蔡兆鑫蔡淼李培仁 李軍霞 孫鴻娉楊怡曼任剛高欣

1山西省人工降雨防雹辦公室，太原030032

2北京師范大學(xué)，北京100081

3中國(guó)氣象局中國(guó)氣象科學(xué)研究院云霧物理實(shí)驗(yàn)室，北京100081

4寧波市奉化區(qū)氣象局，浙江寧波315500

5山西省氣象服務(wù)中心，太原030002

1 引言

云在地球能量平衡（Ramanathan et al.,1989;Norris, 2005）和水循環(huán)（Andreae and Rosenfeld,2008;Li et al.,2016）中起到重要作用，對(duì)區(qū)域和全球的氣候有重要影響。當(dāng)大氣中相對(duì)濕度條件適宜時(shí)，氣溶膠可以作為云凝結(jié)核（CCN）和冰核（IN）參與云的形成過(guò)程（Pruppacher and Klett,1997）。自工業(yè)革命以來(lái)，氣溶膠大幅度增加，云和降水特性的變化可以通過(guò)氣溶膠—云相互作用（ACI）和氣溶膠—輻射相互作用這兩種途徑來(lái)解釋（Boucher et al.,2013）。前者導(dǎo)致云滴數(shù)量增加，但云滴尺度減小，從而增加云的反射率，提高云的反照率，即氣溶膠第一間接效應(yīng)（Twomey,1977）。后者導(dǎo)致云中存在數(shù)量較多但尺度較小的水滴，從而降低碰撞聚合效率，延長(zhǎng)云的生命史，并抑制雨的形成，即氣溶膠第二間接效應(yīng)（Albrecht,1989）。大量的研究為上述氣溶膠間接效應(yīng)（AIE）提供了觀測(cè)證據(jù)和理論解釋（Peng et al.,2002; Feingold et al., 2003;Wang et al.,2014; Qiu et al.,2017;Liu and Li,2018）。氣溶膠間接效應(yīng)對(duì)全球和區(qū)域氣候的影響引起了廣泛關(guān)注，政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）發(fā)布的評(píng)估報(bào)告也對(duì)其進(jìn)行了評(píng)估（IPCC,2007,2013）

在過(guò)去的幾十年中，大多數(shù)關(guān)于ACI的研究都集中在含有液相粒子的海洋層狀云或?qū)臃e云。一方面，這些云覆蓋范圍廣，生命史較長(zhǎng)，可以對(duì)氣候產(chǎn)生明顯的輻射效應(yīng)（Ackerman et al.,2004;Matheson et al.,2005;Liu et al.,2016）；另一方面，沿海地區(qū)的水云對(duì)氣溶膠的增加更為敏感（Zhao et al.,2018b）。近年來(lái)，越來(lái)越多的人開始關(guān)注氣溶膠對(duì)陸地上空的積云或?qū)α髟频拈g接效應(yīng)，但對(duì)流發(fā)展機(jī)制以及氣溶膠對(duì)混合相云和冰相云的影響仍有許多未解之謎（Fan et al.,2016）。因此，很多科學(xué)家開始對(duì)淺積云進(jìn)行測(cè)量，獲取云底以下氣溶膠和云內(nèi)微物理特性的信息，從而研究氣溶膠對(duì)積云發(fā)展的影響。例如，一些野外觀測(cè)和模式研究表明，在陸地上空的淺積云中，氣溶膠濃度越高，云滴數(shù)目越多，云粒子尺度越?。╔ue and Feingold,2006;Lu et al.,2008;Gustafson et al.,2008;Shrivastava et al.,2013）。但Jiang et al.（2008）研究指出，氣溶膠增加對(duì)淺積云壽命的影響微不足道。Lohmann and Hoose（2009）和Lu et al.（2013）研究了淺積云中夾卷混合和微物理特性之間的關(guān)系，但很難確定占主導(dǎo)地位的是均勻混合還是極不均勻混合。此外，Saleeby et al.（2015）的模式研究表明，通過(guò)考慮微物理和動(dòng)力反饋的相互作用，氣溶膠的增加有利于從淺積云到深對(duì)流云的發(fā)展。通過(guò)對(duì)衛(wèi)星資料的分析，Yuan et al.（2011）發(fā)現(xiàn)在信風(fēng)積云中，火山氣溶膠對(duì)云量有增強(qiáng)作用。盡管如此，氣溶膠對(duì)淺積云的間接影響仍然有較高的不確定性，輻射強(qiáng)迫的信號(hào)和大小尚未確定（Xue et al.,2008）。在從淺積云向?qū)α髟瓢l(fā)展的過(guò)程中，氣溶膠的作用仍有較大爭(zhēng)議。

在華北地區(qū)，由于人為污染嚴(yán)重，氣溶膠和CCN 的數(shù)濃度極高（Guo et al.,2009;Duan et al.,2012;Wang et al.,2018）。分析華北地區(qū)氣溶膠和淺積云的微物理特性對(duì)于我國(guó)大氣科學(xué)研究具有重要意義，因此近些年來(lái)在華北地區(qū)也開展了一些關(guān)于氣溶膠和云物理特性的飛機(jī)觀測(cè)研究。孫霞（2013）統(tǒng)計(jì)了2006～2010年華北平原上空云的微物理參量，發(fā)現(xiàn)淡積云中云粒子濃度Nc為140±125 cm-3，LWC（liquid water content）為0.845±0.533 g m-3。盧廣獻(xiàn)和郭學(xué)良（2012）利用2009年春季開展的“環(huán)北京云觀測(cè)試驗(yàn)”觀測(cè)的氣溶膠和CCN數(shù)據(jù)，研究了試驗(yàn)期間大氣氣溶膠的分布、來(lái)源特征及其與CCN 的轉(zhuǎn)化關(guān)系。Zhang et al.（2011）利用7次飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析了北京高污染地區(qū)的氣溶膠—云相互作用，以及氣溶膠數(shù)濃度和LWC對(duì)云滴大小的影響。Zhao et al.（2018a）利用6架次飛機(jī)觀測(cè)資料，研究了河北地區(qū)大氣氣溶膠與云微物理特性之間的關(guān)系，分析該地區(qū)大氣氣溶膠第一間接效應(yīng)約為0.10～0.19。Yang et al.（2019）發(fā)現(xiàn)氣溶膠對(duì)淺積云的間接效應(yīng)既受污染物的影響，也受到水分供應(yīng)的制約。Li et al.（2019）利用2013年5月在山西開展的六架次飛機(jī)觀測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)分析了氣溶膠粒子模態(tài)特征，云滴數(shù)濃度、尺度和液態(tài)含水量等參量之間的關(guān)系。然而，由于飛行安全、空域限制以及其他原因，利用飛機(jī)對(duì)氣溶膠和云的空間分布和微物理特性的觀測(cè)仍十分缺乏。

山西地處華北平原和黃土高原之間，是我國(guó)重要的能源基地，環(huán)境污染較為嚴(yán)重，了解該地區(qū)的氣溶膠分布特征和淺積云微物理特性具有較大意義。2014年7～9月，山西省人工降雨防雹辦公室在山西省忻州地區(qū)組織開展了一系列針對(duì)我國(guó)大陸性淺積云的飛機(jī)穿云觀測(cè)試驗(yàn)，取得了大量寶貴的飛機(jī)觀測(cè)資料。本文利用試驗(yàn)中8月15日一次飛行探測(cè)個(gè)例，分析華北地區(qū)氣溶膠與淺積云微物理特征，其結(jié)果可為氣溶膠—CCN—云滴相互作用的研究提供觀測(cè)依據(jù)。

2 儀器和數(shù)據(jù)處理

2.1 機(jī)載儀器介紹

本文所使用的資料為機(jī)載探測(cè)資料，探測(cè)飛機(jī)為運(yùn)-12，該飛機(jī)飛行速度約為60～70 m s-1，爬升和下降速度約為2～5 m s-1。飛機(jī)搭載了美國(guó)DMT（Droplet Measurement Technology）云物理探測(cè)系統(tǒng)，采樣探頭主要包括：（1）氣溶膠探頭（Passive Cavity Aerosol Spectrometer Probe，PCASP），測(cè)量范圍為0.1～3μm，用來(lái)測(cè)量氣溶膠粒子。（2）云凝結(jié)核計(jì)數(shù)器（Cloud Condensation Nuclei Counter，CCNC），此次試驗(yàn)用的是CCN-200，具有兩個(gè)獨(dú)立云室，可以同時(shí)測(cè)得兩個(gè)不同過(guò)飽和度下的云凝結(jié)核數(shù)量。（3）熱線含水量?jī)x器探頭（The hot-wire cloud liquid water content，Hot-wire-LWC），用來(lái)測(cè)量云中液態(tài)水含量。（4）云粒子探頭（Cloud Droplet Probe，CDP），測(cè)量范圍為2～50μm，共分為30檔，分辨率為1～2μm，用來(lái)測(cè)量霾、云滴等粒子。（5）云粒子圖像探頭（Cloud Imaging Probe，CIP），測(cè)量范圍為25～1550μm，共分為62檔，分辨率為25μm，主要用于探測(cè)冰晶和大云滴。（6）降水粒子圖像探頭（Precipitation Imaging Probe，PIP），測(cè)量范圍為100～6200μm，共分為62檔，分辨率為100μm，主要用于探測(cè)降水粒子。（7）飛機(jī)綜合氣象要素測(cè)量系統(tǒng)（Aircraft-Integrated Meteorological Measurement System，AIMMS-20），主要用于測(cè)量溫度、濕度、相對(duì)濕度、空氣的靜態(tài)氣壓和動(dòng)態(tài)氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、軌跡等（蔡兆鑫等,2019）。（8）高清攝像機(jī)兩部和照相機(jī)一部，主要用于記錄宏觀特征資料。在探測(cè)之前，所有儀器均經(jīng)過(guò)地面標(biāo)定，各探頭參數(shù)見表1。

2.2 數(shù)據(jù)處理

表1 DMT云物理探測(cè)系統(tǒng)的各探頭參數(shù)列表Table 1 List of all the DMT(Droplet Measurement Technology)instrumentson theaircraft during the research flights

據(jù)CDP探測(cè)粒子譜計(jì)算的云滴有效直徑（cloud droplet effective diameter，記為Dc），單位：μm。（4）Hot-wire-LWC探測(cè)的液態(tài)水含量（liquid water content，LWC），單位：g m-3。

根據(jù)前人研究，判斷飛機(jī)入云有不同的方法，本文參考蔡兆鑫等（2019）的方法，當(dāng)Nc>10 cm-3且LWC>0.001 g m-3時(shí)認(rèn)為飛機(jī)入云。

2.3 飛行方案描述

3 氣溶膠和CCN的觀測(cè)結(jié)果與分析

3.1 氣溶膠分布特征

飛機(jī)入云前，針對(duì)太原和忻州地區(qū)（37.7°～38.3°N，112.6°～112.8°E）的氣溶膠進(jìn)行了采集，下墊面主要為丘陵和山區(qū)（海拔高度為1100 m）。飛機(jī)探測(cè)的Na、Da、溫度（T）和相對(duì)濕度（RH）的垂直廓線，以及氣溶膠粒子譜如圖2所示。

由圖2c可以看出，2400 m 高度層以下，RH隨高度變化不大，高于2400 m 時(shí)，RH 隨高度增加迅速增大。溫度隨高度單調(diào)遞減，無(wú)明顯的逆溫層，溫度垂直遞減率約為8.5°C km-1，接近干絕熱遞減率。根據(jù)位溫垂直變化結(jié)果（圖略）發(fā)現(xiàn)，2400 m 以下，?θ/?z>0，溫度層結(jié)穩(wěn)定，2400～3600 m 范圍內(nèi)，? θ/?z=0，溫度層結(jié)為中性，3600 m高度以上，?θ/?z>0，溫度層結(jié)穩(wěn)定（盛裴軒等,2003），可以判定邊界層海拔高度約為3600 m。

圖1 2014 年8月15日飛機(jī)探測(cè)的（a）飛行軌跡、（b）飛行高度（藍(lán)線，單位：m）及對(duì)應(yīng)溫度（黑線，單位：°C）的時(shí)間序列、（c）積云照片、（d）穿云過(guò)程中機(jī)窗上出現(xiàn)的積冰照片F(xiàn)ig.1 Aircraft observation on 15 August 2014:(a)Flight trajectory;(b)time series of flight altitude(blue line,units:m)and temperature(black line,units:°C);(c) photo of a cumulus;(d)in-cloud photo of ice through aircraft window

機(jī)載探測(cè)氣溶膠資料取300 m 平均，如900 m高度的數(shù)據(jù)為750～1050 m 范圍內(nèi)的觀測(cè)結(jié)果的平均值。分析可見，2400 m 以下，由于溫度穩(wěn)定層結(jié)，近地面氣溶膠向上傳輸受到抑制，Na隨高度增加而迅速減小（圖2a），近地面層Na可達(dá)2500 cm-3，2400 m 高度約為615 cm-3，Da則隨高度增加而增加（圖2b）。2400～3600 m 為中性層結(jié)，湍流運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，Na隨高度增加而增大，3600 m 的Na達(dá)到1000 cm-3；Da先減小后增大。3600 m 高度以上，溫度穩(wěn)定層結(jié)，Na和Da均隨高度增加而減小?？傮w而言，本研究中觀測(cè)到的氣溶膠垂直廓線變化復(fù)雜，這與北京（Liu et al.,2009）和內(nèi)蒙古（Yang et al.,2017）的觀測(cè)結(jié)果有較大差異。

圖2d 為900～4500 m 高度范圍內(nèi)不同高度的氣溶膠粒子譜分布。可以看出，直徑0.1～0.3μm的氣溶膠粒子在不同高度的譜型較為相似，900～2400 m 高度層，粒子濃度隨高度的增加而減少；2400～3600 m 高度層，粒子濃度隨高度增加變化不大；3600 m 高度以上，粒子濃度隨高度的增加而減少。直徑1.1～3.0μm 的氣溶膠粒子在2400 m 以下粒子譜分布連續(xù)，且數(shù)值較大；2400～3600 m，譜線偶有斷裂，粒子濃度隨高度增加明顯降低；3600 m 以上，濃度進(jìn)一步降低。Na結(jié)果接近時(shí)（如3000 m 和3900 m），高層Da明顯較小，譜線也有較大不同，表明邊界層內(nèi)外的氣溶膠可能有不同的來(lái)源。

3.2 CCN垂直分布

圖3給出了云底以下CCNN2和CCNN1的垂直廓線?？梢钥闯?，CCN數(shù)濃度也存在明顯分層，2400 m 高度以下，不同過(guò)飽和度的CCN 數(shù)濃度均隨著高度增加而降低；2400～3600 m，CCNN2隨著高度增加變化并不明顯，CCNN1隨著高度增加先降低再增加；3600 m 高度以上，CCNN2隨著高度增加而降低，CCNN1隨高度增加起伏變化。2400 m 高度以上CCN的誤差棒小于該高度層以下的誤差棒（橫坐標(biāo)為對(duì)數(shù)坐標(biāo)），說(shuō)明高層的CCN 離散度更低。邊界層高度以下，CCNN2和CCNN1分別為1000～6000 cm-3和400～1400 cm-3，與北京（Zhang et al.,2011）觀測(cè)到的SS=0.3%時(shí)，CCN 濃度最大值為3260 cm-3的結(jié)果接近。此外，由于PCASP探頭探測(cè)能力所限，大量在0.4%的過(guò)飽和度下可以被活化的核模態(tài)（直徑D<0.1μm）和粗模態(tài)（D>3μm）的氣溶膠粒子無(wú)法被探測(cè)到（Li et al.,2015），所以邊界層高度以下，CCNN2結(jié)果比Na更大。

圖2 2014 年8月15日16 時(shí)（北京時(shí)）4500 m 高度以下（a）N a，（b）D a，（c）溫度（實(shí)線，單位：°C）、相對(duì)濕度（虛線），（d）氣溶膠粒子譜的垂直分布。圖d 中的N 和D分別表示粒子的數(shù)濃度和直徑Fig.2 Vertical profilesof (a) N a (aerosol particlenumber concentration),(b) D a (aerosol particle effective diameter),(c) temperature(solid line,units:°C)and RH(Relativehumidity,dashed line),and (d)spectrum of aerosol particles measured below theheight of 4500 m at 1600 BJT (Beijing time)15 August 2014.In Fig.d, N, D represent number concentration and diameter of particle, respectively

圖3 2014 年8月15日（a）CCNN2、（b）CCNN1、（c）不同過(guò)飽和度活化率的垂直廓線Fig.3 Vertical profiles of (a)CCNN2,(b)CCNN1,and (c)activation ratio(AR)at SS=0.2%and SS=0.4%on 15 August 2014.CCNN1 and CCNN2 represent the cloud condensation nuclei number concentration at supersaturations(SS)of 0.2% and 0.4%

CCN 的形成與氣溶膠尺度，吸濕性以及環(huán)境的過(guò)飽和度有關(guān)，CCN 和氣溶膠數(shù)濃度的比值可以表示在某種過(guò)飽和度下氣溶膠轉(zhuǎn)化為CCN 的活化率（Activation Ratio, AR），不同高度上的AR一定程度上也體現(xiàn)了該高度上氣溶膠粒子直徑和吸濕性信息（圖3c）。3900 m 以下，過(guò)飽和度為0.4%的AR 大于1，近地面層的活化率可接近2.5，說(shuō)明該高度層以下存在大量核模態(tài)和粗模態(tài)的氣溶膠粒子被活化。2400～4500 m，活化率隨著高度的增加而減小，說(shuō)明該高度層內(nèi)積聚模態(tài)（0.1μm

3.3 氣溶膠來(lái)源分析

本研究中的氣溶膠和CCN 數(shù)據(jù)表明，邊界層內(nèi)和邊界層上方可能有不同的氣溶膠來(lái)源。根據(jù)Zhang et al.（2016）和Li et al.（2017）的研究結(jié)果，山西省地面氣溶膠成分主要是硫酸鹽和氨鹽、氮氧化物以及黑碳?xì)馊苣z，它們對(duì)邊界層內(nèi)的CCN有潛在貢獻(xiàn)。然而，對(duì)于高空，尤其是云底附近的氣溶膠組分仍缺乏研究。因此，本文利用后向軌跡模式HYSPLIT4（Hybrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory）來(lái)分析各高度層氣團(tuán)的來(lái)源，從而推測(cè)其主要組分。

圖4顯示了模擬的1200 m、2000 m、2800 m、3600 m 和4400 m 高度層上48 h 的氣團(tuán)后向軌道。結(jié)果表明，1200 m 高度氣溶膠主要來(lái)源于觀測(cè)區(qū)域周邊近地面形成的污染性細(xì)粒子氣溶膠，2000 m高度的氣團(tuán)主要來(lái)源于陜西黃土高原的近地面層粗粒子沙塵氣溶膠，氣團(tuán)向東北方向移動(dòng)，并隨著地形抬升而來(lái)。這些氣溶膠容易在邊界層內(nèi)均勻混合，使得本來(lái)新鮮排放出來(lái)時(shí)為不可溶的沙塵轉(zhuǎn)變?yōu)榭晌鼭?可溶的混合型沙塵，又因?yàn)槠涑叽巛^大，從而易被活化成為CCN。2800 m、3600 m 和4400 m的氣團(tuán)主要來(lái)自中國(guó)西北部和外蒙古，沿途帶來(lái)沙漠和干旱地區(qū)（如戈壁沙漠）的沙塵氣溶膠，且一直在較高的高度向觀測(cè)區(qū)水平傳輸。傳輸過(guò)程中，較大沙塵氣溶膠受重力作用下沉，氣團(tuán)中所剩沙塵氣溶膠主要為亞微米顆粒，因?yàn)闆](méi)有機(jī)會(huì)與大量污染性氣溶膠混合，可以認(rèn)為大部分高空傳輸來(lái)的沙塵氣溶膠仍保持不可溶/不吸濕的特性。這些細(xì)小的、難溶解的沙塵微粒難以活化成為CCN，但在一定條件下可以成為IN，因此2800 m 以上的氣溶膠活化率顯著降低，高空的CCN 主要來(lái)源于低層傳輸或高空光化學(xué)過(guò)程產(chǎn)生硫酸鹽氣溶膠。

圖4 觀測(cè)區(qū)域不同高度氣團(tuán)48 h 后向軌跡分布，終止時(shí)間為2014 年8月15日16時(shí)。綠線、藍(lán)線、紅線、黑線和黃線分別表示1200 m、2000 m、2800 m、3600 m、4400 m 的后向軌跡Fig.4 48-h backward trajectories of air mass at fiveheight levelsin the measurement area,ending at 1600 BJT 15 August 2014.The green, blue,red,black,and yellow linesrepresent the backward trajectories at 1200 m,2000 m,2800 m,3600 m and 4400 m height, respectively

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，邊界層和云底以下的氣溶膠來(lái)源不同，因此具有不同的特征。2400 m 以下的氣溶膠可能是來(lái)自局地排放的細(xì)模態(tài)可溶性顆粒物和來(lái)自附近黃土高原的粗模態(tài)的沙塵顆粒，沙塵氣溶膠與局部吸濕性污染物混合后易于溶解。3600 m以上的懸浮粒子主要為可溶性硫酸鹽和從長(zhǎng)距離輸送的不溶性沙塵等亞微米粒子，長(zhǎng)距離傳輸中，大于1μm 的粒子在重力作用下沉，所剩的亞微米級(jí)的沙塵粒子保持難溶的特性，CCN的主要來(lái)源為硫酸鹽氣溶膠，因此，邊界層中混合均勻的氣溶膠粒子濃度較高，尺度隨高度變化不大。

以上研究表明，在受人為氣溶膠和沙塵氣溶膠雙重影響的華北地區(qū)，地面附近和云底以下的沙塵顆粒具有不同的特征大小和溶解度，說(shuō)明當(dāng)云底海拔相對(duì)較高（約4000 m）時(shí)，在邊界層獲得的氣溶膠數(shù)據(jù)可能難以很好地代表云下的氣溶膠特征。

4 積云觀測(cè)結(jié)果與分析

積云形成過(guò)程中，往往會(huì)受環(huán)境中氣溶膠濃度和組分的影響。此次飛行過(guò)程，對(duì)兩塊積云做了不同程度的探測(cè)，由于兩塊積云的距離和穿云飛行時(shí)間均相隔不大，可以認(rèn)為形成兩塊積云的環(huán)境氣溶膠特性相同。

4.1 云微物理量的時(shí)間演變

圖5 2014 年8月15日飛機(jī)探測(cè)的兩塊積云（Cu-1、Cu-2）中（a）LWC、（b）N c、（c）D c、（d）N d、（e）N r 隨時(shí)間的變化Fig.5 Time series of (a)LWC(cloud water content),(b)N c (cloud particle number concentration),(c)D c (cloud droplet effective diameter),(d)N d(drizzledroplet number concentration),and (e) N r (rain droplet number concentration)for the two cumulusclouds (Cu-1,Cu-2)observed by theaircraft on 15 August 2014

由圖1b可知，兩個(gè)積云的云內(nèi)溫度均低于0°C，為冷云。探測(cè)時(shí)段內(nèi)云微物理參量隨時(shí)間的變化如圖5所示?？梢钥闯?，云內(nèi)和云外LWC有明顯差異，云內(nèi)LWC含量較高，整體超過(guò)0.1g m-3，最大值為1.14 g m-3。Cu-1的LWC 數(shù)值較為穩(wěn)定，約0.5 g m-3；Cu-2發(fā)展較為旺盛，云中LWC含量較大，有多個(gè)超過(guò)1 g m-3的大值區(qū)域。Nc的變化趨勢(shì)與LWC較為接近，Cu-1中Nc平均值為278.3 cm-3，Cu-2 中Nc平均值為445.3 cm-3，最大值為1240 cm-3。本次Cu-2的飛機(jī)探測(cè)結(jié)果，LWC 和Nc的數(shù)值與北京地區(qū)積云的觀測(cè)結(jié)果（Deng,2009）較為接近；與內(nèi)蒙地區(qū)相比，LWC數(shù)值接近，但Nc偏?。↙ü,2017）；與河北地區(qū)相比，LWC和Nc均較大（Zhao,2018a）。結(jié)合飛行錄像可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)云中Nc超過(guò)500 cm-3時(shí)，飛機(jī)機(jī)窗容易出現(xiàn)積冰，說(shuō)明云中主要為過(guò)冷水。飛機(jī)穿越Cu-1時(shí)窗口積冰較薄，飛至晴空區(qū)后積冰融化所需時(shí)間約10 s，而穿越Cu-2時(shí)窗口積冰明顯偏厚，飛至晴空區(qū)后積冰融化用時(shí)約為1 min，表明Cu-1的過(guò)冷水含量低于Cu-2，這與云微物理量的探測(cè)結(jié)果相符。Cu-1中Dc全部小于14 μm，難以產(chǎn)生降水（Rosenfeld,2000;Ramanathan et al.,2001），而Cu-2的云粒子直徑最大可達(dá)30～40μm。Cu-1中毛毛雨滴粒子很少，Nd的最大值僅為0.002 cm-3，云中幾乎無(wú)降水粒子。Cu-2中毛毛雨滴粒子和降水粒子濃度均高于Cu-1，Nd的最大值為0.006 cm-3，主要集中在Cu-2 的中上部，Nr的最大為0.00078 cm-3。云中出現(xiàn)降水粒子時(shí)，往往伴隨著小云粒子的低值，這可能是碰撞—聚并過(guò)程的結(jié)果。

4.2 云微物理量的垂直廓線

圖6為兩塊積云中微物理量隨高度的變化。垂直方向做百米平均處理，如，4000 m 高度的LWC數(shù)值為3950～4050 m 高度范圍內(nèi)的平均值。分析可見，Cu-1中，隨著高度的增加，LWC和Nd均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，Nc隨著高度緩慢增加；Dc隨高度緩慢增加，靠近云頂附近則迅速減小，可能是由于夾卷作用導(dǎo)致云滴蒸發(fā)變小。Cu-2中，LWC 在4300 m 高度以下分布較為均勻，基本在0.1g m-3左右；4400 m 以上LWC躍增，平均值起伏變化明顯，數(shù)值集中在0.2～0.5 g m-3之間，且高層的數(shù)值離散度更大，說(shuō)明該云的中上部出現(xiàn)了部分LWC極大值。Nc總體變化不明顯，但不同高度上的離散度均比較大，說(shuō)明小云粒子空間分布不均。Nc的最大值出現(xiàn)在4400 m 高度附近，為云的中下部，Nc在4300 m 以下隨著高度降低逐漸增大，4400 m 以上隨著高度增加而緩慢減小，靠近云頂附近時(shí)，Nc出現(xiàn)低值，應(yīng)為夾卷過(guò)程所致。Dc總體隨著高度增加而增加，最大值小于14μm，說(shuō)明云中以凝結(jié)增長(zhǎng)為主，Cu-2中處于零度層以下，故云中云滴為過(guò)冷水滴，云頂附近出現(xiàn)冰晶，說(shuō)明云中粒子直接從凝結(jié)增長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)入到混合相態(tài)，符合Rosenfeld and Woodley（2003）提出的污染條件下對(duì)流云中云粒子隨云厚增長(zhǎng)的概念（Martins et al.,2011）。Nd和Nr均隨著高度增加而增大。此外，4500～5000 m 高度范圍內(nèi)，Cu-1和Cu-2中相同高度的有效粒子直徑Dc基本相同，這與Rosenfeld and Lensky（1998）的研究結(jié)果一致。

圖6 2014 年8月15日兩塊積云（Cu-1、Cu-2）中（a）LWC、（b）N c、（c）D c、（d）N d、（e）N r 的垂直分布特征Fig.6 Vertical profilesof (a) LWC,(b) N c,(c) D c,(d) N d,(e) N r for the two cumulusclouds(Cu-1,Cu-2)on 15 August 2014

結(jié)合氣溶膠和CCN 的研究結(jié)果可知，兩積云中都是以較小尺寸的不可溶沙塵氣溶膠為主，由于氣溶膠含量較多，云中粒子難以長(zhǎng)大，有效粒子半徑較小，低于0°C時(shí)以過(guò)冷云滴為主。Cu-2的云水含量明顯高于Cu-1，Cu-1中冰晶粒子很少，而Cu-2 中存在的冰晶粒子相對(duì)較多，由此可以初步判斷出Cu-2 的垂直發(fā)展比Cu-1旺盛。Cu-1為一組積云群，積云間隙較大，夾卷更為明顯，云與氣溶膠混合更加充分，云中含水量和過(guò)飽和度較低，且存在一定量的蒸發(fā)，云滴濃度較少。Cu-2為孤立積云，與Cu-1相比，飛機(jī)穿飛Cu-2時(shí)候更加顛簸，說(shuō)明Cu-2中上升速度更大；云中水汽充足，過(guò)飽和度相對(duì)較大，可以活化更多的沙塵氣溶膠，使得云滴偏多。此外，在Cu-2云頂約-8°C的部位，通過(guò)云滴與沙塵的接觸凍結(jié)核化可以生成冰晶。這兩塊積云中是否出現(xiàn)冰晶，是由云中不同的垂直速度特征決定的。

4.3 不同高度的粒子譜分布特征

為了進(jìn)一步了解積云中粒子尺度大小及濃度分布情況，圖7給出了兩塊積云內(nèi)部不同高度的粒子數(shù)濃度全譜分布（DSD）。

Pruppacher and Klett（1997）研究指出，大多數(shù)小于20μm 的粒子是由凝結(jié)增長(zhǎng)產(chǎn)生的。Cu-1中，大于20μm 的粒子出現(xiàn)在4800 m 以上，并形成部分大冰晶。4500 m、4800 m 和5100 m 高度的粒子譜均呈雙峰分布，第一個(gè)峰值均為7μm，第二個(gè)峰值為11μm 或13μm。粒子譜寬隨著高度增加而增大，4500 m 的粒子譜寬為23μm，4800 m的粒子譜寬為125 μm，5100 m 的粒子譜寬為400 μm。不同高度的粒子尺度大多集中在30 μm 之內(nèi)，50 μm以上粒子濃度低且譜線不連續(xù)，云中基本為過(guò)冷水云滴。

Cu-2中，4500 m 以下粒子譜型呈單峰分布，4500 m 以上（含4500 m）呈雙峰分布。所有高度的粒子譜寬均超過(guò)500μm，說(shuō)明云中存在冰晶和降水粒子。4200 m 以下，高濃度粒子的尺度小于20μm，可以認(rèn)為以過(guò)冷水為主，大于50μm 的粒子含量很低，且譜線極不連續(xù)，應(yīng)為高處冰晶掉落所致。4500 m 以上出現(xiàn)大量大于30μm 的粒子，發(fā)生接觸凍結(jié)核化形成了冰晶，凍結(jié)過(guò)程釋放潛熱促使云中垂直運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，結(jié)合4.2節(jié)結(jié)果可以看出，此高度以上LWC顯著增加。5100 m 的粒子譜較為連續(xù)，粒子尺度最大可達(dá)900μm，該高度的冰晶應(yīng)為自然過(guò)程生成，結(jié)合4.1節(jié)的分析結(jié)果可知，云中為過(guò)冷水滴和冰晶的混合。

圖7 2014 年8月15日兩塊積云（Cu-1、Cu-2）中不同高度粒子譜分布Fig.7 Distributionsof droplet sizeat different altitudesin the two cumulusclouds(a)Cu-1 and (b)Cu-2 on 15 August 2014

綜合來(lái)看，隨著高度的增加，兩塊積云中的粒子譜寬增大，譜型由單峰型向多峰型轉(zhuǎn)變，云中由純過(guò)冷水逐漸轉(zhuǎn)化為過(guò)冷水與冰晶混合。4.2節(jié)分析結(jié)果表明，相同高度上Cu-1和Cu-2的有效粒子直徑基本一致，但Cu-2的粒子濃度更高，粒子譜更寬，說(shuō)明兩塊積云發(fā)展階段并不完全一致。因此，簡(jiǎn)單利用云滴數(shù)濃度和有效粒子半徑并不能真實(shí)反映云內(nèi)部的發(fā)展?fàn)顩r。

4.4 不同高度的粒子圖像特征

圖8給出了不同高度上CIP和PIP圖像。整個(gè)飛行過(guò)程中，Cu-1中只有霰粒子圖像（圖8a），Cu-2 中可以看到有霰粒子、針狀以及板狀冰相粒子存在（圖8b-g）。將圖6、圖7和圖8結(jié)合分析可以發(fā)現(xiàn)，4500 m 以上Cu-2的LWC 值較高，云中粒子的生長(zhǎng)速度明顯快于Cu-1。根據(jù)3.3節(jié)分析結(jié)果，Cu-2中的冰核主要由亞微米的不溶性沙塵粒子組成，冰晶可能首先在云頂附近（5100 m，-8°C）通過(guò)異質(zhì)核化凍結(jié)形成。冰粒子長(zhǎng)大后掉入低層過(guò)冷水富集區(qū)，當(dāng)冰晶與過(guò)冷水滴共存時(shí)，冰晶可以通過(guò)貝吉隆過(guò)程消耗過(guò)冷水繼續(xù)增長(zhǎng)。凍結(jié)過(guò)程釋放潛熱，促進(jìn)云體進(jìn)一步發(fā)展，使冰晶等粒子在混合相層停留更長(zhǎng)時(shí)間，變得更大（Rosenfeld et al., 2008）。因此，我們推測(cè)沙塵氣溶膠作為冰核粒子導(dǎo)致了毛毛雨滴粒子和降水粒子的增長(zhǎng)（圖7b中DSD的第二個(gè)峰值）。相反，在Cu-1中，由于垂直速度較弱和LWC較低，沙塵氣溶膠上不會(huì)形成冰粒子。當(dāng)兩個(gè)積云中氣溶膠條件相同時(shí)，垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度是決定冰相粒子出現(xiàn)的最重要因素。

4.5 氣溶膠—CCN—云滴相互關(guān)系

此次探測(cè)過(guò)程中，積云的云底高度約為3900 m，結(jié)合3.1、3.2和4.2節(jié)的觀測(cè)結(jié)果，可以分別得到積云的云下氣溶膠數(shù)濃度（Na）、CCN的數(shù)濃度（CCNN），以及云底的云滴數(shù)濃度（Nc）的分布。分析發(fā)現(xiàn)，云下附近Na約為1000 cm-3，CCNN1濃度約為420 cm-3，CCNN2濃度約為1260 cm-3，云底附近云滴數(shù)濃度約為250 cm-3。通過(guò)計(jì)算Na、CCNN 和Nc平均值的比值可知，氣溶膠轉(zhuǎn)換為云滴的比率約為25%。若云中過(guò)飽和度為0.2%，云底約有42%的氣溶膠可以活化，約有60%的CCN 可以轉(zhuǎn)成為云滴；若云中過(guò)飽和度為0.4%，會(huì)有大量小于100 nm 的氣溶膠被活化，其活化率超過(guò)100%，約有20%的CCN 可以轉(zhuǎn)成為云滴。

圖8 2014 年8月15日兩塊積云中不同高度、溫度的CIP和PIP 圖像：（a）Cu-1的PIP粒子圖像；（b-d）Cu-2的CIP粒子圖像；（e-g）Cu-2的PIP粒子圖像。CIP和PIP的圖像寬度分別代表1550μm 和6200μm 的測(cè)量范圍Fig.8 CIP(Cloud Imaging Probe)and PIP(Precipitation Imaging Probe)array probe images at various sampling altitudes and temperatures in the two cumulus clouds:(a)Cu-1 PIPimage;(b-d)Cu-2 CIPimages;(e-g)Cu-2 PIPimages.The width of the CIParray is 1550μm and that of the PIP array is6200μm

5 結(jié)論與討論

本文利用2014年8月15日在山西黃土高原開展的氣溶膠和云的飛機(jī)探測(cè)資料，詳細(xì)分析了氣溶膠、CCN 和淺積云微物理特性及其相互影響。主要結(jié)論如下：（1）此次過(guò)程的邊界層高度約為3600 m，地面到云底高度可分為穩(wěn)定層結(jié)、中性層結(jié)和穩(wěn)定層結(jié)三層，近地面氣溶膠濃度可達(dá)2500 cm-3。不同層結(jié)中，氣溶膠粒子濃度、有效直徑和CCN 數(shù)濃度的垂直廓線明顯不同，穩(wěn)定層結(jié)時(shí)，氣溶膠和CCN 數(shù)濃度隨高度增加而減小，中性層結(jié)時(shí)，氣溶膠濃度隨高度增加而增大，CCN 數(shù)濃度起伏變化。（2）0.2%過(guò)飽和度下，AR 在各高度層的結(jié)果變化不大，結(jié)果在0.36～0.56之間；由于PCASP探頭探測(cè)能力所限，因此在0.4%過(guò)飽和度下，近地面層會(huì)出現(xiàn)AR 接近2.5的情況，2400 m 高度以上，AR 隨著高度增加而降低；CCN的主要來(lái)源為積聚模態(tài)、愛(ài)根模態(tài)或者核模態(tài)的氣溶膠顆粒。（3）后向軌跡模式分析表明，2 km 以下的氣溶膠主要來(lái)自于當(dāng)?shù)爻鞘信欧?，由?xì)顆粒污染物組成，具有較高的溶解度。2 km 以上的氣溶膠主要來(lái)源于中國(guó)西北和蒙古地區(qū)的沙漠，由亞微米沙塵組成，溶解度相對(duì)較低，可作為潛在的冰核。僅從地面或邊界層數(shù)據(jù)獲取的氣溶膠特性可能為氣溶膠—云研究提供誤導(dǎo)性的氣溶膠特性信息，因此，本文的研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了在研究氣溶膠對(duì)于中高層云的影響時(shí)，對(duì)云底附近的氣溶膠觀測(cè)的必要性。（4）本文細(xì)致分析了兩塊相鄰積云的微物理特性。Cu-1云底高度約為4500 m，云厚約為600 m，云體松散，夾卷較多；云中LWC基本相同，約0.5 g m-3；Nc與LWC變化趨勢(shì)相近，Nc平均值為278.3 cm-3；云中Dc相差不大，整體在15μm以內(nèi)；Nd很少，最大為0.002 cm-3，幾乎無(wú)降水粒子；隨著高度增加，粒子譜寬增大，但主要集中在30μm 以內(nèi)。Cu-2云底高度約為3900 m，云厚約1200 m，云體密實(shí)；云中過(guò)冷水豐沛，LWC的大值隨著高度的增加而增加，有多個(gè)超過(guò)1 g m-3的區(qū)域；積云內(nèi)部粒子水平分布不均，同一高度Nc相差較大，最大可達(dá)1240 cm-3；Dc隨著高度增加而增大，但最大值不超過(guò)14μm，說(shuō)明云中以凝結(jié)增長(zhǎng)為主；云中存在大量過(guò)冷水滴，云頂附近出現(xiàn)冰晶，說(shuō)明云中粒子直接從凝結(jié)增長(zhǎng)狀態(tài)進(jìn)入到混合相態(tài)；隨著高度增加，云中粒子譜寬增大，最大可達(dá)1100μm，譜型由單峰分布向多峰轉(zhuǎn)變；降水粒子和冰晶圖像大多為霰粒子、針狀和板狀。

然而，由于缺乏云底附近氣溶膠化學(xué)組分、上升氣流以及云頂附近夾卷等觀測(cè)數(shù)據(jù)，本文研究中仍存在一些推測(cè)和不確定性，此外，氣溶膠和CCN 的探測(cè)也不足以包含所有的氣溶膠和CCN。因此今后需要加大對(duì)于積云內(nèi)外動(dòng)力場(chǎng)和氣溶膠背景場(chǎng)的觀測(cè)，全面提高復(fù)雜的氣溶膠和動(dòng)力對(duì)于華北積云的影響的認(rèn)識(shí)能力。

致謝 感謝“973”項(xiàng)目“氣溶膠—云—輻射反饋過(guò)程及其與亞洲季風(fēng)相互作用”（2011CB403401）在本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方面做出的貢獻(xiàn)。