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大气物理和大气化学交叉研究探索冻雨形成过程

  冻雨是冬春常见的灾害性天气,在我国主要分布在西南和华中等地山区。冻雨在大气中以过冷水的形式存在,与低于0℃的物体碰撞后立即冻结,对航空运输、输电线路、通讯设备和农林产业等危害巨大。2008年初,一场罕见的雨雪冰冻灾害席卷我国南方,受灾人口1亿多人,直接经济损失500多亿元。

  雨滴在温度低于0℃的大气中保持过冷状态(而不结冰)是冻雨的本质特征。以往研究认为冻雨不结冰的原因是缺乏冰核。事实上,冻雨是雪落入暖层融化而来,冰核一直都存在于过冷水中(图1)。实验发现,增加液滴中化学物质浓度有利于液滴保持过冷状态,这一“化学效应”也被数值模型重现。然而,这一“化学效应”是否在自然界中真实存在,一直缺乏外场观测的直接证据。 
图1:冻雨形成过程示意图(背景为衡山冻雨照片)。
  2015年开始,中国科学院大气物理研究所李兴宇正高级工程师和潘月鹏研究员合作,在湖南衡山(南岳山)开展极端降水物理和化学综合观测实验,收集冻雨等不同相态降水样品,并对其物理特征和化学组成开展长期跟踪测量。通过近7年冬季样品的分析发现:冻雨整体呈酸性(pH<5),除了硝酸和硫酸,有机酸贡献接近20%;与国内外高山雨水相比,冻雨中的离子浓度显著偏高;随着离子(特别是硝酸铵)浓度的增加,冻雨所处环境温度呈现降低趋势(图2)。
图2:衡山冻雨温度随离子浓度的变化趋势
  “较高的离子含量可能会降低雨滴的冻结温度,延长雨滴以过冷水形式存在的时间和垂直下落的距离,危害的范围也更接近于地表“,著名冻雨专家Ronald Stewart教授认为,“随着全球气候变暖,冻雨带将会北移,上述“化学效应”在大气污染相对严重的北方很可能被进一步放大“。 
  上述研究成果发表于Atmospheric Environment (IF=4.798)。论文合作单位包括国家气候中心和加拿大曼尼托巴大学。该研究得到了大气所郭学良研究员和中国电力科学研究院朱宽军、刘彬、杨加伦、李丹煜、刘胜春等专家的大力支持和技术指导。
  论文信息:
  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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