夏季泰山山顶大气冰核浓度的观测研究

夏季泰山山顶大气冰核浓度的观测研究

陈魁

大气冰核可通过异质核化(凝华、凝结、浸润、接触冻结)形成冰晶，进而对冷云微物理结构、云中降水过程和云辐射特征产生重要影响。Murray在《Science》上发文指出，冰核化学组分是其基本属性，决定成冰活化能力，掌握冰核理化特性将能极大提高冰核异质核化科学理解。为弄懂大气冰核-云-降水相互作用，许多科研工作者开展了大量研究，特别是进行了大气自由层高度冰核的观测分析。已出版很多相关论文，但冰核组成复杂多变，例如矿物沙尘、硫酸盐、有机气溶胶、烟灰和生物质燃烧颗粒等均可成为冰核，影响云、降水和气候。因此目前冰核观测数据量不能满足模式模拟所需，导致模式预报结果与实际情况存在较大误差。为提高模拟模拟精度，冰核观测成为解决预报不确定性的重要途径，也成为当前科学研究热点问题之一。

近期银燕教授团队成员陈魁副教授，选择泰山山顶研究大气冰核，从而获取长时间高山冰核特征数据，为准确理解大气冰核-云-降水相互作用的做出一点贡献。观测研究发现，大气冰核浓度受温度和过饱和度影响。当温度一定时，泰山山顶冰核浓度随过饱和度增加呈指数增长（见图1）。泰山山顶观测冰核平均值，高于经典测量的冰核数据（图1中的黄色实线，DeMott, et al. 2010)；低于在中国其他地区(新疆、黄山和南京)的测量数据；与同期泰安观测数据相当。但泰安观测点位于市区，气溶胶数浓度高于山顶，而冰核浓度数值差不多，意味着气溶胶化学组分差异，产生了冰核浓度测量均值类似的结果。图2展示了泰山山顶昼夜冰核与气溶胶组分相关性。白天大多数INP（冰核颗粒物）与老化的元素碳（EC-Aged，即烟灰)和矿物颗粒具有显著的相关性。EC-Aged，主要源自工业、运输和城市排放的碳碎片(如m/z 24、36、48)和二次无机物碎片(如18NH₄⁺、62 NO₃^-和97 HSO₄^-)，表明人类活动和输送影响了山顶冰核数浓度。夜间，泰山顶峰常位于行星边界层之上，INP受长距离输送的气溶胶影响较大，OC（有机碳气溶胶）和Na-K气溶胶与冰核具有较高相关性。

该观测研究提供了泰山山顶的冰核数浓度观测数据，弥补了我国华北高山地区凝结-凝华模态冰核数浓度的测量空白，亦为模式预报的提供重要科学基础数据。该工作近期发表在Atmospheric Research上。

论文信息：

Kui Chen, Yan Yin^*, Shuxian Liu , Chao Liu , Honglei Wang , Chuan He , Hui Jiang , Jinghua Chen. 2021: Concentration and variability of deposition-mode ice nucleating particles from Mt. Tai of China in the early summer. Atmospheric Research. doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.105426.

图1 泰山山顶不同温度和过饱和度的冰核平均浓度特征。黄色实线为经典的冰核浓度参数化线，虚线为我国不同地区冰核数浓度参数化线，实线（黑、蓝、红和紫）为同期泰安观测的冰核参数化数据线。

图2 泰山山顶冰核与不同气溶胶组分相关性。白天冰核数浓度与老化黑碳气溶胶（EC-Aged）有着较高相关性；夜间冰核数浓度与有机气溶胶（OC）、Na-K颗粒物有较高相关性。