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目 录

1 引言 1

1.1 冰核的定义及来源 1

1.2 大气冰核观测仪器及方法的发展 2

1.3 大气冰核浓度的观测研究 2

2 观测仪器与方法 3

2.1 观测地点及方法 3

2.2 观测仪器 3

2.3 冰核实验设计 6

3 结果与讨论 6

3.1 冰核浓度与活化温度的关系 6

3.2 冰核浓度与相对湿度的关系 7

3.3 冰核浓与不同粒径段气溶胶粒子浓度的关系 10

4 结论 11

参考文献 13

致谢 15

南京北郊大气冰核的观测研究

何川

, China

Abstract: In this study, a high-voltage ice nuclei collector and a static vacuum water vapor diffusion cloud chamber, were combined with Wide-range particle Spectrometer (WPS) to simultaneous observe the number concentration of ice nuclei and aerosols in Suburbs of Nanjing from 20 April 2017 to 26 April. The results show that the number concentration of ice nuclei in deposition nucleate mode is the highest at the activation temperature of and the supersaturation with respect to ice equals 22%, which is 6.85 , the ratio of concentration of ice nuclei to concentration of aerosols between is , so the nucleation rate of ice nuclei is very low. The concentration of ice nuclei increases exponentially with the decrease of activation temperature and the increase of relative humidity, the fluctuation range of the concentration of ice nuclei also increases with the decrease of activation temperature and the increase of relative humidity. In this study, the exponential change in the concentration of ice nuclei is not obvious at the higher activation temperature and the lower humidity, when the temperature is between and the supersaturation with respect to ice is between , the exponential change in the concentration of ice nuclei is obvious. The parameterization of the concentration of ice nuclei as a function of temperature and supersaturation in Nanjing is: , the correlation coefficient . There is a closer relationship between the concentration of ice nuclei and the number concentration of aerosols which is bigger than ，and the correlation is better at lower temperature.

Key words: Ice nuclei Aerosol Deposition nucleation Cloud chamber

引言

1.1 冰核的定义及来源

近年来，随着全球气候变化以及空气污染的加剧，气溶胶对辐射平衡和云降水的影响成为了人们关注的热点问题，其中，相对于气溶胶作为云凝结核（Cloud Condensation Nuclei, CCN）影响暖云降水过程的研究，气溶胶充当冰核（Ice Nuclei, IN）影响冷云降水过程的研究相对较少^[1]。

大气冰核指的是大气中能够使水汽在其表面发生凝华或者过冷水滴冻结而产生冰晶的气溶胶粒子。在冰核研究发展的初期，有学者认为云中冰晶的出现可能是因为存在一种可以使得小水滴发生冻结或者水汽能够在其表面发生凝华的核，这就是大气冰核的雏形^[2]。冷云中的冰相核化过程有两种：同质核化（没有冰核存在）和异质核化（有冰核存在）。实验证明，同质核化的发生需要温度低于，且湿度相对水面接近饱和，而异质核化可以在温度远高于且湿度只需要相对冰面接近饱和的情况下就可以发生^[3]。大气冰核形成冰晶的异质核化机制有四种。水汽直接在气溶胶粒子表面凝华形成冰晶称为凝华核化；水汽在气溶胶粒子表面先凝结成液相然后冻结成冰晶称为凝结冻结核化；液态水滴与不可溶的气溶胶粒子接触然后在其表面冻结形成冰晶称为接触冻结核化；不可溶的气溶胶粒子浸没在液滴中发生冻结产生冰晶称为浸润冻结核化^[4]。在自然界中，大气冰核的浓度相对于气溶胶浓度是很小的，而其中能够作为凝华核的比例就更小了，换句话说，对于大多数冰核，它们都是通过液态过程形成冰晶，而对于凝结冻结核化、接触冻结核化以及浸润冻结核化这三种经历了液态过程形成冰晶的核化过程来说，成冰活性最高的是接触冻结核，活性最差的是浸润冻结核^[5]。

冰粒子在冷云的发生发展以及降水的过程中起到了非常重要的作用（特别是在中高纬度地区），因为冰晶存在于云的负温区中，而如果要形成降水的话，这些冰晶的增长是不可或缺的条件。大气冰核能够很大程度上促进云中的过冷水转化成冰晶，这是云降水理论研究中的基本问题，所以大气冰核能够直接影响云中冰粒子的浓度和粒径大小，从而间接的影响云的生命期以及降水的形成^[6]。还有研究指出，大气冰核可能通过改变云的微物理特征，改变云的反照率，进而影响到地气系统的辐射平衡过程，即云的反照率会随着冰核浓度的增大而增大，进而导致全球变冷^[7]。另外，对于我国大陆地区来说，降水的形式主要是冷云降水，而相对于气溶胶含量，自然大气中的冰核含量是很低，作用于冷云的人工增雨的基本原理就是通过人为增加冰核含量从而促进降水的产生。我国也是一个淡水资源稀缺的人口大国，所以深入研究大气冰核在云微物理过程中的作用对于开发我国空中潜在水资源有着重要的科学价值^[8]。

对于大气冰核的来源与组分问题，大量的研究认为矿物沙尘是大气冰核的主要来源，沙尘在较高的温度和较低的相对湿度条件下即可核化形成冰晶^[9]。许多实验研究证明，矿物沙尘作为冰核可以在温度高于的条件下核化，沙尘粒子（200-800nm）的中值冻结温度大约在之间^[4]。最近的一些研究显示，液滴在被硫酸盐覆盖的矿物沙尘粒子表面冻结可以发生在温度在左右的条件下，这个温度远高于纯硫酸盐的冻结所需要的温度^[10]。另外，一些生物气溶胶如真菌、细菌、花粉等粒子也具有一定的核化能力；含碳的烟尘和土壤粒子也可以作为冰核，但是相对于矿物尘和生物气溶胶粒子，它们发生核化需要更低的活化温度和较高的相对湿度；火山灰粒子和一些海盐粒子也具有冰相核化能力^[11]。然而也有研究将卷云中的冰粒子升华后，分析了其中残留物质的成分，结果显示，残留物质中矿尘和金属粒子占了绝对大的比例，元素碳、硫酸盐以及生物气溶胶的含量几乎为零^[12]。

1.2 大气冰核观测仪器及方法的发展

国外对于大气冰核进行广泛的研究是从20世纪50年代开始的，一代又一代大气物理学者们设计出了很多不同种类的观测仪器，提出了不同的观测方法，并且在世界各地进行了大量的实地观测，对不同种类的仪器优缺点进行了深入的分析和改进。

Bigg等在1957年首先设计了快速膨胀云室（rapid expansion cloud chamber），致力于测量大气冰核的浓度。该云室为混合型云室，底端为装有糖水比例为1:1的糖液的托盘，该托盘可以上下移动，云室外为制冷管，可以使云室内温度最低下降至，云室内温度稳定后通入饱和湿空气，冰核活化产生冰晶后会掉落在底部的托盘上，将托盘升起就可以读数。由于毕格快速膨胀云室是早期云室，材料价格比较低，虽然云室内的条件较接近自然界云中的实际条件，但该云室只能将采样与分析同时进行，取样地点受到很大的限制，而且只能得到所有核化机制的总冰核数浓度^[13]。

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