不同水汽环境条件下云凝结核浓度对热带气旋发展影响的数值研究

利用WRF模式模拟在清洁海洋大气和污染大气环境下,气溶胶的云凝结核浓度(Cloud Condensation Nuclei,CCN)对热带气旋的强度变化影响。在污染环境下,云凝结核浓度增多,台风区域云水混合物浓度增大,眼墙附近上升运动减小,而台风外围螺旋雨带对流发展,从而抑制低层入流,台风强度减弱,外围尺度增大。在不同环境场水汽条件下,通过热、动力结构和云微物理量的对比分析,结果表明:环境场水汽条件对台风的发展起到至关重要的作用。当环境场水汽条件较干时,CCN浓度对台风发展影响作用不明显,台风发展缓慢。而在充足水汽条件下,CCN浓度对热带气旋发展有明显的影响。本文结果表明,在考虑污染情形下台风变化,需要综合考虑环境场水汽条件。

南海大气颗粒物数浓度(N_(CN))与云凝结核数浓度(N_(CCN))分布特征及不同来源颗粒物活化特性分析

本研究于2020年9月,在中国南海进行大气颗粒物粒径分布(PNSDs)与云凝结核数浓度(N_(CCN))观测,并在剔除船舶自身排放的污染信号数据后进行了颗粒物数浓度(N_(CN))、吸湿性参数(κ)与活化率(AR)计算分析。研究结果显示,南海海域N_(CN)范围为(0.78~34)×10^(3)cm^(-3),计算均值为(4.1±4.0)×10^(3)cm^(-3),与未受到明显陆源颗粒物传输影响时段下的清洁海洋背景数浓度值相比高约一个数量级。结合后向气流轨迹分析发现,南海秋季颗粒物受陆源与海洋源的共同影响,当受陆源影响为主时,气溶胶颗粒物主要来自亚欧大陆与菲律宾群岛,对应来源下的N_(CN)均值分别为(2.7±0.68)×10^(3)cm^(-3)与(8.3±4.9)×10^(3)cm^(-3),在过饱和度(SS)为0.4%下,N_(CCN)(N_(CCN0.4))均值分别为(1.5±1.3)×10^(3)cm^(-3)与(0.88±0.61)×10^(3)cm^(-3),由于菲律宾群岛的颗粒物老化程度低,导致对应SS=0.4%过饱和度下活化率(AR_(0.4))为15%,明显低于亚欧大陆气团(20%)。海洋源颗粒物数浓度为(2.2±0.65)×10^(3)cm^(-3),N_(CCN0.4)为(0.48±0.20)×10^(3)cm^(-3),且N_(CN)和N_(CCN)随风速的增加均略有升高,但AR值基本不变。亚欧大陆源与海洋源颗粒物粒径分布呈现明显的Aitken模态与积聚模态双峰分布特征,但来自菲律宾群岛的颗粒物整体呈现较高浓度水平,并主要集中分布在Aitken模态,积聚模态颗粒物不明显。在9月17与18日观测到两次由气溶胶核模态开始持续数小时的新粒子生成事件(NPF),N_(CN)相比观测期间均值增加了近一倍。由于17与18日颗粒物模态分布存在差异,17日可活化颗粒物数浓度以及积聚模态颗粒物数浓度较多,导致17日活化形成的N_(CCN)与κ值和18日相比存在差异性。本研究通过对中国南海大气颗粒物与云凝结核(CCN)观测数据的分析,为研究不同海洋环境特征下颗粒物对活化形成CCN的差异提供了科学依据。

南京北郊夏季云凝结核活化特性研究

采用SMPS-CCNC联用的方法,于2018年7月~8月在南京北郊地区,对大气环境中气溶胶的云凝结核(CCN)活化特性进行了观测研究.观测结果表明南京北郊地区夏季的气溶胶吸湿性参数(κ)平均值为0.31;不同过饱和度(S)下的CCN数浓度(NCCN)为(1.43±0.60)×10^(3)个/cm^(3)(S=0.13%),(2.64±1.06)×10^(3)个/cm^(3)(S=0.23%),(3.88±1.35)×10^(3)个/cm^(3)(S=0.41%),(4.81±1.64)×10^(3)个/cm^(3)(S=0.59%),(5.58±1.88)×10^(3)个/cm^(3)(S=0.77%),并且有明显日变化特征,峰值出现在傍晚18:00~23:00时之间;夏季新粒子生成使总气溶胶数浓度(NCN)和NCCN显著提升;同时对比分析典型天气日发现,不同S下双高污染日(高PM_(2.5)浓度、高O3浓度)的NCCN高于对照日(低PM_(2.5)浓度、低O3浓度)的NCCN,κ值(0.33)也大大高于对照日的κ值(0.22),其主要原因是受PM_(2.5)的化学成分特征的影响,且夏季较高的O3浓度加快了光化学或臭氧氧化反应,促进了二次气溶胶的形成和老化.

石家庄地区雾霾天气下云滴和云凝结核的分布特征

2009年5~10月在石家庄地区对雾霾天气下的近地面到高空的云雾滴和云凝结核（CCN）进行了7架次飞机探测.利用PMS云粒子测量仪器、机载温湿仪和连续气流纵向热梯度云凝结核仪获得的云雾粒子和云凝结核（CCN）探测资料,分析了层积云（Sc）和高积云（Ac）中云粒子浓度、液态含水量、粒子算术平均直径和粒子有效平均直径的垂直分布特征;分析了CCN垂直和水平分布特征以及谱分布.结果表明雾霾天气状况下,云滴数浓度在102个/cm3量级上.高云粒子粒径总体大于低云粒子.云含水量平均值范围为0.03~0.14g/m3;地面到600 m高度内,CCN值的平均值为3034cm-3（过饱和度S=0.3%）.对CCN的活化谱进行拟合表明石家庄属于典型大陆性核谱,云对CCN有消耗作用,逆温层的存在使得该区CCN浓度累积增加.

南京夏季气溶胶吸湿增长因子和云凝结核的观测研究

为了更加全面地研究长三角地区气溶胶的理化特性,尤其是吸湿和活化特性,于2013年8月在南京市区对气溶胶的吸湿增长因子（GF）和云凝结核（CCN）展开相关观测研究.使用串联电迁移率颗粒物吸湿粒径分析仪（H-TDMA）观测32~350nm气溶胶在相对湿度为90%条件下的吸湿性参数,使用云凝结核计数器（CCNC）观测过饱和度在0.2%~0.8%的CCN数浓度.结果表明,不同气溶胶粒子的吸湿增长行为均表现出较为明显的双峰分布,即一个强吸湿模态和一个弱吸湿模态,且吸湿性在不同粒径（爱根核模态和积聚模态）上存在较为明显的不同,不溶性物质和二次气溶胶所占比重较大,并且在稳定的天气条件下,气溶胶的混合状态表现为由外混向内混发展的过程.观测期间该区域CCN的平均数浓度为13776（0.6%）cm-3,比沿海区、山区、干旱地区及清洁城市地区要高很多.其日变化表现为中午时刻出现峰值,影响因素主要与光化学反应有关.同时25日出现的轻雾过程对CCN有较为明显的清除作用.通过吸湿性参数计算得到的CCN数浓度和实际观测得到的CCN数浓度进行了闭合实验,结果显示出较好的相关性,表明将未饱和条件下观测得到的吸湿性参数带入到K？hler方程中,即可预测过饱和条件下气溶胶的活化能力.

黄河上游云凝结核观测研究

分析了 2 0 0 0、2 0 0 1年 8月在黄河上游的玛曲～河南县利用美国Mee公司的 1 30型云凝结核计数器观测的资料 ,讨论了凝结核的谱型 ,浓度随饱和度、天气状况及一些气象要素变化的关系 ,通过与其它地方观测结果的比较 ,可以看出在地表植被较好的黄河上游牧区 ,人类活动、污染较少 ,其自然凝结核少 ,浓度与青岛的测值相近 。

黄山地区不同高度云凝结核的观测分析

为研究华东高山地区云凝结核(Cloud Condensation Nuclei,CCN)沿山峰的垂直变化特征,2011年6月利用云凝结核计数器(Cloud Condensation Nuclei Counter,CCNC)在黄山三个不同高度处对CCN进行观测。观测结果表明,不同高度的CCN浓度随时间的变化趋势基本一致,CCN浓度随高度的升高而减小,过饱和度为0.8%时山顶、山腰、山底CCN浓度平均值分别为1105.62、1218.39和1777.78 cm^(-3),山底的高CCN浓度(大于1000cm^(-3))出现频率大于山腰和山顶,表明山底受周边污染源的影响较山顶和山腰大。山顶和山底的日变化曲线均为双峰型,两个峰值分别出现在午前和午后,与大气边界层高度及山谷风变化有关。利用公式N=CS^k拟合了山顶在不同天气条件下CCN活化谱,并分析了其变化特征。结果显示,晴天、雨天和雾天的C值分别为2798、384、765,小于一些污染城市,属于清洁大陆型核谱。本文结果有助于改进对华东背景地区云凝结核时空分布的认识,为该地区云雾核化在数值模式中的表达提供观测依据和参数化方案。

山西云凝结核时空分布特征观测

选取2011年1～12月山西太原云凝结核（CCN）观测数据,对CCN的季节、月、日变化特征进行了分析,并与国内外同类研究进行了对比.结果发现,冬季CCN数浓度最高,春秋季次之,夏季CCN数浓度最低.CCN数浓度的最高值出现在1月,最低值出现在6月.夏季较多的降水天气对CCN的湿清除作用明显,冬季供暖期间（11～12月及1～3月）,CCN数浓度明显增大.CCN数浓度日变化一般呈现两个峰值,分别出现在07：00～11：00和17：00～20：00.利用公式N=CSk拟合了不同季节地面CCN核谱,得到春夏秋冬四季对应的拟合参数C值分别为10983、2454、7614、16421,k值均小于1,为典型的大陆型核谱.通过2013年夏季在山西中部地区开展的CCN飞机观测,研究了CCN数浓度的垂直廓线.CCN数浓度在近地面最大,随高度逐渐降低.在0.3%和0.4%过饱和度下,2000m以下CCN数浓度平均量级均为103cm-3,3000m以上CCN数浓度平均量级降低至102cm-3。

干旱区云凝结核分布及其影响因子的观测研究

利用DMTCCN仪对宁夏盐池、银川地区地面及高空的云凝结核(CCN)进行实时连续观测.大量资料分析结果表明,CCN日变化明显,受人为因素影响,清晨和傍晚出现高值.夜晚温度与CCN浓度呈正相关,白天相反;强降水对CCN具有一定冲刷作用;沙尘气溶胶没有有效增加盐池地区的CCN浓度.与华北地区比较,银川、盐池地区CCN浓度偏低.此外,研究表明,过饱和度越高,活化CCN浓度越大.根据N=CSK拟合活化谱,银川属于典型大陆性核谱.由于云内清除作用,高空CCN浓度下降明显,但逆温层的存在使得该区CCN浓度累积增加.

云凝结核浓度对WRF模式模拟飑线降水的影响:不同云微物理参数化方案的对比研究

采用WRF模式模拟一次影响中国广东省的飑线过程,分别选取Morrison、Thompson07、Thompson09和WDM6云微物理方案实施了四组试验,每组试验包括不同云凝结核(CCN)浓度的三次模拟,称为"低浓度"、"中浓度"和"高浓度",将模拟区域划分为深对流、浅对流和层云区域,对比分析四组试验中CCN浓度变化对模拟的总降水量、不同区域降水率和不同区域面积的影响,进一步分析了云微物理过程、动力环流强度等受CCN浓度变化的影响。发现:(1)由于不同云微物理过程与CCN浓度有着直接或间接的联系、不同云微物理过程之间存在复杂的关联、云微物理过程与动力环流之间发生非线性耦合,采用不同的云微物理方案导致模拟的CCN—降雨影响既有相似、也有差异;(2)模拟的CCN—降水影响在采用Thompson09和Thompson07方案时更显著,采用WDM6方案时最小;(3)四组模拟试验均出现CCN浓度增加延迟降水产生、初期降水减弱的情况,在模拟后期降水量也随着CCN浓度增加而减小,而飑线成熟阶段CCN—降水影响更加复杂。

热带深对流云砧数值模拟及云凝结核数浓度对其影响的初步试验

利用中国科学院大气物理研究所发展的三维强风暴模式,对Egrett Microphysics Experiment with Radia-tion Lidar and Dynamics(EMERALD)试验期间的一次长寿命热带深对流个例进行对流产生、发展、消亡过程以及云砧的数值模拟,并与实测资料[包括C波段双线偏振雷达图像资料、机载云粒子成像仪(CPI)探测的云砧卷云微物理特性以及激光雷达探测的云砧宏观特性资料]进行了细致的对比,然后通过改变模式中最大云滴数浓度进行有关云凝结核数浓度影响云砧卷云冰晶含水量和数浓度的敏感性试验。模式较好地模拟出系统的一些重要宏观特征,如爆发性增长阶段、各高度雷达水平反射率因子的最大值、对流云主体移动方向、云砧底部和顶部高度。对云砧冰相粒子含水量、数浓度以及平均直径等微观特征的模拟结果与实测也比较接近。对于本文个例而言,异质核化为冰晶形成的最主要方式,其次为过冷云滴的均质核化。敏感性试验结果表明:当云凝结核数浓度增加时,爆发性增长阶段的垂直速度减小,使得对流云从中低层向高层的水物质输送量减少,从而使云砧卷云冰晶的数量减少。

2007年夏季我国西北地区云凝结核的观测研究

利用连续气流纵向热梯度云凝结核仪对我国西北地区2007年夏季空中和地面的云凝结核(CCN)进行观测研究,并对观测结果进行了对比分析。飞机观测资料表明,西北地区的CCN主要来源于地面,近地层浓度较高,CCN浓度随高度增加而减少。污染城市上空的CCN比一般地区上空浓度高,浓度随高度变化趋势相同;地面观测结果显示,CCN具有明显的日变化,与人类活动、气象因子和下垫面相关;污染地区和清洁地区的CCN浓度在相同过饱和度下差异很大,在低过饱和度下浓度相差可达一个量级。根据关系式N=CSk拟合得到的地面CCN活化谱参数,银川地区的C值明显较大(>2200),k值较高(约0.7),表明银川地区具有大陆性特征;而祁连山地区C值较低(<2200)、k值较高(约0.77),属清洁型大陆性特征。

背景场云凝结核浓度对理想热带气旋强度的影响

采用中尺度模式WRF中"Aerosol-aware"Thompson云微物理方案,分别进行了干净、污染、重度污染大气情景下的3个试验,研究了背景场凝结核浓度对理想热带气旋(Tropical Cyclone,TC)强度的影响。结果表明,凝结核增加导致TC强度减弱,而最大风速半径和外围风圈半径变化不明显。不同试验眼墙降水的时空分布差异较大,但降水总量的变化较小。重度污染大气下的云滴数量远大于干净大气下,不同试验中水物质变化及其形态间转换的分布存在较大差异。正是这种差异导致了不同的潜热加热分布特征,与热力动力过程作用,对TC强度产生了不同影响。如重度污染下发展的TC外围潜热增加,减少了和TC中心的气压梯度,导致水平方向气压梯度力减弱,TC强度减弱。TC减弱和外雨带的发展也密切相关,外雨带降水过程中,形成地面冷池流入TC眼墙,可导致TC强度减弱。这表明"Aerosol-aware"Thompson方案对气溶胶影响描述较为合理。

华北部分地区云凝结核的观测分析

利用美国DMT公司生产的连续气流单过饱和度云凝结核计数器对华北部分地区地面和空中云凝结核(CCN)进行了观测研究。地面观测结果表明,太原由于污染严重CCN数浓度高于石家庄。CCN数浓度日最大值、日平均值均随过饱和度的增加而增大。CCN数浓度具有明显的日变化特征,与气象因子、人类活动有关。降水对地面CCN具有明显的冲刷作用。利用关系式N=CSk拟合太原地面CCN活化谱,C>2200cm-3,k<1,C、k值很高,属于典型的大陆型核谱。飞机观测资料显示,CCN主要来源于地面,数浓度随高度增加明显减少。高空风向发生变化时,长距离气团输送提供CCN二次源。云对CCN有消耗作用,云内CCN比云外明显减少。

华北地区云凝结核的观测研究

利用连续气流纵向热梯度云凝结核仪对中国华北地区空中和地面的云凝结核(CCN)进行了观测研究。2005年秋季和2006年春季的飞机观测结果表明,华北地区的CCN主要来源于地面,近地层CCN浓度较高,CCN浓度随高度增加而减少;CCN的分布与地面源地密切相关,污染地区乡村上空CCN浓度比无污染地区乡村高5倍以上,而污染城市上空的CCN浓度无显著差异;水平穿越淡积云云簇时云内CCN明显减少,表明云对CCN的消耗作用。2005年夏季石家庄地面CCN观测显示,同一过饱和度(S)下的CCN浓度差异很大,在S=0.1%、0.3%和0.5%下的最小值分别为584、808和2431个/cm3,最大值分别为9495、16332和21812个/cm3;CCN有明显的日变化,06时以后浓度开始上升,上午至中午前后达到极大值,下午浓度下降,原因可能是由于上午汽车排放以及光化学产物开始增加所致;降水对CCN具有冲刷作用。本文根据关系式N=CSk拟合得到的空中和地面的CCN活化谱参数C值明显较大(大于1000),k值较高(约0.7),表明华北地区CCN具有大陆性特征。

一种改进的DMT云凝结核计数器过饱和比标定方法

提出一种改进的标定云凝结核计数器中等效过饱和比的方法。相对于DMT公司的标定方法,该方法在流程和数据处理方面都做了改进。标定时观测完整的硫酸铵活化率曲线,通过高斯误差函数拟合的方法确定硫酸铵活化的临界粒径,从而减少标定结果的误差。根据该方法,用户可自行对DMT云凝结核计数器云室过饱和比进行周期性的检验和标定,保证高质量的云凝结核观测。

天津武清地区云凝结核变化特征

利用2009年11—12月在天津武清气象局测量的云凝结核(CCN:Cloud Condensation Nuclei)浓度资料以及气溶胶数谱分布的观测资料,分析了武清地区在不同过饱和度(0.1%～1.0%)下云凝结核浓度及活化率的变化特征。结果表明:武清地区冬季CCN数浓度变化范围很大,过饱和度1%时,浓度变化范围为4000～32000cm-3,且浓度受风速影响明显,风速2级以下CCN数浓度很高,过饱和度1%时,其平均浓度可达16000cm-3,但对于4级风速以上CCN平均浓度为4000cm-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08:00和18:00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。

贺兰山地区云凝结核浓度的测量及分析

利用热扩散型云凝结核计数器在贺兰山地区进行地面和空中云凝结核 ( CCN)观测。结果表明 ,在该地区夏季地面平均 CCN浓度为 610 cm- 3,最大浓度达 10 4cm- 3。沙尘天气现象没有明显地增加 CCN浓度。层状云中

有机酸对云凝结核形成的影响

对流层中的有机酸主要来源于人类活动和自然的排放,它们对云成核现象有重要作用并且对云凝结核(CCN)的数量有显著的贡献,但具体哪些种类的有机酸起着什么样的作用以及有多大的作用却鲜为人知。为此,本文结合国内外在相关领域的研究成果,概要介绍了对流层中有机酸(主要是甲酸,乙酸,丙酮酸,草酸)的含量、来源、存在形态及其对云凝结核影响。

云凝结核数浓度观测影响因子的实验室研究

气溶胶的云滴活化能力影响云的微物理特性,还表征气溶胶吸湿性的强弱。活化气溶胶(即云凝结核,Cloud Condensation Nuclei,CCN)的观测研究中的重要方法是CCN计数器(CCN Counter,CCNC)的应用。针对CCNC观测的影响因子进行了实验室研究。实验结果表明,CCNC所处的气压和设置的流量会对过饱和比产生等比例的影响,而进气温度可能导致非线性的影响。实验中发现当气压差超过300 h Pa时,CCNC气压调节装置会导致气溶胶的损失,且损失的比例随着压差的增大而增大。在气溶胶浓度超过10000个/cm3、过饱和比低于0.2%时,会出现对CCN数浓度的低估,可能是由于水汽消耗导致CCN无法全部活化而不能被CCNC观测。研究结果及给出的建议对CCN的观测有指导意义,同时有利于CCN数据的质量控制和分析工作。