泰山地区夏季云凝结核演变特征观测分析

论文总字数：21170字

目 录

1.引言 1

2.资料与方法 1

2.1观测地点与观测时间 1

2.2观测仪器和数据来源 1

2.3数据处理方法 3

3.结果与分析 4

3.1CCN总体变化特征 4

3.2CCN日变化 6

3.3气象要素与CCN浓度的关系 8

3.4不同天气条件下的CCN 活化谱 12

4.总结与讨论 14

4.1结论 14

4.2不足与展望 15

参考文献 15

致谢 18

1.引言

云凝结核，又称CCN（cloud condensation nuclei），是指大气中的水汽能在其表面凝结成云滴（液态或固态）的悬浮微粒。CCN的来源多样，包括森林火灾、火山灰尘、海洋生物、人类以及其他生物活动等排放的一些硫化物、有机物^[1]。但是随着工业化发展，人类利用土地方式的变化，沙尘也成了不可忽视的一部分^[2]。

CCN可以改变云的理化特性，在云的形成和降水过程中有着很重要的作用，而且可以通过影响云的寿命及云滴的初始大小分布进而影响气候^[3-4]。它是在气溶胶和降水的形成过程中间的一个很重要的环节，云滴数浓度和CCN数浓度密切相关^[5]，CCN的浓度过高，会使云滴数量增加，云滴半径减小，进而抑制暖云降水的发生^[6]，而在冷云降水过程中，CCN能影响云滴的尺度，从而影响降雪率^[7]，在最近连续几次IPCC报告中都提到了，在所有的引起气候变化的人为因素中，属CCN引起的气溶胶间接气候效应的不确实性最大。

国内外学者针对CCN浓度在时间与空间的分布特征在不同地区做了很多外场观测实验。在20世纪80年代，我国采用了美国Mee公司生产的130型云凝结核计数器对西北地区、青岛沿海等地进行了大量的CCN观测分析，比如何绍钦在1987年对西安市和夏季青岛沿海进行过观测分析，并对气溶胶粒子谱分布及谱分布函数作了探讨^[8]；樊曙先和安夏兰，在2000年对贺兰山地区CCN进行过观测，发现沙尘天气没有明显地增加CCN浓度^[9]。但是由于130型云凝结核计数器并不能对气流进行连续采样，还包含粒子增长时间长、定标困难等缺陷，在国内已经停止使用。目前国内使用的是更为先进的由美国DTM(Droplet Measurement Technologies)公司生产的连续气流纵向热梯度云凝结核计数器，它可以测量地面和高空的CCN浓度。在近十年里，众多学者利用新仪器对国内各地区也展开过许多研究。比如2012年桑建人、陶涛等，对贺兰山两侧沙漠及污染城市CCN分布进行过观测研究，发现CCN主要来源于下垫面，污染地区的浓度明显高于沙漠地区，城市污染对CCN的浓度影响很大，并且CCN日变化非常明显^[10]。李军霞、银燕等^[11]在2015年对山西云凝结核时空分布特征进行过观测分析，发现山西地区的CCN浓度一直增高，主要是因为当地人燃煤所致。还有很多学者使用新仪器对天津、石家庄、南京等地进行过许多CCN活化谱的分析 ^[12-14]，得到了很多有意义的结果。

然而，CCN特征的观测分析在高山地区以及长江三角洲背景地区的研究较少，并且缺乏与国外的比较。2014年，李力、银燕、缪青、秦彦硕等^[15-18]对黄山地区的CCN展开过一系列的研究，对黄山气溶胶数浓度、云凝结核浓度、吸湿性增长因子、云微物理特征以及化学成分进行了观测分析，揭示了很多相关原理和新的特征。对于五岳之首的泰山，最近的相关研究也只是在2012年^[19]，随着时间的流逝，人类生活生产的改变必定会使得CCN的数浓度变化产生新的特征。本研究将观测地点选取在泰山山顶，并通过最新的观测数据，分析泰山顶部夏季云凝结核的演变特征。

2.资料与方法

2.1观测地点与观测时间

观测点位于泰山日观峰泰山气象站（36°16′N，117°6′E，海拔1534m）。因为泰山顶的CCN浓度水平具有较好的区域代表性，所以可以用于研究CCN的输送^[20]。观测时间为5月15日到6月24日。

2.2观测仪器和数据来源

泰山观测期间，使用美国DMT公司设计制造的云凝结核计数器来观测山顶在不同过饱和度下的云凝结核数浓度。通过设定CCNC内部云室的过饱和度，从而实现连续测量连续气流在相应的过饱和度下CCN的浓度。CCNC的核心部分是一个圆柱形的连续气流纵向梯度云室，云室高为50cm，内径为2.3cm。云室上中下部分分别安放了用以精确测量温度的热敏元件。在云室的上中下部分安装了3组热电制冷器从而实现云室内温度呈现出从低到高线性增加的情况，以形成一定温度梯度。云室的内壁维持定量的水流来保持内部的湿润。因为从云室内壁向云室内部的水汽扩散速率大于热扩散速率，所以在云室的中心垂直区域的过饱和度达到最大值。环境空气在进入仪器后被分成了采样气流和鞘流两部分，经过过滤与加湿，鞘流去除了原有的气溶胶粒子，然后环绕采样气流进入云室，使得采样粒子被限制在云室中心垂直区域，并在设定的过饱和度下活化增长。粒子在活化后，进入位于云室下面的光学粒子计数器OPC（Optical Particle Counter）腔体。OPC中的照射激光的波长为660nm，活化的CCN粒子在通过侧向散射计算后得到其尺度和个数。DMT CCN仪器的主要参数见表1。

表1 DMT仪器主要参数

本文所用数据是通过在泰山山顶利用CCNC，设立了0.1%、0.3%、0.5%、0.7%、0.9%，5个过饱和度的档位，每个档位的时间设置为5分钟，并且采用从0.1%到0.9%递增再到0.1%递增到0.9%，如此反复进行连续观测，并且为了避免过饱和度从0.9%到0.1%档位跳动太大使得数据不准确，将从0.9%跳档后的0.1%档位时间设置为10分钟，并且考虑到每次连续换挡的稳定问题，以及仪器开机后需要时间稳定，将档位时间5分钟的数据剔除前1分钟和后1分钟的数据，对档位为10分钟的数据剔除前5分钟，后2分钟的数据。并且特出了所有“Temps Stabilized”为0的数据。同时，本文也用到了同步取自泰山气象站的气象要素观测数据，包括降水量、相对湿度、风向风速、边界层高度等。

图 1 观测期间泰山山顶的气象要素随时间的变化

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