584 气象科学 34卷 碰并效率降低,而碰并过程的削弱又使得云滴谱变 在污染比较严重的区域,气溶胶浓度较大时,大 得更窄,最终抑制暖雨过程。这些研究表明,随着气量GCCN的存在可能会抑制暖雨过程,例如在受污 溶胶浓度的增加,导致更多的云滴和更少的降雨,小染的海洋上空,许多文献对此作了详细的讨 云滴的增加使得云水含量增加,云的生命期延长。论{。但如果气溶胶浓度的增加伴随着凝结核 然而也有许多研究表明,伴随着CCN浓度的增加,谱的改变,则气溶胶对暖雨抑制效应可能不会发生。 并不会导致云水含量的增加或延长云的寿命。例如例如有巨核的出现时,巨核可能直接很快转化成雨 Ackerman,etal231的研究表明,位于边界层的层积滴胚胎,很容易形成暖雨过程。在凝结核争食水汽 云上部有干空气层覆盖或存在干空气夹层时,因为的过程中,巨核可以在较低的过饱和度下形成云滴 夹层内空气的相对湿度很小,随着气溶胶的增加,云容易凝结更多的水汽而长大,同时抑制了小凝结核 水含量反而会降低。另外,云体边缘下沉气流区,更活化成为云滴的几率x,。此外,因为巨核形成的 多的小的云滴粒子会导致更强的蒸发过程,致使云雨滴很少,每个雨滴都能很快长大,通过提高碰并效 量减小、云尺度减小、云层厚度减小。 率而使降水效率增加。大的不可溶粒子,如矿物质 对于冷云,例如高纬地区的云或者深对流云的颗粒等,当它们表面覆盖有可溶性物质时,具有与巨 上部,气溶胶对云和降水的影响比暖云更为复杂。核一样的作用。巨核效应已经被应用于人工增雨 在没有大气冰核存在的情况下,云冰形成的唯一途巨核尺度的吸湿性粒子可用于暖云催化增加降水。 径是均质核化冻结,这通常需要很低的温度。这种1.4大气冰核及其对冷云降水的影响 均质冻结常发生在温度低于约-40℃的高海拔地 大气中冰相粒子的形成是一个复杂的过程。水 区,当有缓慢的上升气流或者遇到地形抬升时在深汽以几个水分子集合体为中心聚集成液体(凝结) 对流云边缘形成卷云砧列。因为云滴的形成很大或固体(凝华),或者以过冷却水中的水分子集体为 程度上取决于凝结核的浓度,因此在冷云中冰晶的中心形成冰晶(冻结)。如把这些微小的水分子集 形成也受云中的凝结核数量的影响。由于气溶胶浓合体看成核,则这种无异质核存在时的核化现象称 度增加会对暖雨过程起抑制作用,使得云滴尺度变为自发核化或同质核化。对于稀释的过冷水液滴, 小,云滴数浓度增加,大量的小云滴随上升气流抬升同质核化冻结通常出现在深对流云中,大约-38℃ 冷却冻结,致使云中冰晶数浓度增加,冷云过程增以下),对于包含有高浓度溶质的液态气溶胶粒 强。一些数值模拟研究表明,气溶胶对于冷云的影子,例如某些类型的卷云或极地平流层云中,同质冻 响不仅表现在微物理结构上,气溶胶浓度的改变还结则要求有更低的温度。有异质核存在时的核化冻 会影响其发展过程和生命周期{3,大量的冰粒子结现象,称为异质核化。具有适当的表面结构的固 存在于卷云或对流云顶部延长了云体的生命期。态、不溶性微粒可以在较高的温度下(远高于同质 1.3巨核的影响 核化温度)启动凝结过程,因此在冰相过程中占主 有些气溶胶粒子在过饱和度非常低(<0.02%)导地位,这些异质核被称为冰核。大气冰核数量很 的情况下就可以活化成为云滴,这些粒子必须有相少,通常少于一百万分之一的气溶胶粒子可以作为 当大的直径,称为“巨型CCN”。通常,将干颗粒直冰核存在。冰核可以通过不同的物理过程影响云滴 径大于5μm的CN定义为巨核。它们的数浓或者雨滴的形成。这些过程包括:凝华冻结和凝结 度通常很低,却在云的微物理结构中发挥着很大的冻结过程,这两种过程主要受过饱和度的影响;浸润 作用[。巨核最常见的来源是海洋飞沫,它们占冻结和接触冻结,这两种过程主要受温度影响。浸 整个海洋CCN的百分之几。陆地上巨核来源于生润冻结指冰核进入云滴(通过充当CCN),保持一段 物质燃烧、火山灰颗粒、盐湖盆地蒸发产生的盐粒、解冻时间之后,在空气变得足够冷时,在其表面开始 以及包含有硫酸盐和硝酸盐的矿物质颗粒。还有一冻结。接触冻结指冰核与过冷水接触时,立即发生 些巨核常常以海盐、沙尘以及硫酸盐等混合的形式冻结。与CCN一样,冰核对于云的影响主要在于 出现[x。这种以海盐粒子和沙尘混合态存在的影响云中冰晶数浓度,特别是在云中的冰水混合区 粒子出现的频率较低,数浓度较小。沙尘粒子如果冰晶和液态水的混合平衡态与云中冰晶数浓度密切 包含有可溶性物质可以作为巨核,不包含可溶性成相关4。 分的沙尘粒子作为大气冰核。巨核的快速增长 最常见的冰核是沙尘粒子,它们可能由沙漠、半 使它们能够在降水过程中发挥重要作用。 干旱地区以及干涸的河床产生,并被强风输送进入碰并效率降低，而碰并过程的削弱又使得云滴谱变 得更窄，最终抑制暖雨过程。 这些研究表明，随着气 溶胶浓度的增加，导致更多的云滴和更少的降雨，小 云滴的增加使得云水含量增加，云的生命期延长。 然而也有许多研究表明，伴随着 ＣＣＮ 浓度的增加， 并不会导致云水含量的增加或延长云的寿命。 例如 Ａｃｋｅｒｍａｎ，ｅｔ ａｌ ［２８］ 的研究表明，位于边界层的层积 云上部有干空气层覆盖或存在干空气夹层时，因为 夹层内空气的相对湿度很小，随着气溶胶的增加，云 水含量反而会降低。 另外，云体边缘下沉气流区，更 多的小的云滴粒子会导致更强的蒸发过程，致使云 量减小、云尺度减小、云层厚度减小。 对于冷云，例如高纬地区的云或者深对流云的 上部，气溶胶对云和降水的影响比暖云更为复杂。 在没有大气冰核存在的情况下，云冰形成的唯一途 径是均质核化冻结，这通常需要很低的温度。 这种 均质冻结常发生在温度低于约－４０ ℃ 的高海拔地 区，当有缓慢的上升气流或者遇到地形抬升时在深 对流云边缘形成卷云砧［２９］ 。 因为云滴的形成很大 程度上取决于凝结核的浓度，因此在冷云中冰晶的 形成也受云中的凝结核数量的影响。 由于气溶胶浓 度增加会对暖雨过程起抑制作用，使得云滴尺度变 小，云滴数浓度增加，大量的小云滴随上升气流抬升 冷却冻结，致使云中冰晶数浓度增加，冷云过程增 强。 一些数值模拟研究表明，气溶胶对于冷云的影 响不仅表现在微物理结构上，气溶胶浓度的改变还 会影响其发展过程和生命周期［３０⁃３２］ ，大量的冰粒子 存在于卷云或对流云顶部，延长了云体的生命期。 １．３ 巨核的影响 有些气溶胶粒子在过饱和度非常低（ ＜０􀆰 ０２％） 的情况下就可以活化成为云滴，这些粒子必须有相 当大的直径，称为“巨型 ＣＣＮ”。 通常，将干颗粒直 径大于 ５ μｍ 的 ＣＣＮ 定义为巨核［３３］ 。 它们的数浓 度通常很低，却在云的微物理结构中发挥着很大的 作用［３４⁃３５］ 。 巨核最常见的来源是海洋飞沫，它们占 整个海洋 ＣＣＮ 的百分之几。 陆地上巨核来源于生 物质燃烧、火山灰颗粒、盐湖盆地蒸发产生的盐粒、 以及包含有硫酸盐和硝酸盐的矿物质颗粒。 还有一 些巨核常常以海盐、沙尘以及硫酸盐等混合的形式 出现［３６⁃３８］ 。 这种以海盐粒子和沙尘混合态存在的 粒子出现的频率较低，数浓度较小。 沙尘粒子如果 包含有可溶性物质可以作为巨核，不包含可溶性成 分的沙尘粒子作为大气冰核 ［３７］ 。 巨核的快速增长 使它们能够在降水过程中发挥重要作用。 在污染比较严重的区域，气溶胶浓度较大时，大 量 ＧＣＣＮ 的存在可能会抑制暖雨过程，例如在受污 染的 海 洋 上 空， 许 多 文 献 对 此 作 了 详 细 的 讨 论［３４，３９⁃４２］ 。 但如果气溶胶浓度的增加伴随着凝结核 谱的改变，则气溶胶对暖雨抑制效应可能不会发生。 例如有巨核的出现时，巨核可能直接很快转化成雨 滴胚胎，很容易形成暖雨过程。 在凝结核争食水汽 的过程中，巨核可以在较低的过饱和度下形成云滴， 容易凝结更多的水汽而长大，同时抑制了小凝结核 活化成为云滴的几率［３４，４３］ 。 此外，因为巨核形成的 雨滴很少，每个雨滴都能很快长大，通过提高碰并效 率而使降水效率增加。 大的不可溶粒子，如矿物质 颗粒等，当它们表面覆盖有可溶性物质时，具有与巨 核一样的作用。 巨核效应已经被应用于人工增雨， 巨核尺度的吸湿性粒子可用于暖云催化增加降水。 １􀆰 ４ 大气冰核及其对冷云降水的影响 大气中冰相粒子的形成是一个复杂的过程。 水 汽以几个水分子集合体为中心聚集成液体（凝结） 或固体（凝华），或者以过冷却水中的水分子集体为 中心形成冰晶（冻结）。 如把这些微小的水分子集 合体看成核，则这种无异质核存在时的核化现象称 为自发核化或同质核化。 对于稀释的过冷水液滴， 同质核化冻结通常出现在深对流云中，大约－３８ ℃ 以下［４４］ ，对于包含有高浓度溶质的液态气溶胶粒 子，例如某些类型的卷云或极地平流层云中，同质冻 结则要求有更低的温度。 有异质核存在时的核化冻 结现象，称为异质核化。 具有适当的表面结构的固 态、不溶性微粒可以在较高的温度下（远高于同质 核化温度）启动凝结过程，因此在冰相过程中占主 导地位，这些异质核被称为冰核。 大气冰核数量很 少，通常少于一百万分之一的气溶胶粒子可以作为 冰核存在。 冰核可以通过不同的物理过程影响云滴 或者雨滴的形成。 这些过程包括：凝华冻结和凝结 冻结过程，这两种过程主要受过饱和度的影响；浸润 冻结和接触冻结，这两种过程主要受温度影响。 浸 润冻结指冰核进入云滴（通过充当 ＣＣＮ），保持一段 解冻时间之后，在空气变得足够冷时，在其表面开始 冻结。 接触冻结指冰核与过冷水接触时，立即发生 冻结。 与 ＣＣＮ 一样， 冰核对于云的影响主要在于 影响云中冰晶数浓度，特别是在云中的冰水混合区， 冰晶和液态水的混合平衡态与云中冰晶数浓度密切 相关［４５］ 。 最常见的冰核是沙尘粒子，它们可能由沙漠、半 干旱地区以及干涸的河床产生，并被强风输送进入 ５８４ 气 象 科 学 ３４ 卷