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  • 科研進展

    AE: 大氣物理和大氣化學交叉研究探索凍雨形成過程

      凍雨是冬春常見的災害性天氣,在我國主要分布在西南和華中等地山區。凍雨在大氣中以過冷水的形式存在,與低于0℃的物體碰撞后立即凍結,對航空運輸、輸電線路、通訊設備和農林產業等危害巨大。2008年初,一場罕見的雨雪冰凍災害席卷我國南方,受災人口1億多人,直接經濟損失500多億元。

      雨滴在溫度低于0℃的大氣中保持過冷狀態(而不結冰)是凍雨的本質特征。以往研究認為凍雨不結冰的原因是缺乏冰核。事實上,凍雨是雪落入暖層融化而來,冰核一直都存在于過冷水中(圖1)。實驗發現,增加液滴中化學物質濃度有利于液滴保持過冷狀態,這一“化學效應”也被數值模型重現。然而,這一“化學效應”是否在自然界中真實存在,一直缺乏外場觀測的直接證據。 
    圖1:凍雨形成過程示意圖(背景為衡山凍雨照片)。
      2015年開始,中國科學院大氣物理研究所李興宇正高級工程師和潘月鵬研究員合作,在湖南衡山(南岳山)開展極端降水物理和化學綜合觀測實驗,收集凍雨等不同相態降水樣品,并對其物理特征和化學組成開展長期跟蹤測量。通過近7年冬季樣品的分析發現:凍雨整體呈酸性(pH<5),除了硝酸和硫酸,有機酸貢獻接近20%;與國內外高山雨水相比,凍雨中的離子濃度顯著偏高;隨著離子(特別是硝酸銨)濃度的增加,凍雨所處環境溫度呈現降低趨勢(圖2)。
    圖2:衡山凍雨溫度隨離子濃度的變化趨勢
      “較高的離子含量可能會降低雨滴的凍結溫度,延長雨滴以過冷水形式存在的時間和垂直下落的距離,危害的范圍也更接近于地表“,著名凍雨專家Ronald Stewart教授認為,“隨著全球氣候變暖,凍雨帶將會北移,上述“化學效應”在大氣污染相對嚴重的北方很可能被進一步放大“。 
      上述研究成果發表于Atmospheric Environment (IF=4.798)。論文合作單位包括國家氣候中心和加拿大曼尼托巴大學。該研究得到了大氣所郭學良研究員和中國電力科學研究院朱寬軍、劉彬、楊加倫、李丹煜、劉勝春等專家的大力支持和技術指導。
      論文信息:
      Xingyu Li, Yixuan Lyu, Yuepeng Pan, Qian Sun, Xiaying Zhu, Jiabao Hu, Jin Liu, Jing Cao, Mengna Gu, Mengshen Zhang, Ronald E. Stewart. Chemical characteristics of freezing rain observed at Mount Heng in southern China. Atmospheric Environment. 2022. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2022.119140
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