近年來,渦動相關(guān)法已被廣泛應用于氣溶膠的通量測量中。然而由于氣溶膠粒子的特性,實際的測量中還存在許多問題。本文利用TSI3788水基氣溶膠粒子計數(shù)器和超聲風速儀在中國科學技術(shù)大學校園內(nèi)的鐵塔上完成了對氣溶膠數(shù)濃度通量的測量,并分析了影響氣溶膠通量測量的因素:湍流特征、氣溶膠濃度隨氣象場的變化和氣溶膠的湍流特征。本文利用超聲風速儀測得的三維風速對湍流各向同性特征進行了分析,得到了最大各向同性尺度的統(tǒng)計特征。結(jié)合氣溶膠濃度數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù),得到了測量地點的氣象要素對氣溶膠濃度的影響。通過對高頻氣溶膠數(shù)濃度數(shù)據(jù)的分析,得到了氣溶膠粒子和標量氣體之間的相同和不同之處。本文主要的研究內(nèi)容如下:根據(jù)速度相關(guān)張量矩陣最小特征值定義湍流張量各向異性系數(shù)(用C表示,C=3d3+1,d3為張量最小特征值)。該系數(shù)接近1時,湍流表現(xiàn)為各向同性,該系數(shù)小于1時,湍流表現(xiàn)為各向異性。本文使用超聲風速儀測得的三維風速數(shù)據(jù)分析了城市邊界層中大氣湍流的各向異性特征,使用譜分析的方法獲得三個不同方向湍流譜密度,從而計算得到不同尺度湍渦的張量各向異性系數(shù)。張量各向異性系數(shù)與大氣穩(wěn)定度z/LMO有較強的依賴關(guān)系,在z/LMO0,即大氣不穩(wěn)定時,同一空間尺度上的湍流相對于大氣穩(wěn)定時更趨近于各向同性。根據(jù)三個方向功率譜的特征確定湍流各向同性的最大尺度。當湍渦大于各向同性最大尺度時,則不具有三維各向同性,但是在水平方向上還是具有各向同性特征。將湍流各向同性最大尺度與溫度起伏外尺度進行了比較。根據(jù)理論模型擬合溫度起伏起伏譜得到湍流溫度起伏外尺度,結(jié)果表明溫度外尺度大于各向同性的最大尺度。結(jié)合氣溶膠粒子濃度、粒度分布和氣溫、相對濕度、風速、風向和短波輻射等氣象數(shù)據(jù),本文給出了2017年春季不同氣象條件下粗模態(tài)(d2.5μm,d為粒徑),積累模態(tài)(0.25μmd2.5μm)和超細粒子(愛根核和核化模態(tài),d0.25μm)的濃度變化。太陽短波輻射減少(上升),約10-20分鐘后,超細粒子濃度下降(上升)。超細粒子濃度的爆發(fā)增長同時受到輻射和相對濕度的影響。在濕度低于50%,短波總輻射大于500W/m2的條件下會發(fā)生小粒子生成事件,而其他條件下,不易發(fā)生小粒子生成事件。由于城市污染源的不均勻性,粒子濃度高度依賴于風速和風向。當風向為南時,超細粒子濃度較高,而當風向為北時,積累模態(tài)粒子濃度較高。在強降水和弱降水期間,積累模態(tài)粒子的濃度變化不同。強降水期間,由于濕沉降和吸濕生長的共同作用,積累模態(tài)顆粒的濃度先隨著相對濕度的增加而增加,之后由于濕沉降作用減少。在弱降水期間,其濃度僅隨相對濕度的增加而增加。對于粗粒子,其濃度在所有降水中均有下降。進一步通過對10Hz的氣溶膠數(shù)濃度數(shù)據(jù)進行處理得到了歸一化標準差和功率譜的分布特征。氣溶膠粒子數(shù)濃度的歸一化標準差在白天較大而夜晚較小,晴天的氣溶膠濃度歸一化標準差和陰天相差不大。通過不同高度的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn),樓頂?shù)臍w一化標準差較草坪的值大。氣溶膠粒子濃度功率譜存在一定的噪聲信號,這由進氣管道、儀器和觀測平臺。隨著方差的增加,噪聲點出現(xiàn)的頻率增加,噪聲信號的占比下降。其慣性子區(qū)頻率較低的部分基本滿足-5/3定律,隨著頻率的增加,其斜率逐漸偏離-5/3,這主要有進氣管中的層流造成。在不穩(wěn)定層結(jié)下,測量點的三維風速以及溫度和水汽的歸一化方差隨穩(wěn)定度參數(shù)z/L的變化與前人所得的經(jīng)驗公式相近,而氣溶膠粒子數(shù)濃度的歸一化標準差基本不隨穩(wěn)定度變化。在2019年1月19日至27日使用渦動相關(guān)法對氣溶膠粒子數(shù)濃度通量進行了觀測。由于下墊面為典型的城市下墊面,對氣溶膠的通量計算中的三維風速本文采用平面擬合法進行坐標軸旋轉(zhuǎn)。通過對一年的CO2通量數(shù)據(jù)進行分析得到,三次旋轉(zhuǎn)法和平面擬合法得到的C02通量相差9%。通過長期的CO2通量數(shù)據(jù)的分析和對互譜不同頻率的積分,確定了通量測量平均時間為30分鐘。同時利用最大延時協(xié)方差確定氣溶膠粒子計數(shù)器和超聲風速儀的延遲時間,從而得到了較為準確的通量數(shù)據(jù)。通量測量的結(jié)果表明,觀測期間通量為正,且有明顯的日變化特征,在白天較大而在夜間較小。印痕分析表明,觀測點的氣溶膠通量主要由數(shù)十米至數(shù)百米貢獻。通過假定各粒徑的粒子均勻分布,得到了PM10的垂直通量,并分析得到測量期間不同天氣背景下氣溶膠通量的變化規(guī)律。在重污染過程中,氣溶膠通量減少導致PM10增加。連續(xù)的晴天中,PM10通量呈現(xiàn)出明顯的日變化特征。降溫過程中PM10及其通量顯著下降。渦動相關(guān)法和大孔徑閃爍儀的測量結(jié)果表明,二者得到的PM10通量的變化規(guī)律一致,但具體數(shù)值上略有差異,這可能由通量源區(qū)的不同造成。
【學位單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：P425.2;X831
【部分圖文】：

邐（２．１）逡逑其中《是風矢量的傾角，平均流線平面和水平面的夾角，０是水平風向方逡逑位角．通過擬合方程（２．１），可以得到圖２．２中的白線．如圖２．２所示，平均流線平逡逑面的傾角小于２°，平均流線平面可以被看作一個自東向西傾斜的平面。由于超聲逡逑風速儀的安裝誤差小于0．１°，由測量儀器帶來的影響可以忽略不計，這個傾斜面主逡逑要受到校園中的建筑分布影響（Ｗｉｌｃｚａｋ，邋Ｏｎｃｌｅｙ邋ｅｔ邋ａｌ．邋２００１）。由水平風速歸一化的逡逑平均垂直速度可以表示為風方位角的簡單正弦函數(shù)，因此，實驗地點可以被認為逡逑是均勻平面。逡逑２．邋１．２氣象要素的觀測逡逑氣象塔位于校園中心的一座建筑樓頂，其底端位于冠層平面之上３米。塔頂逡逑安裝了一個ＣＳＡＴ３超聲風速儀，采樣頻率為１０Ｈｚ．本文使用該超聲風速儀測量逡逑的三維速度數(shù)據(jù)分析湍流的各向異性特征。氣象塔上還安裝了三層ＲＭ邋Ｙｏｕｎｇ逡逑０３００２風速計、和ＨＭＰ１５５Ａ溫度濕度傳感器（位于冠層平面上１３ｍ，８ｍ和５ｍ），逡逑以得到風速

式２．３８被廣泛使用。不同的模型得到的結(jié)果是相似的（Ｍａｉｒｅ，邋Ｚｉａｄｅｔａｌ．邋２００８）．公逡逑式２．３８被用于擬合真實的譜從而得到湍流參數(shù)如“和平均湍流動能耗散率。逡逑圖２．３是擬合２０１３年１０月４日當?shù)貢r間１時的速度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)的原始譜的逡逑示例。擬合得到的譜和真實譜符合得相當一致。對于速度數(shù)據(jù)（圖２．３ａ），原始譜逡逑低頻區(qū)間的三個數(shù)據(jù)點在９５％的擬合置信區(qū)間之外，高頻區(qū)間的擬合譜和方程逡逑000邋＝邋？１，＆－５／３相近０＜＾１１＾１，１２１１１１１＾＆１．１９７２），其中0｛丨是普適的常數(shù)，其值接近逡逑０．５，邋ｅ是單位質(zhì)量的平均湍流耗散率．此外，圖２．３ａ可以得到滿足－５／３定律的最小逡逑波數(shù)，Ｂ卩對于溫度數(shù)據(jù)（圖２．３ｂ），可以得到方程（２．３８）中的參數(shù)逡逑Ｚ／0為６８邋ｍ．逡逑近地面層的結(jié)構(gòu)和湍流特性強烈依賴于大氣穩(wěn)定度（Ｓｔｕｌｌ邋１９８８），由無量綱參逡逑數(shù)￥＝邋（ｚ－＾）／Ｚａ／0表示，其中ｚ是測量高度，＾為零平面位移高度，Ｚｍｏ是奧布霍長逡逑度

３．邋１平均氣象場的特征逡逑實驗地點位于安徽省合肥市中國科學技術(shù)大學校園內(nèi)，位于北緯３１．５１度，東逡逑經(jīng)１１７．１５度，海拔約為３０米，地處東亞季風區(qū)。圖３．１給除了邋２０１８年全年的風速風逡逑向、溫度、向下短波輻射和濕度的日均值。從圖中可以看出，觀測地點的風向主逡逑要為東北至東南和西北偏北，風速幾乎均在５ｍ／ｓ以下。全年日均溫度最低為－３攝逡逑氏度，最高日均溫度為３３攝氏度，呈典型的夏季高冬季低。最大日均向下短波輻逡逑射３３１．２４Ｗ／ｍ２，全年平均向下短波輻射為１４７．２９Ｗ／ｍ２。全年共有晴天１５４天。相逡逑對濕度夏季較高，冬季較低，全年絕大部分時間在４０％以上。全年發(fā)生降水１２０逡逑天，最大單日累積降水量為１４１ｍｍ。逡逑丨逡逑ｓｗ邐．邋ＳＬ邐－４邋－逡逑邐邋：邐）明邐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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本文編號：2829872