DB21T 2484-2015 地面大气冰核观测技术规范　

ICS07.060A47DB21DB21/T2484—2015地面大气冰核观测技术规范Technicalspecificationsforsurfaceobservationofatmosphericicenuclei辽宁省质量技术监督局发布IDB21/T2484—2015前言 12术语和定义 13观测条件 23.1观测场地 23.2室内工作平台 23.2.1环境条件 23.2.2工作平台 33.3观测仪器 33.3.1便携式混合云室 33.3.2静力扩散云室 34技术方法 44.1混合云室法 44.1.1测前准备 44.1.2观测规程 44.2滤膜-静力扩散云室法 44.2.1大气采样 54.2.2冰核检测前的准备 54.2.3冰核检测（扩散云室操作）规程 54.2.4注意事项 65观测记录与数据整理 6附录A（资料性附录）大气冰核 7附录B（资料性附录）仪器基本结构及工作原理 8附录C（资料性附录）有关湿度参量的查算与计算公式 附录D（资料性附录）观测记录表与数据处理 DB21/T2484—2015本标准依据GB/T1.1-2009的编写规则起草。本标准由辽宁省气象局提出并归口。本标准起草单位：中国气象局沈阳大气环境研究所本标准主要起草人：周德平、王扬锋、洪也、刘宁微、张云海、李丽光1DB21/T2484—2015本部分规定了用便携式混合云室法和滤膜-静力扩散云室法进行大气冰核观测的技术规范。本规范可应用于有开展人工影响天气作业需要进行大气冰核观测的地区，尤其是针对冷云和混合云作业的我国北方地区。本规范不适于机载和车载的冰核观测。2术语和定义2.1冰晶icecrystal水汽或过冷水滴在冰核上凝冻增长而形成的固态水成物。2.2能够在大气和云雾中产生冰晶的悬浮微物。冰核是冻结核和凝华核的统称（详见附录A.1）。冰核浓度的单位是“个每升”（个/升或L-1）。2.3凝华核depositionnucleus可使水汽直接转化成冰晶而沉积在其表面上的悬浮微粒。2.4冻结核freezingnucleus在冷云中过冷水滴能在其上撞冻而形成冰晶的悬浮微粒。根据不同的成冰模式（详见附录A.1冻结核又分为凝冻（或吸附）核、浸润核和接触核三种。2.5混合云室法mixingcloudchambermethod混合云室法，是先在冷云室中加入空气样本，在云室中空气被冷却并建立热平衡后，通入水汽制造过冷雾，使冰核核化成冰晶。冰晶可落到置于云室底部放有糖溶液的浅盘中，待长大至可目测计数的尺度后，对冰晶的数目读数从而得知冰核的数目。混合云室法观测大气冰核的过程更接近于自然云中的冰晶形成过程，观测到的基本是所有冻结核与凝华核的总和。2.6滤膜-冷云室法filters-coldchambermethod2DB21/T2484—2015滤膜-冷云室法，也称滤膜法，是用抽气泵将样本空气通过滤膜进行过滤，含有冰核的大气气溶胶粒子被滞留在滤膜上，然后将采样后的滤膜送入冷云室中进行活化显示处理，从而得知冰核的数目。当冷云室为静力扩散云室时，滤膜法检测出的主要是凝华核和凝结冻结核。2.7冰核活化icenucleiactivation在一定的温度和湿度条件下，冰核与水汽或过冷水滴结合而形成冰晶的过程。2.8滤膜的微孔填充volumefillingofmembranemicropores用一种物质从采样滤膜的非采样面缓慢渗入，并能将抽气采样时嵌入滤膜孔隙中的那一部分粒子“托举”到采样膜表面，以便更有效地检测到滤膜上的冰核粒子的方法，称其为滤膜的微孔填充（也称其为“托粒”处理）。2.9冷媒refrigerant冷媒是在冷冻空调系统中，用于传递热能，产生冷冻效果之工作流体。3观测条件3.1观测场地大气冰核的近地面观测，场地应选择在地势平坦、附近无高大建筑物和高大树木等物体遮挡的地方。除有特殊研究内容的项目要求外，本底大气冰核的观测场地应远离工业区、建筑工地或居民聚集区，并避免局地污染源（包括沙尘源）的直接影响。观测点应具备稳定的交流电源（220V，50Hz）。使用混合云室法观测大气冰核时，应在观测场建有面积不小于1.2m×1.2m的水平地面观测平台，用以放置观测仪器。在气象观测站，可利用地面气象观测场作为大气冰核观测场地。大气采样设备与其他仪器和围栏的距离，应符合《地面气象观测规范》的要求。3.2室内工作平台3.2.1环境条件大气冰核观测实验室的基本要求：a)面积不小于25m2，墙面和地面光洁，不起尘；b)具备稳定的交流电源（220V，50Hz），配备功率不小于1500W的稳压电源；c)安装空调设备，室内温度应在10℃~30℃范围内可调节；d)湿度范围：<80%。3.2.2工作平台大气冰核观测实验室按下列要求配备必需的工作设施：a)专用工作台。用于采样滤膜更换、“托粒”处理及糖液配置等。高度0.7m～0.9m、面积不小于0.6m×1.2m，台面应具有耐腐蚀性，铺厚度为0.1cm以上塑料板或橡皮板，安置应稳固、水平，须避开气流直吹影响。距工作台0.5m的范围内须有固定的电源插座；3DB21/T2484—2015b)专用贮藏柜，用于存放滤膜样品、化学试剂和仪器备件等；c)专用工作服（白大褂），一次性工作手套（防尘污染）。3.3观测仪器3.3.1便携式混合云室便携式混合云室（又名冰核计数器IceNucleiCounter），其主要技术指标如下：表1便携式混合冷云室的主要技术指标指标参数云室体积（L）冰核浓度值测量范围（-20℃时L）0.2～50.0温度测量范围-30℃~0℃温度测量精度±0.1℃自动温度补偿功能及温度范围有，-30℃~0℃工作环境-15℃~15℃,湿度<85%220V±22V，50Hz±1Hz注：其构造参见附录B.1的5L便携式混合云室。3.3.2静力扩散云室静力扩散云室的主要技术指标如下：表2静力扩散云室的主要技术指标指标参数冰核浓度值测量范围（-20℃时L）湿度测量范围95%～125%湿度测量精度温度测量范围-30℃~0℃温度测量精度自动温度补偿功能及温度范围有，-30℃~0℃工作环境-15℃~15℃,湿度<85%220V±22V，50Hz±1Hz注：其构造及测量原理参见附录B.2的静力扩散云室。4技术方法4.1混合云室法混合云室法所用的采样观测仪器是便携式混合云室，主要由冷云室和置于云室底部的一个装满糖液的糖盘构成。其详细结构参见附录B.1。4.1.1测前准备4DB21/T2484—2015a)糖液的配制：糖液是质量比为1:1的红糖与水的混合溶液。糖液的配制应在每次观测前一天进行。在配制糖液过程中，应严格控制红糖与水的质量，用精度为0.1克的天平称重。配制过程中可用酒精炉或电磁炉加热并用玻璃搅拌棒搅拌，须使红糖完全溶解在水中。配制好的糖液需自然冷却后，方可装入干净（用去离子水彻底清洗后）的容器内。b)仪器的安置：在将仪器推(抬）至观测场地的过程中，应尽量保持仪器直立，倾斜角度不能大于10°。放置到观测平台上以后，需注意调节仪器的四脚至仪器处于完全水平的状态。c)注入防冻液：云室内外壁之间的冷媒槽要基本注满；融霜液槽中的防冻液保持9成满；糖盘托盘热容槽中的防冻液高度要达到与糖盘底面既充分接触，又不能溢出的程度。d)其它准备事项：供雾器的水槽中须注入适量蒸馏去离子水，不能用自来水或矿泉水；为防止结霜，须在云室内壁涂上甘油或防冻液；可上下提拉糖盘底座升降手柄，以确认其升降顺利。4.1.2观测规程a)仪器的预冷：需在采样前数小时将电源打开，在打开“制冷”开关时，面板上的制冷开关灯亮，此时必须将糖盘拉至云室顶部，然后再将温度探针缓缓插入云室中心位置。然后，在向糖盘内注入配制好的糖液时，若糖液中有气泡，需用干净的玻璃棒将气泡全部清除。b)当便携式混合云室的面板上温度显示在-25℃以下时，即可以开始冰核采样观测。c)观测时需先将温度探针拔出，然后再放下糖盘，抽取空气气样。此时须将控制糖盘的提拉杆放到最低位置，并在关闭“制冷”开关后将温度探针全部插入云室内。此时温度显示屏上的温度会有一个先降温后慢慢升温的过程，将此过程中显示的最低温度记录下来，即为观测温度。d)冰核观测及读数：当温度显示达到预定温度（例如-25℃)后依次打开“除尘”、“气泵”和“供雾”开关（通入饱和空气，形成过冷雾），2分钟后依次关闭“供雾”、“气泵”和“除尘”开关。等待5-10分钟（过冷雾可维持2-3分钟，空气中的冰核活化后形成小冰晶落在糖盘上，逐渐长大至可目测计数的尺度）。此时须拔出温度探针后，再将糖盘拉起至云室顶端并在冰晶融化前迅速读数。要及时将观测时的云室温度和冰核读数准确记录下来。e)再次将温度探针全部插入云室内，观察并记录下云室内温度。重复步骤c）和d），随云室自然升温，建议由低温到高温分别做-25℃、-20℃、-15℃、-10℃和大于-10℃这几个温度下的冰核浓度的观测。直至温度升高到完全观测不到冰核。f)再一次观测时应将糖盘中的糖液倒掉，检查并补足冷媒槽和糖盘托盘热容槽中的防冻液。清洁云室内壁并涂上甘油或防冻液。然后重复步骤a）～e），直至当天观测结束。g)每天观测结束后，须关闭电源，套上仪器防护罩。4.2滤膜-静力扩散云室法本部分针对滤膜-静力扩散云室法所包含的大气采样和冰核检测两部分工作规范如下。4.2.1大气采样以附录B.3所示采样器为例，建议按如下操作规程进行采样：a)安装滤膜：采样滤膜使用孔径为0.47μm的聚酯纤维微孔滤膜，滤膜本底要干净（即不含有冰核）。滤膜的安装操作需要在实验室中进行。安装滤膜时，将4张空白滤膜分别装入四个具有多孔衬垫的采样头内（采样头在每次使用前均需用去离子蒸馏水清洗净，然后用洁净的无纺布拭干）。旋紧每个采样头的封口，以防采样时空气侧漏。5DB21/T2484—2015b)样本采集：将取样（抽气）泵放置在距观测点地表约1.5m高的观测平台上，确认汇流盒与取样泵连接好后，方可打开抽气泵的电源，用秒表严格控制并记录抽气时间。每次采样抽气量多少需要根据天气条件和空气质量状况而定，可按照表3的参考值。建议不超过参考值为宜。c)滤膜的收取：采样后，将汇流盒拆下并带到实验室的过程中，尽量保持采样面水平放置。旋开采样头后，应使用干净的镊子小心取下采样滤膜，必须将每2张滤膜的采样面相对放置在标记好的专用收集袋（或收集盒）内，待测。d)做好观测记录：每次采样都要记录下样本采集日期、时间、地点、采样时长和采样器抽气泵流量。并在收集袋（或收集盒）上标记采样编号或日期和时间。表3沈阳地区不同天气条件下推荐采样抽气量一览表（其他地区仅供参考）参照条件总抽气量（L）*冬季和春季灰霾天气时40沙尘天气时20晴天60降水前40降水后夏季和秋季一般晴天降水前40降水后注：针对本规范中所采用的大气滤膜采样器，每张滤膜上的抽气量为表中所列流量的1/4。4.2.2冰核检测前的准备a)开启冷媒制冷压缩机后，使冷媒温度达到5℃左右，方可进行制冷工作。b)制作云室上板冰面时，应在冷柜内操作。首先仔细调解位于云室下板底部四个底座的高度，使云室上下板严格处于水平状态。然后将云室上板凹槽面水平朝上，在凹槽内注40ml去离子纯净水（注意凹槽内的水中不能有气泡）。以上步骤完成后，方可开启冰柜制冷，直至纯净水冻结成平冰面，待用。c)云室下板须用浸有酒精溶液的棉球擦拭清洁，然后盖好已有平冰面的上板，待用。4.2.3冰核检测（扩散云室操作）规程a)扩散云室的制冷：接通冷媒循环泵电源，确认冷媒已经正常循环后，方可进行下一步操作。b)设定云室上板和下板温度：按实验计划，预置云室上板和下板的恒温值，需根据饱和水汽压查算表（附录C.1）确定。c)采样滤膜的微孔填充（“托粒”处理将滤膜慢慢放入用液体石蜡完全浸湿的平面上，让液体石蜡从滤膜的另一面慢慢渗入，直至石蜡完全浸透整个采样滤膜（此时滤膜呈透明状态）。d)再次确认冷媒已经正常循环后，方可打开上板和下板制冷开关。此时面板上显示上、下板的温度逐渐接近预设的恒温值，当自动调节到预设温度值并达到稳定后，方可进行冰核检测。e)冰核活化、显现、读数：将“托粒”处理后的滤膜贴放在云室下板上（勿留气泡），然后盖好云室上板，使上下板严格嵌合。至少等待25分钟（此时云室内冰核被活化并渐渐长大），记录上下板温度后再打开云室上板，对形成的冰晶目测读数。建议用相机拍照，标记好每张图片的观测时间，以便在电脑上进行读数、记录。6DB21/T2484—2015f)将读数记录到专用观测记录本上后，取下滤膜，并用洁净棉球将下板擦拭干净后，更换新的滤膜。重复步骤c）、d）、e），直至所需检测的滤膜全部检测完成。g)每天工作结束后，必须按各种电源开启的反顺序依次关闭相关电源，清理所有工具，以便下次使用。4.2.4注意事项a)滤膜法采样，滤膜的本底是否干净（即不存在冰核）非常关键。需要在使用某一批次的滤膜前进行空白试验。即检测在空白膜上是否含有冰核的步骤做试验分析，选择在下板温度-20℃,上板温度约-17.4℃（此时水面过饱和度≥5%，冰面过饱和度>25%。）的条件下检测是否存在冰核。在确定空白膜很干净后，方可使用该批次滤b)采样头在每次采样前后均需用去离子纯净水（或酒精）清洗并在无尘实验室或干燥箱内晾干（急用时可用洁净的无纺布拭干）。c)所有安放和收取滤膜的操作，均要注意避免污染采样面，必要时可戴一次性塑料手套；同时使用镊子要小心操作，保持滤膜的完整，避免采样滤膜被划/刺破。d)微孔填充处理时，注意切勿让液体石蜡浸过滤膜的采样面。5观测记录与数据整理每次观测完成后，应将冰核观测数据以及观测时段的大气温度、气压、风向、风速等气象要素填写在观测记录表中，并及时录入计算机。本规范建议的观测记录表格格式见附录D.1。大气冰核观测完成后，应及时完成数据的统计整理工作，以便相关业务和科研使用。建议整理计算的统计量见附录D.2。7DB21/T2484—2015（资料性附录） 大气冰核A.1大气冰核冰核是可以引起水蒸汽发生凝华或过冷水滴发生冻结而形成冰晶的固体粒子。在没有外来粒子时纯水滴中冰晶的形成需要很低的温度（-40℃以下）。而存在外来粒子时，可以在较高的温度下形成冰晶，通常称这些粒子为成冰核（IceNucleus，简称IN）。大气中存在的固体气溶胶粒子中的一部分，可以在适宜的温度下成为成冰核。这部分粒子即为大气冰核（AtmosphericIceNuclei）。大气冰核的主要组成成分为土壤、沙粒等尘埃以及一部分矿物质颗粒，其中包括自然燃烧以及城市和工业区人为排放的某些颗粒物以及海洋浮游生物、细菌微生物、树叶腐殖质等。成冰核通过以下四种机制起作用：(1)水汽在IN表面上凝华成冰，即凝华模式（或沉积模式(2)由于吸附，水汽在IN表面上凝结而后冻结成冰，即吸附模式或凝冻模式；(3)IN嵌入过冷水滴内使其转换成一个冰粒子，即冻结模式或浸润模式；(4)过冷水滴同IN碰撞并形成冰粒子，即接触模式。8DB21/T2484—2015（资料性附录）仪器基本结构及工作原理B.15L混合型云室的基本结构图B.1是5L混合云室的结构示意图。仪器主体为一混合型冷云室（由内筒围成，称为核化区），云室底部是过冷糖液盘，糖盘置于盛满阻冻剂并可上下拉提的容器上。冷室外壁（外筒）和内筒间形成一个夹层，夹层中装有防冻液，防冻液中有螺旋状的制冷压缩机的蒸发盘管，用于吸收热量，使云室降温，核化区的温度由中下部的感温元件（分辨率为0.01℃的温度测量仪）测得。升降糖盘实现空气样本的吸入和排出。超声雾化器用水为蒸馏水，它产生的常温雾经过埋设在冷媒中的三根铜管实现，送雾气流中的杂质微粒可通过静电除尘装置进行清除。图B.15L混合云室结构示意图9DB21/T2484—2015B.2静力扩散云室主体结构及其工作原理B.2.1静力扩散云室主体结构静力扩散云室系统主要由云室主体（安置在一个大冰柜内）、制冷系统和控温与测温系统三部分构成。图B.2是一种静力扩散云室的主体结构示意图。静力扩散云室主体由两块平行放置的、温度可控的金属板及边框构成。云室上板浅槽中用去离子水冻结成平面为冰晶活化和生长的水汽源，将采集了大气气溶胶的滤膜放置在表面为镀铬圆铜板的下板上，云室主体由两块平行放置的、温度可控的金属板及边框构成。云室上下板均为140×140×5mm的镀铬的黄铜板。上板内表面为116×116×3mm的浅槽，在浅槽中用去离子水冻结成平面作为冰晶活化和生长的水汽源。下板上表面放置四片直径47mm、厚2mm的镀铬圆铜板。云室内部高度为8mm。图B.2静力扩散云室主体结构示意图B.2.2静力扩散云室工作原理滤膜通过石蜡油浸泡后置于云室下板上，因此云室下板温度即为滤膜温度。在冰晶活化和生长时，云室上部靠近冰面的表层为相对冰面过饱和，并且上板冰面温度高于下板。当水汽扩散达到平衡时，滤膜处于这样一个定温、定湿的环境中，上板冰面的水分子向下扩散，被捕获的气溶胶活化并且逐渐长大成为可见的冰晶并读数，经过计算，可得冰核浓度。通过改变上下板的温差进行系列测定，即可以得到冰核相应的温度谱和湿度谱。DB21/T2484—2015B.3大气滤膜采样器的基本结构大气采样使用的仪器是大气滤膜采样器，主要由采样头和采样（抽气）泵组成，采样泵内附计时系统和空气流量计，能够显示样本采集时间和瞬时流量。目前国内外常用的大气滤膜采样器有分级粒子采样器（如安德森9级气溶胶粒子采样器、PM10采样和PM2.5采样器等）和无级气溶胶粒子采样器（如TSP采样器等）。本规范中大气滤膜采样均以图B.3所示的采样器为例。图B.3大气滤膜采样器示意图DB21/T2484—2015（资料性附录）有关湿度参量的查算与计算公式C.1饱和水汽压查算表表C.1和表C.2分别是根据《地面气象观测规范》中湿度参量的计算公式得到的纯水面饱和水汽压与纯冰面饱和水汽压。表C.1纯水面饱和水汽压查算表单位：hPa温度℃0-250.80680.79950.79240.78520.77820.77120.76420.75730.75050.7437-240.88260.87470.86690.85920.85150.84390.83640.82890.82150.8141-230.96470.95620.94770.93930.9310.92280.91460.90650.89850.8905-220.99940.99060.98190.9732-21-20-19-18-17-16-15-142.07512.05822.04142.02472.0082-132.25122.2332.21492.1972.17922.16152.1442.12662.10932.0921-122.44052.42092.40152.38222.36312.34412.32522.30652.28792.2695-112.64382.82282.6022.58132.56072.54032.52012.49992.482.4601-102.86222.83972.81732.79512.7732.75112.72932.70772.68632.6653.09653.07243.04843.02453.00082.97732.9542.93082.90782.88493.34783.32193.29623.27063.24523.223.1953.17013.14543.12093.61713.58933.56183.53443.50723.48023.45333.42673.40023.37393.90553.87583.84633.81693.78783.75893.73013.70163.67323.64514.21424.18244.15084.11944.08824.05734.02653.9953.96563.93554.54444.51044.47664.4434.40974.37654.34364.31094.27854.2462DB21/T2484—2015表C.2纯冰面饱和水汽压查算表单位：hPa温度℃0-270.51690.51190.50690.50190.49690.49190.48680.48180.47680.4718-260.57190.56640.56090.55540.54990.54440.53890.53340.52790.5224-250.63220.62590.61970.61350.60740.60130.59530.58940.58350.5776-240.69830.69140.68460.67790.67120.66450.65790.65140.64490.6385-230.77080.76320.75580.74830.7410.73370.72650.71940.71230.7053-220.85010.84180.83360.82550.81750.80950.80160.79380.78610.7784-210.93680.92770.91880.90990.90120.89240.88380.87530.86680.8584-200.99260.98310.97370.96430.95510.9459-19-18-17-16-15-14-13-122.17122.15172.13232.11322.09412.07532.05662.0382.01962.00142.37522.3542.3332.31222.29162.27122.25032.23062.21062.1908-102.59662.57372.55092.52832.50592.48372.46162.43972.4182.3965C.2云室中过饱和度的计算云室中过饱和度是根据云室上下板的温度计算得到的。下板温度是冰核活化温度，上板和下板温度之差决定了气溶胶活化的水汽条件。若上板和下板温度分别为T1和T2，且T1>T2。在理想状态下，若下板没有水汽汇，则下板表面的冰面过饱和度为-i(T)-Ei(T2)]/Ei(T2)}×100%.......................(C.1)下板表面的水面过饱和度为-)-Ew(T2)]/Ew(T2)}×100%....................(C.2)Si为冰面过饱和度，Sw为水面过饱和度，Ei（T1）为上板在温度为T1时冰面过饱和Ew（T2）为下板在温度为T2时的冰面和水面饱和水汽压。DB21/T2484—2015（资料性附录）观测记录表与数据处理D.1观测记录表格格式表D.1混合云室法观测记录表观测日期地点经纬度高度云室有效体积（升）采样记录同期气象资料观测时间目测冰晶个数要素08时风向风速气温湿度气压降水量天气现象周边环境备注观测人员DB21/T2484—2015表D.2大气滤膜采样观测记录表观测日期地点经纬度高度采样记录同期气象资料样本组编号观测时间采集时间（min）采