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中纬度海陆区域CCN闭合特征对比及其与有机物组分依赖性的飞机观测研究

气溶胶,云凝结核,飞机观测

主题2 大气物理、化学、环境 > 专题2.13 云物理、气溶胶-云相互作用与极端降水事件

本研究基于美国能源部大气辐射观测项目（ARM）两个外场观测试验的飞机数据，研究了中纬度海洋与陆地区域的云凝结核（CCN）闭合特征，即基于Köhler理论计算的CCN数浓度与其观测值之间的匹配关系。研究选取的两个外场试验站点分别位于北大西洋东部（ACE-ENA试验）与美国南部大平原（HI-SCALE试验）。HI-SCALE试验受陆地自然与人为排放共同影响，气溶胶浓度较干净的ACE-ENA海洋区域高一个数量级，且其季节差异较弱；而ACE-ENA区域的气溶胶及CCN浓度呈现显著季节差异，夏季浓度明显高于冬季。

研究结果表明，两个站点的CCN闭合情况良好，大部分数据的闭合度都在±20%之内，验证了Köhler理论用于估算中纬度海陆区域CCN数浓度的可靠性。但计算的CCN相比观测值在不同站点和不同季节均存在轻微高估，ACE-ENA与HI-SCALE的平均CCN闭合比（CR = 计算浓度/观测浓度）分别为1.13和1.18，且低过饱和度下的闭合效果优于高过饱和度。

进一步研究发现，CR与气溶胶的整体有机质量分数（MForg）存在较复杂的依赖关系：在海洋气溶胶（ACE-ENA试验）中，CR与MForg的关系在高过饱和度（SS=0.32%）下基本稳定并高估；在低过饱和度（0.14%）下，CR随MForg的增加从1.2降低至0.8左右，而由气溶胶和CCN数浓度反算的气溶胶亲水性与MForg的相关性很弱。这表示海洋气溶胶的有机物-无机物组成变化主要发生在小粒径粒子（二次生成硫酸盐与有机气溶胶），大粒径海洋气溶胶有机物含量低且基本保持稳定，大陆气溶胶（HI-SCALE试验）则呈现相反特征：在低过饱和度（SS=0.24%）下，CR保持比较稳定的高估，而在高过饱和度（SS=0.46%）下，CR随MForg的增加而降低。这表明大陆性气溶胶有机物-无机物变化主要发生在大粒径气溶胶，而小粒径气溶胶一二次有机气溶胶为主，有较低的亲水性。

本研究深化了对中纬度海陆源气溶胶CCN特征的理解，明确了气溶胶化学组分、亲水性与粒径大小及气溶胶来源的依赖性，为优化气候模式中CCN相关参数化方案、提升气溶胶-云相互作用模拟精度提供了科学参考。