【摘要】：以位于中國黃土高原東部、華北平原西側的山西地區(qū)作為主要的觀測基地,2013年夏季和2014年夏季開展了關于氣溶膠特性的大型綜合觀測實驗。通過對連續(xù)兩年的飛機和地面觀測數據的分析,對該地區(qū)對流層中低層(5000m以下)氣溶膠粒子數譜特征、光學特性的垂直分布以及氣溶膠活化特性有了全面的認識,得到了一些能合理表達山西地區(qū)氣溶膠空間分布狀態(tài)以及氣溶膠活化特性的特征參數。研究成果可為區(qū)域天氣和環(huán)境預報、氣候預測分析以及氣候輻射模式、氣溶膠和云數值模擬等提供寶貴的實測依據。本研究主要結論如下：(1)通過2013年夏季飛機觀測實驗,獲得了粒徑范圍為10nm～201am氣溶膠粒子數濃度、粒子尺度的垂直分布廓線、不同高度氣溶膠粒子譜分布特征、云凝結核(CCN)的垂直廓線及活化特性。山西地區(qū)夏季氣溶膠以直徑小于0.8gm的粒子為主,霾日核模態(tài)的氣溶膠粒子數濃度是非霾日的2倍以上。氣溶膠粒子數濃度隨海拔高度升高逐漸減小,核模態(tài)和積聚模態(tài)氣溶膠粒子數濃度的垂直廓線可用e指數公式進行擬合,并獲得了相關擬合參數。氣溶膠粒子平均有效直徑隨高度增大。從地面到5000m高空,核模態(tài)和積聚模態(tài)氣溶膠數譜隨高度變窄。氣溶膠粒子譜分布一般呈雙峰或三峰分布,通過擬合得到三模態(tài)對數正態(tài)分布特征參數。CCN數濃度隨高度降低,CCN比率(fCCN/CN)隨著高度而增大。(2)通過氣溶膠光學特性飛機觀測,得到對流層中低層氣溶膠光學特性參數,包括氣溶膠散射系數(σsc)、后向散射系數(σbss)、后向散射比(βSC) Angstrom指數(a)、質量散射比(Qsc。)、表面積散射比(Q'sc)、吸收系數(σab)和單散射反照率(ω)的垂直分布廓線以及不同高度范圍的平均氣溶膠光學特征參數。氣溶膠散射和吸收系數隨著高度逐漸減小,對流層低層大量的小粒子對氣溶膠總輻射強迫的貢獻較大。不同高度上氣團48h后向軌跡分析得出,2000m以下的氣溶膠粒子多來源于局地和區(qū)域污染物的排放,導致氣溶膠濃度和光學特征參數較大；而3000m以上高空大部分氣溶膠粒子來源于我國西部和北部氣溶膠粒子的遠距離輸送,氣溶膠粒子濃度相對較低,其光學特征參數也較小。(3)通過2014年夏季的地面觀測實驗,獲得了山西地區(qū)近地面10-600nm的氣溶膠數譜特征、質量譜特征以及氣溶膠散射特征。觀測期間近地面氣溶膠質量濃度、數濃度、散射系數和Angstrom指數的平均值分別為17.1μgm-3、18572個cm-3、192.1Mm-1、1.79。氣溶膠數濃度日變化呈現單峰分布,新粒子生成是造成氣溶膠數濃度日變化特征的主要原因；氣溶膠質量濃度日變化呈雙峰特征,主要是受局地人為活動帶來的污染排放影響；氣溶膠散射系數日變化與質量濃度的日變化相似。氣溶膠質量濃度和散射系數呈很好的線性相關,相關系數為0.95。氣溶膠平均數譜分布呈現兩個峰值,氣溶膠平均質量譜為單峰分布。粒徑小于200nm的小粒子對于氣溶膠總數濃度的貢獻較大,粒徑大于200nm的粒子對于氣溶膠總質量濃度的貢獻較大。對觀測區(qū)域進行了氣溶膠潛在源區(qū)貢獻分析,發(fā)現氣溶膠主要的源地集中在位于山西省東部的河北省和山東省西南部、山西東南部以及位于山西南部的河南省北部和東北部等工業(yè)較發(fā)達、人口稠密的地區(qū),潛在源貢獻值在0.6以上。(4)通過對山西太原全年近地面CCN觀測數據分析發(fā)現,冬季CCN數濃度最高,春秋季次之,夏季最低。CCN數濃度日分布呈現兩個峰值,分別對應于每天人為活動以及交通運輸比較密集的時段。用公式NCCN=CSk對山西地區(qū)不同季節(jié)的CCN核譜進行了擬合,C、K值均為典型的大陸型核譜。開展了氣溶膠分檔活化率觀測實驗,得到山西地區(qū)不同粒徑的氣溶膠粒子在5個過飽和度(0.07%、0.1%、0.2%、0.4%、0.8%)下的分檔活化率基本特征。粒徑小于20nm的氣溶膠粒子在任何過飽和度下都不能活化；粒徑大于100nm的氣溶膠粒子活化能力較強,在0.2%及以上的過飽和度下,對應的平均活化率為80%以上；粒徑200nm以上的氣溶膠粒子在所設的5個過飽和度下活化率都達到了70%以上。5個過飽和度下,50%的活化點對應的粒徑(D50)分別為145nm、 124nm、83nm、56nm和38nm。較高的活化率和較小的D50表明山西地區(qū)夏季氣溶膠粒子中含有大量高可溶性化學成分。
【圖文】：

整個高度層內垂直分布狀況。其中，７月３１日為桯日，能見度較差，７月３１日傍晚和８月１逡逑日，太原及周邊地區(qū)有巧性降水出現，８月２日觀測區(qū)域內有少量淡積云，８月３？４日為逡逑晴空，８月５日觀測區(qū)域內有少量淡積云。飛行詳細信息見表３．１，飛行軌跡見圖３．１。本逡逑研究中所有時間均為北京時（Ｃｈｉｎａ邋Ｓｔａｎｄａｒｄ邋Ｔｉｍｅ，ＣＳＴ），，高度均為海拔高度（Ｈｅｉｇｈｔ逡逑ａｂｏｖｅ邋ｍｅａｎ邋ｓｅａ邋ｌｅｖｅｌ．邋ＡＳＬ）。逡逑表３．１氣溶膠觀測飛行概況逡逑Ｔａｂｌｅ邋３．１邋Ｓｕｍｍａｒｙ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｆｌｉｇｈｔｓ逡逑日期邐飛行現測時間邐天氣狀況邐觀巧區(qū)巧邐垂直巧度范圍（皿）逡逑２０１３－０７－３１邐１０：３２？巧：４８邐晴無云涅邐太原文水逡逑７７８一說邋００逡逑（ｍ邋．８－ｎ２．７°Ｅ，巧３－３８．０°Ｎ）逡逑２０邋口－０８－０１邐１７：２９－１９：３７邐晴少量淡積云邐太原折州邐７７８？５２００逡逑（１１２．４－１１３．０°Ｅ，３７．５－３９．０°Ｎ）逡逑州口－０８－０２邐１５：０日？１６：３１邐晴少量淡積云邐太原文水逡逑７７８一４９００逡逑（１１１．８－１１２．巧３７．３－３８．０嚇0逡逑州口－０８－０３邐０９：班￣１１：４４邐晴無云邐太原文水逡逑７７８一４４２５逡逑（１Ｈ邋ｊ－ｍ／ＴＥ＞３７．３－３８．０呼０逡逑２０１３－０８－０４邐１１：０１？１２：３１邐晴無云邐太原文水逡逑口邋８一巧抓逡逑（＂１．８．１１２．ｒ＊Ｅ，３７．３．３８．０°Ｎ）逡逑２０１３－０８－０５邐１５：１８－１７：０６邐晴少量淡積云邐太原析州邐７７８？３８２０逡逑（１１２．４＂１１３．０°Ｅ

化ｅ邋ｌｉｎｅ邋ｓｅｇｍｅｎｔ邋ｉｓ邋ｅｒｒｏｒ邋ｂａｒ）逡逑３．２．３．２不同模態(tài)氣溶膠平均數濃度的垂直廓線逡逑圖３．６是所有飛行中觀測到的Ｈ個模態(tài)的氣溶膠數濃度個均垂直廓線，其中（ａ）是逡逑核模態(tài)氣溶膠粒子數濃度巧丘廓線，（ｂ）是積聚模怎氣溶膠粒子數濃度垂直廓線，（Ｃ）逡逑是粗粒子模態(tài)氣溶膠粒子數濃度的垂直廓線。每次飛行之前，所有的觀測設備均巧地面逡逑打開，待儀器運行穩(wěn)定之后，采集一段時間的地面數據，然后飛機起飛。從閣３．６可化，逡逑從地面到１２００ｍ高度，核模態(tài)和積聚模態(tài)的氣溶膠數濃度隨高度逐漸增大，１２００ｍＷ上，逡逑粒子數濃度隨高度急劇降低。氣溶膠數濃度在垂直高度上第一個峰值醫(yī)出現在１０００？逡逑１４００ｍ。Ｗ積聚模態(tài)氣溶膠數濃度的垂直分布為例（圖３．６ｂ），從７月３１日至８月５日，６次逡逑飛行試驗中測得的氣溶膠數濃度最大值分別為５４％個ｃｍ－３，位于１０００ｍ；邋５６５０個ｃｎｆ３位逡逑于邋１０８１ｍ：邋４９１４個ｃｍ－３位于邋１２９６ｍ；邋３４９３個ｃｍ－３位于邋１０１０ｍ；邋５６３０個ｃｍ—３位于邋１０８４ｍ；邋Ｗ逡逑及３７８２個ｃｍ－Ｍ立于８００ｍ。在數濃度平均垂直廓線中，第二個峰值出現在２０００ｍ左右。在逡逑近地面
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：X513;X831

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本文編號：2659814