系留气艇气溶胶采样器研制及气溶胶活化特性的垂直变化的观测研究

Atmospheric aerosols influence the energy balance and water cycle, directly and indirectly. The aerosol loading has been increasing with increasing human activities. Great efforts are made to investigate the impact of anthropogenic aerosols on climate, especially the influence of aerosol on clouds and the feedbacks of clouds. Most of the studies focused on the relationship between near-surface or column-integrated aerosol and the cloud or precipitation. The anthropogenic aerosols, however, mostly accumulate inside the boundary layer and vary dramaticly at different heights. The measurements of the vertical distribution of aerosols and their activation properties are essential to investigate the effect of surface-emitted aerosols on clouds. ..Based on the tethered balloon and the measurement suit of aerosol activation properties, this project aims at developing a tethered balloon-borne air sampling system which provide a solution for the measurement of the vertical distribution of aerosol. Aerosol size distribution and aerosol activation properties for several heights will be obtained during an intensive measurement campaign. These results will bring great advantage to evaluating the difference of aerosol activation properties and understanding the influence of the heavy aerosol pollutants inside the boundary layer on the high level aerosol properties and the clouds.

大气气溶胶直接或间接的影响着地球的能量平衡和水循环等。人来活动导致了气溶胶大量增加，使得气溶胶的气候效应备受关注。由于气溶胶与云之间有复杂的机制和反馈，间接气候效应成为大气科学的研究热点。大部分研究工作关注于地面或者整层气溶胶的性质与云和气候的关系。然而，气溶胶有明显的垂直变化，人类活动增加的气溶胶大多积聚在边界层内。研究地面大量排放的气溶胶对云的作用，就需要观测分析气溶胶及其活化特性的垂直分布。..为此，本项目计划集成已有系留气艇技术和地基气溶胶特性和云凝结核观测技术，创新研制一套系留气艇搭载的气溶胶样气采样观测系统，为气溶胶活化特性的垂直变化特征观测提供新型观测平台；通过一个时期的加强观测研究，获取气溶胶谱以及分档活化率的垂直分布特征，评估边界层内外气溶胶及活化特性的差异，分析边界层气溶胶对高空气溶胶及云的可能影响。

气溶胶通过吸收或者散射太阳辐射直接影响气候系统，并通过作为云凝结核（Cloud Condensation Nuclei, CCN）或冰核（Ice Nuclei, IN）参与云过程间接影响气候系统。为了增进我们对于日益增加的气溶胶对气候和环境影响的认识，我们对CCN和黑碳（Black Carbon, BC）两个方面进行了外场观测研究，并着眼于垂直分布和粒径分布特征，提供重要的基础观测数据。 . 首先，本项目利用系留气艇平台进行了垂直分布特征的观测，主要包括：. 1. 完成设计一套采样设备——采样袋，利用系留气艇携带到高空，采集1m3样气带回地面，利用地面观测设备测量亚微米气溶胶的数浓度粒径谱和活化率随粒径分布曲线，并与地面观测对比。结果表明，边界层外气溶胶的活化性质与地面气溶胶的活化性质不同，但是相对更稳定。因此，高浓度的地面气溶胶/CCN并不一定会导致高的云滴数浓度，并进而影响气候。在评估气溶胶气候效应时，不仅需要考虑气溶胶浓度的垂直分布，还要考虑气溶胶活化能力差异带来的影响。. 2. 利用系留气艇携带微型黑碳仪，观测黑碳质量浓度的垂直分布，定量统计分析了黑碳气溶胶垂直分布随边界层发展的变化规律。. 其次，在地面观测中进行了更加深入的研究，主要包括：. 1. 定量应用地面气溶胶活化率的观测结果，通过对比CCN数浓度的多种参数化方案，发现利用气溶胶数谱结合观测获取的平均活化率曲线或者气溶胶活化粒径能很好地参数化CCN数浓度。. 2. 利用微型黑碳仪进行了黑碳质量浓度随粒径分布的观测，并在多地针对不同季节及限排和生物质燃烧等事件进行观测。. 在本项目的支持下，对观测方案及观测内容进行了创新，获取了大量的珍贵数据，深化了对气溶胶在气候和环境方面的认识，同时也能为大气模拟和遥感提供支持。