北京区域气溶胶CCN活化率及其与谱分布关系的飞机探测研究

气溶胶的云凝结核（CCN）活化能力是影响其在云和降水以及气候变化中发挥作用的重要因子。气溶胶来源广泛，组成复杂，不同区域气溶胶的CCN活化能力存在很大差异。因此，认识我国区域气溶胶的CCN活化能力对于我国区域该领域的研究具有重要意义。受观测条件限制，目前该领域的观测多集中在地面，而对于直接影响到云和降水的高空气溶胶的CCN活化能力的认识则非常薄弱。在影响气溶胶CCN活化能力的诸多因子中，气溶胶的谱分布起关键作用，可以利用气溶胶谱分布计算其CCN活化能力（Dusek等, Science 2006）。为此，本项目拟开展我国北京区域气溶胶CCN活化能力的飞机观测研究，具体内容包括两方面：（1）探测典型污染物（例如沙尘、污染）和清洁大气控制下北京区域上空CCN活化率的垂直分布特征；（2）分析气溶胶谱分布与CCN活化率的关系，初步建立北京区域气溶胶谱分布和CCN活化率的参数化方案。

利用飞机探测的手段并结合地面实验，得到了北京区域气溶胶和云凝结核（CCN）的垂直分布特征，以及气溶胶的CCN活化率参数化方案，分析了CCN对云微物理特征的影响，并得到该区域气溶胶-云参数化方案。研究成果包括以下几部分：（1）气溶胶的CCN活化率参数化方案。基于扫描电迁移率颗粒物粒径谱仪(SMPS)-气溶胶质谱仪(AMS)- CCN计数器(CCNC)组成的综合观测系统研究了不同过饱和度下的气溶胶CCN活化率参数化方案。通过算法的改进实现了三种仪器时间上的一致性，每5分钟能够得到一套全扫描数据。得到了华北区域气溶胶在三种过饱和度下（0.1%，0.2%和0.4%）的CCN活化率参数化方案；（2）通过实验揭示了不同过饱和度下成分对CCN活化率的影响。研究结果显示：在高过饱和度下（例如0.4%），成分对CCN活化率的影响较小，而随着过饱和度的降低，成分的影响逐步增加。若不考虑成分的变化，在0.4%过饱和度下仅会造成5%左右的计算误差，而在0.1%过饱和度下，计算误差将会达到34%。上述研究结果完善了Dusek等人在Science（2006）发表的研究成果。由于自然云中过饱和度通常较低，例如层状云内过饱和度仅为0.05%左右，所以有必要在参数化方案中考虑气溶胶成分的变化；（3）华北区域气溶胶和CCN垂直分布特征。通过飞机探测，得到了华北区域CCN浓度（0.3%过饱和度）的垂直分布特征，并比较了其与气溶胶（粒径0.1-3µm）的关系。目前数值模式中，通常假定粒径＞0.1µm的气溶胶可以作为CCN，通过我们的观测发现这一假定并不十分准确。在近地面CCN与气溶胶（粒径0.1-3µm）的比值约为0.5，而在4.5km以上高空，比值仅为0.2左右；（4）气溶胶（或CCN）对云和降水的影响。部分气溶胶可以作为CCN影响到云和降水。飞机观测结果显示，在高气溶胶背景下，云滴粒径较小而数浓度较高。并不是所有CCN都可以转化成云滴，云中仍然存在着大量的CCN以气溶胶的形态存在，随着云内液态水含量的增加，CCN不断的向云滴转化。这使得在高气溶胶背景下气溶胶-云的关系更加复杂。因此，在建立华北区域气溶胶-云参数化方案时我们首次引入了液态水含量作为分类标准，并基于观测资料得到了该区域气溶胶-云的参数化方案。