基于高山观测的华北地区大气冰核特征研究

Atmospheric ice nuclei, as one of the major research topics in Cloud and Precipitation Physics, playing an important role in weather forcasting and climate change. Ice nucleation can affect precipitation, cloud lifetime, and consequently radiative properties and climate. The research of atmospheric ice nuclei will improve our understanding on the mechanism of precipitation formation in the North China and provide useful information for the weather modification operations. In this project, comprehensive field measurements focusing on atmospheric ice nuclei will be conducted at a mountain-top site in the North China. With the Bigg mixing cloud chamber, filter membrane and continuous flow diffusion chamber (CFDC), the CCN counter，Aerodynamic Particle Sizer Spectrometer and HR-ToF-AMS, the intensive field experiments are used to study the physical and chemical properties of atmospheric ice nuclei including its variabilities, size distributions, chemical compositions and potential sources. Their relationships with meteorological parameters will also be studied. The results will not only help to further understand the role of ice nuclei on the formation of cloud and precipitation, but also improve the artificial weather modification service in 2022 Beijing Winter Olympics and Paralympic Games.

大气冰核是云和降水物理学的核心基础研究内容之一，对天气预报和气候变化研究至关重要，开展大气冰核研究对于提高华北地区降水形成机理的认识和指导人工影响天气作业有重要的科学意义。本项目基于高山站点观测华北地区大气冰核特征，拟通过比格混合云室、滤膜采样-静力云室、连续流量扩散云室（CFDC）等设备研究华北地区大气冰核在不同季节的背景浓度及变化特征，协同云凝结核计数器、气溶胶粒径谱仪、质谱仪等观测以揭示华北地区大气冰核与天气系统、气象要素、以及与不同成分气溶胶的关系，得到大气冰核的理化特征和华北地区冰核活化谱特征，以帮助我们深入了解大气冰核在混合云降水中的作用，对云降水理论研究和冬奥会人工影响天气作业提供一定的科学基础和参考依据。

海坨山区在华北平原的上风向，较少受人为排放的气溶胶影响，具有较好的区域代表性。华北地区降水受自西向东云系系统的影响大，海坨山区的大气冰核有机会直接参与云中的物理过程，与下游华北平原的成云致雨关系密切。本项目基于海坨山高山站点观测，通过不同的观测装置在春季、夏季和冬季测量了华北地区大气冰核的特征，结合常规气象要素、降水滴谱、气溶胶观测，分析了大气冰核数浓度特征和影响因素，并对冰核参数化方案进行了研究。项目使用了国内首台高性能在线连续流量扩散云室冰核测量仪，并研发了基于膜采样的浸润冻结机制冰核测量装置（FINDA）和静力扩散云室冰核检测装置。通过本项目的研究获得了华北地区大气冰核的背景特征，大气冰核在不同时间的浓度差异较大，夏季大气冰核浓度最高，日变化和昼夜变化不明显。大气冰核浓度随活化温度降低呈指数增加趋势，随过饱和度增加呈指数增加。沙尘过程对大气冰核的影响最大。降雪过程大气冰核具有先增加后减少的特征。降雪开始后大气冰核数浓度增加，降雪后期系统过境伴随的大风，对气溶胶的清洗作用明显，大气冰核随之减少。大气冰核的变化与CCN的浓度变化特征差异较大，硝酸盐对冰核高浓度有较大贡献。基于气溶胶和温度建立起的参数化方案优于仅通过温度建立的参数化方案。本研究为在线连续流量扩散云室类型的冰核观测仪在国内首次使用，所建立的冰核参数化公式有助于华北地区冬季地形云及其降水的微物理特征研究，同时在云模式的发展和人工影响天气研究中也有重要的参考意义。