国内外云凝结核特性研究进展*

卞逸舒 林 文 常奋华

(1.福建省气象服务中心，福建 福州 350001；2.福建省气象科学研究所，福建 福州 350001)

0 引言

近年来，气候多变，气象灾害越发频繁，尤其是气象干旱，对社会经济产生了不可忽视的负面影响。缺乏有效降水是气象干旱的直接诱因，因此防灾减灾工作对人工影响天气有着巨大需求。云凝结核CCN是大气气溶胶的一个重要子集，参与了大气中的成云致雨过程，是气溶胶-云相互作用过程中的重要参与者、影响间接气候效应的重要因素。Albrecht效应[1]和Twomey效应[2]表明，若云内CCN浓度增加，云滴数量会随之增长且有效直径变小，从而可能抑制降水。但这仅针对较薄的云层，对于深厚云层而言，较高的CCN浓度反而能促进降水。因此，要想透彻了解大气中的云微物理机制，进而精准有效地实施人工影响天气作业，CCN研究的重要性显而易见。本文将从研究方法、影响因素、时空分布及近年来的CCN浓度变化趋势等方面阐述国内外具有代表性CCN的研究成果，并对未来CCN的研究方向作进一步展望。

1 研究方法

1.1 观测

获取CCN数浓度主要有两种方式，一种是通过直接观测设定过饱和度条件下的CCN数浓度，另一种是通过气溶胶粒子的光学特性微物理量估算CCN数浓度。后者根据气溶胶粒径谱和化学成分预估的CCN数值可比观测数据高3～10倍[3]，说明仍存在未被考虑的不确定性，使得估算数据与实际值有较大的出入。

我国自20世纪80年代开始使用改装后的作业飞机(如夏延Ⅲ、运12、AN-26)，并携带各类宏微观气象探测仪器获取探空资料。机载仪器穿云实验是目前对不同高度的CCN特征最直接有效的观测手段，多与人工影响天气作业相结合。但由于观测条件的限制，对CCN的观测多以地面为主，飞机探空资料相对稀少。我国的人工影响天气作业先于北方地区施行，带动了云降水科学的迅速发展，迄今为止华北及内陆地区累积了大量的飞机探空数据，架构了相对南方更为系统的大气物理参数时空分布体系。

我国于1981年和1983年分别引进美国PMI公司的PMS(Particle Measuring System)粒子测量系统和MEE公司的130型云凝结核计数器，其中MEE-130为非连续采样，间隔时间30s以上，并且存在粒子增长时间长、标定困难等缺陷，使得CCN测量存在较大误差，现已停止生产和使用。后期我国引进了美国DMT公司的CCNC仪，其带有连续气流热梯度云室，云室总气流率500cm3·min-1，采样频率1Hz，可以设置单一或循环过饱和度连续实时监测CCN特征，因此在国内外云降水研究上得到了广泛应用。部分仪器的参数如表1所示。

表1 DMT-CCNC和Mee-130云凝结核计数器的部分参数

1.2 数值模拟

除了直接测量之外，对气块到整个大气、云系统进行参数化数值模拟是实地探测的有力补充。模式的误差主要来自大气中的各种不确定性，如排放物的谱分布、生物质燃烧的高度、气溶胶粒子自然老化、水相化学、有机气溶胶的吸湿性和干、湿沉降等。

Fanourgakis等运行了16种全球化学传输模式和大气环流模型，发现模式很难捕捉到低饱和度下活化的大粒子(>250nm)[4]。杨素英设计了7种模拟方案，探究可溶性有机气溶胶对CCN的影响[5]。Choi等利用WRF-LES(The Weather Research And Forecasting Model-Large Eddy Simulation)模式探究再生CCN对海洋层积云的影响，结果显示，微物理和辐射变量的模拟均值与实测数据基本一致[6]。赵震等基于非静力平衡中尺度数值模式MM5，用超几何函数表示云中CCN浓度改进了模式对层状云宏微观结构特征的反演[7]。关于CCN浓度对数值模拟结果的影响，也有学者做了相关研究。

2 CCN的影响因素

CCN在环境过饱和度达到临界过饱和度及以上时可活化为云滴。理论上，核直径越小，所需的临界过饱和度越高，CCN越难活化。除了过饱和度外，气溶胶化学成分、粒径谱、质量浓度、污染气体的前体物浓度及输送过程、气象条件等因素也会影响CCN的特性。

不同天气背景下的CCN特性各有异同。在华北地区的观测研究中，晴天背景下CCN浓度随高度增加而降低一个量级，但谱型、谱宽无明显变化，而阴天背景下谱型由低层到高层逐渐拓宽，总体上谱宽在阴天>晴天>雨天，CCN浓度在阴天>晴天>雨天[8]。在青岛地区，不同天气背景下CCN浓度从高到低依次为雾霾、雾、霾、晴、雨、雪[9]。多项研究表明雨水的湿清除有效消耗了CCN[8,10-11]，雨强越大，CCN消耗越多。雾过程或大范围降水前的无雾阶段也经常出现CCN浓度低值，一般来说，大雾下的CCN浓度高于轻雾[10]。Twomey于1974年指出，污染会使CCN浓度上升[12]，且在不同污染条件下，CCN特征存在差异。季节性的人为活动会使CCN浓度产生相应波动。

大气气溶胶的化学组成很大程度上决定了CCN是否能够活化。化石燃料和生物质的燃烧产物在碳排放总量中约占31%，同时贡献了全球过半的CCN[13]，而生物质燃烧释放的细颗粒物和黑炭粒子并不适宜作为CCN。Petters[14]于2007年提出用吸湿性参数k来表示气溶胶化学组分对CCN活化率的影响，对于高CCN活性盐(如氯化钠)，吸湿性参数的值在0.5～1.4之间；对于轻微至较吸湿性有机物，吸湿性参数的值在0.01～0.5之间；对于非吸湿性组分，吸湿性参数的值为0。粒径分布也是CCN特性的重要影响因子，诸多学者对于粒径还是化学组分占主导影响这一问题各执一词。有研究表明，在较小的过饱和度下，CCN活化率更易受到化学组成的影响。大气气溶胶的混合状态决定了其吸湿性以及成为CCN的能力。有机、无机内混物比纯有机物或纯无机物更有利于CCN闭合。但在污染条件下，内外混合方式对CCN数浓度影响不大。

风作为一项基本气象要素，在部分地区对CCN有至关重要的影响。一般情况下，CCN浓度随风速增大而降低，CCN活化率随着风速增大而明显减小，但在高过饱和度下影响变小；风速足够大时，风向对CCN特征的影响增强。在山区，污染性山谷风的对流混合会对CCN的增加起正效应[15]。当地的盛行风向通常代表控制气团的来向，并揭示了潜在的源区[19]。气团移动轨迹长(短)、所经过地区的污染程度重(轻)，都会使得气团影响地区有更高(低)的CCN 浓度。Heymsfield[16]研究发现，来自印度次大陆的气溶胶使云滴数浓度增加了3倍，Chate[17]在孟加拉湾的研究发现，西南气团穿过季风环流，并伴随着大范围降水的冲刷，其携带的CCN浓度依然很高，这说明还有很多不确定因素需要进一步研究。温度对CCN的影响主要体现在逆温层上，逆温层的存在使上升湍流受到阻碍，因此CCN在逆温层下累积，造成该高度上的浓度高值。地形也是重要影响因子，特殊地形会使CCN特征出现小范围的突变。

3 CCN分布特征

3.1 CCN地区分布特征

受下垫面、大气多变性、季节性等因素的影响，CCN浓度时空分布不尽相同，甚至地区间存在量级差异。我国华北地区重工业发达，污染情况较严峻。石立新等[18]分析2005—2006年华北地区春季的飞机观测结果，发现CCN主要来源于地面，未污染地区乡村和受污染地区乡村的浓度差异达5倍以上，且同一过饱和度下的浓度跨度很大。岳岩裕[11]对宁夏CCN数据进行拟合，C、k值显示观测区为典型的大陆性核谱，但又低于华北地区，可看作清洁大陆核谱。乌鲁木齐地区过饱和核谱近一半为大陆型谱，过渡谱占13%，但没有海洋型谱[19]。

我国沿海岸共有14个省、直辖市，沿海岸及近海的CCN多具有海洋性特征。由于水汽条件和排放源的不同，部分沿海地区与内陆地区的CCN浓度甚至存在着量级差异。在青岛地区的研究中，2017年冬季,綦佳佳[9]在崂山观测到CCN浓度在(1.1～6.4)×103cm-3(0.05%～0.6%)，青岛地区为典型的大陆性核谱。在黄海和渤海的走航观测显示，CCN浓度均值仅为(12.6±7.0)×103cm-3[20]，海域CCN主要集中在0.1～0.45μm[21]，且沿海地区在低层大气的垂直分布递减特征不如内陆地区明显。

在人烟稀少的偏远地区，CCN浓度多出现低值。黄河上游观测点海拔近4000m，草原覆盖面积大，人为源稀少，CCN浓度均值为8.2～81.3cm-3(0.14%～3.5%)，为海洋型核谱，与青岛2000m高度的浓度类似。Defelice等在南极帕尔默站观测到CCN浓度均值仅为20cm-3[22]。与人口密集的城市相比，在远离地面源的高海拔地区，CCN浓度出现大幅度降低。银燕等在安徽黄山对CCN进行了一系列观测，沿着山脉分别设置了3个不同高度观测点，结果显示，CCN浓度随着观测点高度升高而降低，山底CCN浓度比山腰和山顶高出45%和60%，山腰比山顶(浓度均值1674.76cm-3)仅高出10%，说明随着高度增加，CCN浓度下降的速率变慢，但3个观测点的CCN均值都在2000cm-3以下，远低于重污染城市，属清洁大陆性核谱[10]。

综上所述，我国华北重工业地区CCN浓度要明显高于其他地区，尤其是沿海城市、近海域和青藏地区，干旱区和西北地区根据当地工业源和其他人为源的区别，分属海洋性核谱、清洁型大陆核谱、典型大陆核谱，并各有占比。目前，我国对华北地区研究成果多、分类细，但在青藏地区和南方城市涉足较少，缺乏对CCN的个例、长期观测，在CCN陆空分布、时间序列、局地影响因子等方面仍存在很大研究空白。

3.2 CCN时间分布特征

受季节性排放源影响，CCN特征存在明显的季节差异。广州的观测显示，CCN在湿季(夏季)有更高值[23]，位于爱尔兰的梅斯海德大气站同样观测到海洋气团在春夏季有更高的CCN浓度值[24]。这是由于大部分地区夏季排放源主要为光化学反应和一次排放物，而冬季则以二次转化物为主。

由于地区间海拔、人为源等异同，CCN的日变化规律也随地域发生改变。在华北地区的研究结果显示CCN于凌晨06时上升，由于上午汽车排放、光化学产物排放，在上午—中午前后达到极大值，随后在午后下降[18]，这与关中相似。与之相反的是，在远离人为源的黄山顶观测到CCN于凌晨开始下降，上午—中午前后有极小值，随后浓度上升，在下午—晚上达到当天最大值[10]，这种变化类型与黄河上游牧区类似，推断高海拔地区的CCN日变化主要受辐射和逆温层的影响。天津地区的CCN浓度和活化率日变化分别呈双峰型和双谷型，峰值浓度主要由0.13μm的小粒子贡献[25]。宁夏地区晴天背景下CCN在早晚增长明显，午后浓度出现下降，且在夜间CCN浓度并不高，说明该地区夜间逆温不强，未能使大量的CCN在逆温层下堆积[11]。同一地区的CCN日变化也并不固定，陈万奎等[19]利用MEE-130云凝结核仪于1983年11—12月在新疆乌鲁木齐探测到当地出现了3种日变化类型，主要受低层风、大气乱流、人类活动等影响。

3.3 云内CCN分布

穿云实验的结果均显示云内CCN浓度明显低于云外，这是由于成云致雨过程中云滴的生成、碰并消耗了一定数量的CCN造成的[18]。

在云内，受液态水和过冷水含量、云高、云状等参数干扰，积云和层云、海洋云和陆地云的微物理特征存在很大差异，甚至同一个云系中，微物理参数分布也存在不均匀性。与陆地云相比，海洋云含水量高，云滴数浓度低，且越是在云体低层，这种差异越是明显。不同云体中CCN的分布各有异同。层状云属大规模降水云系，是人工增雨的主要对象，其内部结构不均匀，水平范围广，厚度薄，生命周期长，因此云微物理特征波动较大。张佃国等在北京的探空观测中发现，积云中大粒子谱分布均为单峰，但在层云中大于400μm的粒子谱分布表现出明显的不均匀性，呈双峰甚至多峰分布[26]。研究发现，海洋源的热带云中液滴谱分布拓宽，且比大陆性云含有更丰富的过冷液滴。由于污染物的对流抬升和大规模输送，云底之上吸湿性物质变少，在云底处CCN浓度比云外减少了20%以上[27]。

3.4 近年来CCN浓度变化趋势

在远离人为源的地区，CCN浓度能够维持长时间的稳定生消。例如，爱尔兰的梅斯海德大气基准站在1994—2002年期间的CCN浓度并未出现较大波动[24]，美国莱蒙山近山顶处的长期观测显示，CCN的日变化维持不变[15]。在人口密集的城市，生活排放和工业源输出了大量的CCN，但源排放不固定，CCN浓度浮动很大，且缺乏长期的固定点观测，因此长期的发展规律仍需继续摸索。

4 现有研究存在的不足与展望

由于人工影响天气作业的实际应用需求及对气溶胶-云相互作用的了解不断深入，目前国内对CCN的关注日益上升，通过地面和探空探测、公式推算、数值模拟等手段，主要从浓度时空变化、源与汇、影响因素等角度开展研究。但由于观测条件有限，实地探测仅在一小部分地区进行，仍有很多地区性CCN特征存在空白，估测、模拟结果受到多重因素的干扰，存在很大的不确定性，与实测数据有一定差距。

未来CCN研究主要从以下几个方面开展。

①扩大观测范围。鉴于气象灾害在多个地区频发，人工影响天气防灾减灾迫在眉睫，尤其是气象干旱，发生最频繁且易致灾，多发于江西、福建、江苏、浙江、云南等地。但由于CCN数据资料缺乏，使当地大气水平垂直分布体系研究存在空白，降低了作业方案的精准性，很大程度影响了增雨效果。因此，对各个地区的CCN分布特征作分别研究探讨至关重要。

②关注区域性差异。CCN分布特征一定程度上反映了当地大气的状况，根据各地的CCN实测数据建立起国内CCN的三维动态特征体系，从环流尺度上解析CCN的生消规律。

③发展和改进数值模式。数值模式是实地探测的有力补充，在观测条件有限的地区，数值模拟的重要性更为突出。通过选择参数化方案、设置敏感性试验，再现或模拟选定时段内的CCN变化趋势，也可探究CCN对天气过程如暴雨、飑线等的影响。