海洋-大陆混合气溶胶的侵入会干扰云的特性

《Atmospheric Environment》：Intrusion of Marine-continental mixed aerosols disturb cloud properties

气溶胶与云相互作用研究揭示海洋-大陆混合气溶胶在低层（<3000米）和高层（>3000米）的垂直分层特征及激活分数差异，优化WRF模型云微物理参数化方案后可更准确模拟云水混合比（最高0.44g/kg）和降水模式，强调混合态气溶胶对云过程的关键调控作用。

　　

王硕|徐文清|刘畅|王俊|易志明|徐亮|韩静|任光志|张殿国|王文清|李伟军

中国济南，山东省气象灾害防治与减灾重点实验室

摘要

在气候模型中，关于沿海地区海洋-大陆混合气溶胶（MCMA）的气溶胶-云相互作用（ACI）仍知之甚少。通过结合2023年春季华北地区降水事件期间的飞机观测和WRF模拟数据，我们发现了明显的垂直分层现象：在3000米以下，由于成分复杂性，MCMA占主导地位，其激活率变化较大（4.2%）；而在3000米以上，大陆气溶胶（CA）占主导，由于其成分均匀性，激活率较低（2.1%）。MCMA具有更宽的粒径分布（大量大于0.5微米的颗粒），导致云滴浓度（N_c）较高，但光谱分散度（ε）较低（N_c = 96.6 cm^?3，ε = 0.263，对比CA的N_c = 57.5 cm^?3，ε = 0.375）。将观测到的气溶胶数据整合到WRF模型中后，发现参数化ε-N_c关系能够改善云微物理过程的表示，从而捕捉到云水混合比（高达0.44 g kg^?1）和降水模式。研究结果强调了气溶胶混合状态在调节云过程中的关键作用，并表明需要改进气候模型中针对沿海气溶胶的参数化设置。

引言

气溶胶-云相互作用（ACI）是云物理学和气候变化领域中最重要的不确定性来源之一。激活比例是研究ACI的关键组成部分，因为由气溶胶激活的云凝结核（CCN）会导致云滴粒径分布的不同，进而影响云的寿命、结构和降水模式（Choudhury等人，2024年；Jiang等人，2006年；Li等人，2024年）。目前研究ACI的主要方法包括遥感、飞机观测和数值模拟。与地面遥感技术和卫星观测等替代方法相比，飞机测量提供了具有卓越空间和时间分辨率的现场数据（Quan和Jia，2020年）。这些基于飞机的观测特别适合于阐明复杂的热力学和微物理过程，包括气溶胶的垂直分布、粒径和成分、CCN的激活情况以及云的复杂结构（Bahreini等人，2003年；Heald等人，2011年；Wu等人，2020年；Zhao等人，2006年）。然而，飞机观测无法捕捉整个云降水过程，且观测范围有限，因此需要使用数值模型来量化激活比例。Reutter等人（2009年）和Chen等人（2016年）利用云团模型来阐明气溶胶限制、上升气流限制和过渡状态对激活比例的影响。Lu等人（2020年）使用绝热云团模型总结了云滴光谱相对分散度与体积平均半径之间的关系，这种关系受到激活和未激活比例的影响。将数值模型与飞机观测相结合，对于提高对ACI不确定性的理解具有巨大潜力。迫切需要利用测量数据，包括粒径分布（PSD）、云凝结核浓度（CCNC）、气溶胶颗粒化学成分和吸湿性，以改进模型性能（Rosenfeld等人，2014年；Seinfeld等人，2016年）。

在分析ACI时，探索气溶胶的成分分布和背景透射率（McFiggans等人，2006年；Nenes等人，2002年）非常重要。这一理解促进了大量关于大陆和海洋气溶胶的观测、建模和实验室研究。研究主要集中在不同水汽过饱和度范围内大陆气溶胶（CA）的激活比例和吸湿性参数（κ）上，涵盖了土壤尘埃、矿物尘埃和雨林气溶胶（Gunthe等人，2018年；Fan等人，2014年；Roesch等人，2021年；Salma等人，2021年）。对海洋气溶胶的研究主要集中在微物理参数上，包括气溶胶分布、云滴和毛毛雨的粒径（Lu等人，2007年；Shen等人，2020年；Wang等人，2024年；Eckert等人，2024年）。此外，实验室研究还考察了吸湿性（Fuentes等人，2010年；Wex等人，2014年），而数值模拟分析了不同混合状态下海洋气溶胶对云形成的影响（Schill等人，2015年；Westervelt等人，2012年）。根据Schmale等人（2018年）的研究，五种不同背景下的气溶胶（如沿海、农村、高山、偏远森林和城市）表明，沿海地区的CCN特性存在显著差异，同一季节内CCNC浓度可能波动30倍。然而，关于沿海背景下的海洋-大陆混合气溶胶（MCMA）的研究仍然不足，尤其是在观测或建模方面，这些研究主要依赖于地面观测（Ovadnevaite等人，2011年、2012年、2014年）。这一限制严重阻碍了对高海拔地区MCMA分布的全面研究，也妨碍了对不同气溶胶混合状态下激活比例的理解。

气溶胶的激活比例通过由成分差异引起的云滴光谱差异影响降水，从而改变滴粒浓度/光谱宽度，进而调节云的寿命和降水效率。像海盐这样的巨型气溶胶通过碰撞-聚合作用显著拓宽了光谱（Rosenfeld等人，2019年）。使用激活-液态水路径-降水模型（Seinfeld等人，2016年），气溶胶成分的复杂性会影响降水阈值。观测沿海混合气溶胶的粒径和化学成分对于解决海盐/污染物之间的竞争性激活及其在光谱拓宽中的作用至关重要（Ovadnevaite等人，2011年）。

在分析激活比例时，基于κ-K?hler理论（Petters和Kreidenweis，2007年）的参数化方法建立了气溶胶颗粒的吸湿性与其在特定过饱和度下的临界直径之间的关系。κ值可以从气溶胶颗粒的化学成分推断出来，而过饱和度则可以通过云模型确定（Pinsky等人，2012年、2014年）。因此，理论上，如果能够同时测量气溶胶的数粒径分布和化学成分，就可以消除对CCNC观测的需求。这种简化的参数化方法有助于分析全球气溶胶的激活情况，并可应用于缺乏云凝结核计数器的卫星观测或观测站，从而优化全球气候模型（GCM）的模拟结果（Mülmenst?dt等人，2024年）。气溶胶的混合状态和吸湿性影响CCN的活性（Deepika等人，2016年；Sánchez Gácita等人，2017年），混合状态指数可用于量化气溶胶的混合程度，从而评估其对CCN活性的影响（Ching等人，2017年）。为了准确推断气溶胶的吸湿性，必须考虑其化学成分和混合状态的先决条件。大陆气溶胶（CA）的κ值约为0.1（Salma等人，2021年；Mandariya等人，2024年），而海洋气溶胶的κ值范围为0.17至1.4（O'Dowd等人，2004年；Kawana等人，2024年；Zou等人，2025年）。对于MCMA，由于其成分的复杂性，需要在云环境中进行连续观测，以总结不同混合状态下的气溶胶浓度、CCNC和滴粒分布，从而为参数化提供必要的观测基础。

本研究在2023年4月由MCMA引起的降水事件期间进行了飞机云穿透观测。在三次飞行中，收集了不同高度层的气溶胶、CCN、云滴及其他参数的数据。随后分析了ACI，并将观测到的参数整合到天气研究和预报（WRF）模型中，以改进云微物理参数化方案。评估了不同参数化方案对降水的影响，从而获得了关于MCMA激活比例的见解。

部分内容摘录

观测设备

本研究使用的主要机载观测仪器包括AIMMS-30（用于综合气象要素）、混合凝结核计数器（MCPC，用于测量气溶胶浓度）、被动腔式气溶胶光谱仪探针（PCASP，用于评估气溶胶粒径和PSD）、云凝结核计数器（用于量化CCN）以及云滴探针（CDP，用于分析云滴）。这些仪器要么悬挂在飞机机翼上，要么固定在

结果与讨论

为了清晰展示飞行过程中观测到的微物理参数的垂直和时间变化，图2展示了关键变量随时间和高度的变化情况。在分析气溶胶浓度时，第一次飞行的大部分数据来自MCPC的测量结果不可用，因此该次飞行使用了PCASP的数据。第二次和第三次飞行则使用了MCPC的测量结果。

第一次飞行在下降过程中保持了云内条件

结论

本论文全面研究了海洋-大陆混合气溶胶（MCMA）的分布和激活比例，结合了飞机观测和WRF模型模拟。我们首次结合了VWS和巨型气溶胶效应来优化混合气溶胶的参数化，填补了沿海地区ACI模拟的空白。

研究得出的主要结论如下：

(1)

MCMA与CA的垂直分层和激活动态。

飞机观测揭示了明显的

CRediT作者贡献声明

王硕：撰写原始稿件、监督、资源协调、数据管理、概念构思。徐文清：撰写原始稿件、软件开发、数据管理。刘畅：验证、数据分析、数据管理。王俊：撰写原始稿件、可视化处理、资金获取、数据管理。易志明：监督、软件开发、数据管理、概念构思。徐亮：可视化处理、监督、数据管理、概念构思。韩静：资源协调、数据管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究是在淮河流域气象开放研究基金（项目编号：HRM202418）和华东地区气象科学技术协同创新基金合作项目（项目编号：QYHZ202319）的支持下进行的。

作者感谢NASA WORLDVIEW提供本研究中使用的卫星数据。