李睿劼 黃夢(mèng)宇* 丁德平3) 田 平 畢 凱 楊 帥 姚展予

1)(北京市人工影響天氣中心, 北京 100089) 2)(中國(guó)氣象局華北云降水野外科學(xué)試驗(yàn)基地, 北京 101200) 3)(云降水物理研究和云水資源開(kāi)發(fā)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100089) 4)(中國(guó)氣象局人工影響天氣中心, 北京 100081)

引 言

氣溶膠與云的相互作用是云微物理研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題,氣溶膠對(duì)云滴譜的影響尚缺乏定量化結(jié)果。液態(tài)水存在條件下,氣溶膠數(shù)濃度增加導(dǎo)致云滴數(shù)濃度增加和云滴尺度變小,但云滴總的表面積變大,反射更多的太陽(yáng)短波輻射使地表降溫,進(jìn)而影響地球輻射收支平衡,即為第一間接效應(yīng)。云滴尺度減小延長(zhǎng)云的生命期,從而影響降水,即為第二間接效應(yīng)。

氣溶膠與云相互作用研究的關(guān)鍵是云滴譜的測(cè)量,飛機(jī)搭載測(cè)量?jī)x器入云進(jìn)行原位測(cè)量仍是目前最直接的測(cè)量方式。隨著我國(guó)機(jī)載探測(cè)能力的提高[1],對(duì)不同類(lèi)型云的微物理特征的認(rèn)識(shí)顯著提高,如混合相態(tài)云系特征[2-3],云中粒子相態(tài)識(shí)別[4]等。可根據(jù)Mie散射理論利用云滴譜計(jì)算云滴反照率評(píng)估第一間接效應(yīng),但第二間接效應(yīng)對(duì)降水的影響,如云滴向雨滴的自動(dòng)轉(zhuǎn)化,云滴的碰并效率仍存在較大不確定性,有待進(jìn)一步研究。20世紀(jì)50—60年代我國(guó)云霧物理開(kāi)創(chuàng)者顧震潮先生在衡山開(kāi)展云滴觀測(cè)發(fā)現(xiàn)云滴的雙峰現(xiàn)象,即存在大滴[5-8],提出云中湍流起伏促進(jìn)云滴間重力碰并理論[9-10]。近年隨著技術(shù)發(fā)展,開(kāi)展云滴譜擴(kuò)寬、凝結(jié)增長(zhǎng)過(guò)程、重力碰并、湍流碰并和云中帶電粒子作用等問(wèn)題研究,但仍存在不確定問(wèn)題。因此,開(kāi)展云滴譜機(jī)理和機(jī)制的研究非常必要。

飛機(jī)觀測(cè)的過(guò)程水垂直分布[11]、不同地形云微物理結(jié)構(gòu)信息[12]為降水機(jī)制研究提供了支持[13]。此外,遙感方式(雷達(dá)或衛(wèi)星)也可獲取云滴微物理特征[14]。盡管外場(chǎng)觀測(cè)手段日益豐富,但云室試驗(yàn)仍是云降水研究必不可少的手段[15-18]。由于自然云形成過(guò)程復(fù)雜、影響因素多且原位觀測(cè)缺乏時(shí)空連續(xù)性等,外場(chǎng)云滴譜觀測(cè)具有局限性,如研究云下氣溶膠活化為云滴的能力[19]時(shí),無(wú)法連續(xù)觀察活化過(guò)程。云室是通過(guò)人工手段造云分析云降水微物理過(guò)程的機(jī)理機(jī)制、定量化分析人工影響手段對(duì)云微物理過(guò)程影響的試驗(yàn)裝置。云室研究的初始和邊界條件可控[20-21],可針對(duì)單一因素對(duì)云微物理過(guò)程的影響進(jìn)行定量化分析和研究[22-23]。云室試驗(yàn)在氣溶膠吸濕增長(zhǎng)和活化過(guò)程[24-26]、云滴凝結(jié)增長(zhǎng)[27]、湍流對(duì)云滴譜影響[28]、冰核核化及其形成冰晶形狀[29-30]、二次冰晶[31]等方面開(kāi)展了大量研究,在驗(yàn)證云微物理理論的同時(shí),也發(fā)現(xiàn)經(jīng)典理論的不足[32]。

表1為國(guó)際上成功運(yùn)行的云室。按成云的方式和功能,云室大致分為膨脹云室、混合云室、擴(kuò)散云室等,針對(duì)湍流及深對(duì)流研究,近年還發(fā)展出湍流混合云室和動(dòng)力云室。

混合云室是向云室內(nèi)直接通入人工霧粒子制造云霧環(huán)境,該方法在控制過(guò)飽和度上有局限性[32]。對(duì)于擴(kuò)散云室,無(wú)論是兩個(gè)壁型擴(kuò)散云室還是圓柱型擴(kuò)散云室,試驗(yàn)之初在壁上掛霜或加濕(保證壁面是液相過(guò)飽和或冰相過(guò)飽和),通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)壁的溫度差實(shí)現(xiàn)云室內(nèi)溫度場(chǎng)和水汽場(chǎng)不匹配達(dá)到過(guò)飽和,如已被廣泛應(yīng)用于外場(chǎng)試驗(yàn)的美國(guó)DMT公司的云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器和冰核計(jì)數(shù)器[39-41],但云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器和冰核計(jì)數(shù)器測(cè)量對(duì)象是特定過(guò)飽和度下云凝結(jié)核和冰核的數(shù)濃度,無(wú)法得到云滴譜特征。

膨脹云室通過(guò)模擬氣團(tuán)抬升絕熱膨脹過(guò)程制造云霧環(huán)境,是最能代表和反映實(shí)際成云過(guò)程的云室。最早的膨脹云室是1887年用于測(cè)量氣溶膠數(shù)濃度的愛(ài)根核計(jì)數(shù)器,通過(guò)氣筒抽氣降壓造成過(guò)飽和,使氣溶膠粒子活化為云滴沉降至玻璃片并用顯微鏡計(jì)數(shù)[42]。隨著測(cè)量系統(tǒng)[43]和溫度控制系統(tǒng)[44]的發(fā)展和升級(jí),膨脹云室既可測(cè)量粒徑大于1 nm的氣溶膠數(shù)濃度,也可測(cè)量大氣冰核濃度。我國(guó)是開(kāi)展云室試驗(yàn)研究較早的國(guó)家之一,20世紀(jì)70—80年代中國(guó)氣象科學(xué)研究院建造了不同體積的一系列云室,針對(duì)人工影響天氣催化劑的核化性能開(kāi)展研究,取得了豐富研究成果[20-25]。近年中國(guó)氣象科學(xué)研究院研制了1.3 m3的膨脹云室,并進(jìn)行相關(guān)測(cè)試[45]。2018年北京市人工影響天氣中心建成北京氣溶膠與相互作用云室(Beijing Aerosol and Cloud Interaction Chamber,BACIC),同時(shí)搭建完整的氣溶膠、云滴譜及常規(guī)氣象要素測(cè)量系統(tǒng),利用華北地區(qū)環(huán)境氣溶膠開(kāi)展暖云試驗(yàn),獲得不同氣溶膠數(shù)濃度對(duì)云滴譜影響的初步結(jié)果。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 膨脹云室裝置原理

大氣成云過(guò)程主要由空氣垂直上升運(yùn)動(dòng)形成,膨脹云室通過(guò)模擬氣團(tuán)抬升過(guò)程壓力降低制造云霧環(huán)境。氣塊絕熱上升,溫度隨大氣壓力降低而遞減[46],壓力降低使氣團(tuán)膨脹,水汽壓和飽和水汽壓均降低,水汽壓的降低與壓力成正比[46],飽和水汽壓取決于氣塊溫度[47]。膨脹過(guò)程中,水汽壓的變化較飽和水汽壓快,二者之差減小,氣塊相對(duì)濕度增加,當(dāng)氣壓下降至720 hPa時(shí),氣塊溫度等于露點(diǎn)溫度,達(dá)到飽和,形成云霧環(huán)境。

這里需要指出,膨脹云室模擬的絕熱膨脹過(guò)程與實(shí)際大氣絕熱膨脹過(guò)程不同,大氣絕熱膨脹為氣塊體積增大引起壓力降低所致,云室模擬的絕熱膨脹為體積不變?nèi)藶榻档蛪毫λ?二者均是氣塊壓力降低導(dǎo)致相對(duì)濕度增高。

1.2 BACIC性能指標(biāo)

BACIC具備以下有利條件:①光纖測(cè)溫結(jié)果顯示距離云室壁超過(guò)0.5 m的空間受壁溫邊界效應(yīng)的影響較小,該云室內(nèi)直徑為2.6 m,高度為14 m,可在較大試驗(yàn)空間內(nèi)保持溫度均勻性;②對(duì)溫度和濕度條件的精細(xì)控制能力;③對(duì)氣溶膠種類(lèi)、粒徑及數(shù)濃度的控制能力;④對(duì)氣溶膠和云微物理特征量的連續(xù)測(cè)量能力;⑤可重復(fù)試驗(yàn)的能力。表2為BACIC基本性能指標(biāo)。

表2 BACIC性能指標(biāo)Table 2 Performance indices of BACIC

1.3 BACIC測(cè)量系統(tǒng)

1.3.1 溫度測(cè)量

溫度是云室試驗(yàn)最重要的參數(shù)。膨脹過(guò)程中, 1 min內(nèi)溫度降低8～10℃,因此膨脹云室對(duì)溫度傳感器的響應(yīng)時(shí)間要求很高,溫度測(cè)量必須同時(shí)考慮測(cè)量精度和響應(yīng)速度。BACIC利用PT100鉑金電阻型傳感器保證云室的溫度精度為±1℃,同時(shí)搭配新型測(cè)溫儀器光纖傳感器測(cè)量1 s內(nèi)溫度變化。

1.3.2 濕度測(cè)量和過(guò)飽和度計(jì)算

水汽達(dá)到過(guò)飽和即能產(chǎn)生云滴,但目前沒(méi)有儀器能夠直接測(cè)量過(guò)飽和度。BACIC利用鏡面露點(diǎn)計(jì)測(cè)量總水汽壓,保證膨脹試驗(yàn)開(kāi)始前露點(diǎn)與云室內(nèi)溫度差一致。

1.3.3 云滴譜測(cè)量

BACIC云滴譜測(cè)量范圍為2～100 μm。小粒徑(2～50 μm)云滴譜測(cè)量采用美國(guó)DMT公司生產(chǎn)的FM-120型霧滴譜儀,大粒徑(20～100 μm)云滴譜測(cè)量采用德國(guó)Palas公司生產(chǎn)的Promo-2000型白光單顆粒光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器,并進(jìn)行針對(duì)性改造。測(cè)量?jī)x器的布置很重要,云滴的測(cè)量位置設(shè)計(jì)在云室的正下方,儀器抽氣方向與重力方向一致,盡量避免因采樣導(dǎo)致的云滴重力沉降損失。

1.3.4 氣溶膠特性測(cè)量

云滴核化研究需要測(cè)量氣溶膠的粒徑分布、數(shù)濃度。經(jīng)改裝設(shè)計(jì),BACIC可測(cè)量0.02～20 μm的氣溶膠譜分布。其中,小粒徑(0.02～0.7 μm)氣溶膠譜測(cè)量采用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的3938型掃描電遷移率粒徑譜儀(SMPS),大粒徑(0.5～20 μm)氣溶膠譜測(cè)量采用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的3321型空氣動(dòng)力學(xué)粒徑譜儀(APS),氣溶膠(大于3 nm)數(shù)濃度測(cè)量采用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的3772型粒子計(jì)數(shù)器(CPC)測(cè)量。需要注意的是,氣溶膠譜測(cè)量需要在膨脹前完成,膨脹過(guò)程中SMPS和APS停止采集。CPC經(jīng)過(guò)流量改裝,可以在云室降壓過(guò)程中保持體積流量恒定,膨脹過(guò)程中可持續(xù)測(cè)量氣溶膠數(shù)濃度變化。

2 BACIC膨脹成云能力檢驗(yàn)

圖1為BACIC內(nèi)部壓力和溫度下降過(guò)程中形成云時(shí),測(cè)量得到的氣壓、溫度變化及云滴數(shù)濃度和云滴譜分布特征。由圖1氣壓和溫度隨時(shí)間的變化可見(jiàn),BACIC膨脹成云試驗(yàn)的壓力控制由環(huán)境氣壓起始,降至約700 hPa停止,對(duì)應(yīng)云室內(nèi)溫度下降8～10℃。由圖1成云后云滴數(shù)濃度和云滴譜分布隨時(shí)間變化可見(jiàn),成云全過(guò)程用時(shí)約為5 min。在初期階段(100～200 s),抽氣降壓造成過(guò)飽和度持續(xù)升高,云滴數(shù)濃度升高,表明氣溶膠持續(xù)活化,云滴尺寸通過(guò)凝結(jié)不斷增長(zhǎng)。在穩(wěn)定階段(200～300 s),過(guò)飽和度開(kāi)始減小,云滴數(shù)濃度和云滴粒徑保持不變。在后期階段(300 s以后),云滴開(kāi)始蒸發(fā)。這是國(guó)內(nèi)首次開(kāi)展定量化膨脹成云試驗(yàn),云滴譜測(cè)量成云演變效果證明BACIC具備與國(guó)外運(yùn)行成熟云室相媲美的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

圖1 BACIC暖云膨脹成云過(guò)程中氣壓和溫度(a)、云滴數(shù)濃度(b)及云滴譜(c)分布Fig.1 Pressure and temperature(a),cloud droplet number concentration(b),and cloud droplet spectrum(c) of expansion warm cloud in BACIC

續(xù)圖1

3 暖云滴譜試驗(yàn)研究

2019—2021年BACIC已開(kāi)展3類(lèi)暖云試驗(yàn):一是BACIC膨脹驗(yàn)證試驗(yàn),通過(guò)開(kāi)展不同上升速度和氣溶膠數(shù)濃度對(duì)暖云滴譜影響的試驗(yàn),基于已有理論驗(yàn)證BACIC膨脹試驗(yàn)有效性;二是大氣背景試驗(yàn),通過(guò)引入華北地區(qū)背景氣溶膠,分析不同上升速度和環(huán)境氣溶膠數(shù)濃度對(duì)暖云滴譜、氣溶膠成云活化率的影響效果;三是吸濕性催化劑試驗(yàn),通過(guò)在清潔環(huán)境下引入不同種類(lèi)吸濕性氣溶膠,模擬研究吸濕性催化劑對(duì)暖云滴譜的影響。

3.1 BACIC驗(yàn)證試驗(yàn)

在暖云形成過(guò)程中,氣溶膠數(shù)濃度和上升速度對(duì)形成的云滴譜均有影響。上升速度是過(guò)飽和度的源,氣溶膠消耗水汽是過(guò)飽和度的匯。理論上,相同水汽和氣溶膠條件下,上升速度越大,過(guò)飽和度越高,云滴數(shù)濃度越多;相同水汽和上升速度前提下,氣溶膠數(shù)濃度越高,云滴數(shù)濃度越高,但云滴粒徑越小。通過(guò)BACIC控制模擬上升速度和氣溶膠數(shù)濃度試驗(yàn),驗(yàn)證云室試驗(yàn)有效性。

3.1.1 上升速度對(duì)暖云滴譜特征的影響

BACIC降壓主要采用真空泵抽氣的方式,通過(guò)控制泵抽氣的流速和管路中閥門(mén)的開(kāi)合度調(diào)節(jié)氣壓下降速率,按照華北地區(qū)的大氣氣壓梯度及其對(duì)應(yīng)的海拔高度,將氣壓下降速率換算為模擬氣塊上升速度,實(shí)現(xiàn)模擬不同上升速度的試驗(yàn)?zāi)康?。BACIC可模擬的上升速度約為2～14 m·s-1,降壓速率和對(duì)應(yīng)的模擬上升速度見(jiàn)表3。

表3 減壓速度和對(duì)應(yīng)上升速度Table 3 Simulated rising speed corresponding to depressurization rates

圖2為4次上升速度不同但氣溶膠數(shù)濃度相同的膨脹成云試驗(yàn)過(guò)程,4次試驗(yàn)的水汽和氣溶膠條件保持一致,上升速度按照時(shí)間發(fā)展方向從左至右分別為14.3,9.13,6.28 m·s-1和2.09 m·s-1。由圖2可見(jiàn),上升速度越小(即過(guò)飽和度小),可活化的氣溶膠越少(即云滴的數(shù)濃度小),云滴的粒徑也越小,液態(tài)水含量越小,該現(xiàn)象符合云物理經(jīng)典理論。

圖2 不同上升速度的暖云滴譜特征(①～④分別對(duì)應(yīng)14.3,9.13,6.28,2.09 m·s-1的上升速度)Fig.2 Size distribution of warm cloud droplets for different rising speed(①-④ corresponding to rising speed of 14.3,9.13,6.28,2.09 m·s-1,respectively)

3.1.2 氣溶膠數(shù)濃度對(duì)暖云滴譜的影響

圖3是保持云室內(nèi)上升速度(14.3 m·s-1)和水汽條件(相對(duì)濕度為90%)不變,使云室內(nèi)初始?xì)馊苣z數(shù)濃度分別為10000 cm-3和2500 cm-3用以模擬污染環(huán)境和清潔環(huán)境,對(duì)比暖云滴譜特征和液態(tài)水含量的變化。由圖3可見(jiàn),在污染環(huán)境下,云滴數(shù)濃度約為2500 cm-3,云滴直徑約為8 μm;在清潔環(huán)境下,云滴數(shù)濃度為200～400 cm-3,云滴直徑約為15～25 μm。這表明氣溶膠數(shù)濃度越大,活化的云滴數(shù)濃度越高,但云滴粒徑越小,這符合第一間接效應(yīng)[48]。同時(shí),污染環(huán)境下云的液態(tài)水含量更低。這里需要指出,外場(chǎng)飛機(jī)和衛(wèi)星觀測(cè)已經(jīng)證實(shí)了第一間接效應(yīng),即人為污染可降低云滴尺寸,但液態(tài)水含量與人為污染的關(guān)系尚無(wú)定論[40-42]。

圖3 不同氣溶膠數(shù)濃度的暖云滴譜特征和液態(tài)水含量Fig.3 Size distribution of warm cloud droplets and liquid water content for different aerosol number concentration

3.2 大氣背景試驗(yàn)初步結(jié)果統(tǒng)計(jì)

在華北地區(qū)大氣背景環(huán)境下,開(kāi)展BACIC環(huán)境氣溶膠對(duì)暖云滴譜特征影響的試驗(yàn)。將云室外空氣引入云室,開(kāi)展固定上升速度的膨脹成云試驗(yàn),獲得60組有效數(shù)據(jù)。

圖4是固定上升速度的云滴數(shù)濃度與氣溶膠數(shù)濃度的關(guān)系。由圖4可見(jiàn),氣溶膠數(shù)濃度與云滴數(shù)濃度為正相關(guān)關(guān)系,這與理論預(yù)期一致。但該關(guān)系并非現(xiàn)線性變化,云滴數(shù)濃度隨氣溶膠數(shù)濃度的變化可采用指數(shù)函數(shù)擬合,這與各組試驗(yàn)背景氣溶膠的組分不同有關(guān),具體需要通過(guò)控制同類(lèi)氣溶膠濃度進(jìn)一步驗(yàn)證。

圖4 云滴數(shù)濃度與氣溶膠數(shù)濃度的關(guān)系Fig.4 Relationship between cloud number concentration and aerosol number concentration

圖5是固定上升速度的氣溶膠成云活化率與氣溶膠數(shù)濃度的關(guān)系。由圖5可見(jiàn),隨著氣溶膠數(shù)濃度升高,氣溶膠成云活化率降低,這是因?yàn)樵谕瑯由仙俣认逻^(guò)飽和度相同,過(guò)多的氣溶膠導(dǎo)致水汽競(jìng)爭(zhēng),造成成云活化率降低。在云室體積固定的前提下,氣溶膠數(shù)濃度可以代表數(shù)量。以霧滴譜測(cè)量的云滴譜數(shù)濃度代表活化氣溶膠數(shù)量,以CPC儀器測(cè)量的氣溶膠數(shù)濃度代表背景氣溶膠數(shù)量,兩者相除得到氣溶膠成云活化率。因此,氣溶膠成云活化率隨氣溶膠數(shù)濃度變化的敏感區(qū)位于氣溶膠數(shù)濃度小于5000 cm-3的區(qū)域。

圖5 氣溶膠成云活化率與氣溶膠數(shù)濃度的關(guān)系Fig.5 Relationship between activation ratio and aerosol number concentration

此外,BACIC還開(kāi)展了上升速度對(duì)氣溶膠成云活化率影響試驗(yàn)(圖6)。由圖6可見(jiàn),當(dāng)上升速度最大為14.3 m·s-1時(shí),氣溶膠成云活化率約為42%,隨著上升速度減小,氣溶膠成云活化率降低;當(dāng)上升速度最小為2.09 m·s-1時(shí),氣溶膠成云活化率約為17%。因此,在氣溶膠濃度不變條件下,上升速度越大,氣溶膠成云活化率越高。

圖6 氣溶膠成云活化率與上升速度的關(guān)系Fig.6 Relationship between activation ratio and rising speed

3.3 吸濕性氣溶膠試驗(yàn)

利用BACIC進(jìn)行吸濕性氣溶膠對(duì)暖云滴譜分布影響的試驗(yàn),分別針對(duì)清潔和污染背景開(kāi)展吸濕性催化劑研究。

試驗(yàn)選取3種吸濕性氣溶膠,分別是硫酸銨、氯化鉀和草酸氣溶膠。通過(guò)氣溶膠發(fā)生器引入云室的吸濕性氣溶膠為亞微米級(jí)氣溶膠(粒徑峰值為150～300 nm)。按順序分別引入背景環(huán)境氣溶膠和數(shù)濃度為10000 cm-3的硫酸銨、氯化鉀和草酸氣溶膠,控制并保持相同的上升速度進(jìn)行膨脹成云試驗(yàn),共獲得24組有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖7為不同背景環(huán)境吸濕性氣溶膠對(duì)暖云滴譜的影響。由圖7可見(jiàn),在不同背景環(huán)境下引入吸濕性氣溶膠均會(huì)導(dǎo)致云滴譜變窄,這并不會(huì)因?qū)е麓笤频紊伞⑴霾⑦^(guò)程加速并造成降水,從而加速降水過(guò)程。雖然3種氣溶膠的吸濕能力不同,但形成的云滴粒徑并無(wú)區(qū)別,這表明在對(duì)云滴粒徑的影響上,催化劑尺度的作用大于化學(xué)組分的作用[49]。

圖7 清潔和污染背景下不同吸濕性氣溶膠的暖云云滴譜Fig.7 Size distribution of warm cloud droplets under polluted and clean conditions

BACIC引入的是亞微米級(jí)吸濕性氣溶膠,人工影響外場(chǎng)消霧使用的是巨核吸濕劑,粒徑為幾十至幾百微米量級(jí)[50-54]?；谝陨辖Y(jié)果,外場(chǎng)消霧試驗(yàn)應(yīng)盡量使用大粒徑催化劑。

3.4 云霧環(huán)境維持時(shí)間的影響

在膨脹云室試驗(yàn)中需要注意,膨脹過(guò)程中空氣溫度隨壓力增加而下降,但云室壁仍維持原有溫度。膨脹成云后,云室壁和空氣溫度差增大,形成的云會(huì)被加熱蒸發(fā),影響膨脹成云的持續(xù)性和代表性。一般情況下,云霧環(huán)境的維持時(shí)間為5～10 min。

圖8為BACIC兩個(gè)膨脹成云試驗(yàn)的溫度變化。試驗(yàn)1為氣壓降至200 hPa停止,試驗(yàn)2為氣壓降至600 hPa停止。由圖8可見(jiàn),氣壓下降的最初3 min,試驗(yàn)1和試驗(yàn)2的溫度下降速率符合絕熱曲線理論降溫速率(約4 K·min-1),但隨后空氣溫度因受壁溫加熱影響開(kāi)始升高。試驗(yàn)1更清楚地反映壁溫加熱的效果,即停止抽氣后,溫度明顯回升。因此,BACIC的云霧環(huán)境維持時(shí)間為5～10 min,所有試驗(yàn)測(cè)量必須在該時(shí)間內(nèi)完成。

圖8 BACIC絕熱膨脹成云試驗(yàn)的溫度變化Fig.8 Air temperature variation of adiabatic expansion experiment in BACIC

4 結(jié) 論

本文介紹BACIC的工作原理和試驗(yàn)設(shè)計(jì),通過(guò)與理論成云試驗(yàn)對(duì)比,驗(yàn)證其開(kāi)展氣溶膠對(duì)云滴譜影響試驗(yàn)的可行性?；贐ACIC開(kāi)展的環(huán)境氣溶膠試驗(yàn)和吸濕性氣溶膠試驗(yàn),得到氣溶膠和上升速度對(duì)暖云滴譜分布的影響。主要結(jié)論如下:

1) BACIC可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度、壓力和氣溶膠數(shù)濃度等要素的控制和測(cè)量,云室內(nèi)空氣溫度控制范圍為環(huán)境溫度至-45℃以下,壓力控制范圍為環(huán)境常壓至1 hPa,具備測(cè)量粒徑為2～100 μm云滴譜分布的能力,滿(mǎn)足開(kāi)展云霧物理室內(nèi)試驗(yàn)的技術(shù)要求。

2) BACIC模擬氣塊絕熱上升膨脹過(guò)程,當(dāng)云室內(nèi)溫度低于露點(diǎn)溫度形成云霧;云霧環(huán)境的維持時(shí)間為5～10 min,與國(guó)外運(yùn)行成熟云室的云霧環(huán)境維持時(shí)間指標(biāo)接近?？刂谱兞吭囼?yàn)得到氣溶膠數(shù)濃度、上升速度與云滴譜分布和液態(tài)水含量等物理量的變化趨勢(shì),與云降水物理的基本原理和數(shù)值模擬結(jié)果一致,證明BACIC模擬膨脹成云試驗(yàn)的技術(shù)方法合理可行。

3) BACIC在華北地區(qū)環(huán)境氣溶膠背景下開(kāi)展膨脹成云試驗(yàn)研究,得到上升速度、背景氣溶膠數(shù)濃度與云滴數(shù)濃度的定量化關(guān)系:上升速度增大,氣溶膠成云活化率增加,云滴粒徑增大;氣溶膠數(shù)濃度增大,云滴數(shù)濃度增大且可采用指數(shù)函數(shù)擬合;氣溶膠數(shù)濃度增大,導(dǎo)致氣溶膠成云活化率降低,氣溶膠成云活化率隨氣溶膠數(shù)濃度變化的敏感區(qū)位于氣溶膠數(shù)濃度小于5000 cm-3的區(qū)域。

4) 無(wú)論是清潔環(huán)境還是污染環(huán)境,亞微米吸濕性氣溶膠導(dǎo)致云滴譜變窄,外場(chǎng)消霧不僅要關(guān)注催化劑的吸濕特性,更應(yīng)考慮吸濕性催化劑的粒徑對(duì)云滴譜的影響。