5期 李军霞,等:气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展 583 子的活化曲线,低于相应平衡曲线的粒子将会蒸发,通过观测不同过饱和度下的CCN浓度来研究CN 而高于平衡曲线的粒子将会凝结生成云滴。凝结核在活化为CCN的能力,国内外许多学者就这方面做 的活化能力取决于该粒子中可溶性物质所占的比了深入的研究[2。研究表明,随着过饱和度的增 重,随着可溶性粒子尺度的增加或者粒子中可溶性加,更多的气溶胶粒子可以活化形成CCN。考虑到 成分的增加,过饱和度S逐渐降低01。 气溶胶粒子复杂的粒子尺度和化学成分特别是有机 不溶但可湿的粒子也可以通过增加胚胎的曲率气溶胶粒子,以及它们随时间和区域的变率,若想从 半径而促进液滴在其表面形成,这与开尔文效应是简单的观测来表示一定范围内气溶胶粒子可以活化 相反的。这个效应与粒子与水滴接触面的表面自由为CCN的能力显然是不够的。为此,定义在给定数 能有关,称为接触角。亲水物质能强烈的促进粒子量的气溶胶粒子中能够活化为CCN的粒子占所有 核化,而疏水物质则阻碍液滴的形成。不溶性粒子粒子数的比例CCN/CN来表示凝结核的活化能力。 的活化能力也受其表面曲率半径的影响,随着粒子这个比率(CCN/CN,称为“CCN活化率”)可以做 尺度的增加而增强。气溶胶中的有机成分可关于气溶胶粒子核化的内在特性的比较,可用于分 以通过以下几种机制影响CN活化:可溶性物质的别研究粒子尺度和成分的影响。例如 Frank,etal2 贡献、降低表面张力、形成疏水性表面膜。亲水、研究了过饱和度为0.4%时,不同类型气溶胶粒子的 可溶性有机物,如果它们的分子量很低,则作用与无尺度对CCN活化率的影响,见图3。 机盐相似,在准饱和或过饱和的状态下都增加了吸12CCN对降雨形成的作用 水性,这与寇拉理论吻合[11。这些成分与无机盐 不涉及冰相粒子和冷云降水过程的降水称为暖 的混合,通过其可溶性成分影响CCN的活化。雨过程,气溶胶作为CCN影响云滴浓度进而对暖雨 从气溶胶样本中提取的水溶性有机化合物和生物腐过程带来巨大的影响。在降水形成的过程中,云滴 殖质等都具有同样的属性,在相对湿度低于100%仅仅通过凝结过程长大而成为雨滴(半径大 时保持适中的吸水性,当达到一定的过饱和度范围100μm)是非常困难的,碰并过程在暖雨的形成中 时活化。另外,粒子表面张力的降低,尤其是起着非常重要的作用,而碰并效率依赖于云滴粒子 有机物质,可以起到与开尔文效应相反的作用而促的尺度大小。CN浓度增加,云滴数浓度随之增 进液滴的增长21。 大,则云滴半径变小,云滴下落速度和碰并效率降 上述讨论说明,CN并不是某种特定类型的粒低,减弱了碰并过程,最终影响降水。CN浓度增 子。粒子尺度、形状、粒子化学成分等都可能影响该加对暖雨过程的另一个影响是使得云滴谱变 粒子在一定的过饱和度下是否可以活化为CCN。窄3,2。随着气溶胶浓度的增加,小云滴数浓度增 加,致使云滴粒子尺度谱变窄。云滴大小的差异 293K (下降速度)影响碰并过程,窄的云滴谱会导致云滴 干粒子直径 S=0.4% Raoult定 ●硫酸盐 洋型 大陆 热解型 图2寇拉曲线,表示在239K时纯水滴与包含了可溶性成分 ((NH4)2SO4)的粒子尺度在不同过饱 和度下的活化关系(摘自Se Pandis [121) 溶胶粒子半径m Fig 2 Kohler curves used to show the equilibrium water vapo 图3过饱和度为0.4%时不同类型不同尺度的 on at 293 K for droplets of er( dotted 溶胶粒子对CCN活化率的影响(摘自Fank,eta2 and for droplets containing various masses of dissolved (NH,), SO solid curves)vs diameter of the droplet(Seinfeld and Pandis (12) tion spectra at 0. 4%e supera子的活化曲线，低于相应平衡曲线的粒子将会蒸发， 而高于平衡曲线的粒子将会凝结生成云滴。 凝结核 的活化能力取决于该粒子中可溶性物质所占的比 重，随着可溶性粒子尺度的增加或者粒子中可溶性 成分的增加，过饱和度 Ｓｃ 逐渐降低［１０，１２］ 。 图 ２ 寇拉曲线，表示在 ２３９ Ｋ 时纯水滴与包含了可溶性成分 （（ＮＨ４ ） ２ ＳＯ４ ）的粒子尺度在不同过饱 和度下的活化关系（摘自 Ｓｅｉｎｆｅｌｄ ａｎｄ Ｐａｎｄｉｓ ［１２］ ）． Ｆｉｇ．２ Ｋöｈｌｅｒ ｃｕｒｖｅｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ ｗａｔｅｒ ｖａｐｏｒ ｓｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ａｔ ２９３ Ｋ ｆｏｒ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｏｆ ｐｕｒｅ ｗａｔｅｒ （ｄｏｔｔｅｄ ｃｕｒｖｅ） ａｎｄ ｆｏｒ ｄｒｏｐｌｅｔｓ ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｖａｒｉｏｕｓ ｍａｓｓｅｓ ｏｆ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ （ＮＨ４ ）２ ＳＯ４ （ｓｏｌｉｄ ｃｕｒｖｅｓ） ｖｓ． ｄｉａｍｅｔｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｏｐｌｅｔ （Ｓｅｉｎｆｅｌｄ ａｎｄ Ｐａｎｄｉｓ ［１２］ ）． 不溶但可湿的粒子也可以通过增加胚胎的曲率 半径而促进液滴在其表面形成，这与开尔文效应是 相反的。 这个效应与粒子与水滴接触面的表面自由 能有关，称为接触角。 亲水物质能强烈的促进粒子 核化，而疏水物质则阻碍液滴的形成。 不溶性粒子 的活化能力也受其表面曲率半径的影响，随着粒子 尺度的增加而增强［１３⁃１４］ 。 气溶胶中的有机成分可 以通过以下几种机制影响 ＣＣＮ 活化：可溶性物质的 贡献、降低表面张力、形成疏水性表面膜［１５］ 。 亲水、 可溶性有机物，如果它们的分子量很低，则作用与无 机盐相似，在准饱和或过饱和的状态下都增加了吸 水性，这与寇拉理论吻合［１６⁃１７］ 。 这些成分与无机盐 的混合，通过其可溶性成分影响 ＣＣＮ 的活化［１８⁃１９］ 。 从气溶胶样本中提取的水溶性有机化合物和生物腐 殖质等都具有同样的属性，在相对湿度低于 １００％ 时保持适中的吸水性，当达到一定的过饱和度范围 时活化［１９⁃２０］ 。 另外，粒子表面张力的降低，尤其是 有机物质，可以起到与开尔文效应相反的作用而促 进液滴的增长［２１］ 。 上述讨论说明，ＣＣＮ 并不是某种特定类型的粒 子。 粒子尺度、形状、粒子化学成分等都可能影响该 粒子在一定的过饱和度下是否可以活化为 ＣＣＮ。 通过观测不同过饱和度下的 ＣＣＮ 浓度来研究 ＣＮ 在活化为 ＣＣＮ 的能力，国内外许多学者就这方面做 了深入的研究［２２⁃２５］ 。 研究表明，随着过饱和度的增 加，更多的气溶胶粒子可以活化形成 ＣＣＮ。 考虑到 气溶胶粒子复杂的粒子尺度和化学成分特别是有机 气溶胶粒子，以及它们随时间和区域的变率，若想从 简单的观测来表示一定范围内气溶胶粒子可以活化 为 ＣＣＮ 的能力显然是不够的。 为此，定义在给定数 量的气溶胶粒子中能够活化为 ＣＣＮ 的粒子占所有 粒子数的比例 ＣＣＮ／ ＣＮ 来表示凝结核的活化能力。 这个比率（ＣＣＮ ／ ＣＮ，称为“ＣＣＮ 活化率”）可以做 关于气溶胶粒子核化的内在特性的比较，可用于分 别研究粒子尺度和成分的影响。 例如 Ｆｒａｎｋ，ｅｔ ａｌ ［２６］ 研究了过饱和度为 ０．４％时，不同类型气溶胶粒子的 尺度对 ＣＣＮ 活化率的影响，见图 ３。 图 ３ 过饱和度为 ０􀆰 ４％时不同类型不同尺度的 气溶胶粒子对 ＣＣＮ 活化率的影响（摘自 Ｆｒａｎｋ，ｅｔ ａｌ ［２６］ ） Ｆｉｇ．３ ＣＣＮ ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒａ ａｔ ０􀆰 ４％ ｓｕｐｅｒｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ａｅｒｏｓｏｌｓ （Ｆｒａｎｋ ｅｔ ａｌ．， ２００６ ［２６］ ） １．２ ＣＣＮ 对降雨形成的作用 不涉及冰相粒子和冷云降水过程的降水称为暖 雨过程，气溶胶作为 ＣＣＮ 影响云滴浓度进而对暖雨 过程带来巨大的影响。 在降水形成的过程中，云滴 仅仅通过凝结过程长大而成为雨滴 （ 半径大于 １００ μｍ）是非常困难的，碰并过程在暖雨的形成中 起着非常重要的作用，而碰并效率依赖于云滴粒子 的尺度大小。 ＣＣＮ 浓度增加，云滴数浓度随之增 大，则云滴半径变小，云滴下落速度和碰并效率降 低，减弱了碰并过程，最终影响降水。 ＣＣＮ 浓度增 加对 暖 雨 过 程 的 另 一 个 影 响 是 使 得 云 滴 谱 变 窄［２５，２７］ 。 随着气溶胶浓度的增加，小云滴数浓度增 加，致使云滴粒子尺度谱变窄。 云滴大小的差异 （下降速度）影响碰并过程，窄的云滴谱会导致云滴 ５ 期 李军霞，等：气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展 ５８３