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较大。

　　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，该“化学效应”也被数值模型重现，然而该“化学效应”是否在自然界中真实存在仍缺乏外场观测的直接证据。

　　2015年开始，中国科学院大气物理研究所正高级工程师李兴宇和研究员潘月鹏合作，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）。

　　冻雨专家、加拿大曼尼托巴大学教授Ronald Stewart认为，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；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可能被进一步放大。

　　相关研究成果发表在Atmospheric Environment上。论文合作单位包括国家气候中心和加拿大曼尼托巴大学，研究工作还得到中国电力科学研究院的支持。

图1.冻雨形成过程示意图（背景为衡山冻雨照片）

图2.衡山冻雨温度随离子浓度的变化趋势