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华北地区云核的观测

石立新，段英

1河北省气象局，石家庄050021

2河北省生态环境监测实验室，石家庄050021

（2007年6月30日）

摘要

使用DMT(液滴测量技术)连续流流向热梯度云凝结核(CCN)计数器安装在夏延iii a飞机,大约20个航班飞机的测量CCN在华北进行2005年秋季和2006年春季。根据飞机观测设计,对流层中的螺旋上升或下降的方法被用于CCN的垂直测量,和某些水平选择水平测量。CCN的垂直分布浓度显示大多数CCN粒子集中在低水平的对流层和CCN浓度随高度增加有所下降。它表明CCN的主要来源是从表面。这个结果符合前研究1983 - 1985年期间在中国一个静态热梯度CCN计数器。之间的垂直观测比较污染农村石家庄附近地区和周边农村地区张家口附近显示有CCN不同浓度的5倍左右。但在两个污染城市,石家庄、邯郸CCN浓度没有显著的差异。水平飞行测量穿透积云实验显示明显减少CCN的云。它证实了云有一个明确的消费影响CCN粒子因为一些CCN粒子可以形成云滴。

石家庄市CCN表面测量是在六月八月2005。统计数据显示，在相同的过饱和度的CCN浓度差别很大（S）在石家庄的夏天。最小的CCN浓度分别为584、808、和2431 cm-3，和最大浓度分别为9495、16332、和21812 cm-3的S = 0.1%，0.3%，和0.5%，分别。CCN日变化周期。从0600个英国电信，浓度开始增加，并达到最大限度在中午左右。然后整个下午都会减少。其原因可能是由于在早上的车辆交通的排放量，其次是光化学生产的二次有机物，凝聚在主粒子。降水具有明显的清除作用，CCN颗粒。随着降雨率的增加，CCN浓度迅速降低。 石家庄的高表面CCN浓度应与严重的空气污染和人为来源的影响。

根据表达式n = CS^k CCN光谱可以得到。拟合光谱参数C（超过1000）和K（0.7）表明他们是属于华北大陆CCN。

关键词：中国北方，云凝结核（CCN），观测

引言

随着社会的发展，人类活动对自然环境产生了巨大的影响。除气候自然波动外，大量的证据表明，人为排放量在城市热岛、光化学烟雾等气候变化和气候变化中起着重要作用，可以通过云、降水、辐射等方式影响气候和气候。

云凝结核（CCN）是气溶胶粒子可以形成云滴。这就是所谓的“间接效应”所产生的人为CCN的可能影响。首先是将效果，云滴数浓度的增加，可以增加多重散射在云从而增加云顶反照率（Twomey，1971；Twomey et al.，1984；关系和Twomey，1994）。二是Albrecht效应增加

在云滴浓度也可能抑制降水的发展，提高云的寿命，并导致行星短波反照率的增加（Albrecht，1989），并在长波辐射大气吸收也可能由所得的增加大气装载液态水和水蒸汽（施瓦兹，1996）。

研究表明，云滴是CCN浓度相关（Twomey和乡绅，1959）。托梅和沃伊切霍夫斯基（1969）大陆航空马} }发现CCN更丰富，比海洋气团。乡绅指出，CCN浓度高，能抑制碰撞聚结沉淀过程（暖雨）（Hudson，1993）。许多冷沉淀过程可能也会受到影响妙CCN。米切尔（1990）发现，降雪率可以是液滴尺寸的线性函数，这是一个CCN浓度的函数。最近的模拟研究表明，在热带地区增加CCN浓度变化的高度和雨水生产机制（Graf et al.，2000）。吸湿性播种实验结果表明，CCN云下对除尘效率的关系。对降水和全球变化的预测是很重要的（WMO，2000）。

近年来，随着全球气候研究的日益增多，云物理的重点已从降水转向辐射特性（1993）。CCN是其中一个是云辐射特性的重要因素。估计的不确定性。直接和间接的气溶胶迫使来自目前缺乏的能力来描述的过程控制的负载和地理和垂直分布的人为气溶胶。这种不确定性主要是由于缺乏了解的云熔滴的成核性能的气溶胶，治理不仅间接影响，但也除去大气中的气溶胶粒子的沉淀（施瓦兹，1996）。CCN的测量是对天气和气候变化的研究非常重要。

很多CCN观测项目已经进行了世界各地最近。CCN和云滴测量了在ACE-2西班牙（斯奈德和brenguier，2000）。Hitzenberger等人。（2000）测量CCN浓度在欧洲的阿尔卑斯山气雾剂使用新开发的静态热扩散反在1997-2000。项目2002晶进行了气溶胶和云凝结核的飞机观测（科南特等人，2004）。顶点（1999-2005）项目还包括CCN和气溶胶的飞机观测。但有一个缺乏与人口超过一百万的城市严重污染的地面CCN观测。

在中国，CCN的观察主要集中在北方层状云人工增雨试验研究年期间使用mee-130 CCN计数器（Wang et al.，1989；你et al.，2002）。CCN进行观察，在宁夏的海伦山，在1994-1995年期间（牛et al.，1998）。现在mee-130 CCN计数器已被废弃。随着我国工业和农业的快速发展，人类活动对环境的影响明显（陈等人，2004；王等人，2004；任等；2005；吴等人，2006）。由于我国在新的时代，CCN仪器的情况下，在时间上的分布在不同地区的CCN，季节和天气和空间的观察，并对CCN云物理效应的研究仍为空白。

华北是中国最重要的经济中心之一。石家庄是中国113个重点城市的空气污染最严重的城市之一（国家环保总局，国家环保总局，2004；2005）。石家庄在中国北方特别是CCN观测是研究人为排放对环境的影响非常重要。

2仪器和观测

2.1 仪器

用化学梯度扩散室测量CCN（Twomey和乡绅，1959）。从那时起，几乎所有的测量使用热梯度扩散室。所有早期的平均测试进行了静态摄影仪器，用批处理的样品。目前，一些的大气和云物理研究飞机在发达国家有CCN仪器安装。河北省气象局购买美国航空云物理仪器—安装在2004个夏延IIIA飞机。对CCN的测量仪器是DMT-CCN计数器。

DMT-CCN计数器的主要结构示意图如图1所示。它采用柱连续流动的流向热梯度室50厘米的高度和2.3-cm内径。温度梯度是维持三套热电制冷器（TEC）的顶部，中部和底部，沿柱的长度。正温度梯度施加在流向CCN柱。对CCN柱内壁湿润不断勿水流。

环境样品的空气引入到仪器中，分为“鞘”和“样品”流动。鞘流过滤、加湿、加热，并提供了一个无颗粒的“毯子”内空气的CCN列约束样品颗粒的流动室的中心线。活化液滴计数用光学粒子计数器（OPC）在CCN柱出口。OPC采用侧向散射技术对颗粒的大小和数量measurementa。在波长为660纳米的半导体激光器作为光源使用。最低检测粒度为0.75微米。

DMT CCN柜台有装电脑系统和触摸屏可以记录，过程，和显示所有的数据。操作软件Labview编写运行在嵌入式Windows XP。它可以很容易地设置和其他变量，并且可以监视运行状态。真实的数据可以转换到其他计算机妙RS-232串行端口。USB端口可以连接到其他数据存储设备。

通过已知的多分散气溶胶分布的校准（NH4）2504，用测得的温度差为5 K 500 cm3 min-1流速条件下（5 = 0.26%），有一种强烈的1:1关系的期望和测量的CCN浓度（R2 = 0.81；n = 26）（R，oberts和尼尼斯，2005）。罗伯茨等。（2006）相比，DMT CCN计数器与怀俄明大学静态热梯度CCN计数器安装在相同的空中国王飞机在水平飞行（S =0.2%）。结果表明他们都符合最适合的1.055坡（R ^ 2 = 0.673）。

DMT CCN计数器是专为地面和机载操作的范围为0.1% - 2%。它可以被设置为一个单一的或五个不同的连续观测的采样率为1赫兹，主要参数如表1。

表1 DMT CCN计数器主要参数

2.2飞机观测

一个吹笛夏延IIIA双涡轮螺旋桨飞机用于观测。在九月和十月2005和3月2006日期间，大约有20架航班被带到华北地区。在对流层中的螺旋上升或下降的方法用于CCN的垂直测量，和一定水平的选择水平测量。在飞机测量中，观测高度从500到8000米，主要设置为0.3%。

2005年6月8日在石家庄市进行实地观测。测量地点位于石家庄市中心的东南部，

河北市气象局大楼。有一个，重新居民区附近的建设观察CCN日变化和降水对CCN的影响（0.1%，0.3%，0.5%）和单一的s（0.2%或0.3%）。

3.中国北方CCN的特征

图2显示了在2005十月21在石家庄市CCN的垂直分布（5 = 0.3%），在0800转500 hPa天气图（图略），华北地区受西北气流，石家庄是在地面高压偏东气流。在较低的水平，有层积云。可以看出，从图2，CCN主要集中在水平面附近3500m，CCN浓度很低的3500米以上提示CCN的主要来源是从表面。它与早期的结果在中国，CCN主要来自地面和CCN浓度在对流层低层较高的一致，和浓度随高度增加（Wang et al.，1989）。在图2 1900-2500米，CCN浓度明显降低，和飞机观测显示有层积云层。

为了研究和无公害污染地区CCN分布，一个垂直测量污染农村shijiaahuang附近飞行（38019“- 114040”3803tn，一114034e）和无污染的农村地区靠近张家口（41004 - 41011n，114041rsquo;- 114046e）拍摄于2005十月7。妈妈的天气情况下，华北地区在500 hPa槽西北气流。表面控制饰稳定的高压的中心中hetaa地区。观察区域是明确的。图3显示，CCN浓度污染农村地区靠近石家庄显著高于非污染的农村地区靠近张家口。在CCN浓度约五倍的差异。

邯郸也是中国113个重点城市的空气污染最严重的城市之一（国家环保总局，国家环保总局，2004；2005）。一种测量垂直CCN分布在石家庄市和邯郸市的航班是在2005十月17。0800 BT 500 hPa天气图，河北受弱的西北气流，有一个稳定的高压在表面形成了张家口。观察区很清楚，但在较低水平的空气污染严重。从图4可以看出随着高度的CCN浓度下降。除了在石家庄的浓度略高于邯郸近地表，在污染严重的城市超过两CCN浓度无显著差异。

为了研究云的变化，在7个十月的2005个水平飞行测量通过穿透的云的水平飞行测量。测量饰云滴浓度（PMS粒子测量系统、PMI公司，美国）fssp-100er探针。图5显示了CCN云明显降低。这表明，在云的CCN颗粒能够形成云滴和结果之间的差异和云。

图2。石家庄市CCN的垂直分布（ 2005年十月21日，s= 0.3%）。

图4。CCN在石家庄市和邯郸市垂直分布s= 0.3%）。

图5。CCN在横向穿透积云集群的变化（2005年是月7日，s= 0.3%）。

CCN光谱可通过表达N = CSK拟合（Twomey，1959），其中n是CCN在过饱和的活性数，变量c是多少在s = 1%的活性，和K是一个常数。

图6给出了CCN的水平测量邯郸地区海拔3000米十月2005 17飞行期间（S = 0.1%，0.3%，0.5%）。500 hPa月26日2006时，河北受西风流动。在下午河北是落后的弱高压，在低压力面前的表面。多云的天气晴朗。拟合的CCN光谱（图7）从水平平均测量在河北中部和南部的3000米ASL（5 = 0.1%，0.3%，0.5%）可以写为N = 183050.4。

图7还显示了在海拔北冰洋获得一些光谱（海格et al.，1995）和阿联酋（萨拉查et al.，2003），和边界层在佛罗里达州美国（百胜和Hudson，2001）。由于空气质量是一个thropogenic排放影响较小，C和K是非常低的北冰洋。在阿拉伯联合酋长国，海湾地区的观察是在工业领域的，钾是不高，但碳更高。从美国大陆上空的空气质量测量结果。在中国北部，碳和钾也较高，因为严重的污染。

4。石家庄市夏季地面CCN的特点

4.1浓度变化范围

基于地面的测量统计数据在六月八月2005，CCN浓度差别很大，在同美国的最低浓度分别为584、808、和2431 cm-3，和最大浓度分别为9495，16332，和21812cm-3 5 = 0.1%，0.3%，和0.5%，分别为（表2）。

4.2 CCN日变化

CCN具有明显的日变化。图8和图9显示5 = 0.3% 5 = 0.1% 11七月和七月6-7日CCN日变化，分别。0800 BT 500 hPa天气图在七月11日，石一iazhuang受西北气流在弱冷的旋涡，在表面的背后是一个低压。天气晴朗。0800 BT 7七月，石家庄受500 hPa西风流动，和表面受偏南气流在河西低压力。由于气压低，天气晴朗，多云。可以看出，从图8和9，CCN浓度从0600开始BT增加大约在中午达到最大。然后整个下午都会减少。它类似于观察到的结果在墨西哥市也有大量的人口超过一百万，严重污染（鲍姆加德纳，2004）。这可能是与排放量从车辆的排放量在上午的光化学生产的二次有机物，凝聚在主粒子。

4.3 CCN对降水的影响

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