基于70 m3膨胀云室的暖云滴谱试验研究

李睿劼 黄梦宇* 丁德平3) 田 平 毕 凯 杨 帅 姚展予

1)(北京市人工影响天气中心, 北京 100089) 2)(中国气象局华北云降水野外科学试验基地, 北京 101200) 3)(云降水物理研究和云水资源开发北京市重点实验室, 北京 100089) 4)(中国气象局人工影响天气中心, 北京 100081)

引 言

气溶胶与云的相互作用是云微物理研究的难点和热点问题,气溶胶对云滴谱的影响尚缺乏定量化结果。液态水存在条件下,气溶胶数浓度增加导致云滴数浓度增加和云滴尺度变小,但云滴总的表面积变大,反射更多的太阳短波辐射使地表降温,进而影响地球辐射收支平衡,即为第一间接效应。云滴尺度减小延长云的生命期,从而影响降水,即为第二间接效应。

气溶胶与云相互作用研究的关键是云滴谱的测量,飞机搭载测量仪器入云进行原位测量仍是目前最直接的测量方式。随着我国机载探测能力的提高[1],对不同类型云的微物理特征的认识显著提高,如混合相态云系特征[2-3],云中粒子相态识别[4]等。可根据Mie散射理论利用云滴谱计算云滴反照率评估第一间接效应,但第二间接效应对降水的影响,如云滴向雨滴的自动转化,云滴的碰并效率仍存在较大不确定性,有待进一步研究。20世纪50—60年代我国云雾物理开创者顾震潮先生在衡山开展云滴观测发现云滴的双峰现象,即存在大滴[5-8],提出云中湍流起伏促进云滴间重力碰并理论[9-10]。近年随着技术发展,开展云滴谱扩宽、凝结增长过程、重力碰并、湍流碰并和云中带电粒子作用等问题研究,但仍存在不确定问题。因此,开展云滴谱机理和机制的研究非常必要。

飞机观测的过程水垂直分布[11]、不同地形云微物理结构信息[12]为降水机制研究提供了支持[13]。此外,遥感方式(雷达或卫星)也可获取云滴微物理特征[14]。尽管外场观测手段日益丰富,但云室试验仍是云降水研究必不可少的手段[15-18]。由于自然云形成过程复杂、影响因素多且原位观测缺乏时空连续性等,外场云滴谱观测具有局限性,如研究云下气溶胶活化为云滴的能力[19]时,无法连续观察活化过程。云室是通过人工手段造云分析云降水微物理过程的机理机制、定量化分析人工影响手段对云微物理过程影响的试验装置。云室研究的初始和边界条件可控[20-21],可针对单一因素对云微物理过程的影响进行定量化分析和研究[22-23]。云室试验在气溶胶吸湿增长和活化过程[24-26]、云滴凝结增长[27]、湍流对云滴谱影响[28]、冰核核化及其形成冰晶形状[29-30]、二次冰晶[31]等方面开展了大量研究,在验证云微物理理论的同时,也发现经典理论的不足[32]。

表1为国际上成功运行的云室。按成云的方式和功能,云室大致分为膨胀云室、混合云室、扩散云室等,针对湍流及深对流研究,近年还发展出湍流混合云室和动力云室。

混合云室是向云室内直接通入人工雾粒子制造云雾环境,该方法在控制过饱和度上有局限性[32]。对于扩散云室,无论是两个壁型扩散云室还是圆柱型扩散云室,试验之初在壁上挂霜或加湿(保证壁面是液相过饱和或冰相过饱和),通过调节两个壁的温度差实现云室内温度场和水汽场不匹配达到过饱和,如已被广泛应用于外场试验的美国DMT公司的云凝结核计数器和冰核计数器[39-41],但云凝结核计数器和冰核计数器测量对象是特定过饱和度下云凝结核和冰核的数浓度,无法得到云滴谱特征。

膨胀云室通过模拟气团抬升绝热膨胀过程制造云雾环境,是最能代表和反映实际成云过程的云室。最早的膨胀云室是1887年用于测量气溶胶数浓度的爱根核计数器,通过气筒抽气降压造成过饱和,使气溶胶粒子活化为云滴沉降至玻璃片并用显微镜计数[42]。随着测量系统[43]和温度控制系统[44]的发展和升级,膨胀云室既可测量粒径大于1 nm的气溶胶数浓度,也可测量大气冰核浓度。我国是开展云室试验研究较早的国家之一,20世纪70—80年代中国气象科学研究院建造了不同体积的一系列云室,针对人工影响天气催化剂的核化性能开展研究,取得了丰富研究成果[20-25]。近年中国气象科学研究院研制了1.3 m3的膨胀云室,并进行相关测试[45]。2018年北京市人工影响天气中心建成北京气溶胶与相互作用云室(Beijing Aerosol and Cloud Interaction Chamber,BACIC),同时搭建完整的气溶胶、云滴谱及常规气象要素测量系统,利用华北地区环境气溶胶开展暖云试验,获得不同气溶胶数浓度对云滴谱影响的初步结果。

1 试验装置

1.1 膨胀云室装置原理

大气成云过程主要由空气垂直上升运动形成,膨胀云室通过模拟气团抬升过程压力降低制造云雾环境。气块绝热上升,温度随大气压力降低而递减[46],压力降低使气团膨胀,水汽压和饱和水汽压均降低,水汽压的降低与压力成正比[46],饱和水汽压取决于气块温度[47]。膨胀过程中,水汽压的变化较饱和水汽压快,二者之差减小,气块相对湿度增加,当气压下降至720 hPa时,气块温度等于露点温度,达到饱和,形成云雾环境。

这里需要指出,膨胀云室模拟的绝热膨胀过程与实际大气绝热膨胀过程不同,大气绝热膨胀为气块体积增大引起压力降低所致,云室模拟的绝热膨胀为体积不变人为降低压力所致,二者均是气块压力降低导致相对湿度增高。

1.2 BACIC性能指标

BACIC具备以下有利条件:①光纤测温结果显示距离云室壁超过0.5 m的空间受壁温边界效应的影响较小,该云室内直径为2.6 m,高度为14 m,可在较大试验空间内保持温度均匀性;②对温度和湿度条件的精细控制能力;③对气溶胶种类、粒径及数浓度的控制能力;④对气溶胶和云微物理特征量的连续测量能力;⑤可重复试验的能力。表2为BACIC基本性能指标。

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

1.3 BACIC测量系统

1.3.1 温度测量

温度是云室试验最重要的参数。膨胀过程中, 1 min内温度降低8～10℃,因此膨胀云室对温度传感器的响应时间要求很高,温度测量必须同时考虑测量精度和响应速度。BACIC利用PT100铂金电阻型传感器保证云室的温度精度为±1℃,同时搭配新型测温仪器光纤传感器测量1 s内温度变化。

1.3.2 湿度测量和过饱和度计算

水汽达到过饱和即能产生云滴,但目前没有仪器能够直接测量过饱和度。BACIC利用镜面露点计测量总水汽压,保证膨胀试验开始前露点与云室内温度差一致。

1.3.3 云滴谱测量

BACIC云滴谱测量范围为2～100 μm。小粒径(2～50 μm)云滴谱测量采用美国DMT公司生产的FM-120型雾滴谱仪,大粒径(20～100 μm)云滴谱测量采用德国Palas公司生产的Promo-2000型白光单颗粒光学粒子计数器,并进行针对性改造。测量仪器的布置很重要,云滴的测量位置设计在云室的正下方,仪器抽气方向与重力方向一致,尽量避免因采样导致的云滴重力沉降损失。

1.3.4 气溶胶特性测量

云滴核化研究需要测量气溶胶的粒径分布、数浓度。经改装设计,BACIC可测量0.02～20 μm的气溶胶谱分布。其中,小粒径(0.02～0.7 μm)气溶胶谱测量采用美国TSI公司生产的3938型扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS),大粒径(0.5～20 μm)气溶胶谱测量采用美国TSI公司生产的3321型空气动力学粒径谱仪(APS),气溶胶(大于3 nm)数浓度测量采用美国TSI公司生产的3772型粒子计数器(CPC)测量。需要注意的是,气溶胶谱测量需要在膨胀前完成,膨胀过程中SMPS和APS停止采集。CPC经过流量改装,可以在云室降压过程中保持体积流量恒定,膨胀过程中可持续测量气溶胶数浓度变化。

2 BACIC膨胀成云能力检验

图1为BACIC内部压力和温度下降过程中形成云时,测量得到的气压、温度变化及云滴数浓度和云滴谱分布特征。由图1气压和温度随时间的变化可见,BACIC膨胀成云试验的压力控制由环境气压起始,降至约700 hPa停止,对应云室内温度下降8～10℃。由图1成云后云滴数浓度和云滴谱分布随时间变化可见,成云全过程用时约为5 min。在初期阶段(100～200 s),抽气降压造成过饱和度持续升高,云滴数浓度升高,表明气溶胶持续活化,云滴尺寸通过凝结不断增长。在稳定阶段(200～300 s),过饱和度开始减小,云滴数浓度和云滴粒径保持不变。在后期阶段(300 s以后),云滴开始蒸发。这是国内首次开展定量化膨胀成云试验,云滴谱测量成云演变效果证明BACIC具备与国外运行成熟云室相媲美的试验能力。

图1 BACIC暖云膨胀成云过程中气压和温度(a)、云滴数浓度(b)及云滴谱(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

续图1

3 暖云滴谱试验研究

2019—2021年BACIC已开展3类暖云试验:一是BACIC膨胀验证试验,通过开展不同上升速度和气溶胶数浓度对暖云滴谱影响的试验,基于已有理论验证BACIC膨胀试验有效性;二是大气背景试验,通过引入华北地区背景气溶胶,分析不同上升速度和环境气溶胶数浓度对暖云滴谱、气溶胶成云活化率的影响效果;三是吸湿性催化剂试验,通过在清洁环境下引入不同种类吸湿性气溶胶,模拟研究吸湿性催化剂对暖云滴谱的影响。

3.1 BACIC验证试验

在暖云形成过程中,气溶胶数浓度和上升速度对形成的云滴谱均有影响。上升速度是过饱和度的源,气溶胶消耗水汽是过饱和度的汇。理论上,相同水汽和气溶胶条件下,上升速度越大,过饱和度越高,云滴数浓度越多;相同水汽和上升速度前提下,气溶胶数浓度越高,云滴数浓度越高,但云滴粒径越小。通过BACIC控制模拟上升速度和气溶胶数浓度试验,验证云室试验有效性。

3.1.1 上升速度对暖云滴谱特征的影响

BACIC降压主要采用真空泵抽气的方式,通过控制泵抽气的流速和管路中阀门的开合度调节气压下降速率,按照华北地区的大气气压梯度及其对应的海拔高度,将气压下降速率换算为模拟气块上升速度,实现模拟不同上升速度的试验目的。BACIC可模拟的上升速度约为2～14 m·s-1,降压速率和对应的模拟上升速度见表3。

表3 减压速度和对应上升速度Table 3 Simulated rising speed corresponding to depressurization rates

图2为4次上升速度不同但气溶胶数浓度相同的膨胀成云试验过程,4次试验的水汽和气溶胶条件保持一致,上升速度按照时间发展方向从左至右分别为14.3,9.13,6.28 m·s-1和2.09 m·s-1。由图2可见,上升速度越小(即过饱和度小),可活化的气溶胶越少(即云滴的数浓度小),云滴的粒径也越小,液态水含量越小,该现象符合云物理经典理论。

图2 不同上升速度的暖云滴谱特征(①～④分别对应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 气溶胶数浓度对暖云滴谱的影响

图3是保持云室内上升速度(14.3 m·s-1)和水汽条件(相对湿度为90%)不变,使云室内初始气溶胶数浓度分别为10000 cm-3和2500 cm-3用以模拟污染环境和清洁环境,对比暖云滴谱特征和液态水含量的变化。由图3可见,在污染环境下,云滴数浓度约为2500 cm-3,云滴直径约为8 μm;在清洁环境下,云滴数浓度为200～400 cm-3,云滴直径约为15～25 μm。这表明气溶胶数浓度越大,活化的云滴数浓度越高,但云滴粒径越小,这符合第一间接效应[48]。同时,污染环境下云的液态水含量更低。这里需要指出,外场飞机和卫星观测已经证实了第一间接效应,即人为污染可降低云滴尺寸,但液态水含量与人为污染的关系尚无定论[40-42]。

图3 不同气溶胶数浓度的暖云滴谱特征和液态水含量Fig.3 Size distribution of warm cloud droplets and liquid water content for different aerosol number concentration

3.2 大气背景试验初步结果统计

在华北地区大气背景环境下,开展BACIC环境气溶胶对暖云滴谱特征影响的试验。将云室外空气引入云室,开展固定上升速度的膨胀成云试验,获得60组有效数据。

图4是固定上升速度的云滴数浓度与气溶胶数浓度的关系。由图4可见,气溶胶数浓度与云滴数浓度为正相关关系,这与理论预期一致。但该关系并非现线性变化,云滴数浓度随气溶胶数浓度的变化可采用指数函数拟合,这与各组试验背景气溶胶的组分不同有关,具体需要通过控制同类气溶胶浓度进一步验证。

图4 云滴数浓度与气溶胶数浓度的关系Fig.4 Relationship between cloud number concentration and aerosol number concentration

图5是固定上升速度的气溶胶成云活化率与气溶胶数浓度的关系。由图5可见,随着气溶胶数浓度升高,气溶胶成云活化率降低,这是因为在同样上升速度下过饱和度相同,过多的气溶胶导致水汽竞争,造成成云活化率降低。在云室体积固定的前提下,气溶胶数浓度可以代表数量。以雾滴谱测量的云滴谱数浓度代表活化气溶胶数量,以CPC仪器测量的气溶胶数浓度代表背景气溶胶数量,两者相除得到气溶胶成云活化率。因此,气溶胶成云活化率随气溶胶数浓度变化的敏感区位于气溶胶数浓度小于5000 cm-3的区域。

图5 气溶胶成云活化率与气溶胶数浓度的关系Fig.5 Relationship between activation ratio and aerosol number concentration

此外,BACIC还开展了上升速度对气溶胶成云活化率影响试验(图6)。由图6可见,当上升速度最大为14.3 m·s-1时,气溶胶成云活化率约为42%,随着上升速度减小,气溶胶成云活化率降低;当上升速度最小为2.09 m·s-1时,气溶胶成云活化率约为17%。因此,在气溶胶浓度不变条件下,上升速度越大,气溶胶成云活化率越高。

图6 气溶胶成云活化率与上升速度的关系Fig.6 Relationship between activation ratio and rising speed

3.3 吸湿性气溶胶试验

利用BACIC进行吸湿性气溶胶对暖云滴谱分布影响的试验,分别针对清洁和污染背景开展吸湿性催化剂研究。

试验选取3种吸湿性气溶胶,分别是硫酸铵、氯化钾和草酸气溶胶。通过气溶胶发生器引入云室的吸湿性气溶胶为亚微米级气溶胶(粒径峰值为150～300 nm)。按顺序分别引入背景环境气溶胶和数浓度为10000 cm-3的硫酸铵、氯化钾和草酸气溶胶,控制并保持相同的上升速度进行膨胀成云试验,共获得24组有效试验数据。

图7为不同背景环境吸湿性气溶胶对暖云滴谱的影响。由图7可见,在不同背景环境下引入吸湿性气溶胶均会导致云滴谱变窄,这并不会因导致大云滴生成、碰并过程加速并造成降水,从而加速降水过程。虽然3种气溶胶的吸湿能力不同,但形成的云滴粒径并无区别,这表明在对云滴粒径的影响上,催化剂尺度的作用大于化学组分的作用[49]。

图7 清洁和污染背景下不同吸湿性气溶胶的暖云云滴谱Fig.7 Size distribution of warm cloud droplets under polluted and clean conditions

BACIC引入的是亚微米级吸湿性气溶胶,人工影响外场消雾使用的是巨核吸湿剂,粒径为几十至几百微米量级[50-54]。基于以上结果,外场消雾试验应尽量使用大粒径催化剂。

3.4 云雾环境维持时间的影响

在膨胀云室试验中需要注意,膨胀过程中空气温度随压力增加而下降,但云室壁仍维持原有温度。膨胀成云后,云室壁和空气温度差增大,形成的云会被加热蒸发,影响膨胀成云的持续性和代表性。一般情况下,云雾环境的维持时间为5～10 min。

图8为BACIC两个膨胀成云试验的温度变化。试验1为气压降至200 hPa停止,试验2为气压降至600 hPa停止。由图8可见,气压下降的最初3 min,试验1和试验2的温度下降速率符合绝热曲线理论降温速率(约4 K·min-1),但随后空气温度因受壁温加热影响开始升高。试验1更清楚地反映壁温加热的效果,即停止抽气后,温度明显回升。因此,BACIC的云雾环境维持时间为5～10 min,所有试验测量必须在该时间内完成。

图8 BACIC绝热膨胀成云试验的温度变化Fig.8 Air temperature variation of adiabatic expansion experiment in BACIC

4 结 论

本文介绍BACIC的工作原理和试验设计,通过与理论成云试验对比,验证其开展气溶胶对云滴谱影响试验的可行性。基于BACIC开展的环境气溶胶试验和吸湿性气溶胶试验,得到气溶胶和上升速度对暖云滴谱分布的影响。主要结论如下:

1) BACIC可实现对温度、湿度、压力和气溶胶数浓度等要素的控制和测量,云室内空气温度控制范围为环境温度至-45℃以下,压力控制范围为环境常压至1 hPa,具备测量粒径为2～100 μm云滴谱分布的能力,满足开展云雾物理室内试验的技术要求。

2) BACIC模拟气块绝热上升膨胀过程,当云室内温度低于露点温度形成云雾;云雾环境的维持时间为5～10 min,与国外运行成熟云室的云雾环境维持时间指标接近。控制变量试验得到气溶胶数浓度、上升速度与云滴谱分布和液态水含量等物理量的变化趋势,与云降水物理的基本原理和数值模拟结果一致,证明BACIC模拟膨胀成云试验的技术方法合理可行。

3) BACIC在华北地区环境气溶胶背景下开展膨胀成云试验研究,得到上升速度、背景气溶胶数浓度与云滴数浓度的定量化关系:上升速度增大,气溶胶成云活化率增加,云滴粒径增大;气溶胶数浓度增大,云滴数浓度增大且可采用指数函数拟合;气溶胶数浓度增大,导致气溶胶成云活化率降低,气溶胶成云活化率随气溶胶数浓度变化的敏感区位于气溶胶数浓度小于5000 cm-3的区域。

4) 无论是清洁环境还是污染环境,亚微米吸湿性气溶胶导致云滴谱变窄,外场消雾不仅要关注催化剂的吸湿特性,更应考虑吸湿性催化剂的粒径对云滴谱的影响。