城市近地面层气溶胶浓度起伏特征及通量测量的实验研究

发布时间：2020-09-29 14:51

　　近年来,涡动相关法已被广泛应用于气溶胶的通量测量中。然而由于气溶胶粒子的特性,实际的测量中还存在许多问题。本文利用TSI3788水基气溶胶粒子计数器和超声风速仪在中国科学技术大学校园内的铁塔上完成了对气溶胶数浓度通量的测量,并分析了影响气溶胶通量测量的因素:湍流特征、气溶胶浓度随气象场的变化和气溶胶的湍流特征。本文利用超声风速仪测得的三维风速对湍流各向同性特征进行了分析,得到了最大各向同性尺度的统计特征。结合气溶胶浓度数据和气象数据,得到了测量地点的气象要素对气溶胶浓度的影响。通过对高频气溶胶数浓度数据的分析,得到了气溶胶粒子和标量气体之间的相同和不同之处。本文主要的研究内容如下:根据速度相关张量矩阵最小特征值定义湍流张量各向异性系数(用C表示,C=3d3+1,d3为张量最小特征值)。该系数接近1时,湍流表现为各向同性,该系数小于1时,湍流表现为各向异性。本文使用超声风速仪测得的三维风速数据分析了城市边界层中大气湍流的各向异性特征,使用谱分析的方法获得三个不同方向湍流谱密度,从而计算得到不同尺度湍涡的张量各向异性系数。张量各向异性系数与大气稳定度z/LMO有较强的依赖关系,在z/LMO0,即大气不稳定时,同一空间尺度上的湍流相对于大气稳定时更趋近于各向同性。根据三个方向功率谱的特征确定湍流各向同性的最大尺度。当湍涡大于各向同性最大尺度时,则不具有三维各向同性,但是在水平方向上还是具有各向同性特征。将湍流各向同性最大尺度与温度起伏外尺度进行了比较。根据理论模型拟合温度起伏起伏谱得到湍流温度起伏外尺度,结果表明温度外尺度大于各向同性的最大尺度。结合气溶胶粒子浓度、粒度分布和气温、相对湿度、风速、风向和短波辐射等气象数据,本文给出了2017年春季不同气象条件下粗模态(d2.5μm,d为粒径),积累模态(0.25μmd2.5μm)和超细粒子(爱根核和核化模态,d0.25μm)的浓度变化。太阳短波辐射减少(上升),约10-20分钟后,超细粒子浓度下降(上升)。超细粒子浓度的爆发增长同时受到辐射和相对湿度的影响。在湿度低于50%,短波总辐射大于500W/m2的条件下会发生小粒子生成事件,而其他条件下,不易发生小粒子生成事件。由于城市污染源的不均匀性,粒子浓度高度依赖于风速和风向。当风向为南时,超细粒子浓度较高,而当风向为北时,积累模态粒子浓度较高。在强降水和弱降水期间,积累模态粒子的浓度变化不同。强降水期间,由于湿沉降和吸湿生长的共同作用,积累模态颗粒的浓度先随着相对湿度的增加而增加,之后由于湿沉降作用减少。在弱降水期间,其浓度仅随相对湿度的增加而增加。对于粗粒子,其浓度在所有降水中均有下降。进一步通过对10Hz的气溶胶数浓度数据进行处理得到了归一化标准差和功率谱的分布特征。气溶胶粒子数浓度的归一化标准差在白天较大而夜晚较小,晴天的气溶胶浓度归一化标准差和阴天相差不大。通过不同高度的数据对比发现,楼顶的归一化标准差较草坪的值大。气溶胶粒子浓度功率谱存在一定的噪声信号,这由进气管道、仪器和观测平台。随着方差的增加,噪声点出现的频率增加,噪声信号的占比下降。其惯性子区频率较低的部分基本满足-5/3定律,随着频率的增加,其斜率逐渐偏离-5/3,这主要有进气管中的层流造成。在不稳定层结下,测量点的三维风速以及温度和水汽的归一化方差随稳定度参数z/L的变化与前人所得的经验公式相近,而气溶胶粒子数浓度的归一化标准差基本不随稳定度变化。在2019年1月19日至27日使用涡动相关法对气溶胶粒子数浓度通量进行了观测。由于下垫面为典型的城市下垫面,对气溶胶的通量计算中的三维风速本文采用平面拟合法进行坐标轴旋转。通过对一年的CO2通量数据进行分析得到,三次旋转法和平面拟合法得到的C02通量相差9%。通过长期的CO2通量数据的分析和对互谱不同频率的积分,确定了通量测量平均时间为30分钟。同时利用最大延时协方差确定气溶胶粒子计数器和超声风速仪的延迟时间,从而得到了较为准确的通量数据。通量测量的结果表明,观测期间通量为正,且有明显的日变化特征,在白天较大而在夜间较小。印痕分析表明,观测点的气溶胶通量主要由数十米至数百米贡献。通过假定各粒径的粒子均匀分布,得到了PM10的垂直通量,并分析得到测量期间不同天气背景下气溶胶通量的变化规律。在重污染过程中,气溶胶通量减少导致PM10增加。连续的晴天中,PM10通量呈现出明显的日变化特征。降温过程中PM10及其通量显著下降。涡动相关法和大孔径闪烁仪的测量结果表明,二者得到的PM10通量的变化规律一致,但具体数值上略有差异,这可能由通量源区的不同造成。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P425.2;X831
【部分图文】：

风矢量,平均流,倾角,灰色曲线

逦（２．１）逡逑其中《是风矢量的倾角，平均流线平面和水平面的夹角，０是水平风向方逡逑位角．通过拟合方程（２．１），可以得到图２．２中的白线．如图２．２所示，平均流线平逡逑面的倾角小于２°，平均流线平面可以被看作一个自东向西倾斜的平面。由于超声逡逑风速仪的安装误差小于0．１°，由测量仪器带来的影响可以忽略不计，这个倾斜面主逡逑要受到校园中的建筑分布影响（Ｗｉｌｃｚａｋ，邋Ｏｎｃｌｅｙ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００１）。由水平风速归一化的逡逑平均垂直速度可以表示为风方位角的简单正弦函数，因此，实验地点可以被认为逡逑是均匀平面。逡逑２．邋１．２气象要素的观测逡逑气象塔位于校园中心的一座建筑楼顶，其底端位于冠层平面之上３米。塔顶逡逑安装了一个ＣＳＡＴ３超声风速仪，采样频率为１０Ｈｚ．本文使用该超声风速仪测量逡逑的三维速度数据分析湍流的各向异性特征。气象塔上还安装了三层ＲＭ邋Ｙｏｕｎｇ逡逑０３００２风速计、和ＨＭＰ１５５Ａ温度湿度传感器（位于冠层平面上１３ｍ，８ｍ和５ｍ），逡逑以得到风速

功率谱,功率谱,拟合,速度数据

式２．３８被广泛使用。不同的模型得到的结果是相似的（Ｍａｉｒｅ，邋Ｚｉａｄｅｔａｌ．邋２００８）．公逡逑式２．３８被用于拟合真实的谱从而得到湍流参数如“和平均湍流动能耗散率。逡逑图２．３是拟合２０１３年１０月４日当地时间１时的速度数据和温度数据的原始谱的逡逑示例。拟合得到的谱和真实谱符合得相当一致。对于速度数据（图２．３ａ），原始谱逡逑低频区间的三个数据点在９５％的拟合置信区间之外，高频区间的拟合谱和方程逡逑000邋＝邋？１，＆－５／３相近０＜＾１１＾１，１２１１１１１＾＆１．１９７２），其中0｛丨是普适的常数，其值接近逡逑０．５，邋ｅ是单位质量的平均湍流耗散率．此外，图２．３ａ可以得到满足－５／３定律的最小逡逑波数，Ｂ卩对于温度数据（图２．３ｂ），可以得到方程（２．３８）中的参数逡逑Ｚ／0为６８邋ｍ．逡逑近地面层的结构和湍流特性强烈依赖于大气稳定度（Ｓｔｕｌｌ邋１９８８），由无量纲参逡逑数￥＝邋（ｚ－＾）／Ｚａ／0表示，其中ｚ是测量高度，＾为零平面位移高度，Ｚｍｏ是奥布霍长逡逑度

短波辐射,风速风向,向下,湿度

３．邋１平均气象场的特征逡逑实验地点位于安徽省合肥市中国科学技术大学校园内，位于北纬３１．５１度，东逡逑经１１７．１５度，海拔约为３０米，地处东亚季风区。图３．１给除了邋２０１８年全年的风速风逡逑向、温度、向下短波辐射和湿度的日均值。从图中可以看出，观测地点的风向主逡逑要为东北至东南和西北偏北，风速几乎均在５ｍ／ｓ以下。全年日均温度最低为－３摄逡逑氏度，最高日均温度为３３摄氏度，呈典型的夏季高冬季低。最大日均向下短波辐逡逑射３３１．２４Ｗ／ｍ２，全年平均向下短波辐射为１４７．２９Ｗ／ｍ２。全年共有晴天１５４天。相逡逑对湿度夏季较高，冬季较低，全年绝大部分时间在４０％以上。全年发生降水１２０逡逑天，最大单日累积降水量为１４１ｍｍ。逡逑丨逡逑ｓｗ逦．邋ＳＬ逦－４邋－逡逑逦邋：逦）明逦Ｍ？ｒ邋Ａｐｒ邋Ｍａｙ邋Ｉｎｎ邋）ｕｉ邋＼ｕｆ邋Ｓｅｐ邋Ｏｃｔ邋Ｎｅｗ邋Ｄｅｅ邋Ｉａｎ逡逑Ｓ

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