李力1 銀燕1, 2 顧雪松1 陳魁1 譚穩(wěn)1 楊磊1 袁亮1

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黃山地區(qū)不同高度云凝結(jié)核的觀測分析

李力銀燕顧雪松陳魁譚穩(wěn)楊磊袁亮

1南京信息工程大學(xué)中國氣象局氣溶膠—云—降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，南京210044 2南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警與評(píng)估協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044

為研究華東高山地區(qū)云凝結(jié)核（Cloud Condensation Nuclei，CCN）沿山峰的垂直變化特征，2011年6月利用云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器（Cloud Condensation Nuclei Counter，CCNC）在黃山三個(gè)不同高度處對(duì)CCN進(jìn)行觀測。觀測結(jié)果表明，不同高度的CCN濃度隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，CCN濃度隨高度的升高而減小，過飽和度為0.8%時(shí)山頂、山腰、山底CCN濃度平均值分別為1105.62、1218.39和1777.78 cm，山底的高CCN濃度（大于1000 cm）出現(xiàn)頻率大于山腰和山頂，表明山底受周邊污染源的影響較山頂和山腰大。山頂和山底的日變化曲線均為雙峰型，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在午前和午后，與大氣邊界層高度及山谷風(fēng)變化有關(guān)。利用公式N=CS擬合了山頂在不同天氣條件下CCN活化譜，并分析了其變化特征。結(jié)果顯示，晴天、雨天和霧天的值分別為2798、384、765，小于一些污染城市，屬于清潔大陸型核譜。本文結(jié)果有助于改進(jìn)對(duì)華東背景地區(qū)云凝結(jié)核時(shí)空分布的認(rèn)識(shí)，為該地區(qū)云霧核化在數(shù)值模式中的表達(dá)提供觀測依據(jù)和參數(shù)化方案。

氣溶膠 云凝結(jié)核 不同高度 黃山

1 引言

隨著工業(yè)的不斷發(fā)展和人口的不斷增多，由自然因素和人為因素排放的氣溶膠粒子濃度在持續(xù)增長，種類也在不斷增多，這些氣溶膠粒子正通過多種方式直接或間接地影響人們的生活。懸浮在空氣中的氣溶膠粒子，通過吸收、散射等作用削弱到達(dá)地面的太陽輻射進(jìn)而影響氣候，研究表明，直徑大于0.05 μm的氣溶膠粒子，特別是硫酸鹽粒子，為云滴和冰晶的形成貢獻(xiàn)了大部分凝結(jié)核（Twomey，1974），一部分氣溶膠粒子作為云凝結(jié)核（Cloud Condensation Nuclei，CCN）可以改變?cè)频睦砘匦浴CN在云和降水過程中起重要的作用，決定了云滴濃度和初始大小的分布（Sax and Hudson， 1981），可參與暖云形成的微物理過程，對(duì)暖云降水有影響，高濃度的CCN會(huì)抑制暖云降水的發(fā)生（Hudson，1993）。在冷云降水過程中，CCN能通過影響云滴尺度來影響降雪率（Mitchell，1990）。CCN能直接地將氣溶膠和云定量聯(lián)系起來，對(duì)其特征的研究是研究氣溶膠、云和氣候相互作用的重要環(huán)節(jié)。同時(shí)，氣溶膠通過間接輻射強(qiáng)迫影響云的氣候效應(yīng)還存在很多不確定因素（IPCC，2007），而這些不確定性很大程度上是由于對(duì)氣溶膠核化性質(zhì)的認(rèn)識(shí)不足造成的，因此對(duì)CCN特性的研究是研究氣候變化的一個(gè)重要組成部分。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)CCN濃度在時(shí)間和空間上的分布特征做了大量外場觀測實(shí)驗(yàn)（Baumgardner et al.，2004；Reade et al.，2006；Kuwata et al.，2008），我國從20世紀(jì)80年代開始，采用美國Mee公司生產(chǎn)的130型云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器針對(duì)西北、青島沿海等地進(jìn)行了CCN的觀測分析（何紹欽，1987；樊曙先和安夏蘭，2000；黃庚等，2002）。由于130型云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器不能進(jìn)行連續(xù)氣流采樣，并有粒子增長時(shí)間長、標(biāo)定困難等缺點(diǎn)，已經(jīng)停止使用。近年來國內(nèi)用較先進(jìn)的美國DMT（Droplet Measure- ment Technologies）公司生產(chǎn)的連續(xù)氣流縱向熱 梯度云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器測量了地面和高空的CCN濃度。大量觀測研究表明，CCN主要來源于地面，CCN濃度隨高度增加而減少，云對(duì)CCN有消耗作用（石立新和段英，2007；岳巖裕等，2010；封秋娟等，2012）。孫霞等（2012）分析了石家莊地區(qū)霧霾天氣下CCN垂直和水平分布特征以及譜分布，張晶等（2011）分析了石家莊周邊秸桿焚燒事件中云凝結(jié)核變化的特征，Liu et al.（2011）認(rèn)為CCN濃度與氣溶膠光學(xué)厚度有很好的相關(guān)性。為研究氣溶膠的粒徑分布和化學(xué)組分對(duì)CCN活化特性的影響，國內(nèi)外學(xué)者也運(yùn)用了多種方法進(jìn)行CCN閉合實(shí)驗(yàn)的研究（Chuang et al.，2000；Cantrell et al.，2001；Deng et al.，2011；Yang et al.，2012），Sinder and Brenguier（2000）利用上升氣流速度和CCN活化譜計(jì)算得到層積云中的云滴數(shù)濃度，并與觀測到的云滴數(shù)濃度一致。關(guān)于CCN濃度變化對(duì)數(shù)值模式模擬結(jié)果的影響也開展了相關(guān)的研究工作（金蓮姬等，2007；董昊等，2012），得到了大量有意義的研究成果。然而少有對(duì)長江三角洲背景地區(qū)CCN特性的觀測分析，且針對(duì)高山地區(qū)CCN濃度沿垂直方向分布特征的研究更少。本研究將觀測地點(diǎn)選取在安徽黃山三個(gè)不同高度處，山頂海拔高度達(dá)1840 m，大氣環(huán)境受周圍局地污染源的影響較小，而山底受人為影響較山頂和山腰大，因此比較這三個(gè)觀測點(diǎn)的CCN特性有利于研究高山地區(qū)山地氣候特點(diǎn)對(duì)CCN特征的影響，能更好的理解高山地區(qū)大氣邊界層和自由大氣交換過程對(duì)云凝結(jié)核的影響及其與氣溶膠和云霧的相互作用關(guān)系。

2 資料與方法

2.1 觀測儀器與觀測地點(diǎn)

黃山觀測期間同時(shí)使用三臺(tái)由美國DMT公司設(shè)計(jì)制造的云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器（Cloud Condensation Nuclei Counter，CCNC）觀測山頂、山腰、山底在不同過飽和度下的云凝結(jié)核數(shù)濃度。通過設(shè)定CCNC內(nèi)部云室過飽和度，能夠測量出連續(xù)氣流在相應(yīng)過飽和度下的CCN濃度。CCNC的核心部分是一個(gè)高50 cm、內(nèi)徑2.3 cm的圓柱形連續(xù)氣流縱向熱梯度云室。云室上、中、下部分別安放了熱敏元件以精確測量溫度，通過上、中、下部的3組熱電制冷器使云室內(nèi)溫度從低到高線性增加，形成一定的溫度梯度，云室內(nèi)壁維持一定量的水流以保持濕潤。由于從云室內(nèi)壁向云室內(nèi)部的水汽擴(kuò)散速率大于熱擴(kuò)散速率，因而在云室的垂直中心區(qū)域過飽和度達(dá)到最大值。環(huán)境空氣進(jìn)入儀器后被分為采樣氣流和鞘流兩部分，鞘流經(jīng)過過濾和加濕后去除了原有的氣溶膠粒子，環(huán)繞在采樣氣流周圍進(jìn)入云室，這樣采樣粒子就被限制在云室垂直中心區(qū)域，并在設(shè)定的過飽和度下活化增長?；罨蟮牧Ｗ舆M(jìn)入云室下面的光學(xué)粒子計(jì)數(shù)器（Optical Particle Counter，OPC）腔體。OPC內(nèi)照射激光的波長為660 nm，通過粒子側(cè)向散射計(jì)算得到活化的CCN粒子尺度和個(gè)數(shù)（探測的最小粒子直徑0.75 μm）。DMT CCN儀的主要技術(shù)參數(shù)為：過飽和度范圍0.1%～2.0%，云室總氣流率500 cmmin，最佳鞘流和采樣氣流率比例10:1，采樣頻率1 Hz，測量粒子尺度0.75～10 μm。

觀測地點(diǎn)位于安徽省南部黃山地區(qū)，海拔高度達(dá)1800 m以上，與周圍的平原和丘陵形成強(qiáng)烈對(duì)比，該地區(qū)以旅游業(yè)為主要產(chǎn)業(yè)，受到周邊工業(yè)和城市污染影響較小。氣候特征既有華東北亞熱帶季風(fēng)特點(diǎn)，又有山地氣候垂直變化的特色，云霧多、溫差大、降水多，是觀測氣溶膠與云的理想地點(diǎn)。本研究選取黃山三個(gè)由南向北、由低到高的站點(diǎn)開展 觀測，山頂?shù)挠^測點(diǎn)在黃山光明頂氣象站（海拔1840 m，30°8￠3.6￠￠N，118°09￠53.41￠￠E），另兩個(gè)觀測點(diǎn)分別位于半山寺消防宿舍區(qū)（海拔1351 m， 30°07￠06.2￠￠N，118°10￠14.11￠￠E）和山底寨西人工影響天氣示范基地（海拔464 m，30°03￠32.45￠￠N， 118°9￠56.55￠￠E），三個(gè)觀測點(diǎn)幾乎分布在同一經(jīng)度上，這樣便能在黃山觀測到一個(gè)CCN隨高度變化的情況，觀測時(shí)間為2011年6月5日到6月20日，期間山頂氣象要素變化如圖1所示，山頂月平均氣溫為15.9°C，比歷年均值偏高0.8°C，月降水量為982.3 mm，比歷年均值偏多114.2%，日照偏少，相對(duì)濕度均維持在70%以上，平均風(fēng)速為5.5 m s，風(fēng)向以西南風(fēng)為主。

2.2 數(shù)據(jù)處理

在三個(gè)觀測點(diǎn)同時(shí)開展了云凝結(jié)核的連續(xù)觀測試驗(yàn)，并結(jié)合同期在相同位置由自動(dòng)氣象站取得的氣象要素觀測資料進(jìn)行分析，觀測數(shù)據(jù)體現(xiàn)了三個(gè)高度在時(shí)間上的連續(xù)性和空間上的同步性。觀測時(shí)在三個(gè)觀測點(diǎn)對(duì)CCNC過飽和度的設(shè)定共分5檔，分別為0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%，各檔時(shí)間設(shè)置均為20分鐘，為了避免過飽和度從1.0%到0.2%出現(xiàn)大的變化，采用先從0.2%到1.0%遞增后反向遞減的過飽和度變化方式進(jìn)行觀測，避免了過飽和度出現(xiàn)大的跨度，更好的控制了數(shù)據(jù)質(zhì)量?？紤]到儀器開機(jī)后需要一定時(shí)間穩(wěn)定，以及CCNC在過飽和度換擋時(shí)不穩(wěn)定的問題，對(duì)原始數(shù)據(jù)做了剔除，儀器開機(jī)后和每次過飽和度換擋時(shí)前五分鐘的數(shù)據(jù)，并剔除了“Temps Stabilized”為0時(shí)的數(shù)據(jù)。

3 結(jié)果與討論

3.1 CCN濃度變化特征

在過飽和度接近0.8%時(shí)，粒徑較小的氣溶膠粒子的活化率能達(dá)到80%以上（Deng et al.，2011），因此認(rèn)為此時(shí)進(jìn)入CCNC的氣溶膠粒子大部分能成為CCN，這里以過飽和度為0.8%時(shí)為例，給出三個(gè)觀測點(diǎn)CCN濃度變化的時(shí)間序列（圖2），后文中如無特殊說明，圖均以過飽和度為0.8%時(shí)給出。如圖2所示，山頂、山腰、山底CCN濃度隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，觀測期間影響CCN濃度變化的主要因子是降水，由圖1中降水量變化情況可知，6月7日到8日幾乎沒有降水，而對(duì)應(yīng)的CCN濃度增高并在6月8日達(dá)到3000 cm左右的極大值。6月9日到11日的降水沖刷使得CCN濃度下降，第二個(gè)極大值出現(xiàn)在6月12日到13日，達(dá)到2000 cm左右，對(duì)應(yīng)的只是微量降水，14日到15日持續(xù)的降水導(dǎo)致CCN的濃度很低，維持在1000 cm以下。

觀測期間降水日次較多，考慮到降水對(duì)氣溶膠粒子有明顯的沖刷作用（胡敏等，2006），本文對(duì)剔除降水后的CCN數(shù)濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，表1統(tǒng)計(jì)了三個(gè)觀測點(diǎn)的CCN濃度在不同過飽和度下的平均值、最大值、最小值以及標(biāo)準(zhǔn)偏差。各觀測點(diǎn)CCN濃度基本是隨過飽和度增加而增加。過飽和度為0.8%時(shí)，山頂、山腰、山底CCN濃度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為1105.62±590.91cm、1218.39± 713.77 cm、1777.78±595.95 cm，山底的CCN濃度比山腰和山頂?shù)姆謩e高出45%和60%，山腰比山頂?shù)母叱?0%，每一過飽和度下CCN濃度都隨高度的升高而減小。同期對(duì)黃山三個(gè)高度氣溶膠粒子的水溶性離子分析（文彬等，2013）中也指出，氣溶膠中水溶性組分質(zhì)量濃度隨高度遞減，且山底離子濃度最大值都高出其他觀測點(diǎn)10 μg m，表明山底受周邊污染源的影響較大，氣溶膠粒子較多。然而總體而言黃山的CCN濃度并不高，三個(gè)觀測點(diǎn)在不同過飽和度下CCN濃度的平均值均未超過2000 cm，而在一些污染較重的城市CCN濃度則遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于黃山，如2005年夏季石家莊地面CCN在=0.1%、0.3%、0.5%下的最大值分別為9495、16332和21812 cm（石立新和段英，2007），2007年7月在=0.5%時(shí)銀川地面CCN濃度最大值為11901 cm（岳巖裕等，2010），黃山地區(qū)相對(duì)來說是比較清潔的。

表1 黃山3個(gè)不同高度CCN濃度統(tǒng)計(jì)值

對(duì)觀測期間CCN數(shù)濃度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)給出其概率分布，如圖3a–c。對(duì)三個(gè)觀測點(diǎn)每個(gè)過飽和度下的觀測數(shù)據(jù)幾乎可以以CCN數(shù)濃度為1000 cm為界分為兩部分，在CCN數(shù)濃度小于1000 cm的情況下，過飽和度（）為0.6%、0.8%、1.0%時(shí)，山頂?shù)腃CN數(shù)濃度范圍大約為500～900 cm、600～1000 cm、700～1000 cm，山腰和山底的與山頂?shù)南嗖畈淮?，但山底CCN濃度小于1000 cm的概率分布小于山腰和山頂。而在CCN數(shù)濃度大于1000 cm的情況下山頂三個(gè)過飽和度的CCN濃度范圍均為1000～6000 cm，山腰和山底的CCN濃度在1000 cm以上的概率分布比山頂?shù)拇?，其中山底最大，山腰次之、山頂最小，說明山底受人為因素影響較大，氣溶膠粒子多。鄧兆澤（2011）在武清和天津也做了類似的研究，與黃山的相比，武清和天津的CCN濃度低于100 cm的概率分布幾乎為零，而黃山的在100 cm以下仍有分布，武清和天津的CCN濃度高于10000 cm的概率占到很大的比例，而黃山則沒有高于10000 cm的概率分布，這主要是因?yàn)槿A北地區(qū)受到工業(yè)和城市污染比黃山嚴(yán)重，高氣溶膠濃度導(dǎo)致了高CCN濃度，且黃山觀測期間降水時(shí)次較多，對(duì)氣溶膠粒子的沖刷作用使得CCN濃度較低。

3.2 不同高度CCN濃度的相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步分析山頂、山腰、山底CCN數(shù)濃度之間的關(guān)系，將觀測期間剔除降水后山頂和山腰、山頂和山底、山腰和山底的CCN分別做了相關(guān)性的比較，如圖4a–c所示，三個(gè)觀測點(diǎn)的CCN數(shù)濃度相關(guān)性都較好，相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.7以上，但是山頂和山腰的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85，山腰和山底的相關(guān)性次之，相關(guān)系數(shù)為0.78，山頂和山底的相關(guān)性與前兩項(xiàng)相比較差，相關(guān)系數(shù)為0.71，晴天情況下黃山邊界層的高度能抬升到1900 m左右（張小培，2012），山頂處于邊界層頂部，污染物通過湍流向上輸送到邊界層頂，所以三個(gè)點(diǎn)有較好的相關(guān)性，同時(shí)由于山底所受到的人為活動(dòng)影響較大，氣溶膠的源比山腰和山頂?shù)膹?fù)雜，且受到三個(gè)觀測點(diǎn)之間垂直落差和水平距離的影響，以及各觀測點(diǎn)氣象要素的不同，氣溶膠粒子在傳輸過程中容易受到環(huán)境因素影響，存在較大的不確定性，可能導(dǎo)致了相關(guān)系數(shù)隨著觀測點(diǎn)之間垂直距離的增大而減小。

3.3 CCN濃度日變化

2011年黃山6月10日入梅，7月15日出梅，觀測地點(diǎn)的天氣多以雨和霧為主，將觀測期間有持續(xù)降水的情況排除后討論山頂和山底CCN晴天的日變化情況（圖5a、b）。圖中可以看到CCN濃度基本隨過飽和度的升高而升高，但山底部分時(shí)刻的CCN濃度在0.8%的過飽和度下小于過飽和度為0.6%時(shí)的濃度，這可能是由于6月8日下午觀測資料有缺失所致。兩個(gè)觀測點(diǎn)的日變化曲線均為雙峰型，山頂?shù)谝粋€(gè)峰值出現(xiàn)在12:00（北京時(shí)間，下同）左右，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在17:00左右，山底的第一個(gè)峰值出現(xiàn)在上午08:00～09:00，第二個(gè)峰值出現(xiàn)在17:00左右，在黃山光明頂觀測的氣溶膠吸收系數(shù)和散射系數(shù)也出現(xiàn)了類似的雙峰型日變化（陳景華等，2011），散射和吸收系數(shù)在午夜和凌晨較低，白天在午后有一個(gè)小低谷，一天中兩個(gè)較大的峰值一個(gè)出現(xiàn)在中午前，一個(gè)出現(xiàn)在傍晚18:00左右。有研究認(rèn)為高山地區(qū)CCN濃度日變化與混合層高度的變化有關(guān)（Philippin and Betterton，1997），在對(duì)黃山上空污染物的數(shù)值模擬研究（金祺 等，2012）中也指出白天邊界層抬升，污染氣體通過湍流向上輸送到邊界層頂，晚上污染物又隨著邊界層的下降回到地面附近，重復(fù)前一天的過程。早晨由于交通早高峰等人為活動(dòng)排放的氣溶膠粒子增加，山底CCN濃度在09:00達(dá)到峰值。而山頂達(dá)到第一個(gè)峰值的時(shí)間比山底的滯后，可能是因?yàn)橐雇砗颓宄可巾斣谶吔鐚禹斠陨希瑲馊苣z濃度較小，日出之后太陽輻射逐漸增強(qiáng)，邊界層頂由山底逐漸向山頂抬升，邊界層高度內(nèi)的湍流混合作用將山底較高濃度的CCN和氣溶膠粒子向上輸送，山頂CCN濃度逐漸增高，中午太陽輻射最強(qiáng)時(shí)山頂處于邊界層高度內(nèi)，CCN數(shù)濃度在12:00達(dá)到第一個(gè)峰值。午后湍流交換加強(qiáng)，CCN不易在低層積累，山底CCN濃度降低，達(dá)到谷值，且與同時(shí)段內(nèi)山頂?shù)腃CN濃度范圍相一致，在2000～2500 cm范圍內(nèi)，同時(shí)山頂貼地層也受到湍流的影響，加快了粒子在垂直方向上的擴(kuò)散，將山頂?shù)臍馊苣z粒子繼續(xù)垂直向上輸送，從而導(dǎo)致山頂CCN濃度在午后14:00左右也出現(xiàn)了谷值。17:00太陽輻射開始減弱，邊界層高度降低，山頂由不穩(wěn)定層結(jié)向穩(wěn)定層結(jié)過渡，湍流垂直混合作用減弱，氣溶膠粒子開始累積，形成CCN濃度的第二個(gè)峰值，而傍晚山底受到太陽輻射減弱以及人為活動(dòng)增強(qiáng)的影響，CCN濃度升高出現(xiàn)第二個(gè)峰值。日落以后邊界層頂逐漸下降，湍流擴(kuò)散受到抑制，山頂?shù)臍馊苣z粒子減少，CCN濃度也迅速下降。同時(shí)CCN的日變化也有可能受到山谷風(fēng)的影響，銀燕等（2010）在研究黃山光明頂氣溶膠粒子日變化時(shí)也指出，白天風(fēng)由山谷吹向山坡，低層濃度高的氣溶膠粒子向上輸送，對(duì)氣溶膠有一定的積累作用，氣溶膠濃度下午比上午高，導(dǎo)致山頂CCN濃度第二個(gè)峰值大于第一個(gè)峰值，晚上風(fēng)由山坡吹向山谷，氣溶膠濃度降低，而山底兩個(gè)峰值的CCN濃度則相差不大。

3.4 不同天氣條件下的CCN活化譜

氣溶膠粒子能否作為CCN不僅與粒子尺度有關(guān)，還與過飽和度、粒子化學(xué)成分、上升速度等因素有關(guān)。但Dusek et al.（2006）指出氣溶膠粒子的尺度比化學(xué)成分更能影響其活化作用，對(duì)于可溶性無機(jī)鹽溶液，主要由柯拉曲線（Kohler，1936）來描述相對(duì)濕度與粒子尺度的關(guān)系。CCN活化譜即CCN數(shù)濃度隨過飽和度的變化曲線，是CCN數(shù)濃度觀測結(jié)果的重要應(yīng)用，目前我國研究活化的CCN濃度最常用的是利用經(jīng)驗(yàn)公式=CS（Twomey, 1959），其中為過飽和度，為過飽和度下的CCN數(shù)濃度，和為擬合參數(shù)，氣溶膠粒子群尺度或化學(xué)成分的信息隱含在參數(shù)和之中。Hobbset al.（1985）根據(jù)、值把核譜分為大陸型（≥ 2200 cm，＜1）、過渡型（1000 cm＜＜2200 cm，＞1）、海洋型（≤1000 cm，＜l）。本文選取觀測期間山頂晴天、雨天、霧天的CCN活化譜做相關(guān)分析。

觀測期間設(shè)定每個(gè)過飽和度的觀測時(shí)間為20分鐘，這樣將CCN數(shù)濃度隨一輪過飽和度（0.2%～1.0%）變化的關(guān)系擬合成CCN活化譜，從而得到CCN活化譜隨時(shí)間的變化情況，擬合參數(shù)如表2所示。從山頂晴天CCN活化譜（圖6a）來看，從凌晨04:00開始到下午18:00，CCN濃度呈現(xiàn)一個(gè)逐漸升高的趨勢，夜晚CCN濃度逐漸降低，這與前面提到山頂晴天CCN的日變化一致，主要受到晴天邊界層發(fā)展和山谷風(fēng)的影響。晴天時(shí)的值均在10量級(jí)，平均值為2797.84，值均小于1，按照Hobbs et al.（1985）的分類方法，黃山晴天時(shí)屬于大陸型核譜，值也與CCN濃度變化一致，呈現(xiàn)出明顯的日變化。圖6b為山頂雨天CCN活化譜的擬合曲線，選取了6月17日的一次降水過程，降水期間CCN數(shù)濃度比晴天低，10:00～12:00時(shí)平均降水量為0.3 mm h，13:00～15:00平均降水量為11.03 mm h，CCN濃度達(dá)到了最低值，到了16:00～18:00平均降水量為0.47 mm h，CCN濃度較先前有所增加，但是仍然維持在一個(gè)較低的水平，19:00～22:00平均降水量為0.1 mm h，CCN濃度升高。雨天的值比晴天的小，平均值為383.70，值在10:00～18:00均大于1，只有雨強(qiáng)較小的19:00～21:00小于1。CCN數(shù)濃度和值是隨著雨強(qiáng)的增大而減小的，降水對(duì)CCN的濕清除作用明顯。利用FM-100霧滴譜儀及VPF-730能見度儀監(jiān)測云霧的資料，選取了6月14日凌晨一次霧過程做CCN活化譜的擬合，如圖6c所示00:00～03:00平均相對(duì)濕度達(dá)92%，平均風(fēng)速為7.65 m s，平均云霧滴數(shù)濃度和平均液態(tài)含水量分別為57.59 cm和0.007 g cm，04:00～05:00時(shí)相對(duì)濕度逐漸增加，云滴數(shù)濃度增加到164.88 cm，液態(tài)含水量也增加到0.07 g cm，同時(shí)CCN數(shù)濃度也逐漸減小，表明在高相對(duì)濕度條件下一部分CCN能活化形成云霧滴，云霧過程對(duì)CCN有明顯的濕清除作用。07:00開始有降水，降水量為2 mm h，導(dǎo)致濃度本來就低的CCN被降水沖刷得更低。霧天的平均值為764.97，比晴天低比雨天高，云霧滴對(duì)CCN的清除作用比降水的弱。

表2 山頂不同天氣條件下CCN活化譜擬合參數(shù)值

注：晴天擬合所用CCN濃度值為觀測期間晴天情況下的平均值.

本文總結(jié)了近年來我國利用經(jīng)驗(yàn)公式=CS擬合得出的、參數(shù)值及各地區(qū)擬合的核譜類型（表3）。從中可以看出，在一些人為影響小的較清潔地區(qū)，如鹽池、祁連山，值較小，多為清潔大陸型核譜，而在污染較為嚴(yán)重的城市，如石家莊、銀川、武清，值較大，多為典型的大陸型核譜。對(duì)比本文中擬合出的黃山值，可以看到，晴天情況下黃山的值比石家莊和銀川的值小，與祁連山和譚穩(wěn)等（2010）在黃山得到的值相差不大，屬于清潔大陸型核譜，表明黃山地區(qū)與污染城市相比可以算比較清潔的，但這僅是一種經(jīng)驗(yàn)的線性擬合，與實(shí)際觀測值有一定差距，如何找出一個(gè)更好的方法來確定CCN與過飽和度的關(guān)系，還有待探究。

表3 不同地區(qū)CCN活化譜擬合參數(shù)統(tǒng)計(jì)

注：表中“—”表示原文中未注明天氣狀況。

4 結(jié)論

本文根據(jù)2011年6月在黃山山頂、山腰、山底得到的CCN觀測資料，分析了黃山不同高度處CCN數(shù)濃度的分布特征和日變化規(guī)律，對(duì)比了不同天氣條件下CCN活化譜的特征，得到的主要結(jié)論如下：

（1）山頂、山腰、山底的CCN數(shù)濃度隨時(shí)間的變化趨勢基本一致，CCN濃度隨高度的遞減，山底的CCN濃度在大于1000 cm的概率分布最大，山腰的次之，山頂?shù)淖钚　１砻魃降资苋藶榛顒?dòng)影響較大，氣溶膠粒子較多。

（2）對(duì)三個(gè)觀測點(diǎn)之間的CCN濃度做相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，三個(gè)觀測點(diǎn)之間相關(guān)性都較好，山頂和山腰的相關(guān)性最好，山腰和山底的相關(guān)性次之，山頂和山底的相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)隨著觀測點(diǎn)之間垂直距離的增大而減小，

（3）山頂和山底的日變化曲線均為雙峰型，兩個(gè)峰值分別出現(xiàn)在午前和午后，中午時(shí)分有一個(gè)谷值，山頂CCN的日變化主要受到大氣邊界層的日變化和山谷風(fēng)的影響，山底CCN的日變化主要受到早晚人為活動(dòng)頻繁的影響。

（4）對(duì)不同天氣條件下山頂CCN活化譜的特征分析表明，晴天時(shí)的值較高，平均值為2797.84，值均小于1，屬于大陸型核譜。雨天CCN數(shù)濃度比晴天低，值比晴天的小一個(gè)量級(jí)，平均值為383.70，CCN濃度和值是隨著雨強(qiáng)的增大而減小的，降水對(duì)CCN的濕清除作用明顯。霧天值的平均值為764.97，比晴天低比雨天高，云霧過程對(duì)CCN有明顯的濕清除作用。黃山地區(qū)與其他污染城市相比值較小，而與較清潔地區(qū)相比值相差不大，屬于清潔大陸型核譜。

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Observational Study of Cloud Condensation Nuclei Properties at Various Altitudes of Huangshan Mountains

LI Li, YIN Yan, GU Xuesong, CHEN Kui, TAN Wen, YANG Lei, and YUAN Liang

1,,210044 2,,210044

To investigate the vertical variability of cloud condensation nuclei (CCN) along mountain peaks in alpine regions of eastern China, the number concentration of CCN were obtained using a cloud condensation nuclei counter (CCNC) at three altitudes of Huangshan Mountains in June 2011. The results show that the time series of CCN concentration at these altitudes were nearly consistent and that the CCN concentration decreased with altitude. At a supersaturation level of 0.8%, the average CCN number concentrations were 1105.62 cm, 1218.39 cm, and 1777.78 cmat the foot, mid-height and summit of the mountain, respectively. The occurrence frequency of a high CCN concentration of more than1000 cmrecorded at the foot of the mountain is higher than that recorded at mid-height andthe summit of the mountain. These results suggest that the environment at the foot of the mountain was influenced by the pollution sources in the surrounding areas which were heavier than those at mid-height and the summit. A bimodal pattern at both the summit and the foot of the mountain was presented in the diurnal variation. A peak appeared at forenoon and at afternoon, which is related to variation in the atmospheric boundary layer height and the valley wind. The fitted CCN spectrafor various weather conditions at the summit of the mountainwere obtained using the expressionN = CS, and the properties were analyzed. The results show that the fitted spectra parameterwas 2798, 384, and 765 on sunny, rainy, and foggy days, respectively, which is lower than the results recorded in some polluted cities. The size distribution of the CCN is shown to be a clean continental type. The results of this study will be conducive to a better understanding of the temporal and spatial distributions of CCN, particularly for eastern China. In addition, the basis for observation and parameterization schemes will be improved for the presentation of cloud activation in numerical models over this region.

Aerosol, Cloud condensation nuclei, Various altitudes, Huangshan Mountains

1006?9895(2014)03?0410?11

P401

A

10.3878/j.issn.1006-9895.2013.13149

2013–04–10，

2013–10–18收修定稿

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41030962，江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目（PAPD），中國氣象局氣溶膠與云降水重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室開放課題KDW1101

李力，女，1990年出生，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榇髿鈿馊苣z的環(huán)境氣候效應(yīng)。E-mail: lili_cijue@163.com

銀燕，E-mail: yinyan@nuist.edu.cn

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