華北部分地區(qū)云凝結(jié)核的觀測分析

封秋娟，李培仁，樊明月，侯團(tuán)結(jié)

(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(jì)南250031;3.中國科學(xué)院大氣物理研究所，北京100029)

0 引言

云凝結(jié)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(lián)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(huán)節(jié)，開展CCN的觀測對研究天氣氣候變化具有重要的現(xiàn)實(shí)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(jīng)有50多年的歷史。在污染云中CCN粒子增多，會出現(xiàn)降水不發(fā)生或延遲發(fā)生的現(xiàn)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(jié)核數(shù)濃度范圍是1～700 cm－3，平均數(shù)濃度為20 cm－3。在霧天、降水或降水后的晴天都會出現(xiàn)CCN的低值(DeFelice，1996)。利用觀測事實(shí)和模式結(jié)果分析得知，CCN數(shù)濃度的改變對全球水循環(huán)、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(guī)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(xué)厚度和微物理量聯(lián)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(jìn)作用，并提出了分別產(chǎn)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(qū)和城市主要集中在東北地區(qū)、華北地區(qū)、寧夏賀蘭山地區(qū)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(jìn)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(qū)開展了CCN的觀測，結(jié)果表明該地區(qū)夏季地面平均CCN數(shù)濃度為610 cm－3，最大數(shù)濃度達(dá)104cm－3，降水時或降水后云凝結(jié)核數(shù)濃度明顯減小，云凝結(jié)核數(shù)濃度與風(fēng)向、風(fēng)速、沙塵暴等氣象因子或天氣現(xiàn)象沒有明顯關(guān)系(樊曙先和安夏蘭，2000)。2006年利用DMT(Droplet Measurement Technologies)公司的云凝結(jié)核儀對河北空中和地面的云凝結(jié)核(CCN)進(jìn)行了觀測研究(石立新和段英，2007)。

華北地區(qū)氣候干燥，污染嚴(yán)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(xué)特性。隨著山西煤炭產(chǎn)業(yè)和城鄉(xiāng)建設(shè)的飛速發(fā)展，人類活動對環(huán)境的影響日益突出，山西是全國污染較為嚴(yán)重的省份之一，因此對云凝結(jié)核的觀測研究具有現(xiàn)實(shí)意義。鑒于云凝結(jié)核在降水形成中的作用及對我國華北地區(qū)氣候的影響，2008年9月—2009年7月在華北部分地區(qū)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(jié)核觀測使用的是美國DMT公司生產(chǎn)的連續(xù)氣流單過飽和度云凝結(jié)核計數(shù)器(DMT-CCN儀)，DMT-CCN儀是基于Greg Robert博士的海洋學(xué)理論而設(shè)計研制的。該儀器核心部分是一個高50 cm、內(nèi)徑2.3 cm的圓柱形連續(xù)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(nèi)壁維持一定量的水流以保持濕潤。由于從云室內(nèi)壁向云室內(nèi)部的水汽擴(kuò)散比熱擴(kuò)散快，環(huán)境氣溶膠從頂部垂直進(jìn)入儀器，當(dāng)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(qū)域最大過飽和度位置。環(huán)境空氣進(jìn)入儀器后被分為采樣氣流和鞘氣兩部分，經(jīng)過過濾和加濕，沒有氣溶膠粒子的鞘流環(huán)繞在采樣氣流周圍進(jìn)入云室，可以把采樣粒子限制在云室垂直中心線區(qū)域。采樣粒子在設(shè)定的過飽和度下活化增長，活化后的粒子進(jìn)入云室下的光學(xué)粒子計數(shù)器腔體(OPC)記錄尺度和數(shù)目，濾去樣本附近潮濕的空氣。

CCN儀器(表1)在飛機(jī)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(shù)和每秒數(shù)濃度。過飽和度S設(shè)置的范圍為0.1%～2.0%，過飽和度可以設(shè)置為單一的情況，進(jìn)行連續(xù)測量，也可以設(shè)置最多5個不同的情況進(jìn)行連續(xù)循環(huán)觀測。

表1 DMT-CCN儀主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main parameters for DMT-CCN Counter

云滴觀測使用的是美國DMT公司生產(chǎn)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(shù)分布并計算出云滴的總數(shù)濃度、云滴液態(tài)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(jìn)行了固定點(diǎn)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(huán)境空曠，北鄰富士康，東南主要是企事業(yè)單位，西面為居民生活區(qū)，觀測點(diǎn)附近人類生活污染和工業(yè)污染較嚴(yán)重。地面觀測采用S(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1%)循環(huán)測量的方式，每組觀測所用的時間約為25 min。

1.2.2 飛機(jī)觀測

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

2 太原地面CCN特征分析

2.1 CCN特征值統(tǒng)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(xù)觀測)的統(tǒng)計結(jié)果(表2)發(fā)現(xiàn)，在同一過飽和度下CCN數(shù)濃度差異很大。CCN數(shù)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(shù)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(shù)值進(jìn)行對比可知，均明顯高于2005年石家莊夏季地面CCN數(shù)濃度(石立新和段英，2007)，這可能與太原嚴(yán)重的污染狀況有關(guān)。

2.2 地面CCN的日變化

太原地面CCN數(shù)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?？梢?，CCN數(shù)濃度一天中出現(xiàn)兩次峰值，分別為09時和20時左右。結(jié)合氣象要素，圖1b給出了2008年11月19日S=0.4%下CCN數(shù)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(jié)穩(wěn)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(dá)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(yùn)動加強(qiáng)，近地面氣溶膠粒子向高空傳輸使地面CCN數(shù)濃度降低。傍晚后溫度降低，近地面大氣較穩(wěn)定，不利于氣溶膠粒子擴(kuò)散，同時也可能是人類活動的影響充當(dāng)了CCN的源，使夜間CCN數(shù)濃度上升。

表2 2008年9月—2009年4月太原地面CCN數(shù)濃度的統(tǒng)計結(jié)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(shù)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(shù)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(nèi)CCN數(shù)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(shù)濃度較同一時刻2月7日偏低，降雪快結(jié)束時，CCN數(shù)濃度略有上升。2月8日降雪過程中，CCN數(shù)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(jìn)行了擬合，其中S為過飽和度，N為過飽和度下的CCN數(shù)濃度。根據(jù)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(shù)?？梢钥闯觯貐^(qū)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?？梢钥闯?，太原由于污染物較多，k值較高而C值明顯高于其他地區(qū);銀川雖然也是北方省會城市，但是它屬于西部地區(qū)，城市規(guī)模小和工業(yè)相對較簡單等特點(diǎn)直接決定了銀川氣溶膠污染強(qiáng)度和種類可能不及太原地區(qū)，這進(jìn)一步導(dǎo)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(qū)受大陸氣團(tuán)影響，遠(yuǎn)離人群，屬清潔地區(qū)，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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)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(shù)濃度的垂直分布特征，圖4給出了兩次觀測的CCN、云滴數(shù)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(tǒng)趨于消散，低層淡積云，高層密卷云，云滴平均數(shù)濃度僅有0.64 cm－3，CCN的數(shù)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(qū)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(shù)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(shù)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(shù)濃度的極大值超過近地面極大值，有別于圖4a的觀測結(jié)果，根據(jù)高空風(fēng)向隨高度的變化，認(rèn)為云中高數(shù)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(tuán)的輸送。Li and Shao(2009)也認(rèn)為，長距離輸送的氣團(tuán)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(tuán)中有更多氣溶膠能夠轉(zhuǎn)化為CCN。高層云中上部CCN數(shù)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(jī)出云，云頂以上CCN數(shù)濃度較小，平均數(shù)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(nèi)外CCN的變化特征，以2009年5月9日在古交地區(qū)上空進(jìn)行水平穿越積狀云為例。由圖5可見，16:38之前飛機(jī)在云外飛行，云滴數(shù)濃度(CDP測得)平均值為1.39 cm－3，隨后入云，云滴數(shù)濃度顯著增加，云滴平均數(shù)濃度達(dá)到213.81 cm－3;CCN數(shù)濃度在入云后明顯減少，平均數(shù)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(dǎo)致云內(nèi)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(shù)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(nèi)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(jī)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?？梢?1)云外階段。圖6a中飛機(jī)在云外時CCN譜分布呈明顯的多峰結(jié)構(gòu)，譜型較寬，CCN數(shù)濃度較高;與此對應(yīng)，圖6b中云滴數(shù)密度最大值為0.37 cm－3·μm－1，且隨著直徑增大呈指數(shù)遞減，譜型較窄，云滴數(shù)濃度較小，譜分布不連續(xù)。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(shù)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(yīng)，圖6b中云滴譜呈單峰分布，譜分布連續(xù)，云滴數(shù)濃度和粒徑均變大，在10 μm處有數(shù)密度最大值40.49 cm－3·μm－1，譜寬增大。3)云的發(fā)展階段。在云的發(fā)展階段，圖6a中CCN數(shù)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(jìn)一步增長為云滴，導(dǎo)致數(shù)濃度減小，譜變窄。與CCN粒子發(fā)展不同，圖6b中云滴表現(xiàn)為數(shù)濃度和粒徑均變大，云滴譜型呈多峰分布，粒子數(shù)濃度變大，在10 μm處達(dá)到最大數(shù)密度37.7 cm－3·μm－1，較云外高兩個量級，大粒子段數(shù)濃度變大，云滴粒徑也得到增長。

4 結(jié)論

1)太原地面同一過飽和度下CCN數(shù)濃度差異很大。CCN數(shù)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(shù)濃度較高，這可能與太原嚴(yán)重的污染有關(guān)。

2)太原地面CCN具有明顯的日變化特征，一天中出現(xiàn)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(guān)系式N=CSK擬合得到的太原地面CCN活化譜參數(shù)，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(shù)濃度主要來源于地面，隨高度增加而減少。高空風(fēng)向有轉(zhuǎn)變時，長距離氣團(tuán)輸送提供CCN二次源。飛機(jī)水平穿云過程觀測顯示云內(nèi)CCN比云外明顯減少，表明云對CCN有消耗作用。

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