基于70 m3膨脹云室的暖云滴譜試驗研究

李睿劼 黃夢宇* 丁德平3) 田 平 畢 凱 楊 帥 姚展予

1)(北京市人工影響天氣中心, 北京 100089) 2)(中國氣象局華北云降水野外科學試驗基地, 北京 101200) 3)(云降水物理研究和云水資源開發(fā)北京市重點實驗室, 北京 100089) 4)(中國氣象局人工影響天氣中心, 北京 100081)

引 言

氣溶膠與云的相互作用是云微物理研究的難點和熱點問題,氣溶膠對云滴譜的影響尚缺乏定量化結(jié)果。液態(tài)水存在條件下,氣溶膠數(shù)濃度增加導致云滴數(shù)濃度增加和云滴尺度變小,但云滴總的表面積變大,反射更多的太陽短波輻射使地表降溫,進而影響地球輻射收支平衡,即為第一間接效應。云滴尺度減小延長云的生命期,從而影響降水,即為第二間接效應。

氣溶膠與云相互作用研究的關(guān)鍵是云滴譜的測量,飛機搭載測量儀器入云進行原位測量仍是目前最直接的測量方式。隨著我國機載探測能力的提高[1],對不同類型云的微物理特征的認識顯著提高,如混合相態(tài)云系特征[2-3],云中粒子相態(tài)識別[4]等?？筛鶕?jù)Mie散射理論利用云滴譜計算云滴反照率評估第一間接效應,但第二間接效應對降水的影響,如云滴向雨滴的自動轉(zhuǎn)化,云滴的碰并效率仍存在較大不確定性,有待進一步研究。20世紀50—60年代我國云霧物理開創(chuàng)者顧震潮先生在衡山開展云滴觀測發(fā)現(xiàn)云滴的雙峰現(xiàn)象,即存在大滴[5-8],提出云中湍流起伏促進云滴間重力碰并理論[9-10]。近年隨著技術(shù)發(fā)展,開展云滴譜擴寬、凝結(jié)增長過程、重力碰并、湍流碰并和云中帶電粒子作用等問題研究,但仍存在不確定問題。因此,開展云滴譜機理和機制的研究非常必要。

飛機觀測的過程水垂直分布[11]、不同地形云微物理結(jié)構(gòu)信息[12]為降水機制研究提供了支持[13]。此外,遙感方式(雷達或衛(wèi)星)也可獲取云滴微物理特征[14]。盡管外場觀測手段日益豐富,但云室試驗仍是云降水研究必不可少的手段[15-18]。由于自然云形成過程復雜、影響因素多且原位觀測缺乏時空連續(xù)性等,外場云滴譜觀測具有局限性,如研究云下氣溶膠活化為云滴的能力[19]時,無法連續(xù)觀察活化過程。云室是通過人工手段造云分析云降水微物理過程的機理機制、定量化分析人工影響手段對云微物理過程影響的試驗裝置。云室研究的初始和邊界條件可控[20-21],可針對單一因素對云微物理過程的影響進行定量化分析和研究[22-23]。云室試驗在氣溶膠吸濕增長和活化過程[24-26]、云滴凝結(jié)增長[27]、湍流對云滴譜影響[28]、冰核核化及其形成冰晶形狀[29-30]、二次冰晶[31]等方面開展了大量研究,在驗證云微物理理論的同時,也發(fā)現(xiàn)經(jīng)典理論的不足[32]。

表1為國際上成功運行的云室。按成云的方式和功能,云室大致分為膨脹云室、混合云室、擴散云室等,針對湍流及深對流研究,近年還發(fā)展出湍流混合云室和動力云室。

混合云室是向云室內(nèi)直接通入人工霧粒子制造云霧環(huán)境,該方法在控制過飽和度上有局限性[32]。對于擴散云室,無論是兩個壁型擴散云室還是圓柱型擴散云室,試驗之初在壁上掛霜或加濕(保證壁面是液相過飽和或冰相過飽和),通過調(diào)節(jié)兩個壁的溫度差實現(xiàn)云室內(nèi)溫度場和水汽場不匹配達到過飽和,如已被廣泛應用于外場試驗的美國DMT公司的云凝結(jié)核計數(shù)器和冰核計數(shù)器[39-41],但云凝結(jié)核計數(shù)器和冰核計數(shù)器測量對象是特定過飽和度下云凝結(jié)核和冰核的數(shù)濃度,無法得到云滴譜特征。

膨脹云室通過模擬氣團抬升絕熱膨脹過程制造云霧環(huán)境,是最能代表和反映實際成云過程的云室。最早的膨脹云室是1887年用于測量氣溶膠數(shù)濃度的愛根核計數(shù)器,通過氣筒抽氣降壓造成過飽和,使氣溶膠粒子活化為云滴沉降至玻璃片并用顯微鏡計數(shù)[42]。隨著測量系統(tǒng)[43]和溫度控制系統(tǒng)[44]的發(fā)展和升級,膨脹云室既可測量粒徑大于1 nm的氣溶膠數(shù)濃度,也可測量大氣冰核濃度。我國是開展云室試驗研究較早的國家之一,20世紀70—80年代中國氣象科學研究院建造了不同體積的一系列云室,針對人工影響天氣催化劑的核化性能開展研究,取得了豐富研究成果[20-25]。近年中國氣象科學研究院研制了1.3 m3的膨脹云室,并進行相關(guān)測試[45]。2018年北京市人工影響天氣中心建成北京氣溶膠與相互作用云室(Beijing Aerosol and Cloud Interaction Chamber,BACIC),同時搭建完整的氣溶膠、云滴譜及常規(guī)氣象要素測量系統(tǒng),利用華北地區(qū)環(huán)境氣溶膠開展暖云試驗,獲得不同氣溶膠數(shù)濃度對云滴譜影響的初步結(jié)果。

1 試驗裝置

1.1 膨脹云室裝置原理

大氣成云過程主要由空氣垂直上升運動形成,膨脹云室通過模擬氣團抬升過程壓力降低制造云霧環(huán)境。氣塊絕熱上升,溫度隨大氣壓力降低而遞減[46],壓力降低使氣團膨脹,水汽壓和飽和水汽壓均降低,水汽壓的降低與壓力成正比[46],飽和水汽壓取決于氣塊溫度[47]。膨脹過程中,水汽壓的變化較飽和水汽壓快,二者之差減小,氣塊相對濕度增加,當氣壓下降至720 hPa時,氣塊溫度等于露點溫度,達到飽和,形成云霧環(huán)境。

這里需要指出,膨脹云室模擬的絕熱膨脹過程與實際大氣絕熱膨脹過程不同,大氣絕熱膨脹為氣塊體積增大引起壓力降低所致,云室模擬的絕熱膨脹為體積不變?nèi)藶榻档蛪毫λ?二者均是氣塊壓力降低導致相對濕度增高。

1.2 BACIC性能指標

BACIC具備以下有利條件:①光纖測溫結(jié)果顯示距離云室壁超過0.5 m的空間受壁溫邊界效應的影響較小,該云室內(nèi)直徑為2.6 m,高度為14 m,可在較大試驗空間內(nèi)保持溫度均勻性;②對溫度和濕度條件的精細控制能力;③對氣溶膠種類、粒徑及數(shù)濃度的控制能力;④對氣溶膠和云微物理特征量的連續(xù)測量能力;⑤可重復試驗的能力。表2為BACIC基本性能指標。

表2 BACIC性能指標Table 2 Performance indices of BACIC

1.3 BACIC測量系統(tǒng)

1.3.1 溫度測量

溫度是云室試驗最重要的參數(shù)。膨脹過程中, 1 min內(nèi)溫度降低8～10℃,因此膨脹云室對溫度傳感器的響應時間要求很高,溫度測量必須同時考慮測量精度和響應速度。BACIC利用PT100鉑金電阻型傳感器保證云室的溫度精度為±1℃,同時搭配新型測溫儀器光纖傳感器測量1 s內(nèi)溫度變化。

1.3.2 濕度測量和過飽和度計算

水汽達到過飽和即能產(chǎn)生云滴,但目前沒有儀器能夠直接測量過飽和度。BACIC利用鏡面露點計測量總水汽壓,保證膨脹試驗開始前露點與云室內(nèi)溫度差一致。

1.3.3 云滴譜測量

BACIC云滴譜測量范圍為2～100 μm。小粒徑(2～50 μm)云滴譜測量采用美國DMT公司生產(chǎn)的FM-120型霧滴譜儀,大粒徑(20～100 μm)云滴譜測量采用德國Palas公司生產(chǎn)的Promo-2000型白光單顆粒光學粒子計數(shù)器,并進行針對性改造。測量儀器的布置很重要,云滴的測量位置設計在云室的正下方,儀器抽氣方向與重力方向一致,盡量避免因采樣導致的云滴重力沉降損失。

1.3.4 氣溶膠特性測量

云滴核化研究需要測量氣溶膠的粒徑分布、數(shù)濃度。經(jīng)改裝設計,BACIC可測量0.02～20 μm的氣溶膠譜分布。其中,小粒徑(0.02～0.7 μm)氣溶膠譜測量采用美國TSI公司生產(chǎn)的3938型掃描電遷移率粒徑譜儀(SMPS),大粒徑(0.5～20 μm)氣溶膠譜測量采用美國TSI公司生產(chǎn)的3321型空氣動力學粒徑譜儀(APS),氣溶膠(大于3 nm)數(shù)濃度測量采用美國TSI公司生產(chǎn)的3772型粒子計數(shù)器(CPC)測量。需要注意的是,氣溶膠譜測量需要在膨脹前完成,膨脹過程中SMPS和APS停止采集。CPC經(jīng)過流量改裝,可以在云室降壓過程中保持體積流量恒定,膨脹過程中可持續(xù)測量氣溶膠數(shù)濃度變化。

2 BACIC膨脹成云能力檢驗

圖1為BACIC內(nèi)部壓力和溫度下降過程中形成云時,測量得到的氣壓、溫度變化及云滴數(shù)濃度和云滴譜分布特征。由圖1氣壓和溫度隨時間的變化可見,BACIC膨脹成云試驗的壓力控制由環(huán)境氣壓起始,降至約700 hPa停止,對應云室內(nèi)溫度下降8～10℃。由圖1成云后云滴數(shù)濃度和云滴譜分布隨時間變化可見,成云全過程用時約為5 min。在初期階段(100～200 s),抽氣降壓造成過飽和度持續(xù)升高,云滴數(shù)濃度升高,表明氣溶膠持續(xù)活化,云滴尺寸通過凝結(jié)不斷增長。在穩(wěn)定階段(200～300 s),過飽和度開始減小,云滴數(shù)濃度和云滴粒徑保持不變。在后期階段(300 s以后),云滴開始蒸發(fā)。這是國內(nèi)首次開展定量化膨脹成云試驗,云滴譜測量成云演變效果證明BACIC具備與國外運行成熟云室相媲美的試驗能力。

圖1 BACIC暖云膨脹成云過程中氣壓和溫度(a)、云滴數(shù)濃度(b)及云滴譜(c)分布Fig.1 Pressure and temperature(a),cloud droplet number concentration(b),and cloud droplet spectrum(c) of expansion warm cloud in BACIC

續(xù)圖1

3 暖云滴譜試驗研究

2019—2021年BACIC已開展3類暖云試驗:一是BACIC膨脹驗證試驗,通過開展不同上升速度和氣溶膠數(shù)濃度對暖云滴譜影響的試驗,基于已有理論驗證BACIC膨脹試驗有效性;二是大氣背景試驗,通過引入華北地區(qū)背景氣溶膠,分析不同上升速度和環(huán)境氣溶膠數(shù)濃度對暖云滴譜、氣溶膠成云活化率的影響效果;三是吸濕性催化劑試驗,通過在清潔環(huán)境下引入不同種類吸濕性氣溶膠,模擬研究吸濕性催化劑對暖云滴譜的影響。

3.1 BACIC驗證試驗

在暖云形成過程中,氣溶膠數(shù)濃度和上升速度對形成的云滴譜均有影響。上升速度是過飽和度的源,氣溶膠消耗水汽是過飽和度的匯。理論上,相同水汽和氣溶膠條件下,上升速度越大,過飽和度越高,云滴數(shù)濃度越多;相同水汽和上升速度前提下,氣溶膠數(shù)濃度越高,云滴數(shù)濃度越高,但云滴粒徑越小。通過BACIC控制模擬上升速度和氣溶膠數(shù)濃度試驗,驗證云室試驗有效性。

3.1.1 上升速度對暖云滴譜特征的影響

BACIC降壓主要采用真空泵抽氣的方式,通過控制泵抽氣的流速和管路中閥門的開合度調(diào)節(jié)氣壓下降速率,按照華北地區(qū)的大氣氣壓梯度及其對應的海拔高度,將氣壓下降速率換算為模擬氣塊上升速度,實現(xiàn)模擬不同上升速度的試驗目的。BACIC可模擬的上升速度約為2～14 m·s-1,降壓速率和對應的模擬上升速度見表3。

表3 減壓速度和對應上升速度Table 3 Simulated rising speed corresponding to depressurization rates

圖2為4次上升速度不同但氣溶膠數(shù)濃度相同的膨脹成云試驗過程,4次試驗的水汽和氣溶膠條件保持一致,上升速度按照時間發(fā)展方向從左至右分別為14.3,9.13,6.28 m·s-1和2.09 m·s-1。由圖2可見,上升速度越小(即過飽和度小),可活化的氣溶膠越少(即云滴的數(shù)濃度小),云滴的粒徑也越小,液態(tài)水含量越小,該現(xiàn)象符合云物理經(jīng)典理論。

圖2 不同上升速度的暖云滴譜特征(①～④分別對應14.3,9.13,6.28,2.09 m·s-1的上升速度)Fig.2 Size distribution of warm cloud droplets for different rising speed(①-④ corresponding to rising speed of 14.3,9.13,6.28,2.09 m·s-1,respectively)

3.1.2 氣溶膠數(shù)濃度對暖云滴譜的影響

圖3是保持云室內(nèi)上升速度(14.3 m·s-1)和水汽條件(相對濕度為90%)不變,使云室內(nèi)初始氣溶膠數(shù)濃度分別為10000 cm-3和2500 cm-3用以模擬污染環(huán)境和清潔環(huán)境,對比暖云滴譜特征和液態(tài)水含量的變化。由圖3可見,在污染環(huán)境下,云滴數(shù)濃度約為2500 cm-3,云滴直徑約為8 μm;在清潔環(huán)境下,云滴數(shù)濃度為200～400 cm-3,云滴直徑約為15～25 μm。這表明氣溶膠數(shù)濃度越大,活化的云滴數(shù)濃度越高,但云滴粒徑越小,這符合第一間接效應[48]。同時,污染環(huán)境下云的液態(tài)水含量更低。這里需要指出,外場飛機和衛(wèi)星觀測已經(jīng)證實了第一間接效應,即人為污染可降低云滴尺寸,但液態(tài)水含量與人為污染的關(guān)系尚無定論[40-42]。

圖3 不同氣溶膠數(shù)濃度的暖云滴譜特征和液態(tài)水含量Fig.3 Size distribution of warm cloud droplets and liquid water content for different aerosol number concentration

3.2 大氣背景試驗初步結(jié)果統(tǒng)計

在華北地區(qū)大氣背景環(huán)境下,開展BACIC環(huán)境氣溶膠對暖云滴譜特征影響的試驗。將云室外空氣引入云室,開展固定上升速度的膨脹成云試驗,獲得60組有效數(shù)據(jù)。

圖4是固定上升速度的云滴數(shù)濃度與氣溶膠數(shù)濃度的關(guān)系。由圖4可見,氣溶膠數(shù)濃度與云滴數(shù)濃度為正相關(guān)關(guān)系,這與理論預期一致。但該關(guān)系并非現(xiàn)線性變化,云滴數(shù)濃度隨氣溶膠數(shù)濃度的變化可采用指數(shù)函數(shù)擬合,這與各組試驗背景氣溶膠的組分不同有關(guān),具體需要通過控制同類氣溶膠濃度進一步驗證。

圖4 云滴數(shù)濃度與氣溶膠數(shù)濃度的關(guān)系Fig.4 Relationship between cloud number concentration and aerosol number concentration

圖5是固定上升速度的氣溶膠成云活化率與氣溶膠數(shù)濃度的關(guān)系。由圖5可見,隨著氣溶膠數(shù)濃度升高,氣溶膠成云活化率降低,這是因為在同樣上升速度下過飽和度相同,過多的氣溶膠導致水汽競爭,造成成云活化率降低。在云室體積固定的前提下,氣溶膠數(shù)濃度可以代表數(shù)量。以霧滴譜測量的云滴譜數(shù)濃度代表活化氣溶膠數(shù)量,以CPC儀器測量的氣溶膠數(shù)濃度代表背景氣溶膠數(shù)量,兩者相除得到氣溶膠成云活化率。因此,氣溶膠成云活化率隨氣溶膠數(shù)濃度變化的敏感區(qū)位于氣溶膠數(shù)濃度小于5000 cm-3的區(qū)域。

圖5 氣溶膠成云活化率與氣溶膠數(shù)濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between activation ratio and aerosol number concentration

此外,BACIC還開展了上升速度對氣溶膠成云活化率影響試驗(圖6)。由圖6可見,當上升速度最大為14.3 m·s-1時,氣溶膠成云活化率約為42%,隨著上升速度減小,氣溶膠成云活化率降低;當上升速度最小為2.09 m·s-1時,氣溶膠成云活化率約為17%。因此,在氣溶膠濃度不變條件下,上升速度越大,氣溶膠成云活化率越高。

圖6 氣溶膠成云活化率與上升速度的關(guān)系Fig.6 Relationship between activation ratio and rising speed

3.3 吸濕性氣溶膠試驗

利用BACIC進行吸濕性氣溶膠對暖云滴譜分布影響的試驗,分別針對清潔和污染背景開展吸濕性催化劑研究。

試驗選取3種吸濕性氣溶膠,分別是硫酸銨、氯化鉀和草酸氣溶膠。通過氣溶膠發(fā)生器引入云室的吸濕性氣溶膠為亞微米級氣溶膠(粒徑峰值為150～300 nm)。按順序分別引入背景環(huán)境氣溶膠和數(shù)濃度為10000 cm-3的硫酸銨、氯化鉀和草酸氣溶膠,控制并保持相同的上升速度進行膨脹成云試驗,共獲得24組有效試驗數(shù)據(jù)。

圖7為不同背景環(huán)境吸濕性氣溶膠對暖云滴譜的影響。由圖7可見,在不同背景環(huán)境下引入吸濕性氣溶膠均會導致云滴譜變窄,這并不會因?qū)е麓笤频紊?、碰并過程加速并造成降水,從而加速降水過程。雖然3種氣溶膠的吸濕能力不同,但形成的云滴粒徑并無區(qū)別,這表明在對云滴粒徑的影響上,催化劑尺度的作用大于化學組分的作用[49]。

圖7 清潔和污染背景下不同吸濕性氣溶膠的暖云云滴譜Fig.7 Size distribution of warm cloud droplets under polluted and clean conditions

BACIC引入的是亞微米級吸濕性氣溶膠,人工影響外場消霧使用的是巨核吸濕劑,粒徑為幾十至幾百微米量級[50-54]?；谝陨辖Y(jié)果,外場消霧試驗應盡量使用大粒徑催化劑。

3.4 云霧環(huán)境維持時間的影響

在膨脹云室試驗中需要注意,膨脹過程中空氣溫度隨壓力增加而下降,但云室壁仍維持原有溫度。膨脹成云后,云室壁和空氣溫度差增大,形成的云會被加熱蒸發(fā),影響膨脹成云的持續(xù)性和代表性。一般情況下,云霧環(huán)境的維持時間為5～10 min。

圖8為BACIC兩個膨脹成云試驗的溫度變化。試驗1為氣壓降至200 hPa停止,試驗2為氣壓降至600 hPa停止。由圖8可見,氣壓下降的最初3 min,試驗1和試驗2的溫度下降速率符合絕熱曲線理論降溫速率(約4 K·min-1),但隨后空氣溫度因受壁溫加熱影響開始升高。試驗1更清楚地反映壁溫加熱的效果,即停止抽氣后,溫度明顯回升。因此,BACIC的云霧環(huán)境維持時間為5～10 min,所有試驗測量必須在該時間內(nèi)完成。

圖8 BACIC絕熱膨脹成云試驗的溫度變化Fig.8 Air temperature variation of adiabatic expansion experiment in BACIC

4 結(jié) 論

本文介紹BACIC的工作原理和試驗設計,通過與理論成云試驗對比,驗證其開展氣溶膠對云滴譜影響試驗的可行性。基于BACIC開展的環(huán)境氣溶膠試驗和吸濕性氣溶膠試驗,得到氣溶膠和上升速度對暖云滴譜分布的影響。主要結(jié)論如下:

1) BACIC可實現(xiàn)對溫度、濕度、壓力和氣溶膠數(shù)濃度等要素的控制和測量,云室內(nèi)空氣溫度控制范圍為環(huán)境溫度至-45℃以下,壓力控制范圍為環(huán)境常壓至1 hPa,具備測量粒徑為2～100 μm云滴譜分布的能力,滿足開展云霧物理室內(nèi)試驗的技術(shù)要求。

2) BACIC模擬氣塊絕熱上升膨脹過程,當云室內(nèi)溫度低于露點溫度形成云霧;云霧環(huán)境的維持時間為5～10 min,與國外運行成熟云室的云霧環(huán)境維持時間指標接近。控制變量試驗得到氣溶膠數(shù)濃度、上升速度與云滴譜分布和液態(tài)水含量等物理量的變化趨勢,與云降水物理的基本原理和數(shù)值模擬結(jié)果一致,證明BACIC模擬膨脹成云試驗的技術(shù)方法合理可行。

3) BACIC在華北地區(qū)環(huán)境氣溶膠背景下開展膨脹成云試驗研究,得到上升速度、背景氣溶膠數(shù)濃度與云滴數(shù)濃度的定量化關(guān)系:上升速度增大,氣溶膠成云活化率增加,云滴粒徑增大;氣溶膠數(shù)濃度增大,云滴數(shù)濃度增大且可采用指數(shù)函數(shù)擬合;氣溶膠數(shù)濃度增大,導致氣溶膠成云活化率降低,氣溶膠成云活化率隨氣溶膠數(shù)濃度變化的敏感區(qū)位于氣溶膠數(shù)濃度小于5000 cm-3的區(qū)域。

4) 無論是清潔環(huán)境還是污染環(huán)境,亞微米吸濕性氣溶膠導致云滴譜變窄,外場消霧不僅要關(guān)注催化劑的吸濕特性,更應考慮吸濕性催化劑的粒徑對云滴譜的影響。