干旱区云凝结核分布及其影响因子的观测研究

岳岩裕,牛生杰*,桑建人,吕晶晶(.南京信息工程大学大气物理学院,气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏 南京 0044；.宁夏气象科学研究所,宁夏 银川 75000)

干旱区云凝结核分布及其影响因子的观测研究

岳岩裕1,牛生杰1*,桑建人2,吕晶晶1(1.南京信息工程大学大气物理学院,气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏 南京 210044；2.宁夏气象科学研究所,宁夏 银川 750002)

利用DMT CCN仪对宁夏盐池、银川地区地面及高空的云凝结核(CCN)进行实时连续观测.大量资料分析结果表明, CCN日变化明显,受人为因素影响,清晨和傍晚出现高值.夜晚温度与CCN浓度呈正相关,白天相反;强降水对CCN具有一定冲刷作用;沙尘气溶胶没有有效增加盐池地区的CCN浓度.与华北地区比较,银川、盐池地区CCN浓度偏低.此外,研究表明,过饱和度越高,活化CCN浓度越大.根据N=CSK拟合活化谱,银川属于典型大陆性核谱.由于云内清除作用,高空CCN浓度下降明显,但逆温层的存在使得该区CCN浓度累积增加.

干旱区；云凝结核；气象要素；高空观测

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

云凝结核(CCN)是大气气溶胶的一部分,在大气凝结过程中起重要的作用,参与暖云的微物理过程,决定了云滴的浓度和初始大小的分布[1],影响降水的形成效率,而降水对清除大气中的污染物具有重要的作用.因此,云凝结核是环境科学研究的一个重要的组成部分.

目前在国外的观测试验[2-4]和数值模拟[5]中研究了CCN浓度变化特点及其对降水延迟和层积云光学特性的影响,发现光化学二次有机污染物可作为CCN的主要粒子.20世纪80年代我国开始研究沿海[6]、清洁大陆[7-8]、污染城市[9-10]等不同地区CCN的变化规律,对CCN浓度的日变化趋势、影响因素、核谱类型等进行了分析.这些研究基本为地面观测且较少涉及干旱地区,由于悬浮沙尘气溶胶[11]作为凝结核,争食水汽减少云滴有效半径而无法达到降水阈值,因而综合观测研究我国干旱区CCN对于探讨干旱沙尘源区及下游的降水情况有重要意义.

本研究利用2007年7～8月在宁夏地区取得的地面及高空对比观测资料分析CCN演变与自然因素(即气象要素)和人为因素之间的关系.同时将华北和宁夏地区的CCN进行了对比,分析城市污染物、沙尘气溶胶对CCN浓度增减的响应机制.

1 观测仪器与观测地点

1.1观测仪器

观测中使用的是DMT公司生产的连续流单过饱和度云凝结核计数器.仪器的核心部分是圆柱形的连续气流纵向热梯度云室,云室有上、中、下3部分,云室温度上低下高,形成温度梯度.从云室内壁向内部空气热量的扩散比水蒸气的扩散慢,环境气溶胶从顶部进入仪器,穿过圆柱状部分时水蒸气气流逐渐变得过饱和,样本气溶胶处于中心线区域最大过饱和度位置,采样粒子在设定的过饱和度下活化增长,活化后的粒子进入云室下的光学粒子计数器腔体记录尺度和数目,滤去样本附近潮湿的空气.过饱和度(ss%)可在0.1～2%之间任意设置,总抽气流量为500cc/min,其中采样流量约为45cc/min,采样频率为1HZ,OPC将粒子尺度从0.75到10µm分为20个档.

高空观测利用机载DMT CCN仪和PMS测量系统对云凝结核、气溶胶、云滴等进行探测,PMS由PCASP、FSSPER-100、2D-C、2D-P等探头组成,其中FSSPER-100探头为前向散射滴谱测量仪,用于云滴的浓度和尺度、液水含量等的观测.

1.2观测地点

观测地点是宁夏银川和盐池,盐池地区(37.8°N, 107.4°E),海拔高度1349.3m.西部与银川市接壤,北部为毛乌素沙地.

银川采取ss(过饱和度)循环测量的方式进行,ss分别设定为0.1%、0.3%、0.5%、0.8%、1.0%,采样时间为2007年7月31日至8月2日;盐池采样采取0.3%的过饱和度进行连续观测.采样时间为2007年8月8～13日.飞机探测时设定的过饱和度为0.3%,观测方式采取地面与高空同时进行.

2 结果分析

2.1盐池地区地面观测的雨日与晴日CCN浓度日变化

图1 盐池地区CCN浓度与气象要素的逐日变化Fig.1 Daily variation of CCN concentration and meteorological parameter over Yanchi

盐池地区位于毛乌素沙地的南面,沙尘常从源区由北向南传输,因此受沙地影响比较大,尤其在春秋沙尘暴发生频率多的季节.观测期间为夏季,沙尘活动比较弱.同时,观测地点靠近加油站和公路,人类活动产生的气溶胶对CCN有较大的影响.由于观测时间为8月9～12日,其中9日有一场降水过程,10～12日天气晴间多云.因此,将CCN浓度日变化分为雨日和晴日两个不同类型进行分析.

由图1可见, 2007年8月9日下午降雨量约10mm/h. 6:00开始CCN浓度上升,8:00高峰期后下降,此后一直处于低值.可见降水冲刷作用明显,使得降水发生后CCN浓度一直很低.10～12日变化规律基本相同,即在早晚出现升高,午后浓度下降.在夜间基本上浓度值均不高.由于9日的降水影响,10日CCN值与11、12日相比较偏低1000个/cm3左右.10日上午CCN浓度在清晨升高后维持了一段时间才下降.11日傍晚CCN浓度上升非常明显.盐池地区夜间的CCN浓度并不是很高这与黄河上游地区[7]的观测不同,说明该地夜间的逆温不明显,可能是由于人类活动减少后导致CCN 的源减少造成的. CCN清晨浓度升高与人类活动频繁有很大的关系,车辆的增加和燃烧导致CCN浓度增加.汽车排放和光化学现象导致上午的CCN浓度上升.凝结核[12]25%来源于次生源,通过大气光化学作用和其他化学过程促使大气中的气体成分转化成小的质粒.由于午后日照地面增温,湍流交换加强,CCN向高空的输送也加强,不易在低层积聚,CCN浓度减少,但是下降出现的时间有所不同.傍晚又出现浓度高值,主要原因是傍晚太阳辐射减弱,人类活动的影响作用明显,导致CCN浓度上升.

2.2CCN浓度与气象要素的关系

由图1(a)可见,降水对CCN有冲刷作用,该作用使得贺兰山地区降水后的云凝结核比降水前减少了一半[8].图1(b)可见,温度与CCN的关系基本上在夜间呈正相关,白天时呈负相关.太阳辐射强时温度较高,湍流加强也会导致CCN减少.夜间辐射降温不显著,没有明显逆温层,CCN源少而使得浓度降低.相对湿度与CCN的关系与温度与CCN的关系相反.空气中相对湿度受太阳辐射、温度影响,与温度呈负相关.理论上大气气溶胶中可溶性盐,如硫酸盐、硝酸盐和氯化钠等吸湿性核,可在不饱和条件下(相对湿度30%～88%)吸湿潮解.由于CCN粒子是在仪器设定的过饱和度下测量的,环境相对湿度对其影响程度存在不确定性,相对湿度与CCN 关系受到温度的影响,相对湿度高有利于活化但对于CCN数量的增加作用可能不明显.风速与CCN浓度呈负相关,风速越大,污染物输送距离加大,混入的空气增加,污染物浓度降低,CCN浓度减少.

由图1c～图1f可见,2007年8月9～12日主要风向为东北风,10日东北风的频率要比11、12日大,而西北风偏小些.10日的CCN浓度并不高,表明东北风会带来沙地的沙尘,但是北部毛乌素沙地夏天沙尘天气不多,沙尘气溶胶活化成为有效的CCN需要考虑到表面的可溶性各种化学性质和气溶胶颗粒的大小.在短距离输送过程中其化学成分改变不多,沙尘中大量的不可溶成分并不能直接通过活化来充当CCN,因此对于增加CCN的浓度作用不明显.而西北风不仅带来部分沙尘气溶胶,同时带来盐池西北部银川等城市的污染粒子,有利于CCN浓度的增加.

2.3不同地区CCN浓度日变化

图2 不同地区CCN浓度日变化Fig.2 Diurnal variations of CCN in different regions

由图2可以看出,宁夏银川地区与华北石家庄[10]地区的CCN浓度日变化趋势基本相同,但最大值相差近一倍.外场观测表明,大部分的CCN是自然或人为产生的硫酸盐气溶胶.在大陆,尤其是工业区,大气中的硫酸盐主要是SO2的工业排放造成的.S在气溶胶中是富集的,其富集系数和含量,晴天时高达50%和5.16%;强沙尘天气降到8%和0.17%[13].可见沙尘气溶胶并不有利于S的富集,不能提高CCN的浓度.S除了局地污染源外主要来自远距离污染源,并在大气输送过程中完成由气体到颗粒物的转化.盐池工业不如银川、石家庄发达,局地污染少,远距离输送形成CCN效率低,所以CCN浓度最低.

2.4不同过饱和度下CCN浓度变化

由图3可见,不同的过饱和度下,CCN的浓度不同;过饱和度越大,经过云室活化后的CCN浓度也越高,CCN上升或下降的幅度也越大.虽然浓度值不同但是整体变化趋势是相同的.相同时间,过饱和度越低,两个不同过饱和度之间CCN浓度值相差越大.说明在低的过饱和度下,随过饱和度的增加,会使得更多的小粒子CCN活化.当过饱和度增加到一定程度后,增加活化数目作用不明显.由图可见过饱和度0.8%和1.0%下CCN浓度几乎相同.

图3 银川7月31日不同过饱和度下CCN日变化Fig.3 Diurnal variation of CCN under various supersaturation over Yinchuan on July 31

2.5活化谱对比

根据公式N=CSk进行拟合,其中S是过饱和度.Hobbs等[14]根据C、k值把核谱分为大陆型(C≥2200cm-3,k＜1)、过渡型(1000cm-3＜C＜2200cm-3, k＞1)、海洋型(C＜1000cm-3,k＜1).由图4可见,石家庄[10]地区属于重工业城市,C、k值都很高,为15129、0.73;银川的C、k值分别为7352、0.72,低于石家庄,但仍偏大,两地均属于典型的大陆性核谱.盐池C值不大但k值大,为1605、0.83,受大陆性气团控制,但是工业生活污染源较少,属于清洁大陆性核谱.

图4 不同地区活化谱Fig.4 CCN activation spectra in different regions

2.6近20年地面CCN浓度观测

由表1可见,20世纪90年代之前的CCN观测使用的是Mee-130云凝结核计数仪,设定的过饱和度为0.5%.近几年观测仪器为DMT CCN仪,且观测过饱和度设定范围增加.相同过饱和下比较发现,郑州、石家庄、银川等工业城市的CCN浓度平均值、最大值、最小值比其他沿海区、山区、干旱地区及清洁地区城市的浓度要高很多.河南县、玛曲等地的CCN浓度值很低与沿海青岛地区相近,多属海洋性核谱.银川东郊在有扬沙发生的天气条件下CCN浓度值并不是很高,由此分析工业生产、城市生活等所产生的污染物与沙尘气溶胶相比,产生的可溶性颗粒物浓度更易充当CCN,造成CCN浓度的上升.

2.7高空CCN变化

利用机载DMT CCN仪和PMS测量系统测量的CCN浓度、温度和液态含水量随高度的变化绘于图5.由图5可见,云底高度在海拔4300m左右,云顶在海拔6000m左右云顶比较高.在海拔1000m左右CCN浓度最大,达到3500个/cm3,且在该层浓度水平变化最大.1000～2000mCCN浓度随高度下降.2000～2500,3500,4200m 高度内CCN浓度随高度增加.4300m以上CCN浓度很低,主要是由于云中对CCN的清除作用,以及高空CCN源减少的原因.

表1 不同地区CCN观测情况统计Table 1 Summary of CCN observations on in different regions

图5 盐池CCN、温度、液态含水量垂直分布Fig.5 Vertical distributions of CCN, temperature and liquid water content over Yanchi

温度随高度的上升而下降,温度对CCN浓度的影响主要体现在逆温层上,逆温层的存在阻挡了由地面湍流运动上升所带来的CCN向上输送,造成CCN在逆温层下的累积,CCN浓度略有增加.图中1500m高度上的逆温层比较明显,对应的CCN浓度明显增多.2000～2500m等3处CCN浓度增加的位置温度都存在着小幅度的波动,可能是影响因子之一.

云中液态含水量在3000m以下很低,3000～4500m略有增加,在4500m以上增加明显,最大值接近0.1g/m3.此高度对应的CCN浓度非常低,液水含量的高值通常与云滴浓度的高值对应,产生高浓度的云滴需消耗大量的CCN.

3 结论

3.1盐池CCN浓度白天基本与温度呈负相关、夜间正相关.CCN在仪器设定的相对湿度下观测,环境相对湿度对CCN浓度的影响存在不确定性.低风速时CCN浓度局地积累明显.东北风带来的沙尘气溶胶中传输距离短,不可溶性核居多,对CCN 浓度增加贡献不明显.

3.2随过饱和度的增加,经过云室活化后的CCN浓度增加.过饱和度越高CCN变化幅度越大,且两个不同过饱和度之间CCN浓度值越接近.

3.3华北工业城市CCN浓度明显高于其他内陆、沿海、清洁地区,沿海和内陆清洁地区CCN浓度值相近.核谱分析表明银川属于典型大陆性核谱,盐池属于清洁大陆性核谱.

3.4盐池地区CCN浓度随高度的上升而下降.云内消耗CCN生成云滴会导致浓度迅速下降.温度出现逆温时CCN会出现累积浓度增加.液态含水量与CCN浓度的关系呈负相关.

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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

岳岩裕(1985-),女,山东威海人,南京信息工程大学大气物理学院硕士研究生,主要从事云降水物理学研究.发表论文1篇.

2009-09-28

国家“973”项目(2006CB403706);气象灾害省部共建教育部重点实验室基金(KLME05006)

* 责任作者, 教授, niusj@nuist.edu.cn