华北部分地区云凝结核的观测分析

封秋娟，李培仁，樊明月，侯团结

(1.山西省人工降雨防雹办公室，山西太原030032;2.山东省人工影响天气办公室，山东济南250031;3.中国科学院大气物理研究所，北京100029)

0 引言

云凝结核(CCN)是指在云中过饱和条件下能够活化成云滴的粒子，它可以直接定量地将气溶胶和云相联系，因此CCN研究是气溶胶、云和气候之间相互作用研究中的一个重要环节，开展CCN的观测对研究天气气候变化具有重要的现实意义。作为CCN，大气气溶胶通过改变云的微物理和辐射特性可以间接影响气候(杨军等，2000;Mukai et al.，2003;黄梦宇等，2005;朱彬等，2006;任永建等，2009;银燕等，2010)。国外对CCN的观测研究已经有50多年的历史。在污染云中CCN粒子增多，会出现降水不发生或延迟发生的现象(Rosenfeld，2000;Frias-Cisneros and Baumgardner，2007)。南极洲在过饱和度约为1.3%的情况下，云凝结核数浓度范围是1～700 cm－3，平均数浓度为20 cm－3。在雾天、降水或降水后的晴天都会出现CCN的低值(DeFelice，1996)。利用观测事实和模式结果分析得知，CCN数浓度的改变对全球水循环、降水和气候有影响(Andreae and Rosenfeld，2008)。1997—2000年在欧洲阿尔卑斯山利用CCN仪研究了CCN的分布规律(Hitzenberger et al.，2000)。Rosenfeld et al.(2008)建立了一个概念模型，将气溶胶的光学厚度和微物理量联系起来，从理论上估计了人为污染气溶胶对降水的消减和促进作用，并提出了分别产生这两种影响的背景条件。到目前为止，我国已开展CCN观测的几个地区和城市主要集中在东北地区、华北地区、宁夏贺兰山地区和青岛等地。1983—1985年“北方层状云人工降水试验研究”中利用MEE-130型CCN仪进行观测研究(王鹏云等，1989;游来光等，2002)。1994—1995年使用MEE-130型CCN仪在宁夏贺兰山地区开展了CCN的观测，结果表明该地区夏季地面平均CCN数浓度为610 cm－3，最大数浓度达104cm－3，降水时或降水后云凝结核数浓度明显减小，云凝结核数浓度与风向、风速、沙尘暴等气象因子或天气现象没有明显关系(樊曙先和安夏兰，2000)。2006年利用DMT(Droplet Measurement Technologies)公司的云凝结核仪对河北空中和地面的云凝结核(CCN)进行了观测研究(石立新和段英，2007)。

华北地区气候干燥，污染严重，烟尘等污染物粒子的大量存在能改变大气气溶胶及云和降水的物理化学特性。随着山西煤炭产业和城乡建设的飞速发展，人类活动对环境的影响日益突出，山西是全国污染较为严重的省份之一，因此对云凝结核的观测研究具有现实意义。鉴于云凝结核在降水形成中的作用及对我国华北地区气候的影响，2008年9月—2009年7月在华北部分地区开展了CCN地面和空中观测。

1 仪器和观测方法

1.1 仪器

云凝结核观测使用的是美国DMT公司生产的连续气流单过饱和度云凝结核计数器(DMT-CCN仪)，DMT-CCN仪是基于Greg Robert博士的海洋学理论而设计研制的。该仪器核心部分是一个高50 cm、内径2.3 cm的圆柱形连续气流纵向热梯度云室，云室上、中、下部分别安装了热敏元件(RTD)以精确测量温度，通过上、中、下部的3组热电制热器(TEC)分别控制上、中、下部温度，使云室温度上低、下高，形成一定的温度梯度。云室内壁维持一定量的水流以保持湿润。由于从云室内壁向云室内部的水汽扩散比热扩散快，环境气溶胶从顶部垂直进入仪器，当它穿过仪器圆柱状部分时由于水蒸汽气流逐渐变得过饱和，样本气溶胶处于圆柱中心线区域最大过饱和度位置。环境空气进入仪器后被分为采样气流和鞘气两部分，经过过滤和加湿，没有气溶胶粒子的鞘流环绕在采样气流周围进入云室，可以把采样粒子限制在云室垂直中心线区域。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(OPC)记录尺度和数目，滤去样本附近潮湿的空气。

CCN仪器(表1)在飞机和地面均可使用。该仪器的量程是0.75～10 μm，分20档，测量出每档粒子个数和每秒数浓度。过饱和度S设置的范围为0.1%～2.0%，过饱和度可以设置为单一的情况，进行连续测量，也可以设置最多5个不同的情况进行连续循环观测。

表1 DMT-CCN仪主要技术参数Table 1 Main parameters for DMT-CCN Counter

云滴观测使用的是美国DMT公司生产的云粒子探头CDP(Cloud Droplet Probe)，CDP用于测量不同直径范围云滴的个数分布并计算出云滴的总数浓度、云滴液态含水量、云滴中值体积直径和有效直径。CDP量程从3 μm到50 μm，分30档，其中3～14 μm的直径间隔为1 μm，14～50 μm的直径间隔为2 μm。

1.2 观测方法

1.2.1 地面观测

2008年9月—2009年4月，使用DMT-CCN仪对太原地面CCN分布特征进行了固定点观测。在地面观测时把采样气口固定在山西省人工降雨防雹办公室四楼顶部的平台上，距地高约16 m，周围环境空旷，北邻富士康，东南主要是企事业单位，西面为居民生活区，观测点附近人类生活污染和工业污染较严重。地面观测采用S(0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1%)循环测量的方式，每组观测所用的时间约为25 min。

1.2.2 飞机观测

2009年利用机载DMT-CCN仪对山西太原上空和河北张家口上空CCN分布进行飞机观测，观测使用的运-12飞机的飞行上限为6 km，飞机采用盘旋上升、下降和不同高度层平飞的飞行方式，DMTCCN仪设置S固定为0.3%。

2 太原地面CCN特征分析

2.1 CCN特征值统计分析

通过太原地面CCN观测资料(选取资料为仪器正常采集下24 h连续观测)的统计结果(表2)发现，在同一过饱和度下CCN数浓度差异很大。CCN数浓度日最大值、日平均值均随过饱和度的增加而增大。过饱和度S=0.2%、0.4%、0.6%、0.8%和1.0%下，CCN平均数浓度范围分别为1 187～4 151、7 509～14 109、10 104～21 464、12 016～26 217和13 215～30 239 cm－3。与河北CCN观测数值进行对比可知，均明显高于2005年石家庄夏季地面CCN数浓度(石立新和段英，2007)，这可能与太原严重的污染状况有关。

2.2 地面CCN的日变化

太原地面CCN数浓度具有明显的日变化特征。图1a为2008年12月17日太原S=0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%下CCN的日变化。可见，CCN数浓度一天中出现两次峰值，分别为09时和20时左右。结合气象要素，图1b给出了2008年11月19日S=0.4%下CCN数浓度、温度、湿度的日变化。可见，08时温度较低而相对湿度较高，同时也是汽车尾气排放的高峰阶段，温度较低使得近地面湍流活动较弱，大气层结稳定，有利于气溶胶粒子的积聚，给CCN提供了源。14:30地面温度达到极大值，相对湿度很低，较高的温度有利于近地面空气湍流运动加强，近地面气溶胶粒子向高空传输使地面CCN数浓度降低。傍晚后温度降低，近地面大气较稳定，不利于气溶胶粒子扩散，同时也可能是人类活动的影响充当了CCN的源，使夜间CCN数浓度上升。

表2 2008年9月—2009年4月太原地面CCN数浓度的统计结果Table 2 Statistics of ground CCN number concentration in Taiyuan from September 2008 to April 2009

图1 2008月12月17日太原地面CCN数浓度的日变化(S=0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)(a)和2008年11月19日太原地面CCN数浓度、温度和相对湿度的日变化(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 降雪对地面CCN的影响

降水对CCN具有明显的冲刷作用。图2为过饱和度S=0.2%下，2009年2月8日下雪过程与2009年2月7日晴天条件下，太原地面同一观测时间范围内CCN数浓度随时间的变化。2009年2月8日08:00—14:00太原下雪，2月8日CCN数浓度较同一时刻2月7日偏低，降雪快结束时，CCN数浓度略有上升。2月8日降雪过程中，CCN数浓度的变化范围为1 700～3 000 cm－3，而2月7日晴天的变化范围为3 000～5 000 cm－3。

2.4 地面CCN活化谱的对比分析

为了研究CCN活化谱特征，利用N=CSk对太原地面CCN活化谱进行了拟合，其中S为过饱和度，N为过饱和度下的CCN数浓度。根据C、k值把核谱分为大陆型(C≥2 200 cm－3，k＜1)、过渡型(1 000 cm－3＜C＜2 200 cm－3，k＞1)和海洋型(C＜1 000 cm－3，k＜1)三种(Hobbs et al.，1985)。

表3给出了太原地面CCN的拟合特征参数。可以看出，太原地区C＞2 200 cm－3，k＜1，属于典型的大陆型核谱。图3为2008年10月17日观测的太原地面CCN活化谱。作为对比，图3同时给出了石家庄(石立新和段英，2007)、银川和祁连山地面(赵永欣等，2010)CCN活化谱。可以看出，太原由于污染物较多，k值较高而C值明显高于其他地区;银川虽然也是北方省会城市，但是它属于西部地区，城市规模小和工业相对较简单等特点直接决定了银川气溶胶污染强度和种类可能不及太原地区，这进一步导致两地CCN粒子成分不同，CCN活化谱也就不同。另外，祁连山地区受大陆气团影响，远离人群，属清洁地区，C和k值都非常低，属清洁大陆型核谱。

图2 2009年2月7日和8日CCN数浓度随时间的变化(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特征参数Table 3 Characteristic parameters for ground CCN in Taiyuan

图3 太原(2008年10月17日)、石家庄、银川、祁连山地面CCN活化谱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数浓度随高度分布

图4 (a)张家口、(b)太原上空CCN(S=0.3%)、云滴数浓度(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

为了研究CCN数浓度的垂直分布特征，图4给出了两次观测的CCN、云滴数浓度(CDP测得)随高度的垂直变化曲线。图4a为张家口上空一次雨后天气的探测，探测时系统趋于消散，低层淡积云，高层密卷云，云滴平均数浓度仅有0.64 cm－3，CCN的数浓度随高度增加明显减少，从105量级减小至101量级，表明CCN主要来源于地面。图4b为太原上空一次降水过程的垂直探测，受冷槽影响，探测区域降小到中雨，降水云系由层积云(1 700～2 200 m)和高层云(3 550～4 650 m)组成，3 000 m以下CCN数浓度随高度增加而减少，CCN主要来源于地面。自3 000 m向上，CCN数浓度有两次突增过程，第一次开始于3 000 m高度，第二次开始于高层云云底(3 550 m)附近，数浓度的极大值超过近地面极大值，有别于图4a的观测结果，根据高空风向随高度的变化，认为云中高数浓度的CCN不是来自地面垂直抬升，而可能是来自于长距离气团的输送。Li and Shao(2009)也认为，长距离输送的气团有利于气溶胶老化和二次气溶胶的生成，这些老化的气溶胶在大气中更容易被激活并成为CCN，因此在高空中长距离输送的气团中有更多气溶胶能够转化为CCN。高层云中上部CCN数浓度随高度增加逐渐减小，从103量级减小至102量级。4 650 m飞机出云，云顶以上CCN数浓度较小，平均数浓度只有129 cm－3。

3.2 水平穿云过程CCN变化特征

为了研究云内外CCN的变化特征，以2009年5月9日在古交地区上空进行水平穿越积状云为例。由图5可见，16:38之前飞机在云外飞行，云滴数浓度(CDP测得)平均值为1.39 cm－3，随后入云，云滴数浓度显著增加，云滴平均数浓度达到213.81 cm－3;CCN数浓度在入云后明显减少，平均数浓度从1 288.09 cm－3减少到841.65 cm－3，表明云中一部分CCN活化成云滴，从而导致云内外CCN的显著差异。

图5 2009年5月9日水平穿越积状云过程中CCN和云滴(取自CDP)数浓度的变化(高度为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%)

图6 穿云过程CCN谱分布(a)和云滴谱变化(b)Fig.6 Changes of(a)CCN and(b)cloud droplet spectral distributions during the penetrating cumuliform

为了研究穿云过程中云内的微物理变化，对上述资料取水平探测时20 s平均的CCN和云滴的谱分布。图6a是飞机入云过程CCN谱分布演变;图6b是与此相对的云滴谱分布演变。可见:1)云外阶段。图6a中飞机在云外时CCN谱分布呈明显的多峰结构，谱型较宽，CCN数浓度较高;与此对应，图6b中云滴数密度最大值为0.37 cm－3·μm－1，且随着直径增大呈指数递减，谱型较窄，云滴数浓度较小，谱分布不连续。2)初入云阶段。图6a中初入云阶段CCN谱分布呈双峰分布，谱型较宽，0.75～6 μm段的CCN数浓度明显小于云外，说明入云后，部分CCN活化成云滴;与此对应，图6b中云滴谱呈单峰分布，谱分布连续，云滴数浓度和粒径均变大，在10 μm处有数密度最大值40.49 cm－3·μm－1，谱宽增大。3)云的发展阶段。在云的发展阶段，图6a中CCN数浓度变小，CCN谱型变窄，呈多峰分布，说明活化后的较大CCN粒子进一步增长为云滴，导致数浓度减小，谱变窄。与CCN粒子发展不同，图6b中云滴表现为数浓度和粒径均变大，云滴谱型呈多峰分布，粒子数浓度变大，在10 μm处达到最大数密度37.7 cm－3·μm－1，较云外高两个量级，大粒子段数浓度变大，云滴粒径也得到增长。

4 结论

1)太原地面同一过饱和度下CCN数浓度差异很大。CCN数浓度日最大值、日平均值均随过饱和度的增加而增大。地面CCN数浓度较高，这可能与太原严重的污染有关。

2)太原地面CCN具有明显的日变化特征，一天中出现两次峰值，分别为09时和20时，受气象因子、人类活动等的影响显著。降水对地面CCN具有明显的冲刷作用。

3)利用关系式N=CSK拟合得到的太原地面CCN活化谱参数，由于污染物较多，C＞2 200 cm－3，k＜1，且C、k值很高，属于典型的大陆型核谱。

4)高空CCN数浓度主要来源于地面，随高度增加而减少。高空风向有转变时，长距离气团输送提供CCN二次源。飞机水平穿云过程观测显示云内CCN比云外明显减少，表明云对CCN有消耗作用。

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