低.相對(duì)濕度與CCN的關(guān)系與溫度與CCN的關(guān)系相反.空氣中相對(duì)濕度受太陽(yáng)輻射、溫度影響,與溫度呈負(fù)相關(guān).理論上大氣氣溶膠中可溶性鹽,如硫酸鹽、硝酸鹽和氯化鈉等吸濕性核,可在不飽和條件下(相對(duì)濕度30%～88%)吸濕潮解.由于CCN粒子是在儀器設(shè)定的過(guò)飽和度下測(cè)量的,環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)其影響程度存在不確定性,相對(duì)濕度與CCN 關(guān)系受到溫度的影響,相對(duì)濕度高有利于活化但對(duì)于CCN數(shù)量的增加作用可能不明顯.風(fēng)速與CCN濃度呈負(fù)相關(guān),風(fēng)速越大,污染物輸送距離加大,混入的空氣增加,污染物濃度降低,CCN濃度減少.

由圖1c～圖1f可見(jiàn),2007年8月9～12日主要風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng),10日東北風(fēng)的頻率要比11、12日大,而西北風(fēng)偏小些.10日的CCN濃度并不高,表明東北風(fēng)會(huì)帶來(lái)沙地的沙塵,但是北部毛烏素沙地夏天沙塵天氣不多,沙塵氣溶膠活化成為有效的CCN需要考慮到表面的可溶性各種化學(xué)性質(zhì)和氣溶膠顆粒的大小.在短距離輸送過(guò)程中其化學(xué)成分改變不多,沙塵中大量的不可溶成分并不能直接通過(guò)活化來(lái)充當(dāng)CCN,因此對(duì)于增加CCN的濃度作用不明顯.而西北風(fēng)不僅帶來(lái)部分沙塵氣溶膠,同時(shí)帶來(lái)鹽池西北部銀川等城市的污染粒子,有利于CCN濃度的增加.

2.3不同地區(qū)CCN濃度日變化

圖2 不同地區(qū)CCN濃度日變化Fig.2 Diurnal variations of CCN in different regions

由圖2可以看出,寧夏銀川地區(qū)與華北石家莊[10]地區(qū)的CCN濃度日變化趨勢(shì)基本相同,但最大值相差近一倍.外場(chǎng)觀測(cè)表明,大部分的CCN是自然或人為產(chǎn)生的硫酸鹽氣溶膠.在大陸,尤其是工業(yè)區(qū),大氣中的硫酸鹽主要是SO2的工業(yè)排放造成的.S在氣溶膠中是富集的,其富集系數(shù)和含量,晴天時(shí)高達(dá)50%和5.16%;強(qiáng)沙塵天氣降到8%和0.17%[13].可見(jiàn)沙塵氣溶膠并不有利于S的富集,不能提高CCN的濃度.S除了局地污染源外主要來(lái)自遠(yuǎn)距離污染源,并在大氣輸送過(guò)程中完成由氣體到顆粒物的轉(zhuǎn)化.鹽池工業(yè)不如銀川、石家莊發(fā)達(dá),局地污染少,遠(yuǎn)距離輸送形成CCN效率低,所以CCN濃度最低.

2.4不同過(guò)飽和度下CCN濃度變化

由圖3可見(jiàn),不同的過(guò)飽和度下,CCN的濃度不同;過(guò)飽和度越大,經(jīng)過(guò)云室活化后的CCN濃度也越高,CCN上升或下降的幅度也越大.雖然濃度值不同但是整體變化趨勢(shì)是相同的.相同時(shí)間,過(guò)飽和度越低,兩個(gè)不同過(guò)飽和度之間CCN濃度值相差越大.說(shuō)明在低的過(guò)飽和度下,隨過(guò)飽和度的增加,會(huì)使得更多的小粒子CCN活化.當(dāng)過(guò)飽和度增加到一定程度后,增加活化數(shù)目作用不明顯.由圖可見(jiàn)過(guò)飽和度0.8%和1.0%下CCN濃度幾乎相同.

圖3 銀川7月31日不同過(guò)飽和度下CCN日變化Fig.3 Diurnal variation of CCN under various supersaturation over Yinchuan on July 31

2.5活化譜對(duì)比

根據(jù)公式N=CSk進(jìn)行擬合,其中S是過(guò)飽和度.Hobbs等[14]根據(jù)C、k值把核譜分為大陸型(C≥2200cm-3,k＜1)、過(guò)渡型(1000cm-3＜C＜2200cm-3, k＞1)、海洋型(C＜1000cm-3,k＜1).由圖4可見(jiàn),石家莊[10]地區(qū)屬于重工業(yè)城市,C、k值都很高,為15129、0.73;銀川的C、k值分別為7352、0.72,低于石家莊,但仍偏大,兩地均屬于典型的大陸性核譜.鹽池C值不大但k值大,為1605、0.83,受大陸性氣團(tuán)控制,但是工業(yè)生活污染源較少,屬于清潔大陸性核譜.

圖4 不同地區(qū)活化譜Fig.4 CCN activation spectra in different regions

2.6近20年地面CCN濃度觀測(cè)

由表1可見(jiàn),20世紀(jì)90年代之前的CCN觀測(cè)使用的是Mee-130云凝結(jié)核計(jì)數(shù)儀,設(shè)定的過(guò)飽和度為0.5%.近幾年觀測(cè)儀器為DMT CCN儀,且觀測(cè)過(guò)飽和度設(shè)定范圍增加.相同過(guò)飽和下比較發(fā)現(xiàn),鄭州、石家莊、銀川等工業(yè)城市的CCN濃度平均值、最大值、最小值比其他沿海區(qū)、山區(qū)、干旱地區(qū)及清潔地區(qū)城市的濃度要高很多.河南縣、瑪曲等地的CCN濃度值很低與沿海青島地區(qū)相近,多屬海洋性核譜.銀川東郊在有揚(yáng)沙發(fā)生的天氣條件下CCN濃度值并不是很高,由此分析工業(yè)生產(chǎn)、城市生活等所產(chǎn)生的污染物與沙塵氣溶膠相比,產(chǎn)生的可溶性顆粒物濃度更易充當(dāng)CCN,造成CCN濃度的上升.

2.7高空CCN變化

利用機(jī)載DMT CCN儀和PMS測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的CCN濃度、溫度和液態(tài)含水量隨高度的變化繪于圖5.由圖5可見(jiàn),云底高度在海拔4300m左右,云頂在海拔6000m左右云頂比較高.在海拔1000m左右CCN濃度最大,達(dá)到3500個(gè)/cm3,且在該層濃度水平變化最大.1000～2000mCCN濃度隨高度下降.2000～2500,3500,4200m 高度內(nèi)CCN濃度隨高度增加.4300m以上CCN濃度很低,主要是由于云中對(duì)CCN的清除作用,以及高空CCN源減少的原因.

表1 不同地區(qū)CCN觀測(cè)情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Summary of CCN observations on in different regions

圖5 鹽池CCN、溫度、液態(tài)含水量垂直分布Fig.5 Vertical distributions of CCN, temperature and liquid water content over Yanchi

溫度隨高度的上升而下降,溫度對(duì)CCN濃度的影響主要體現(xiàn)在逆溫層上,逆溫層的存在阻擋了由地面湍流運(yùn)動(dòng)上升所帶來(lái)的CCN向上輸送,造成CCN在逆溫層下的累積,CCN濃度略有增加.圖中1500m高度上的逆溫層比較明顯,對(duì)應(yīng)的CCN濃度明顯增多.2000～2500m等3處CCN濃度增加的位置溫度都存在著小幅度的波動(dòng),可能是影響因子之一.

云中液態(tài)含水量在3000m以下很低,3000～4500m略有增加,在4500m以上增加明顯,最大值接近0.1g/m3.此高度對(duì)應(yīng)的CCN濃度非常低,液水含量的高值通常與云滴濃度的高值對(duì)應(yīng),產(chǎn)生高濃度的云滴需消耗大量的CCN.

3 結(jié)論

3.1鹽池CCN濃度白天基本與溫度呈負(fù)相關(guān)、夜間正相關(guān).CCN在儀器設(shè)定的相對(duì)濕度下觀測(cè),環(huán)境相對(duì)濕度對(duì)CCN濃度的影響存在不確定性.低風(fēng)速時(shí)CCN濃度局地積累明顯.東北風(fēng)帶來(lái)的沙塵氣溶膠中傳輸距離短,不可溶性核居多,對(duì)CCN 濃度增加貢獻(xiàn)不明顯.

3.2隨過(guò)飽和度的增加,經(jīng)過(guò)云室活化后的CCN濃度增加.過(guò)飽和度越高CCN變化幅度越大,且兩個(gè)不同過(guò)飽和度之間CCN濃度值越接近.

3.3華北工業(yè)城市CCN濃度明顯高于其他內(nèi)陸、沿海、清潔地區(qū),沿海和內(nèi)陸清潔地區(qū)CCN濃度值相近.核譜分析表明銀川屬于典型大陸性核譜,鹽池屬于清潔大陸性核譜.

3.4鹽池地區(qū)CCN濃度隨高度的上升而下降.云內(nèi)消耗CCN生成云滴會(huì)導(dǎo)致濃度迅速下降.溫度出現(xiàn)逆溫時(shí)CCN會(huì)出現(xiàn)累積濃度增加.液態(tài)含水量與CCN濃度的關(guān)系呈負(fù)相關(guān).

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Observational study on the distribution of cloud condensation nuclei and its causes in drought region.

YUE Yan-yu1,NIU Sheng-jie1*, SANG Jian-ren2, Lü Jing-jing1(1.Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education, School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China；2.Ningxia Academy of Meteorological Science, Yinchuan 750002, China). China Environmental Science, 2010,30(5)：593～598

X16

A

1000-6923(2010)05-0593-06

岳巖裕(1985-),女,山東威海人,南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院碩士研究生,主要從事云降水物理學(xué)研究.發(fā)表論文1篇.

2009-09-28

國(guó)家“973”項(xiàng)目(2006CB403706);氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(KLME05006)

* 責(zé)任作者, 教授, niusj@nuist.edu.cn