一种纳米纯AgI气溶胶的制备方法 及其成冰核活性的检测

将100mg纯AgI粉末置于一个气氛炉的汽化管内加热到1600℃使之汽化,再利用高压空气将气态AgI爆冲到一个容积为2m~3的金属容器里,骤冷后形成AgI气溶胶。用碳支持膜对形成的AgI气溶胶粒子自然沉降取样,然后用X射线衍射仪和电镜检测其成分和粒子尺度。检测表明:粉末状纯AgI经汽化—冷凝产生的气溶胶其成分仍为纯AgI,粒子尺度在0.84～34.6nm,峰值直径约为2.17nm。为了验证产生的纳米纯AgI气溶胶在冰核化中是否具有成冰核活性,用15L混合云室分别在云室中有冷雾和无冷雾两种条件下定量注入纳米纯AgI气溶胶,检测了它们在不同温度下的成冰核效率,检测结果是:在云室中有-10℃冷雾时,成核率为1.1×10~(11)个·g~(-1),在云室中-10℃无冷雾时,成核率约为3.4×10~(10)个·g~(-1)。     

含AgI焰剂成冰性能与物化特征的实验研究

利用CAMS的1 m~3等温云室系统筛选出新型高效AgI焰剂WMC-IN-001和WMG-IN-002。检测结果表明,它们具有较高的成核率,在-15℃时达到10~(15)g~(-1)AgI量级,尤其在-7℃时WMC-IN-001的成核率仍可达到10~(14)g~(-1)AgI量级。同时给出对节银剂配方和2011年市场上主要的几种催化剂的检测结果进行对比。WMC-IN-001和WMC-IN-002的成冰速率较慢,在各检测温度的成冰速率差异较小,均在40~55 min。利用冷场发射扫描电镜和能谱仪对WMC-IN-001燃烧产生的气溶胶粒子作了物化特征分析,粒子分布在0.02~0.60μm,具有两个典型的模态:0.02~0.10μm的较小的粒子和0.20~0.55μm的较大的粒子,均立方直径为0.2472μm。WMC-IN-001气溶胶粒子明显偏大,小粒子相对较少,这可能是其成冰速率偏慢的原因之一。     

利用卫星分析对流云成冰能力与繁生机制及气溶胶影响

为了进一步了解复杂的对流云冰相过程和气溶胶的成冰作用,利用多源卫星反演得到深厚对流云晶化温度(Tg)和-5℃有效半径(re-5),结合气溶胶分类和光学厚度,通过中国及周边141个个例统计分析结果表明:(1)污染气溶胶与沙尘具有相当成冰能力,当re-512μm时,随气溶胶光学厚度的增加Tg变暖,成冰能力增强;(2)当re-5≥12μm时,气溶胶使滴径减小,减弱冰晶繁生作用,从而降低云成冰能力;(3)对洁净海洋对流云而言,冰晶繁生机制为主要成冰机制,而大陆性对流云繁生作用仅占20%。     

生物冰核Snomax成核性能分析测试

为了研究生物冰核Snomax的成核性能,在静态等温云室中对Snomax的成核性能进行测试分析,得出其成核率、核化速率、成核阈温等性能参数,结果表明在-4～-18℃,Snomax成核率在108/g～1011/g范围内变化,不同温度、过冷水含量、冰核浓度对Snomax催化产生的冰晶形态有重要影响。此外,对比分析测试了AgI焰剂与Snomax的成核性能,试验结果表明AgI焰剂成核率比Snomax高出3～4个数量级,但亲水性Snomax冰核蛋白具有更快的核化速率和环境友好性。通过对比两种冰核的成核特性,分析了生物冰核在人工影响天气作业中可能的应用。     

电子显微镜观测AgI水溶胶的颗粒谱

为了解AgI水溶胶在人工降雨实验中的成冰能力,我们用电子显微镜对AgI水溶胶中的AgI粒子的谱分布进行了观测。结果表明:不同配方AgI水溶胶的颗粒谱分布略有差别,但同一配方不同浓度的AgI水溶胶的颗粒谱分布几乎没有差别。若取不同配方、不同浓度的九种AgI水溶胶样品的平均谱分布,则直径大于0.05μ的粒子占总粒子数的3％。如果假定这些粒子在低温下都能起冰核作用,则1克AgI的最高成核率为10~(14)/克。然而,当在播撒过程中AgI水溶胶的雾滴对AgI粒子的分散不利时,AgI成核率将低于此值;如果假定AgI水溶胶的粒子以冻结水滴的形式使云晶化,水滴冻结将引起冰晶繁生作用,这将会使AgI的成核率高于上述的估算值。     

含AgI人工冰核粒子的电镜分析

为深入认识当前人工影响天气作业中广泛使用的AgI焰剂的成冰特性, 利用电子显微镜对含AgI焰剂产生的人工冰核粒子尺度特征进行分析研究。利用环境场扫描电镜对焰剂颗粒的尺度分布和形态学特征进行研究, 利用场发射高分辨透射电镜纳米区域的X射线成分分析 (EDS) 对实验样品的颗粒结构特点和主要组成成分进行研究。实验结果表明:不同配方焰剂燃烧产生的颗粒谱分布特征有明显差异, 所取5种焰剂产生的颗粒平均谱分布, 其直径在0.02~0.50 μm之间的粒子数占98.96%, 即产生粒子绝大部分都可直接参加云内的成冰核化过程, 但其谱宽、峰值直径, 分布特征都不相同。透射电镜结果表明:焰剂颗粒的主要组成是KCl, 其表面附着AgI小颗粒, 该结构特征可能更有利于焰剂颗粒的成冰核化。利用中国气象科学研究院1 m3等温冷云室对AgI焰剂阈温对比实验表明:5种焰剂的成冰阈温在-3.5~-4.4 ℃范围内, 不同焰剂配方的阈温不同, 最大相差1 ℃。焰剂成冰核化速率主要由颗粒的大小 (均立方根直径) 决定, 同时受到谱宽、主峰位置等多种分布特征量影响, 改进配方时应综合考虑。同时, 由于高于-4.4 ℃时, 焰剂产生颗粒接触过冷水滴缺少活性, 即含AgI焰剂不适于云中较暖区的催化。     

碘代异丙烷在黑碳表面的吸附研究

黑碳气溶胶由于其对大气辐射平衡和气候的影响而受到高度重视,碘化学则是大气化学中十分重要的研究领域。然而对于卤素化合物尤其含碘化合物与黑碳气溶胶表面相互作用的研究还少有报道。文中首次研究了在298K下,碘氧自由基(IO)重要源之一的碘代异丙烷(i-C3H7I)在黑碳表面的吸附,黑碳样品使用DegussaFW2(一种含有氧化态的无定形黑碳)。实验发现碘代异丙烷与黑碳表面发生相互作用,使黑碳表面逐渐被钝化,并且其吸附系数(γ)与暴露时间相关。实验测得初始吸附系数(γ0)值为(9.5±3.8)×10-2。所报道的初始吸附系数γ0可以提供一个上限值,实验结果表明在真实大气环境下,i-C3H7I在黑碳气溶胶表面的非均相消耗可能是十分重要的,也许会对i-C3H7I在真实大气中的浓度有一定影响。并且研究结果对进一步研究i-C3H7I与黑碳气溶胶相互作用对大气辐射平衡、黑碳气溶胶非均相化学作用和云雾降水凝结核(CCN)形成的影响均有十分重要的意义,研究结果也为评估i-C3H7I与碳质气溶胶非均相相互作用对大气环境的影响和深入的模式研究提供了基本参数。     

京津冀地区气溶胶光学厚度反演及其空间分布特征

利用2014年9月1日至2015年5月31日Terra/MODIS MOD 021KM数据,以京津冀地区为研究区域,采用深蓝算法和查找表法反演京津冀地区1 km分辨率的气溶胶光学厚度,并将反演的气溶胶光学厚度与NASA产品和CE-318观测的气溶胶光学厚度进行比较。结果表明:反演的气溶胶光学厚度与NASA MOD 04_L2(10 km×10 km)和MOD 04_3K(3 km×3 km)两种气溶胶产品的空间分布具有高度的一致性,且空间分辨率更高;反演的气溶胶光学厚度与石家庄站CE-318观测气溶胶光学厚度的平均绝对误差为0.07左右,二者之间的相关系数R~2=0.956。卫星过境时,1 km反演的气溶胶光学厚度与MOD 04_L2气溶胶产品的平均误差约为0.06,反演的气溶胶光学厚度与MOD 04_3K气溶胶产品的平均误差约为0.03。对反演的气溶胶光学厚度与河北省PM_(2.5)和PM_(10)质量浓度的空间分布进行相关性分析表明,气溶胶光学厚度AOD与PM_(2.5)和PM_(10)质量浓度的相关系数分别为0.745、0.663,说明1 km反演的AOD可以有效反映区域PM_(2.5)和PM_(10)质量浓度的空间分布。     

香河地区亚微米气溶胶粒子尺度谱分布特征

为了解香河地区气溶胶尺度谱的基本特征,自2012年5月起,利用扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)对河北香河地区的亚微米(13.8~723.4 nm)气溶胶尺度谱分布进行了近2 a的测量。基于该数据集,分析了气溶胶尺度谱的季节变化和日变化特征及气象要素对气溶胶浓度的影响。结果发现,观测期间埃根核模态(20.0~100.0 nm)、积聚模态(100.0~723.4 nm),以及总的气溶胶数浓度、表面积浓度和体积浓度均值分别为7.0×103cm~(-3)、7.5×103cm~(-3)、14.9×103cm~(-3)、1125μm2·cm~(-3)和50μm~3·cm~(-3)。香河地区积聚模态的粒子数浓度接近华北地区其他污染测站的结果,但高于发达国家的测值。冬季气溶胶的平均浓度最高(18.1×10~3cm~(-3)),而春季最低(12.3×10~3cm~(-3))。不同季节,气溶胶的数谱分布主要为单峰分布,平均峰值直径约为105 nm。气溶胶浓度的日变化受机动车排放的影响显著,存在早晚两个高值中心,分别出现在早上的06:00—09:00和晚上的19:00—21:00。风速、风向对气溶胶数浓度的影响较大,低风速(2 m/s)和南风条件,尤其是吹西南风时,气溶胶浓度的增加显著。     

一次沙尘天气过程中沙尘气溶胶对辐射的影响

沙尘气溶胶对辐射有显著影响,利用耦合了Shao2004起沙参数化方案的WRF/Chem(大气/化学全耦合模式),模拟分析了沙尘天气过程中沙尘气溶胶对辐射的影响。结果发现沙尘气溶胶可以导致地面向下的短波辐射通量减小42.51%,平均减小-3.30~-49.46 W·m~(-2),最大可达-162.67 W·m~(-2);沙尘气溶胶可以通过自身向外发射长波辐射,导致地面向下的长波辐射通量增大,地面向下的长波辐射通量平均增加为17.49~50.49 W·m~(-2),最大可达99.17 W·m~(-2)。当PM10浓度为10~20 mg·m-3,沙尘气溶胶能够减小地面向下的长波辐射通量,即沙尘气溶胶在该地区对大气具有"保温"作用;白天沙尘气溶胶主要增加大气层顶向上的长波辐射通量,夜间则减少大气层顶向上的长波辐射通量,大气层顶向外的长波辐射通量平均变化为-25.29~28.83 W·m~(-2),最大可达87.22 W·m~(-2)。     

云室在云雾物理学研究中的应用进展

云室是云雾降水物理学的实验室装置,在云物理实验研究方面一直有着广泛的应用。本文介绍了目前国内几种主要云室的构造和基本性能,以及它们在大气冰核浓度的观测与研究、高效碘化银焰剂及其成冰性能的研究、液氮（LN）消雾成冰性能的实验研究、稀土化合物成冰性能的实验研究、冰雪晶碰并勾连增长的实验与观测分析中的应用,并着重介绍了这几方面试验研究目前在国内的进展情况。     

卫星遥感人工增雨作业条件 I: 对流云

利用卫星反演技术和云微物理分析方法,针对云微物理结构和降水形成过程探讨可播性、播撒方式,通过对不同类型对流云分析,归纳出4类可播云系,分析表明:1)重污染深厚对流云,当云底粒子有效半径小于7 μm、凝结增长带深厚、降水启动厚度大于20℃、碰并增长带薄、无雨胚带、晶化温度低于-30℃时,可播撒吸湿性核或播撒AgI.2)强上升冰雹云,若云外型强对流特征明显、各增长带增长缓慢、无雨胚带、晶化温度低于-30℃,且云顶附近存在明显的有效半径减小带,可播撒吸湿性核或播撒AgI.3)强上升强降水对流云,云底滴较大,通常大于10 μm,碰并增长较为充分,晶化温度低,一般低于-30℃,冰晶化延迟明显,冷云降水发展不充分,通过在0℃层附近播撒AgI促进冷云降水.4)污染性浅薄对流云,当云底有效半径小于10 μm、凝结增长带深厚、碰并增长带薄、无雨胚带、云顶有效半径小于14 μm、云厚3～6km,可播撒吸湿性核.     

上甸子秋冬季雾霾期间气溶胶光学特性

通过对2004年秋冬季(9—12月)4次雾霾天气过程在京、津背景地区——北京上甸子大气本底污染监测站观测的大气气溶胶光学特性的分析,发现该地区气溶胶光学特性受天气过程的影响很大。4次雾霾影响时段,平均气溶胶散射系数σ_(sca)、吸收系数σ_(abs)和单次散射反照率ω都远高于雾霾过后清洁时段的数值,其中气溶胶ω在雾霾影响时段为0.94～0.97,雾霾后为0.84～0.86,平均减小了0.1左右,表明雾霾天气有利于气溶胶的累积和生成。相比于光吸收性气溶胶,雾霾天气对光散射性气溶胶的增加更为有利,反映了二次气溶胶的产生及其对消光的贡献可能有较大增加。     

基于CMIP6强迫模拟分析人为气溶胶的气候效应(一)——介绍NUIST模式评估结果

为减少不同气候模式评估气溶胶气候效应的差异,第六次耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project Phase 6,CMIP6)直接给定了人为气溶胶强迫数据。因此,有必要基于此强迫数据重新评估气溶胶气候效应。本研究首先将CMIP6给出的描述人为气溶胶强迫的模块引入南京信息工程大学(Nanjing University of Information Science and Technology,NUIST)的地球系统模式(The NUIST Earth System Model,NESM)。之后,利用NESM模式评估地球辐射收支平衡对此人为气溶胶强迫的响应,并分析模式模拟结果的不确定性。评估给出的人为气溶胶有效辐射强迫为-0. 45(±0. 28) W·m~(-2)。其中,气溶胶直接辐射效应为-0. 34(±0. 01) W·m~(-2),与第二次气溶胶比较计划(The second phase of Aerosol Comparisons between Observations and M odels,Aero ComⅡ)的评估结果基本一致;气溶胶对云辐射强迫的影响(包括半直接效应和间接效应)为-0. 10(±0. 30) W·m~(-2),明显受到模式内部变率的干扰,具有较大的不确定性。     

一个缓慢移动的中尺度对流复合体内层状降水区的微结构分析

本文对一个中纬中尺度对流复合体层状降水区的微物理结构,结合雷达、卫星和其他飞机观测资料进行了分析.结果表明,MCC层状区内某些部位盛行冰晶聚合体,它们分布在相当厚的过冷气层内(0.5—-14℃或更冷).冰晶聚并过程足层状区内降水质点增长的主要机制.它起源于较高较冷的气层,在冰晶聚合体下降途中聚并效率渐趋增强,在0℃层附近形成一大的冰晶聚合带. 层状区中云滴液态含水量一般低于0.3g·m~(-3).0℃层以下降水质点数浓度较低,平均为0.8L~(-1)(2D-P资料)和2.3L~(-1)(2D-C资料),相应的平均体积中值直径分别为1.0和0.6mm.在0—-10c气层内,冰质点平均数浓度为27L~(-1)(2D-P资料)和133L~(-1)(2D-C),远人于0℃层以下的雨滴数浓度,相应的平均体积中值直径为0.8和0.4mm.冰质点数浓度随高度向上增加,在飞机垂直探测的顶部(6600m高度)观测到最大数浓度52L~(-1)(2D-P资料)和289L~(-1)(2D-C资料).冰质点大小则相反,是随高度下降而增大的.在0℃层附近冰晶聚合体较大较多,冰质点中15％以上是聚合体,2D-P探头观测的冰质点平均体积中值直径达1.8mm. 滴谱分析表明,负指数律分布能较好地拟合所有观测的降水质点大小谱分布.对水滴,斜率参数λ平均为17(±3.6)cm~(-1),相对变差不超过20％,在云模式研究中可以近似地假定λ是常数.然而,对冰质点样本,λ值可相差3倍以上,小能当作常数处理.至于截距参数N_0,不论是水滴还是冰晶样本,都是变量,其值可有2—3个数量级之差.但是,N_0与λ之间数值上相关很好,据此可以将降水质点谱简化为单参数分布.     

我国硫酸盐气溶胶气候效应的数值模拟

气溶胶的气候效应近年来备受关注。区域气候模式能够在有限的计算资源下取得更高的分辨率,成为一种研究区域气候的有力工具。本文使用意大利国际理论物理中心(ICTP)开发的区域气候模式(Reg CM3),对2008年12月~2009年11月我国硫酸盐气溶胶的时空分布及其直接气候效应进行了模拟。研究表明受大气环流影响,硫酸盐气溶胶空间分布在夏季分布最广,而其最大平均季度柱浓度出现在四川盆地,达到了27mg·m-2。受特殊地形的影响,四川盆地上空在全年一直维持着高浓度的硫酸盐。硫酸盐气溶胶对直接辐射强迫与其柱浓度的分布有很好的相关性。直接辐射强迫在夏季分布最广,其数值达到了-2.99W·m-2,全年平均为-2.4W·m-2。硫酸盐的直接气候效应造成了地面气温下降,在夏季达到了-0.26℃,全年平均为-0.09℃。直接气候效应对降水总体表现为微弱的抑制作用,但不同区域,不同季节差异较大。     

中国地区硫酸盐气溶胶的第一间接气候效应研究

将区域气候模式(RegCM3)与对流层大气化学模拟(TACM)耦合,建立区域气候化学模拟系统(RegCCMS),用以模拟中国地区硫酸盐气溶胶的空间分布、第一间接辐射强迫及其气候效应。研究结果表明,中国地区硫酸盐气溶胶主要集中在四川、河南、山东等地,秋冬季浓度较高而夏季浓度较低。1月份浓度最高值中心在四川,最高达到50μg/m3,而7月则出现在河南等地,浓度最高达10μg/m3。1、4、7、10月硫酸盐气溶胶的第一间接辐射强迫全国平均值分别为-1.80、-2.75、-3.43、-1.83 W/m2,局部地区可达-12 W/m2。敏感性试验结果表明,硫酸盐气溶胶的第一间接效应引起气温降低,降水减少,在不同季节和地区气温和降水的变化存在明显差异。     

塔克拉玛干沙漠地区气溶胶光学厚度卫星遥感产品验证

基于塔克拉玛干沙漠地区地基太阳光度计数据,系统验证2007～2008年星载多角度成像光谱仪(MISR)、中分辨率成像光谱仪(MODIS)和臭氧监测仪(OMI)气溶胶反演产品,旨在定量评估这些产品在我国沙漠地区的气溶胶光学厚度(AOD)反演精度。结果表明:MODIS/AOD的相关系数在4种产品中最高(0.91),OMI/AOD次之(0.87),其次为MISR/AOD(0.84),OMI/UVAI相关系数偏低(0.51)。MISR/AOD均方根误差(0.14)和平均偏差(-0.06)在4种反演产品中最低。与地基观测相比,MISR/AOD、MODIS/AOD系统偏低,OMI/AOD、OMI/UVAI系统偏高。在相同比较条件下(地基观测气溶胶光学厚度值限定在2.0以内),MISR的均方根误差和平均偏差在4种反演产品中最低,且相关系数也较高(0.84)。尽管存在诸多不同,但3种探测器气溶胶反演产品均能较好地展示该地区的气溶胶季节变化。塔克拉玛干沙漠春、夏季AOD较大,秋、冬季AOD相对较小。ngstrm波长指数的结果表明,春季(3～5月)最小(均值为0.11),夏季(6～8月)次之,秋季(9～11月)和冬季(12月至次年2月)较大(均值达到0.61),这表明在春、夏季气溶胶粒子偏大,秋、冬季气溶胶粒子偏小。此外,通过研究2000～2010年AOD年际变化表明,由于塔克拉玛干沙漠地区属于沙尘源区,气溶胶类型较为单一,所以总体来说,变化趋势不是较为明显。从反演结果来看,2003年的气溶胶含量为此10年中最高,年均值达到0.32;2005年的气溶胶含量在这10年中最低,年均值为0.28。     

用滤膜法观测大气冰核的静力扩散云室

用滤膜法观测大气冰核的静力扩散云室本项目是在中国气象局云物理基金资助下完成的。它是通过模拟冰核活化环境对大气冰核（或人工冰核）浓度进行观测，研究冰核活化机制，为云物理和人工影响天气的研究提供基本参数的设备。该设备由大气气溶胶粒子滤膜取样器、扩散云室及...     

基于飞机观测的四川盆地初夏云下气溶胶特征

利用2009年6月23日夏延飞机搭载的云粒子测量系统(PMS)对四川盆地上空云和气溶胶的2次观测试验资料和MODIS光学厚度产品及云和辐射资料(CERES SYN1deg-3Hour Ed3A),结合HYSPLIT模式模拟的气团后向轨迹和前向轨迹,分析四川盆地云下气溶胶数浓度垂直分布、谱分布和来源特征。结果表明:飞机观测的四川盆地大气气溶胶数浓度量级为108~109m~(-3),与河北省、北京及周边城市飞机观测的气溶胶数浓度量级相同,污染较重。远距离输送对四川盆地气溶胶贡献小,说明气溶胶主要受盆地区域内污染物影响,同时气溶胶生成后主要在盆地区域内聚集,使得区域内空气污染居高不下。初夏阴天天气条件下,四川盆地的大气气溶胶主要分布在2 800 m以下,气溶胶粒子数浓度越靠近地面越大,且云下气溶胶粒子较多是积聚模态,粒子Angstr9m波长指数介于1.2~1.4之间,城市-工业气溶胶的特征明显。