南京雾、霾及其转化特征观测研究

发布时间：2017-05-31 15:03

  本文关键词：南京雾、霾及其转化特征观测研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文利用2013年12月-2014年1月期间南京冬季雾霾天气综合观测获取的气溶胶粒子谱、云凝结核(CCN)谱、激光雷达观测信息等雾霾天气宏微观资料,研究了雾霾过程气溶胶/CCN统计特征以及光学特征；探讨了南京冬季雾霾过程的宏微观结构／气溶胶和云凝结核演变规律,在此基础上研究了热力因子和动力因子对雾／霾及其转化过程的影响,取得了一些创新成果,主要结论如下：气溶胶/CCN的观测研究表明：(1)霾、霾向雾转化和雾阶段峰值直径分别处于1μm、0.3μm和1μm。霾过程积聚模态气溶胶数浓度为348.2-15489.2cm3,核模态气溶胶数浓度最小值为534.4cm-3,最大值为4634.1cm-3；转化过程两个模态的数浓度都有所减小,说明在转化过程中随着RH的升高,两个模态的气溶胶都有大量活化；雾过程的气溶胶变化范围最广达到153.4-152459.8cm-3,这与雾过程的湍流交换加强有关,不均匀的湍流运动加强了气溶胶的起伏吸湿增长；(2)三个阶段中气溶胶谱均为单峰型谱型。随时间的演变中,霾阶段气溶胶谱十分相似,转化阶段和雾阶段由于气溶胶粒子作为雾凝结核,活化、凝结增长,使得气溶胶粒子数浓度减少。同时雾滴增长,对气溶胶粒子的产生吸附、湿清除作用使得这两个阶段气溶胶谱差异明显；(3)CCN拟合谱参数C≥2200cm-3,k1,表明观测点属于污染大陆型CCN数浓度谱。气溶胶光学特征研究表明：(1)霾、雾霾转换及雾过程中后向散射系数σbsc平均值(标准差)分别为0.027±0.44 km-1 sr-1、0.024±0.22 km-1 sr-1和0.021±0.10km-1sr-1;三个过程中消光系数σext平均值(标准差)分别为1.197±10.11km-1、6.299±12.91 km-1和0.994±6.10km-1；对应气溶胶光学厚度(AOD)平均值(标准差)分别为0.37±0.17、0.377±0.20和0.303±1.08,雷达探测为空间探测,不同高度的气溶胶光学特征存在差异,另外雾霾天气本身也存在气溶胶变化大,空间分布不均匀,光学特征波动较大,因此统计值中标准差普遍较大；(2)气溶胶消光系数在1.0km以下随高度分布呈指数递减,三种天气现象中,表现为雾阶段转化阶段霾阶段的特征：(3)气溶胶光学厚度在霾和霾向雾转化阶段呈现早晚大、中午小的特点,这是因为早晚相对湿度高,大气中吸湿性粒子膨胀,中午相对湿度下降,AOD减小。在雾阶段则表现为中午大、早晚小,在11：00前后出现峰值.这主要由于随着太阳对地面的不断加热,大气层结逐渐变得不稳定,气溶胶向上输送导致的。热力因子对雾霾过程影响研究表明：(1)近地面温度露点差越小,即近地面空气饱和程度低；K指数和A指数越大,即对流层底层不稳定,雾霾天气越严重；(2)霾阶段地面温度较高,其次为霾向雾转化阶段,雾阶段地面温度最低,较低的温度有利于水汽凝结,也会导致粒子吸湿活化增长。霾阶段逆温层温差小于4℃,霾向雾转化阶段,逆温强度增加,温差达到6℃,雾阶段逆温强度与转化阶段相当,逆温层厚度增加,边界层稳定,有利于水汽的积累；(3)向下长波辐射在晴天无云情况时数值为220-290 W m-2,霾阶段为270-310 W m-2,雾阶段为280-350 W m-2,转化过程中向下的长波辐射增强,并随着雾的发展其大小逐渐接近于向上长波辐射,这是由于悬浮在低空的干粒子对长波辐射的吸收远比大量水滴弱,但和晴天相比霾气溶胶粒子又会增加向下的长波辐射值。动力因子对雾霾过程影响研究表明：(1)雾霾天气区域内的表面风速可以通过水平输送对雾霾天气产生影响。当雾霾天气区域内的表面风速偏大时,使得雾霾向区域外的输送偏强,不利于雾霾的维持和发展,导致能见度变大。 500hPa与850hPa之间水平风的垂直切变与大气对流层中低层的垂直混合密切相关,水平风垂直切变偏大时,雾霾天气区域上空对流层中低层的垂直混合偏强,有利于雾霾的扩散,减弱雾霾在近地面层的聚集,导致能见度变大。(2)弱的偏北风使得气溶胶粒子和其前体物在观测点附近积聚,局地排放加上来自偏西方向区域传输的颗粒物是霾向雾转化过程中的主要颗粒物来源。风场的变化带来不同方向的水汽输送,是风影响雾霾天气的另一种形式。(3)湍流运动在雾霾发展过程中存在阈值效应,气溶胶平均半径(rm)和活化率随湍流强度(Iu和Iw)的变化呈现先增后减的趋势。小于阂值的湍流运动强度在适合的水汽条件下促使霾向雾转化,而湍流运动强度过大,超过阈值则导致大气层结不稳定,使霾粒子缺少向雾转化的条件。
【关键词】：雾霾及其转化 活化率 气溶胶光学特征 边界层结构 热力因子 动力因子
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X51;P426.4
【目录】：

• 摘要7-10
• ABSTRACT10-13
• 第一章 前言13-32
• 1.1 研究目的及意义13-15
• 1.2 国内外研究进展15-29
• 1.2.1 雾霾天气研究概况15-16
• 1.2.2 区域气候特征和气象成因研究16-17
• 1.2.3 雾霾过程边界层结构研究17-19
• 1.2.4 气溶胶粒子和CCN特征19-26
• 1.2.5 遥感探测气溶胶光学特性26-29
• 1.3 研究内容、目标和技术路线29-32
• 1.3.1 研究内容29
• 1.3.2 研究目标29
• 1.3.3 技术路线29-32
• 第二章 观测资料及数据处理32-40
• 2.1 观测时间和地点32-33
• 2.2 观测资料33-36
• 2.2.1 边界层温湿廓线33-34
• 2.2.2 能见度34
• 2.2.3 地面气象要素34
• 2.2.4 雾微物理参量34
• 2.2.5 气溶胶特征参量34-35
• 2.2.6 云凝结核特征参量35
• 2.2.7 湍流特征35-36
• 2.2.8 辐射通量36
• 2.3 数据处理36-40
• 2.3.1 雾滴谱36-37
• 2.3.2 湍流资料37-39
• 2.3.3 边界层资料39-40
• 第三章 雾霾过程宏微观特征的分析40-54
• 3.1 雾霾过程宏观物理特征40-46
• 3.1.1 南京冬季雾霾过程天气演变主要特点40-43
• 3.1.2 南京冬季雾霾过程主要天气形势43-46
• 3.2 气象要素分析46-49
• 3.3 雾霾过程的微观物理特征49-53
• 3.3.1 气溶胶分布特征49-50
• 3.3.2 CCN分布特征50-53
• 3.4 小结53-54
• 第四章 南京冬季雾霾过程气溶胶和云凝结核的观测研究54-64
• 4.1 气溶胶变化特征54-56
• 4.2 CCN日变化56-58
• 4.3 CCN活化谱拟合58-61
• 4.4 气溶胶活化率61-63
• 4.5 小结63-64
• 第五章 雾霾及其转化过程中气溶胶光学特征的观测研究64-80
• 5.1 激光雷达概况与标定68-70
• 5.1.1 激光雷达概况68
• 5.1.2 设备基本结构68-69
• 5.1.3 主要技术参数69-70
• 5.2 激光雷达标定70-72
• 5.2.1 探测器空载时间订正70-71
• 5.2.2 背景噪音订正71
• 5.2.3 后脉冲订正71
• 5.2.4 几何因子订正71
• 5.2.5 距离偏移订正71-72
• 5.2.6 距离订正72
• 5.2.7 其他一些因子订正72
• 5.3 激光雷达方程及其求解72-74
• 5.9.1 Mie散射激光雷达方程72
• 5.3.2 气溶胶与空气分子组分72-73
• 5.3.3 Mie散射激光雷达方程的求解方程73-74
• 5.4 气溶胶光学特性统计特征分析74-75
• 5.5 气溶胶光学特征时空演变75-78
• 5.6 小结78-80
• 第六章 雾霾及其转化过程中热力因子的影响80-90
• 6.1 K指数、A指数以及925HPA温度露点差对雾霾天气的影响80-81
• 6.2 相对湿度对霾向雾过程转化的影响81-82
• 6.3 温度对霾向雾转化过程的影响82-84
• 6.4 辐射对雾霾转化过程的影响84-88
• 6.5 小结88-90
• 第七章 雾霾及其转化过程中动力因子的影响90-103
• 7.1 表面风和风垂直切变对雾霾天气的影响91-92
• 7.2 近地面风场对雾霾天气的影响92-95
• 7.3 边界层不稳定性对雾霾天气的影响95-97
• 7.4 湍流运动对雾霾天气的影响97-101
• 7.4.1 湍流运动对雾霾微物理结构的影响97-98
• 7.4.2 气溶胶平均半径98-99
• 7.4.3 活化率99-101
• 7.5 小结101-103
• 第八章 主要结论及创新点103-108
• 8.1 主要结论103-106
• 8.2 创新点106-107
• 8.3 研究展望107-108
• 参考文献108-124
• 博士在读期间参加学术活动和论文发表情况124-126
• 致谢126

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