冰核在冷云的发生发展和演变过程中起着重要的作用, 很大程度上影响着云的微物理属性。由于冰面饱和水汽压小于液面饱和水汽压, 因此冰核活化形成的冰晶通过凝华增长使云滴不断蒸发消亡（即“ 贝吉龙” 过程^[31]）, 从而使云滴数浓度显著降低^[32]。冰核除影响云滴数浓度外, 还能影响云滴和雨滴的平均尺度。在温度相对较高的过冷区, 冰核活化形成的冰晶“ 争食” 云中的水汽, 减缓或抑制了云滴的增长^[33]。然而, 理想条件下, 冰核有也能够导致一部分云滴平均尺度增大。Rosinski^[34]从理论和观测研究中指出, 气流上升过程中首先形成云滴粒子; 随着气团的不断上升温度逐渐降低至-12 ℃左右时, 冰核开始活化形成冰晶, 初始形成的冰晶通过凝华增长使一部分云滴蒸发消亡; 当冰晶增长到一定尺度后沉降脱离云体之后, 剩下的云滴通过凝结和碰并增长形成尺度较大的云滴粒子。需要指出的是, 这种粒子的演变过程往往发生在云中水汽丰富, 且冰核浓度较低的理想环境。对于水物质有限的云中, 水物质未能够满足冰晶增长到一定尺度形成降水粒子脱离云体, 大量尺度较小的冰晶粒子滞留在云中, 大大地延长了云的生命史^[35]。此外, 冰核能够使云底高度升高, 导致云中冰水混合层增厚, 从而改变了云水和云冰比例的垂直分布^{[4, 11, 32]}。

冰核浓度的变化对云的宏观属性（垂直结构、云量、云顶高）有着重要的影响。数值模拟研究^[32]表明, 冰核浓度的增加, 冰核活化形成大量冰晶, 使潜热提早释放, 从而促进云的发展, 云顶升高, 云顶卷云毡面积扩大。大量冰核存在时, 冰核异质核化和云滴同质核化相互竞争水汽, 导致同质核化层的高度显著抬升^[4], 从而削弱或抑制了云滴的同质核化过程, 显著地降低了同质核化效率^[36]。然而, Gong等^[11]却指出, 当中高层过冷区有大量冰核活化及冰晶增长消耗了大量的水汽, 截断或削弱了水汽的向上输送, 抑制了高层云的形成, 从而降低了云顶高度。归结而言, 冰核浓度变化通常能够引起云顶高度的升高, 形成了较厚的冰水混合相云层, 改变了云的微物理属性和辐射等特征, 从而引起云对天气气候效应的改变。此外, 云顶高度的增加, 有利于对流层大气中的水汽进入到平流层, 促进了对流层和平流层物质和能量的交换^[37]。

冰核的作用是促使水凝物粒子群冻结相变。等量水冻结释放的潜热比凝结释放的约多13%, 且冻结通常发生在凝结之后, 是在凝结潜热释放的基础上进一步加热。因此, 冰核参与的云微物理过程与环境场的相互作用常常引起对流系统的强度和结构变化。Ekman等^[10]指出增加冰核浓度对对流系统的发展有着本质的影响。在对流降水发展阶段, 冰核活化使潜热在较低云层提前释放, 增加了对流系统中层不稳定能量, 加强了对流系统的上升运动^{[11, 21]}。Harrington等^[38]研究指出, 在降水发展阶段, 冰核浓度的增加, 促进了“ 贝吉龙” 过程的增强, 降水通量增大, 但强降水发生之后, 强降水形成的拖曳作用和雨水的冲刷作用减弱了对流系统的强度。许多观测研究^{[23, 39, 40]}发现在强天气过程中, 近地面层冰核浓度存在显著升高; 强上升气流将低层高浓度冰核输送到对流系统高层, 从而对后续对流的发生发展有着重要的影响^[41]。即使是热带气旋这种强大的独立对流系统, 其强度和结构对冰核浓度的变化也非常敏感^[12]。然而, 一些研究（如Fan等^[42], 何宏让等^[43]）指出增加冰核导致冰晶数浓度和比质量显著增加, 但对对流系统的强度影响不明显。

卷云影响着地气系统的能量平衡, 在天气和气候的演变中起着重要的作用。观测^[44]发现, 卷云中存在高相对湿度和低冰晶浓度的现象。形成这种现象的可能原因是高层卷云中冰核活化产生大量的冰晶粒子, 导致大气中饱和度难以满足同质核化的条件, 因而抑制了同质核化的发生^[45]。Kä rcher等^[46]指出, 即使只有很低浓度的冰核, 也能够减弱或阻止同质核化过程的发生, 进而显著地降低冰晶浓度。其次, 冰核在较暖的过冷区活化, 以及冰晶增长消耗了大量的水汽, 截断或削弱了水汽的向上输入, 抑制了高层冰晶的形成^[11]。再者, 冰核活化形成的冰晶对卷云中冰晶数浓度的贡献较小, 但对云中冰晶粒子平均尺度的贡献较大^[30]。冰核异质核化过程形成的冰晶粒子尺度远大于云滴同质核化形成的冰晶^{[47, 48]}。对于水汽, 由于异质核化形成的冰晶粒子通过凝华快速增长形成冰晶或降水粒子, 导致云中水汽含量的大大降低^[47]。除影响冰晶浓度和水汽含量外, 冰核活化形成大量的冰晶滞留在云中, 显著地影响卷云的发生频率和云的生命史^{[35, 49]}。归结而言, 冰核不仅影响卷云中的云滴和冰晶的浓度, 还影响卷云中冰晶平均尺度、水汽含量、云生命史等。从地理分布来看, 冰核异质核化对中纬度地区卷云微物理属性和辐射特征的影响更为显著, 而热带地区卷云微物理属性和辐射特征主要取决于已经存在的冰晶浓度属性^[50]。

冰核能够通过直接和间接两种方式影响辐射通量, 从而影响地气系统和外太空能量的交换和平衡。一方面, 冰核本身的吸收和散射作用削弱了太阳的短波辐射。另一方面, 冰核活化形成的冰晶本身及与冰晶相关的云微物理过程, 改变了云的宏微观特征, 从而影响云的辐射效应。Li等^[32]模拟研究指出, 冰核浓度增加, 冰晶粒子体积减小, 云毡面积扩大, 直接或间接地导致了云辐射冷却作用的增强。许多研究也指出, 冰核通过影响云的物理属性（云水含量、云冰含量、光学属性等）和辐射特征^{[6, 42, 51, 52]}, 间接地引起近地面层温度的变化^{[8, 9]}。Zeng等^[6]对比大气中加倍冰核与加倍CO₂浓度对辐射影响发现, 冰核浓度加倍引起的全球增温效应更加显著, 并指出冰核是影响全球变暖的重要因子之一。

Li等^[53]统计分析了冷云云顶温度为-30~-15 ℃的反照率与和气溶胶光学厚度的相关关系, 指出冰核对冷云的反照率有一定的影响。沈新勇等^[54]指出, 冰核浓度增大时, 高空冰云中小冰晶粒子数目增多且云顶升高, 使得大气顶部向外长波辐射(OLR)值减小。Zeng等^[6]指出, 冰核浓度的增加引起了大气顶层冰晶浓度增大, 导致向下的红外辐射增强。Demott等^[55]指出, 冰核浓度每增加10倍, 地球系统内的太阳净辐射增加约1 W/m²。对于冰核浓度增加, 地气系统增加的净辐射量与地理位置密切相关。Zeng等^[6]指出, 在不同的纬度, 冰核浓度加2倍所引起的大气顶净辐射通量不同, 即在低纬度地区不明显, 在高纬度非常显著。可以看出, 冰核能够改变长短波的辐射属性, 是影响全球气候变化的一个重要因子, 在研究云和降水对全球变化的影响中需要充分考虑冰核的直接和间接作用。

在冷云中, 冰核活化初始形成的冰晶之间相互聚合以及冰晶与霰（雹）的碰撞是产生电荷的主要方式之一。观测^[56]发现, 雷雨云内的电荷中心常常出现在温度低于0 ℃的过冷环境; 冰核活化过程与雷暴的结构和闪电发生次数密切联系^[57]。Sherwood等^[58]研究指出, 积雨云中雷电活动与云顶小冰晶的有效半径密切相关; 在陆地区域冰晶平均尺度在23~25 μ m时, 最有利于雷电的发生^[59]。冰核浓度的增加, 在短时间内快速活化形成大量冰晶, 通过凝华、聚合等过程增长到一定尺度后, 冰相粒子之间的聚合为雷电的发生提供了有利的条件, 促进了雷电的发生。此外, Deierling等^[60]指出, 雷电的发生概率与向上输送冰晶的通量成正比关系; 冰核浓度的增加, 冰核在过冷区活化并快速增长, 使冰晶在垂直方向上的通量增大, 也是促进雷电发生的又一因素。需要指出的是, 当大气中水汽和云水含量一定时, 过度的增加冰核浓度反而抑制了雷电的发生, 其原因是有限的水资源不能满足冰晶粒子的增长, 从而难以达到有利于雷电形成的冰晶平均尺度。

图1所示的是冰核浓度变化对云的宏微观特征、辐射通量、对流系统强度和结构等方面带来的影响。这里需要指出的是, 冰核浓度增加是指冰核浓度由少（或无）到多的过程引起云物理属性的变化。当冰核浓度增加到一定程度后, 冰核浓度的继续增加引起的变化可能不够明显。总体而言, 冰核浓度的增加, 冰核活化形成大量的冰晶, 冰晶浓度增加, 但冰晶平均尺度减小。冰核活化形成的初始冰晶通过“ 贝吉龙” 过程快速增长, 使云滴数浓度降低, 云水含量减少。冰核浓度的增加, 冰核活化使潜热提早释放, 从而促进云的发展, 云顶升高, 云顶卷云毡面积扩大。在大量冰核存在的条件下, 异质核化和云滴同质核化的竞争作用, 导致同质核化层的高度显著抬升, 同质核化效率降低。大量冰核活化形成尺度较小的冰晶滞留在卷云中, 大大增加了高云（卷云）云量, 且延长了云的生命史。对云的宏观属性而言, 冰核浓度的增加使云顶高度升高, 从而形成较厚的冰水混合层, 改变了云冰和云水比例的垂直分布, 从而改变了云的光学属性。冰核对对流系统强度和强度的影响与对流系统本身有关。通常情况下, 冰核浓度的增加促进发展阶段的对流系统增强, 而对成熟期的对流系统, 冰核浓度的增加则减弱对流系统强度。冰核浓度的增加, 使到达地气系统的净辐射增加。此外, 冰核浓度的变化能够引起雷电活动频次和强度的改变。总体而言, 冰核浓度变化能够引起云的微物理特征（云水含量、云冰含量、光学属性等）、辐射通量、雷电生消等微观场的变化, 甚至能引起云的生命史、近地面层的温度、对流系统强度和结构等宏观场的改变。

冷云中强降水的激发主要由冰相过程完成。当温度在-40~0 ℃时, 冰核是形成冰晶的必要“ 核心” , 因此强降水的发生发展往往与冰核密切相关。因此, 在过去的几十年里, 围绕着冰核对降水的影响机制机理开展了大量的观测和数值模拟研究。Bigg^[61]曾猜想高浓度冰核导致降水频次降低, 但降水强度增强。一些观测结果^[62]一定程度上支持了Bigg的猜想。然而, 关于冰核浓度对降水强度和降水量影响的研究结论却不尽相同。

图1

Fig. 1

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	图1 冰核对云的属性和大气活动影响箭头向上表示增加（强）, 箭头向下表示减少（弱）Fig. 1 A flowchart showing the effects of ice nuclei on cloud microphysical propertiesThe upward arrows represent the promotion for cloud microphysical processes with the increasing of ice nuclei concentration, while the downward arrows show opposite effects

Harrington等^[38]、Lohmann等^[63]、 Muhlbauer等^[64]、Avramov等^[65]和Fan等^[66]研究表明, 冰核浓度的增加, 促进了“ 贝吉龙” 过程的增强, 冰相粒子的快速增长使水汽和云水快速向降水大粒子（雪晶、霰和雹）转化, 从而增强了降水。相反, Gong等^[11]、Lebo等^[67]、Teller等^[68]和Van denHeever等^[69]研究却指出冰核浓度的增加, 导致了降水量的减少, 甚至抑制降水的发生。引起降水减少的主要原因是冰核活化形成大量的冰晶, 有限的水汽难以满足冰晶增长形成降水粒子的需求, 从而减缓或抑制了降水的形成。另外的一种原因是冰核活化释放大量的潜热, 促进了对流活动的增强, 高层辐散气流带走大量的小冰晶和水汽, 从而抑制了降水的形成^[21]。其他一些研究^{[2, 8, 70]}表明冰核浓度的变化对降水几乎没有影响。这些研究^[9]认为, 将大气宏观运动与云微物理过程作为一个系统, 云体（系）作为该系统的“ 缓冲” 区, 动力作用“ 抵消” 了冰核浓度变化及相关微物理过程带来的影响, 因而冰核浓度的变化对降水的影响不明显。国内针对冰核对降水的研究得到了同样的结果。郭世昌等^[18]、房文等^[19]、汪学林等^[71]和赵震等^[72]研究指出冰核浓度增加促进了降水的增加。然而, 何宏让等^[43]、Li等^[53]、李兴宇等^[73]、陈丽等^[74]等研究表明增加冰核浓度后导致了降水的减少。肖辉等^[75]模拟研究指出, 冰核浓度的增加影响地面降水量的增减与云中高温冰核和低温冰核的浓度有关; 当云中高温冰核浓度较高, 低温冰核浓度较低时, 增加冰核能够促进降水的增加, 相反则不利于降水的增加。何观芳等^[76]认为冰核的增加对降水没有显著的影响。

大量研究表明, 冰核浓度的增加, 引起降水量的变化不确定, 即：降水量增加、减少或者变化不显著的情况都可能存在（图2）。从冰核对降水的影响机制来看, 随着冰核浓度的增加, 冰晶数量增多, “ 贝吉龙” 过程增强, 大量冰晶在短时间内快速增长形成降水粒子, 从而增强降水。相反, 随着冰核浓度的增加, 同质核化和异质核化相互竞争水汽和云水, 两者的增长均受到了抑制, 难以增长成为较大的降水粒子, 从而减弱了降水, 甚至抑制降水的形成。若大气宏观运动“ 抵消” 了冰核浓度变化及相关微物理过程带来的影响, 那么冰核浓度的变化对降水的影响不明显。

归纳可以发现, 冰核对降水的影响具有多面性, 这可能与冰核本身的特性、云体的属性、地理空间分布、大气宏观场（相对湿度、垂直运动等）等因素有关。在水资源（水汽、云水等）条件充沛时, 增加冰核能够促进降水的发生发展, 从而增加地面降水量。然而, 当云中水资源一定时, 大量的增加冰核很可能导致“ 过度撒播” 现象的出现, 反而减弱或抑制了云和降水的形成。总之, 冰核在降水过程中的具体作用仍然不够明确, 存在着较大的“ 盲区” , 还有待进一步深入研究。需要指出的是这些研究都是针对冰核对强降水过程的研究, 而冰核对中雨和小雨等弱降水过程的研究较少。因此, 针对冰核对降水影响机制还需结合天气条件、冰核属性等因素进行细致研究。

Phillips等^[85]研究指出, 当冰核浓度增加10倍, 地面降水率增强32%, 冰核减少为原来的0.1倍和0.01倍, 地面降水率分别减弱24%和66%。其原因是随着冰核浓度的增加（减少）, 大量的水汽和云水分别通过“ 贝吉龙” 过程和淞附过程形成降水大粒子, 从而增强（减弱）了降水率。此外, 冰核参与的异质核化过程形成的冰晶粒子尺度远大于同质核化形成的冰晶, 前者形成的大尺度冰晶粒子能够在较短时间内通过凝华、碰并等过程增长形成降水大粒子, 大大地提高了冰晶碰并增长的捕捉率, 从而增强了降水率^[47]。然而, 一些研究^{[5, 68]}却指出, 随着冰核浓度的增加, 大量的冰晶难以增长成为雪晶和霰胚等大降水粒子, 进而影响这些降水粒子的增长降落, 从而降低了降水强度。此外, 小冰晶的下落末速度也较小, 其下落过程中的碰撞效率和通量减小也是导致降水强度减弱的一个原因。可以发现, 冰核浓度对降水强度的影响具有两面性, 这可能与冰核属性、大尺度环境条件有关。因此, 针对冰核对降水强度的影响有待进一步深入检验和评估。

图2

Fig. 2

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图2 增加冰核浓度对降水量的影响斜线上方绿色区域表示随着冰核浓度的增加, 降水量减少; 斜线下方橙色区域表示随着冰核浓度的增加, 降水量增加; 斜线之间蓝色区域表示冰核浓度变化对降水的影响不显著Fig. 2 A flowchart showing the effects of increasing ice nuclei concentration on precipitationThe light green zone above the top thick black oblique line represents that an increasing ice nuclei concentration leads to a decreasing in amount of precipitation, while an increasing ice nuclei concentration promoting precipitation are marked in the yellow color zone, and an increasing ice nuclei concentration having little influence on precipitation are located between the two black oblique lines