氣溶膠與降水的相互影響關系

■冼甜 趙潤澤

（蘭州大學2013級大氣科學基地班甘肅蘭州730107）

氣溶膠與降水的相互影響關系

■冼甜 趙潤澤

（蘭州大學2013級大氣科學基地班甘肅蘭州730107）

氣溶膠、云、降水關系是現今大氣科學的前沿領域。氣溶膠作為云凝結核和冰核，能直接或間接影響到降水；而反過來降水也可以通過沖刷或雨除而減少大氣中氣溶膠濃度。通過對氣溶膠與降水相互關系的分析，可以進一步尋找優化大氣環境的方案。而酸性氣溶膠粒子能產生酸雨，反過來，氣溶膠粒子也對酸雨有緩沖能力。同時，針對酸雨提出了應對的措施。

氣溶膠 云凝結核 冰核 酸雨 緩沖能力 降水

1 引言

氣溶膠主要來源于污染粒子、海鹽粒子、沙塵和煙霧等。能通過直接效應或間接效應等途徑影響氣候。氣溶膠的直接效應是指氣溶膠通過吸收和散射太陽輻射，直接影響地氣系統的輻射平衡，而氣溶膠的間接效應則指氣溶膠作為云凝結核（CCN）或冰核（IN）影響云含水量、云光學特性、云量和云壽命等。本文主要討論氣溶膠的間接效應。降水可對氣溶膠粒子起沖刷作用，氣溶膠粒子也可以作為云的凝結核而起到云內清除作用，從而使氣溶膠的濃度得到減小。同時，氣溶膠粒子作為云凝結核可以對降水產生抑制或促進作用。今年來雨水酸化已成為影響環境的重要問題之一，而大氣降水的酸度受氣溶膠中水溶性化學成分的影響，其酸堿性質和緩沖能力是決定雨水PH的主要因素。弄清氣溶膠和降水的關系可以尋求治理環境的方法。

2 氣溶膠對降水的影響

氣溶膠作為凝結核，可對降水產生促進或抑制的作用。不同尺度、不同濃度的粒子會產生不一樣的作用。而氣溶膠粒子作為凝結核，也可達到云內清除氣溶膠濃度的目的。

2.1 吸濕性氣溶膠

吸濕性氣溶膠主要有硫酸鹽、海鹽等，其能作為云凝結核通過吸濕增長，改變云滴數密度和水汽含量。

Andreaem等、Rosenfeld等通過模擬表明，當CNN粒子半徑0.011.00μm時，增加氣溶膠濃度，有利于大云滴的形成，增加碰并效率，有利于降水。CNN主要在暖云降水中起關鍵作用。在含水量一定時，CNN數密度增加，吸濕性氣溶膠間相互奪取水分形成小云滴，但由于小云滴的半徑較小，碰并效率低，無法形成大云滴，因此能抑制降水的發生。

對于r>1.00μm的CNN，即GCNN,其爭奪水汽的能力強于其他CNN。在CNN濃度較高時，增加GCNN的濃度，形成的云滴數密度增加，云滴半徑較小，因此能抑制降水。在CNN濃度較低時，增加GCNN的濃度，由于GCNN的爭奪能力較強，能把半徑較小的CNN表面上的水汽奪過來，形成較大的云滴，能促進降水。因此，CNN影響降水較復雜，需要對CNN的尺度、濃度、形狀等進行具體分析才能判斷其對降水的影響。但在多數情況下，CNN已抑制降水為主。

2.2 非吸濕性氣溶膠

冰核：冰核為非吸濕性核，影響初始冰晶的數密度，繼而影響云中各水成物粒子的生成效率和含量、降水時間和降水量。非吸濕性氣溶膠主要有沙塵氣溶膠、黑炭氣溶膠等。

水汽以幾個水分子集合體為中心聚集成液體（凝結）或固體（凝華），或者以過冷卻水中的水分子集體為中心形成冰晶（凍結）。如把這些微小的水分子集合體看成核，則這種無異質核存在時的核化現象稱為自發核化或同質核化。有異質核存在時的核化凍結現象，稱為異質核化現象。云凝結核主要發生在暖云降水中，在冷云降水中，冰核起主要作用，而異質核化在其中占主導地位。據研究發現，當冰核濃度增大時，冰晶的數密度增大，冰晶平均尺度減小，碰并效率降低，地面降水減少。但也有研究認為，冰核數密度增大，一方面引起碰并效率降低，減少降水量；另一方面冰核核化釋放潛熱增加降水量。所以最終降水是增多還是減少取決于冰核的數量、尺度等。

3 降水對氣溶膠的影響

通過研究發現，在雨前、雨中、雨后氣溶膠粒子濃度有較大變化。對于大尺度粒子和小尺度粒子，雨后粒子濃度明顯小于雨前濃度，說明降水對去除大尺度和小尺度粒子有較大的作用。對于中尺度粒子，其清除作用沒那么明顯。利用多重Monte Carlo算法對降雨過程中氣溶膠沉降的數值模擬表明，大雨對任何尺度的濕去除效果依次強于中雨和小雨，而三種類型的雨對大尺度粒子的濕去除效果依次強于小尺度粒子和中尺度粒子。對于小尺度氣溶膠粒子，其主要受布朗擴散而被采集，而且越小的粒子越容易被采集。而對于大尺度氣溶膠粒子，主要由于慣性碰撞作用與雨滴碰撞而被濕去除，尺度越大的粒子，慣性越大，就越容易與雨滴碰撞而被去除。因此降水對大尺度粒子和小尺度粒子的濕去除效果比較明顯，而對中尺度粒子的濕去除效果不明顯。對于任意尺度的氣溶膠粒子，隨著降雨強度的增大，粒子與雨水碰撞的概率就會加大，因此隨著雨水強度的增大被濕去除的效果要更好。

4 總結

氣溶膠與云和降水的關系是一個復雜的過程，其受很多因素的影響。氣溶膠濃度的增加可以導致降水的減少，而降水的減少又反過來使氣溶膠的去除途徑減少。而酸性氣溶膠粒子又可以使雨水酸化。不同云的型狀、不同氣溶膠的類型和含量、不同環境條件下，氣溶膠對云和降水的影響具有很大的差異和不確定性，我們還沒有全面的認識。全面認識氣溶膠和降水的關系，有利于采取措施降低大氣污染，優化環境。而根據氣溶膠與酸雨的關系，對于分析大氣顆粒物對降水影響及其對自身污染特性的分析十分有利，據此制定應對措施，減少和控制污染排放，降低酸雨發生幾率，改進環境質量有重大意義。

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1000-405X（2016）-5-428-1