火积云的微观结构：冰晶分布与火灾颗粒物的大气光学研究

核化过程与云滴形成

• 火灾释放大量吸湿性颗粒物（如烟灰、有机碳、硫酸盐等）作为云凝结核（CCN）。
• 高温上升气流携带水汽和颗粒物快速抬升，在过饱和环境中爆发性核化，形成高浓度小云滴（通常<20μm）。

冰晶形成的特殊性

• 冰核（INP）来源：火灾烟尘含部分有效冰核（如黑碳、矿物粉尘包裹的碳颗粒），但其冰核活性通常低于矿物粉尘。
• 冰晶生成机制：
  • 异质核化：烟尘颗粒在-15~-25℃触发冰晶形成。
  • 均质核化：在-38℃以下爆发性发生，形成大量细小冰晶。
  • 次生冰过程：冰晶间的碰撞碎裂（Hallett-Mossop机制）可显著增加冰晶浓度。

冰晶分布的关键特征

• 垂直分布：
  • 云底至-10℃层：以过冷水滴为主。
  • -10℃~-40℃层：冰水混合区，冰晶浓度骤增（可达10³~10⁵ L⁻¹）。

  • -40℃层：以冰晶为主，可能形成霰或冰雹。

• 尺寸与形态：
  • 火灾烟尘作为核形成的冰晶更小、数量更多（与矿物尘核相比）。
  • 常见板状、柱状及不规则聚合体，影响光散射特性。

对微物理过程的影响

• 抑制降水：高浓度小云滴竞争水汽，延迟碰并过程；小冰晶增长缓慢，导致降水效率降低。
• 延长云寿命：微物理过程延缓云滴蒸发和沉降，增强云的持久性。
• 促进电活动：冰晶碰撞加剧起电，可能引发“火雷暴”（Pyro-lightning）。

烟尘气溶胶的光学特性

• 成分：黑碳（强吸光）、有机碳（散射为主）、无机盐（如硫酸钾）。
• 光学关键参数：
  • 单次散射反照率（SSA）：烟尘SSA通常<0.9（黑碳占比高时更低），表明强吸收性。
  • 不对称因子（g）：前向散射主导（g>0.6）。
  • 吸收性气溶胶指数（AAI）：卫星可探测强吸收信号。

辐射强迫的复杂性

• 直接效应：烟尘吸收太阳辐射，加热气溶胶层（正辐射强迫）。
• 半直接效应：加热抑制低云发展，但火积云本身通过潜热释放增强对流。
• 间接效应：
  • 云反照率效应：高浓度小云滴增加云反射率（负强迫）。
  • 云寿命效应：云持续时间延长增强冷却。
  • 冰晶效应：小冰晶增多提升云顶反照率，但吸收性烟尘嵌入冰晶可能削弱此效应。

独特的光学现象

• 褐色云顶：烟尘与云滴混合导致云顶呈棕灰色（可见光波段吸收增强）。
• 偏振特性改变：烟尘改变冰晶散射相函数，影响偏振遥感信号。
• 激光雷达观测：
  • 退偏振比（δ）升高：指示不规则冰晶/烟尘-冰晶混合粒子。
  • 色比（CR）异常：揭示小粒子主导的垂直结构。

原位观测

• 机载探测：搭载云粒子成像仪（CPI）、光谱仪等测量冰晶形态与浓度。
• 气溶胶采样：滤膜采集烟尘成分，实验室分析冰核活性（如DRINCZ装置）。

遥感手段

• 主动遥感：云雷达（毫米波/激光雷达）反演冰水含量、粒子相态。
• 被动遥感：
  • 多光谱卫星（MODIS/VIIRS）：识别褐变云顶，反演光学厚度。
  • 高光谱仪（TROPOMI）：探测吸收性气溶胶层。

数值模拟

• 云解析模型（如WRF-Chem、RAMS）耦合气溶胶-云微物理方案（如SBM、P3）。
• 关键挑战：精确描述烟尘的冰核活性及混合态粒子的光学特性。

平流层注入与持久性

• 强上升气流可将烟尘注入平流层（如2019澳大利亚野火），停留数月。
• 平流层烟尘吸收太阳辐射，导致局地增温（影响环流模式）。

区域水循环干扰

• 抑制降水可能延长干旱周期，形成“火-干旱”正反馈。

碳循环反馈

• 黑碳沉降到冰雪表面降低反照率，加速冰川融化（如北极野火事件）。

关键科学问题

• 烟尘中有效冰核的化学标识是什么？
• 混合态粒子（烟尘-冰晶）的光散射模型如何改进？
• 火积云对全球云辐射强迫的净贡献是正是负？

技术发展需求

• 开发在线式冰核谱仪（如SPIN）用于野火现场。
• 提升卫星对云内吸收性组分的探测能力（如NASA PACE任务）。
• 发展气溶胶-冰晶混合光学模型（如T-matrix改进算法）。

火积云是气溶胶-云-辐射相互作用的极端实验室。其微观结构以烟尘驱动的超高云滴/冰晶浓度为核心，导致独特的光学行为和气候效应。未来需通过多尺度观测与高精度模拟，量化火灾颗粒物在云微物理和辐射传输中的角色，为预测野火-气候反馈提供科学基础。

延伸思考：在气候变暖与野火加剧的背景下，火积云可能成为“碳-云-辐射”正反馈的关键环节。理解其微观机制，不仅是大气科学的挑战，更是应对未来极端灾害的迫切需求。