周德平 張晉廣 陳剛 李成龍 洪也 蘇航 王揚(yáng)鋒

(1.中國氣象局沈陽大氣環(huán)境研究所，遼寧 沈陽 110166； 2.遼寧省人工影響天氣辦公室，遼寧 沈陽 110166；3.遼寧省氣象臺(tái)，遼寧 沈陽 110166)

引言

大氣中的冰核(Ice nucleus，簡稱IN)是一種非可溶性氣溶膠，它在自然界中通過凝華過程和凍結(jié)過程形成冰晶參與云中的微物理變化，從而在冷云降水中發(fā)揮著重要作用[1-2]。冰核(自然冰核與人工冰核)粒子尺度多在微米量級，且氣溶膠顆粒的冰核屬性只有待其活化成冰晶后才能顯現(xiàn)出來，因此冰核觀測與其他氣溶膠觀測相比具有更大的復(fù)雜性和不確定性。目前國內(nèi)外研究大氣冰核的觀測設(shè)備和檢測手段均是根據(jù)氣溶膠的成冰核化特性而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，可分為自然模擬法和形成機(jī)制法兩大類。自然模擬法是由人工建造一個(gè)模擬自然云生成的云霧環(huán)境(如等溫云室、混合云室)[3-6]，將待測空氣樣本引入人造的云霧環(huán)境(云室腔)中，再通過一定檢測手段測出其中冰晶數(shù)量即得到冰核數(shù)。形成機(jī)制法是根據(jù)氣溶膠4種成冰活化機(jī)制中的某一單一過程條件而設(shè)計(jì)的大氣冰核檢測方法。形成機(jī)制法通過較為精準(zhǔn)地控制冰核顯現(xiàn)裝置(云室腔)的溫度和濕度，從而實(shí)現(xiàn)單一機(jī)制成冰核的檢測。例如常用的濾膜-靜力擴(kuò)散云室法[7]，該方法將濾膜采樣與氣溶膠冰核的活化過程分開，不僅便于在任意地點(diǎn)(例如在飛機(jī)上)采樣，極大提高了冰核觀測的可操作性，而且在冰核顯現(xiàn)階段可通過精準(zhǔn)控制冰核活化條件而實(shí)現(xiàn)分機(jī)制冰核化檢測[8-9]。另外，某些針對冰核理化特性的研究也需要先將待測樣本收集到濾膜上。但是一張濾膜上采集的氣溶膠數(shù)量過大(即過量采集)時(shí)會(huì)導(dǎo)致“體積效應(yīng)”而帶來較大觀測誤差[10-12]，因此濾膜法觀測冰核如何根據(jù)不同的環(huán)境條件確定采樣體積，使用不同的采樣裝置甚至同一種采樣裝置使用不同流量，對冰核觀測是否有明顯影響，這些影響的程度如何？這些方面的試驗(yàn)和相關(guān)研究在國內(nèi)尚未見到。為此，筆者自2010年起在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持下進(jìn)行了一系列針對不同大氣冰核觀測儀器和檢測方法的對比試驗(yàn)，本文歸納總結(jié)并分析了其中使用兩種類型采樣器進(jìn)行平行試驗(yàn)的部分觀測結(jié)果，以期為同類觀測研究提供參考和借鑒。

1 資料與方法

1.1 儀器與采樣試驗(yàn)

本試驗(yàn)使用的兩種采樣器分別是FA-3型撞擊式氣溶膠9級采樣器(也稱安德森分級采樣器，簡稱9級采樣器)和自制的中流量大氣顆粒物采樣器(簡稱自制采樣器)。圖1 為2015年12月兩種采樣器平行采樣實(shí)況。

圖1 自制采樣器和9級采樣器平行采樣實(shí)況Fig.1 Real-time parallel sampling of a self-made sampler and 9-stage sampler

兩種采樣器在文獻(xiàn)[13-15]中均有介紹，9級采樣器每級可放置2張濾膜，每次采集2組18張濾膜；自制采樣器每次可平行放置4張(1組)濾膜。本文另加說明如下：采樣濾膜使用的是北京北化黎明膜分離技術(shù)有限公司生產(chǎn)的以及由德國進(jìn)口的2種混合纖維脂微孔濾膜(以下分別簡稱為北化膜和進(jìn)口膜)，兩種濾膜均為直徑47 mm，孔徑0.45μm。觀測時(shí)，采樣器的采集口高度距平臺(tái)地面均≥1.5 m，9級采樣器的瞬時(shí)流量分別設(shè)定為28.3 L·min-1和15.0 L·min-1，自制采樣器的瞬時(shí)流量約30.0±5.0 L·min-1(具體流量需以觀測人員實(shí)時(shí)記錄為準(zhǔn))。所有采樣操作程序均嚴(yán)格按照遼寧省地方標(biāo)準(zhǔn)《地面大氣冰核觀測技術(shù)規(guī)范》[16]進(jìn)行。表1 給出了2011—2015年20次采樣時(shí)段的觀測概況。

表1 20次觀測概況Table1 Description of 20 observation cases

由表1 可見，本試驗(yàn)20個(gè)觀測時(shí)段分別處于春季和冬季。其中春季11個(gè)采樣時(shí)段包括浮塵天、雨中、雨前、雨后和晴天不同天氣過程；冬季9個(gè)采樣時(shí)段亦涵蓋霾日、晴日、雪前、雪中、雪后各類氣象條件。試驗(yàn)共取得樣本濾膜636片，其中9級樣本468片、自制樣本168片。

1.2 冰核檢測與數(shù)據(jù)處理

所有采樣濾膜統(tǒng)一用中國氣象科學(xué)研究院云物理實(shí)驗(yàn)室的靜力擴(kuò)散云室[9]進(jìn)行冰核活化處理，擴(kuò)散云室中可同時(shí)處理4片濾膜，顯現(xiàn)方法與過程同文獻(xiàn)[14]。本實(shí)驗(yàn)不同之處在于對平行觀測樣本采用交叉顯現(xiàn)處理方式，即將2片自制樣本濾膜和2片9級樣本濾膜同時(shí)處理并做好相關(guān)記錄。后續(xù)的讀數(shù)和數(shù)據(jù)處理方法與文獻(xiàn)[14-16]相同，濾膜檢測條件統(tǒng)一為活化溫度-20 ℃、冰面過飽和度不小于25%、水面過飽和度約5%。檢測過程中也對部分濾膜樣本進(jìn)行了-7.5～-25 ℃不同溫度梯度以及不同濕度條件下的顯現(xiàn)試驗(yàn)。另外，在采樣前對所用微孔濾膜進(jìn)行了本底的冰晶化抽樣檢測，只有在抽檢的所有進(jìn)口膜本底冰核數(shù)小于5個(gè)，北化膜本底冰核數(shù)小于10個(gè)，該批次濾膜才能被使用。

2 結(jié)果分析

2.1 兩種采樣器測量的冰核數(shù)濃度

兩種采樣器觀測結(jié)果差別很大，自制樣本測得的平均冰核數(shù)濃度N自制較大為43.49±42.25 IN·L-1，9級樣本測得的平均冰核數(shù)濃度N9級較小為5.72±5.46 IN·L-1。由這兩種采樣器結(jié)構(gòu)的差異可知，用9級采樣器收集的氣溶膠粒子是大氣中的可吸入顆粒物PM10，用自制采樣器收集的氣溶膠粒子的大氣中的總懸浮顆粒物TSP，所以N自制大于N9級說明TSP中大于PM10的氣溶膠粒子更易于成為冰核。

以N自制為縱坐標(biāo)、N9級為橫坐標(biāo)繪制冰核數(shù)濃度散點(diǎn)圖(圖2)。由圖2可以看出，兩種采樣器測量的冰核數(shù)濃度關(guān)聯(lián)度很高。線性回歸方程為N自制=6.13×N9級+4.46(R2=0.78；n=20)，其在 99.9% 水平上具有統(tǒng)計(jì)顯著性。圖2一些數(shù)據(jù)的離散表征了冰核觀測中實(shí)驗(yàn)的不確定性和環(huán)境變量(主要是大氣顆粒物濃度)差異的影響。

圖2 自制采樣器和9級采樣器平行觀測冰核數(shù)濃度散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot of ice nucleus concentrations measured in parallel by the 9-stage sampler and the self-made sampler

為了能夠更清晰地分析和比較兩種采樣器觀測結(jié)果的異同，將20個(gè)觀測時(shí)段的N自制和N9級以及兩者的比值(相差倍數(shù))繪于圖3。由圖3可見，春季的冰核濃度較冬季大，采樣時(shí)段內(nèi)兩季的平均冰核濃度分別是N自制為31.66 IN·L-1和6.04 IN·L-1、N9級為3.15 IN·L-1和1.42 IN·L-1。不論是哪種采集方法測得的冰核濃度，其波動(dòng)變化都隨季節(jié)和不同氣象條件表現(xiàn)出一致的起伏特征。春季，沙塵日濃度最大，雨中尤其是雨后冰核濃度減小非常明顯；冬季，霧霾過程中冰核濃度較大，降雪會(huì)迅速清除大氣中的冰核粒子，雪后冰核濃度最小。同時(shí)，N自制和N9級的比值(相差倍數(shù))也隨季節(jié)不同有很大差異；其中春季相差倍數(shù)為20.6±15.0；冬季相差倍數(shù)為5.3±1.7；最大相差倍數(shù)為35.6，出現(xiàn)在春季；最小相差倍數(shù)為3.6，出現(xiàn)在冬季。

圖3 兩種不同采樣器平行觀測的冰核濃度及其比值倍數(shù)Fig.3 Concentrations of ice nuclei observed in parallel by various samplers and multiples of their ratios

2.2 自制采樣器的特點(diǎn)和適用范圍

自制采樣器靠氣泵的抽吸作用將空氣中的顆粒物收集到濾膜表面。本試驗(yàn)自制采樣器使用的是中流量氣泵，其抽氣流量不能人工調(diào)節(jié)。為避免“體積效應(yīng)”，故在試驗(yàn)中盡量減少采樣體積；但采樣體積過小又可能出現(xiàn)檢測不到冰核的情況，或者冰核濃度太低難以忽略濾膜本底數(shù)量的影響。根據(jù)多年觀測經(jīng)驗(yàn)和研究結(jié)果，采樣時(shí)可參考環(huán)境空氣質(zhì)量(即大氣顆粒物濃度)確定每片濾膜上的空氣采集量[13]，本試驗(yàn)采樣時(shí)間一般為1—5 min，采樣體積為4—60 L不等(表1)。任意選取了3組(分別標(biāo)記為A、B、C)樣本，將各組冰核顯現(xiàn)試驗(yàn)概況列于表2。

表2 2015年12月15—16日3組樣本的冰核活化顯現(xiàn)概況Table.2 Overview of the ice nucleus activation appearance of the three groups of samples on December 15 to 16,2015

其中A組和B組的活化條件是本試驗(yàn)針對2015年冬季所有樣本設(shè)定的基本試驗(yàn)條件，設(shè)定這一活化條件的目的就是用以檢驗(yàn)本試驗(yàn)是否有“體積效應(yīng)”出現(xiàn)。從3組(A、B、C)每張濾膜顯現(xiàn)試驗(yàn)后的圖片上清晰可見，冰晶在高濕度(過飽和度)條件下長大，而沒有數(shù)量增加；比較C組與對照組的試驗(yàn)，能夠更明確看到改變了活化條件后，C組的冰晶數(shù)量并未增多而對照組出現(xiàn)了冰晶數(shù)量顯著增多的現(xiàn)象，說明本試驗(yàn)對自制采樣器的采樣體積量控制的基本適度。與對照組相比，本試驗(yàn)自制采樣與檢測過程基本避免了大量低估冰核濃度的可能性；但對小于濾膜孔徑(0.45 μm)的細(xì)粒子(即PM0.45)，因中流量氣泵較強(qiáng)的抽吸流量是否會(huì)使其流失更大，尚需要進(jìn)一步的試驗(yàn)和分析。由于細(xì)粒子(PM0.45)尺度的冰核數(shù)在大氣冰核總數(shù)中所占比率較小(低于1%)[13]，因此細(xì)粒子流失對自制采樣器觀測冰核濃度結(jié)果的影響亦不會(huì)超過1%。

總之，自制采樣器結(jié)構(gòu)簡單，所以具有易于更換濾膜、易于清理、操作簡便等優(yōu)勢。自制采樣器配備的中流量氣泵使得單次采樣所需時(shí)間短，采集效率較高，不僅適合于長時(shí)期大范圍的連續(xù)冰核觀測研究，也可在1日內(nèi)進(jìn)行十?dāng)?shù)次甚至數(shù)十次的加密采樣觀測。

2.3 9級采樣器的特點(diǎn)和適用范圍

9級采樣器采用慣性撞擊原理，將懸浮在空氣中的粒子按其空氣動(dòng)力學(xué)等效直徑的大小，分別收集在各級采集板(濾膜)上，其對PM10—0.43(即第0—7級)粒子的收集率與濾膜屬性關(guān)系不大，但對僅靠過濾方式收集小于0.43 μm細(xì)粒子(即PM0.43)的第8級來說不可避免的會(huì)存在一部分細(xì)粒子流失的問題。本試驗(yàn)中9級采樣持續(xù)時(shí)間較長(一般為4 h左右)，是否細(xì)粒子會(huì)比自制采樣器流失更多？有必要進(jìn)一步探討。為此查詢了2011—2012年春季處于同一觀測地點(diǎn)的Grimm180在線記錄[17-19]，統(tǒng)計(jì)了同一觀測時(shí)段內(nèi)大氣顆粒物數(shù)濃度與冰核濃度的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，N自制和N9級的相差倍數(shù)與PM0.43在PM10中所占比率值高顯著度正相關(guān)(n=10，R=0.879)、與PM10在TSP中所占的比率值負(fù)相關(guān)(R=-0.637)，這說明9級樣本中細(xì)粒子的損失更大。

9級采樣器的分粒級采樣功能是其特有的也是其他氣溶膠采樣器難以替代的，利用這一功能開展對大氣冰核濃度與尺度分布的觀測分析結(jié)果已部分發(fā)表在有關(guān)期刊上[16-17]。但是，使用9級采樣器工作量較大，其在采樣前后的各項(xiàng)操作要求比較精細(xì)，尤其是5—7級切割頭的清潔工作對2.1 μm以下小粒子的檢測結(jié)果影響巨大，所以，9級采樣器不適合開展大量樣本的采集和觀測研究。而且當(dāng)大氣中某一粒徑段的冰核濃度過多或過少時(shí)，會(huì)有加重對冰核觀測值的低估或達(dá)不到儀器檢測限的情況出現(xiàn)。

針對濾膜法觀測冰核的“體積效應(yīng)”問題，本研究利用9級采樣器的抽氣泵流量可調(diào)節(jié)的這一性能，進(jìn)行了不同流量、不同采樣體積的平行觀測試驗(yàn)，以便對其影響及其影響程度有一定認(rèn)識(shí)和了解。平行試驗(yàn)的具體方法是：用2套9級采樣器在同一地點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行濾膜采樣，將其中1套的氣泵流量設(shè)置為28.3 L·min-1，另一套流量設(shè)置為15.0 L·min-1，采集的樣本濾膜在同一試驗(yàn)條件下進(jìn)行冰核活化檢測。樣本采集于2015年12月21日、23日和25日進(jìn)行，結(jié)果列于表3。表中N28.3和N15.0分別表示兩種流量對應(yīng)的冰核數(shù)濃度。

比較2015年12月21日、23日和25日的3次觀測，由表3可見，當(dāng)抽氣泵單位流量較小時(shí)，觀測得到的冰核數(shù)濃度較高。在采樣體積相近的情況下(參見表1中25日兩套儀器的采樣體積分別為1394 L和1364 L)N28.3約為N15.0的81%，意味著用小流量采樣可一定程度改進(jìn)濾膜法對冰核濃度的低估。在兩套儀器的采樣體積明顯不同(21日分別為1494 L和823 L，23日分別為1245 L和660 L)的情況下，21日的N28.3約為N15.0的55%，23日的N28.3約為N15.0的44%；可見，采樣體積越大對冰核數(shù)量低估越明顯，這與國外的同類研究結(jié)論一致[20-22]。

表3 兩種流量采樣平行觀測結(jié)果比較Table 3 Comparison of parallel observation results of two kinds of flow sampling

3 結(jié)論

(1) 兩種采樣器測量的冰核數(shù)濃度關(guān)聯(lián)度很高，其線性回歸方程為N自制=6.13×N9級+4.46(R2=0.78；n=20)，在 99.9% 水平上具有統(tǒng)計(jì)顯著性。

(2)自制采樣器對TSP中大于濾膜孔徑的冰核采集效率高，在適量控制采樣體積的前提下其觀測誤差可忽略；同時(shí)因其具有結(jié)構(gòu)簡單、操作相對簡便等優(yōu)勢，適合于大范圍、大規(guī)模的冰核觀測研究。

(3)9級采樣器能夠采集PM10中9個(gè)粒徑尺度段的粒子，每次采樣操作相對復(fù)雜且要求比較精細(xì)，不當(dāng)?shù)牟僮骱瓦^量采集均會(huì)帶來難以估量的誤差；因此僅適于小規(guī)模特定的冰核觀測研究。

(4)在未來的試驗(yàn)和研究中，可以考慮采用較低流量的抽氣泵替換自制采樣器的中流量氣泵，同時(shí)也可以根據(jù)需要在研究經(jīng)費(fèi)允許的情況下使用孔徑更小的微孔濾膜。

(致謝：感謝中國氣象科學(xué)研究院、中國氣象局云霧物理重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室提供靜力擴(kuò)散云室與實(shí)驗(yàn)設(shè)施，感謝楊紹忠研究員對冰核檢測試驗(yàn)的指導(dǎo)與幫助。)