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华北地区云凝结核特性研究

王婷婷  
【摘要】:云凝结核(CCN,Cloud condensation nuclei)在水循环及气候变化中都扮演着重要的角色。它可参与云的微物理过程,决定云滴的浓度及初始粒径大小从而影响降水的形成效率;此外,在一定的过饱和度下,过高的云凝结核浓度会使云滴粒径减小,增大云的反照率,另一方面,云滴粒径减小可抑制降水从而延长云的寿命。如今人类排放对云和气溶胶的性质产生很大的影响,已证实了云可对局地及区域尺度气候造成影响,在IPCC的第四次评估报告中,云的气候效应被认为是影响气候变化因子中产生不确定性最大的因子之一。因此开展CCN特性研究,对天气及气候预测都有重要意义。 本文利用纵向热梯度云凝结核计数器(CCNC,Cloud Condensation Nulei Counter)分别于2009年11-12月及2010年9-10月先后在华北地区的城郊(天津武清)及高山站点(泰山)进行了云凝结核特性的外场观测。 在武清地区开展了云凝结核浓度的直接测量,研究结果表明,武清地区冬季CCN浓度变化范围很大,过饱和度1%时,浓度变化范围为4000-32000 cm~(-3),且受风速影响明显,风速2级以下CCN浓度很高,过饱和度1%时平均浓度可达16000 cm~(-3),但对于4级风速以上CCN平均浓度为4000 cm~(-3)左右;在过饱和度0.1-0.4%间CCN浓度变化较大,过饱和度每增加0.1%,CCN浓度增加值平均约为过饱和度0.4-1.0%间浓度增量的5倍。低过饱和度(0.1、0.2%)下,活化率受风速影响明显,1级风速下的CCN活化率约为4级风速下的3倍,但在过饱和度1%时活化率则相差不大。CCN浓度的日变化呈双峰型,峰值时刻为北京时间早8点和晚6点左右,活化率的日变化则呈双谷型,这主要是受局地排放影响的结果。利用指数函数拟合各风速下CCN浓度过饱和度谱,表明该地谱型为典型的大陆型。 在泰山气象观测站开展了云凝结核分粒径活化率谱的观测,并同步测量了气溶胶数谱分布和气溶胶化学成分的在线观测。结果表明:过饱和度0.1-0.28%下CCN活化率谱的最大活化率接近1,且气溶胶的化学性质均一性较高,而过饱和度0.45、0.7%下活化率谱的最大活化率在90%左右,气溶胶的外混程度相对较高。利用分粒径活化率谱数据并结合气溶胶数谱数据求得观测期间CCN总体数浓度及总体活化率,过饱和度0.1%,0.7%的CCN平均数浓度分别为2163±1679 cm~(-3),6972±4776 cm~(-3),总体活化率为分别为0.26±0.15,0.79±0.19,烧香比较严重时期过饱和度0.1%,0.7%的CCN总体数浓度、活化率分别为4511±1305 cm~(-3), 11751±4354cm~(-3)和0.37±0.12, 0.9±0.12,相比整个观测期间的平均值分别增大了87%及27%,这主要是因为燃烧期间气溶胶总数浓度及55nm以上粒子浓度比例比观测期间的平均值有大幅增加,它对气溶胶活化的促进作用大于因气溶胶中不易活化成分的增多对气溶胶活化的阻碍作用;此外,CCN总体数浓度及活化率受风向影响明显,过饱和度1%时,CCN数浓度西北向比东北向约高90%,活化率西南向比东北向高18%;CCN总体浓度及活化率的差异主要是由气溶胶粒径分布不同引起的,西北风向气溶胶数谱中30nm以上粒子浓度最高,而西南风向气溶胶数谱30nm粒子数浓度比例最高,它的数谱峰值粒径约在130nm左右,东南及西北向气溶胶数谱的峰值粒径约为60nm。 本文利用两种方法确定泰山气溶胶吸湿因子:1.通过累积高斯拟合CCN分粒径活化率谱得到活化临界粒径,将临界粒径代入k-K(O|¨)hler方程获得吸湿系数k_a、k_t;2.利用气溶胶化学成分,计算各种物质所占体积分数,求得气溶胶吸湿系数k_p。结果表明k_a、k_p具有一致的变化趋势,相关性随过饱和度的增加而减小。 利用三种模型(经典的指数模型,改进的指数模型,k-K(O|¨)hler模型)分别计算整个观测期间CCN的数浓度,结果表明,经典指数函数的计算偏差受CCN数浓度波动的影响很大,观测期各过饱和度下的平均相对偏差在140%,燃烧期除过饱和度0.1%时相对偏差在56%左右,其余过饱和度下的平均偏差基本在30%以内。利用改进的指数模型计算观测期及燃烧期的CCN数浓度偏差,在高过饱和度(0.45、0.7%)下都在20%以内,而对于低过饱和度0.1%,计算偏差都超过170%;对于?-K?hler模型,当气溶胶数谱取每三小时平均值时,不论k_a取每三小时平均值或是整个观测期(燃烧期)的平均值,计算引起的浓度相对偏差平均都在20%以内,计算结果要优于前两个指数模型;但当?a取每三小时平均值,气溶胶数谱取整个观测期的平均数谱时,计算的CCN数浓度既不能正确反应实测CCN的浓度水平也不能反应其随时间的变化,计算偏差在各过饱和度下均超过100%,结果比前两个指数模型差;综上所述,泰山的观测研究表明,气溶胶数谱对于云凝结核的影响要大于化学成分的影响。


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