黄山地区大气气溶胶化学组分及其对云微物理特征的影响研究

摘要

气溶胶粒子的尺度分布、化学组分和混合状态都会对云微物理特征产生影响。本文以黄山地区为例,首先分析了于2011年6-7月在黄山顶取得的气溶胶的离子成分及可能来源,然后利用多化学组分气溶胶绝热气块分档云模式,结合云微物理参数观测资料,模拟分析了气溶胶粒子的吸湿增长特性以及对云凝结核和云微物理特征的影响。
　　黄山观测期间温度较高、风速较小,且没有有效降水情况下,气溶胶质量浓度将迅速增加。气溶胶中水溶性成分占总气溶胶质量浓度的34.2％,含量最高的阴离子是SO42-(12.3μg/m3)、NO3-(2.9μg/m3),阳离子为Ca2+(2.1μg/m3)、NH4+(1.8μg/m3),有机酸占了11.37％。从后向轨迹分析结果看,气溶胶化学成分主要受北方大陆(35％)、局地污染(47％)及西南大陆气团(18％)影响。其中局地污染气团造成气溶胶可溶性组分的质量浓度最大(21μg/m3),这与低压系统控制及地面风速较低等气象因素有密切关系。在实际观测资料基础上,模式中采用的初始谱即同期WPS测得气溶胶谱。模拟分析不同气团影响下黄山实际气溶胶吸湿特性,发现海洋混合型气溶胶具有吸湿因子最高,Gf为1.98(相对湿度90％),城市型气溶胶吸湿性次之(Gf为1.95),含沙尘等不可溶性物质较多的气溶胶吸湿性最差(Gf为1.91)。
　　气溶胶组分对云凝结核模拟值和观测值的差异受天气状况影响较大。较低的过饱和度下,模拟值高于晴天和雨天观测CCN值,低于雾天CCN观测值;而过饱和度大于0.6％时,实际多组分气溶胶模拟CCN值约为晴天观测值3倍左右,和雾天观测值类似。在气溶胶谱一定时,不同天气形势影响下,气溶胶的化学组分随尺度分布不同,对气块的最大过饱和度和气溶胶临界过饱和度产生不同的影响,进而活化出不同云滴数浓度和云滴谱。多组分气溶胶模拟的云滴数目和实际观测的量级均处于102个/cm3。气块上升速度低于0.7m/s时,含有较多不可溶物质的气溶胶对云滴数浓度的影响较大;上升速度大于0.7m/s时,气块中可凝结水增多,海盐NaCl对云滴数浓度增加的效果更显著。同一上升速度下实际多组分气溶胶模拟云滴数较纯硫酸铵多,主要体现在云滴谱第一个峰值3.0μm之前;造成云滴谱较窄,其中北方气团方案对于云滴最大粒径仅为9.92μm,变窄的程度最显著,同时纯硫酸铵气溶胶模拟云滴最大粒径为10.31μm。模拟的云滴谱与雾滴谱的观测值相比发现,液滴处于4-5μm粒径段模拟的云滴数和观测值处于一个数量级范围。

目录

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 气溶胶粒子的吸湿增长特性

1.2.2 气溶胶粒子化学组分对CCN谱的影响

1.2.3 气溶胶粒子化学组分对云微物理特征的影响

1.3 本文研究内容

第二章 观测资料和研究方法介绍

2.1 观测地点及仪器介绍

2.2 气溶胶样品采集及分析

2.3 轨迹计算模式

第三章 黄山气溶胶离子成分分析

3.1 气溶胶质量浓度的时间变化及谱分布特征

3.2 气溶胶中可溶性组分浓度水平

3.2.1 主要可溶性离子季节变化

3.2.2 主要水溶性离子之间的相关性分析

3.2.3 与其他地区浓度水平比较

3.2.4 海洋对气溶胶成分影响估计

3.3 可溶性气溶胶组分来源分析

3.3.1 轨迹聚类分析不同天气形势下气溶胶成分差异

3.3.2 可溶性气溶胶组分质量浓度谱

3.4 本章小结

第四章 模式介绍及初始条件

4.1 绝热气块模式简介

4.2 模式初始化条件

4.2.1 初始干气溶胶谱

4.2.2 初始热力学条件

4.2.3 黄山气溶胶化学组分的尺度分布

4.3 模拟方案设计

第五章 不同组分气溶胶吸湿性的模拟研究

5.1 不同化学组分对GF影响

5.2 不同相对湿度下GF差异

5.3 不同上升速度对GF影响

5.4 本章小结

第六章 多组分气溶胶对云微物理特征影响

6.1 化学组分对CCN谱影响的模拟研究

6.1.1 对气溶胶粒子活化临界过饱和度的影响

6.1.2 不同化学组分对CCN活化谱的影响

6.1.3 与实测CCN谱对比

6.2 不同化学组分对云微物理特征影响的模拟研究

6.2.1 对气块最大过饱和度的影响

6.2.2 对云滴数浓度的影响

6.2.3 对云滴谱的影响

6.2.4 与实测的一次云雾过程个例对比

6.3 不同化学组分对云光学厚度影响的模拟研究

6.4 本章小结

第七章 主要结论及展望

7.1 主要结论

7.2 本文特色

7.3 本文不足及展望

参考文献

作者简介

致谢