山西地区对流层中低层气溶胶活化特性的观测研究

Aerosol activation property is a key factor in the research of aerosol-clouds interaction. It is very meaningful to carry out observational research about aerosol activation properties on the ground and in the vertical scale of atmosphere in different areas. In this project, airborne and ground-based measurements of aerosol and cloud condensation nuclei (CCN) properties are planned over Shanxi area of North China. Aerosol activation properties in the middle and lower troposphere (below 6000m) of Shanxi will be studied deeply and thoroughly. The main contents include four aspects.(1) Vertical profiles of aerosol number-size distribution, mass spectrum, CCN number concentration and CCN fraction (CCN/CN) will be got and analyzed on different weather background in Shanxi area; (2)To carry out single aerosol particle sampling at different heights, and study the chemical constituents and mixed state of aerosol particles; (3) Design the airborne and ground-based observational experiments of aerosol activation properties scientifically, and get the size-resolved activation curve of aerosol on the ground and in different heights. Furthermore, to explain its activation mechanism based on the physical properties, chemical composition, size-resolved hygroscopicity characteristics and mixed state of aerosol; (4) The parameterized scheme of aerosol and CCN transformation relationship in different heights will be established through closure tests of aerosol physical and chemical features with CCN number concentration by using fitting calculation methods based on the large amount of observational data. The results of this research will provide new experimental basis for objective assessment of the aerosol effects on environment and climate radiation forcing, and will help to establish and modify the parameterized scheme of aerosol-cloud coupling models.

气溶胶活化特性是研究气溶胶与云相互作用的关键因素，开展地面及高空特别是垂直尺度上气溶胶活化特性的观测研究具有一定的科学价值和意义。本项目以山西作为外场观测基地，综合利用飞机-地基观测设备，开展空中和地面气溶胶观测，深入研究对流层中低层(6000m以下)气溶胶的活化特性，包括：①获取不同天气背景下对流层中低层气溶胶数谱、云凝结核（CCN）数浓度及CCN比率的垂直廓线；②在不同高度进行气溶胶单颗粒物采样分析，研究气溶胶的化学组分与混合状态；③科学设计地面及空中CCN活化特性观测实验，获得地面及高空气溶胶分粒径活化率特征，并从气溶胶物理特性、化学组分、吸湿特性和混合状态等方面解释其活化机理；④开展气溶胶理化特性与CCN数浓度闭合实验，通过拟合计算等方法，建立不同高度气溶胶-CCN转化的参数化方案。研究成果将对客观的评估气溶胶对气候辐射强迫的影响及气溶胶耦合云参数化模式的改进提供实测依据。

气溶胶活化特性是研究气溶胶与云相互作用的关键因素，开展地面及高空特别是垂直尺度上气溶胶活化特性的观测研究具有一定的科学价值和意义。本项目以山西作为外场观测基地，综合利用飞机-地基观测设备，开展空中和地面气溶胶观测，研究对流层中低层气溶胶的活化特性。项目通过对2013-2018年开展的气溶胶、云凝结核以及云的地面-飞机综合观测试验，获取到大量宝贵的观测数据，并对其进行深入分析，主要研究成果总结为以下五点：①以飞机作为主要观测平台，空地联合，使用多种仪器观测，揭示了山西地区对流层中低层（地面至6000m高度）气溶胶粒子数浓度、尺度谱分布、光学特性参数以及云凝结核（CCN）数浓度和活化比率的垂直分布特征；②通过地面云凝结核时空分布及活化特性观测，得到太原地区云凝结核数浓度的日变化、全年变化特征及核谱特征，提供了真实、丰富的观测数据及参数化特征；③通过地面气溶胶活化特性观测，得到山西地区气溶胶粒子在不同过饱和度下的分粒径平均活化率曲线；④通过对气溶胶数浓度、CCN数浓度、气溶胶活化率、气溶胶吸湿增长特性(κ)、f44、粒子尺度谱分布的日变化进行综合分析，研究了气溶胶粒径大小和化学组分对其活化特性的影响；⑤基于飞机对气溶胶、CCN与云滴的观测，对气溶胶和暖云的相互作用进行了分析研究，获得了气溶胶以及暖云滴的谱分布特征，不同气溶胶背景条件下气溶胶-云滴相互转化的关系，对气溶胶活化为云滴过程及微物理特性有了新的理解。项目研究形成了对山西地区的气溶胶理化特性、时空分布、气溶胶活化特性及气溶胶与云滴转化的客观认识，研究成果对区域大气物理和大气环境研究、天气和空气质量预报、气候预测分析、人工增雨作业设计以及气溶胶和云数值模拟提供实测数据和科学依据，同时为区域大气环境治理和防灾减灾提供科学参考。