威宁地区的ccn的特征分析

论文总字数：14136字

目 录

引言 3

1.资料与方法 3

1.1 观测地点 3

1.2仪器介绍 4

1.3 数据处理 5

2.气象要素分析 5

3.威宁CCN特征分析 6

3.1 CCN浓度变化特征 6

3.2 CCN浓度日变化 7

3.3 CCN活化谱 8

3.4 CCN液滴谱分布 9

4. CCN与雾的相互作用 9

4.1 CCN对雾的微物理参量的影响 9

4.2 雾滴谱及微物理参量特征 11

4.3 雾对CCN谱的影响 12

5.CCN对降水的影响 12

6.结论: 14

参考文献: 16

威宁地区CCN特征分析

梅逸夫

, China

Abstract: Cloud condensation nuclei (CCN) is an atmospheric aerosol particle that can be activated under the condition of over saturation in the cloud, It can directly link aerosol and cloud and precipitation directly precipitation directly, so the determination of CCN concentration is an important part in the study of the interaction between aerosols, clouds and climate. In this paper, the concentration of CCN in Weining area was observed and analyzed by using the cloud condensation nuclei counter. The results show that: 1) CCN has obvious diurnal variation characteristics. CCN number concentration began to decline from the morning. The concentration from morning to noon to reach the minimum value, Thereafter the number of CCN concentrations increased from afternoon to night to reach the maximum value of the day, the number concentration of CCN decline again in the night. 2) Analysis rain, fog droplet spectrum, Fog con clear CCN. CCN has two different effect on the growth of raindrops. Using N=CS^k to fit the activation spectrum of CCN in Weining. The average fitting parameter C = 14288 K, cm-3 = 0.8, indicates that the land belongs to the typical continental nuclear spectrum.

Key words: Weining; CCN number concentration; Raindrop spectra; Fog droplet spectra

引言

云凝结核（CCN）是指云中过饱和度条件下能够活化的大气气溶胶粒子,它可以直接定量地将气溶胶、云及降水联系起来。在微观上，CCN数浓度增加可引起云滴数浓度增加，云滴尺度减小，从而影响雨滴和冰晶的尺度、生成效率和滞留时间；在宏观上，CCN尺度的减小同时会抑制降水的形成，使云的生命期延长，覆盖面积增大，液水路径改变。因此，CCN在成云降水过程中发挥了重要作用。浓度的CCN可以抑制暖云降水的发生， CCN可通过影响云滴尺度来影响降雪率，因此冷云过程也会受到CCN的影响 ^[1-3]。随着人类活动及工业化的发展，气溶胶排放持续增长，其对全球气候与生态环境的影响日渐凸显。IPCC (2013)指出，气溶胶的气候效应仍是气候预测中的最大不确定性来源，这种不确定性很大程度上是由对气溶胶的性质认识不足造成的，因此CCN的特征研究是气溶胶、云以及气候之间相互作用研究的需要，也是当前的主要目标之一^[4]。

国内外学者针对CCN及雨、雾滴谱进行了大量研究。学者们发现晴空和有云条件下污染大气中的CCN数浓度分别为比清洁条件下晴空和有云时的观测值高5倍，在朝鲜半岛西海岸的观测也显示，陆地气团比海洋气团平均盐核含量更丰富^[5]。有学者发现污染云的云滴尺度往往小于清洁云的值^[6]。我国于20世纪80年代使用Mee-130型云凝结核计数器在黄河上游、宁夏贺兰山、青岛沿海等地进行了CCN的早期观测^[7.8]。近年来国内主要使用连续气流纵向热梯度云凝结核计数器进行CCN的测量。在污染严重的华北、西北地区，针对CCN的垂直和水平分布开展了多项试验。石立新、孙霞等分析了石家庄地区CCN的分布特征，发现污染地区CCN浓度比无污染地区高，且CCN浓度随高度递减，云对CCN有消耗作用^[9]。桑建人等分析了贺兰山两侧沙漠和污染城市CCN的特征，发现污染城市对CCN的浓度影响很大^[10]。在银川的CCN的观测与研究也表明人类活所排放的污染物对地面的CCN浓度有很大的影响^[11]。在相对清洁的黄山、祁连山等地也进行了一系列CCN的观测研究，结果显示：CCN日变化明显，雨、雾对CCN浓度有较大的影响，清洁地区比污染地区的C值小^[12]。这些研究都表明，CCN数浓度随时空变化显著，具有很强的局地性。

贵州西部的威宁县属西南清洁地区，为研究该地的CCN特征及其对雨雾滴谱的影响，我们于2014年1月在威宁进行了CCN及雨、雾滴谱的观测研究，并结合地面气象资料，分析了威宁CCN数浓度和雨、雾滴谱特征，初步探讨了CCN对云雾降水的影响。

1.资料与方法

1.1 观测地点

威宁县位于贵州省西北部乌蒙山区，地处云贵交界滇东北高原顶端，平均海拔2200 m，有“贵州屋脊”之称。县境中部为开阔平缓的高原，四周山高谷深。乌蒙山分东、中、西三条山脉贯穿县境，从西北到东南形成分水岭和冷空气屏障线，使云贵准静止锋在该县中部一带摆动；配合低层大气环流，导致威宁境内气候差异极大。由于海拔高，威宁大部分地区属南温带高原季风湿润气候，南部和西部1800 m以下为亚热带气候。年温差小，日温差大，水汽充沛，冬暖夏凉。观测地点位于威宁县城国家气候基准站院内（26.87˚N，104.28˚E，2237.5 m），于2014年1月4日-7日进行了CCN、雨滴谱、雾滴谱外场观测。

1.2仪器介绍

CCN的观测使用的是美国 DMT 公司生产的云凝结核计数仪( DMT-CCN)。该仪器核心部是一个圆柱形的连续气流纵向热梯度云室，其高50 cm 、内径 2. 3 cm，为了精确测量温度，在云室的上、中、下部分别安装了热敏元件，通过上、中、下部的 3 组热电制冷器( TEC) 分别控制上、中、下部分的温度，使得云室温度上低、下高，从而形成一定的温度梯。云室内壁维持一定量的水流以保持湿润。当大气环境中的气溶胶从顶部垂直进入仪器后，由于从云室内壁向云室内部的水汽扩散比热扩散快，气体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。当环境空气进入仪器后被分为采样气流和鞘流两部分，在这之后经过过滤和加湿，没有气溶胶粒子的鞘流环绕在采样气流周围进入云室，这样就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，之后滤去样本附近潮湿的空气。

雨滴谱的观测使用的仪器是Parsivel激光降水粒子谱测量仪，该仪器由德国的OTT公司生产，是一台以激光测量为基础的光学传感器，当有降水粒子穿过采样空间时，仪器通过测量降水粒子的宽度和通过的时间来计算降水粒子的尺度和速度。激光降水粒子谱仪测量的数据分为32个速度测量通道和32个尺度测量通道，尺度范围是0.2至25mm，速度尺度是0.2至20m/s，观测时取样的时间间隔设置为1min。可以显示的降水粒子分为：无雨、毛毛雨、小雨、雨、大雨、冰粒子、小冰雹、冰雹、大冰雹、小雪、雪、大雪、混合型降水等。

雾滴谱的测量使用的仪器是FM-100雾滴谱仪，该仪器的主要部分由一个电子信号处理器，一个真空匣（使粒子从光束中通过）和一个光具座组成。云雾滴粒子在通过光学窗口被射激光二极管中发出的光照到后发生散射，聚光镜将散射的光导入前端的前向探测器和隐蔽探测器，光具座将通过的单个粒子的前向散射光收集起来，光脉冲由电子信号处理器转换成电压差，并放大，过滤最后数字化，激光的散射强度由粒子的粒径决定，得到不同粒径下云滴的个数。激光波长为680nm，测量粒径范围为 0 ~ 50μm，分为20档，0.5~1μm段的测量误差较大不予采用，测量粒子浓度范围为0 ~ 5000个/cm3，采样频率范围为0.1-10Hz，采样气流大小为15m/s。观测期间采样间隔为2s。

1.3 数据处理

过饱和度的设定分为4档，其分为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%，为了避免在观测中过饱和度出现太大的变化，先采用了过饱和度从0.2%到0.8%递增之后又反向递减的变化方式进行观测，如此就避免了过饱和度出现过大的跨度，使得测量数据的质量可以得到更好的控制。对得到的原始数据做了剔除仪器开机后和每次过饱和度换挡时前五分钟的数据，并剔除了“Temps Stabilized”为 0 时的数据，这么做是因为考虑到开机后仪器需要一些时间来稳定，还有CCNC在过饱和度换挡时会出现不稳定的问题。

将得到的原始数据经过表格的函数处理后得到在四个不同过饱和度0.2%、0.4%、0.6%、0.8%下每天数据的24个时辰的CCN的平均浓度，并依据处理后所得到的数据在经过Origin作图，作图得到不同过饱和度下CCN浓度的日平均变化曲线图以及可以直观显示CCN数浓度最大值与最小值的柱状图。

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