对流层平流层气溶胶粒子的形态和化学组成

分析研究了１９９３年和１９９４年的８月、９月在香河地区上空采集的单个气溶胶粒子的形态及化学元素和化合物的组成。结果表明：１９９３年,在对流层大气中的气溶胶颗粒经常出现不规则形的粒子,可能是土壤粒子;而在平流层大气中的颗粒以具有“卫星”结构的硫酸粒子为主;硫酸铵粒子则经常出现在对流层的中、下部。香河地区上空颗粒物的化学元素组成比较复杂,单一化学元素组成的粒子较少,粒子主要含有Ｓｉ,Ｆｅ,Ａｌ和Ｓ等元素。气溶胶的化合物有硫酸盐、硅酸盐、硝酸盐和磷酸盐等     

天津大气气溶胶化学组分的粒径分布和垂直分布

2006年8月在天津气象铁塔的10、120、220 m 3个不同高度.利用Andersen分级采样器同步进行大气气溶胶采样,样品用离子色谱和电感耦合等离子体质谱仪进行分析.结果表明,K元素主要集中在细粒子,Mg、Ca、Al、Fe元素主要集中在粗粒子,Na元素则具有双峰结构;总离子浓度随着高度的升高有增加的趋势,SO42-、N3-、NH4+、Ca2+是最主要的水溶性尤机离子;二次源是水溶性离子重要的贡献源.NO3-、SO42-、NH4+随着高度升高,浓度有向小粒径集中的趋势;各层气溶胶阴阳离子平衡值小于1,表明气溶胶偏碱性,与天津地处北方,土壤偏碱性,且非采暖期地面扬尘是主要的气溶胶来源有关;各层NO3-/SO42-平均值为0.48,表明非采暖期固定排放源(燃煤)仍然是天津大气细粒子中水溶性离子的主要来源.     

大气气溶胶的卫星遥感及其在气候和环境研究中的应用

卫星遥感可以获得全球范围的大气气溶胶光学特性,目前国内外已有多颗卫星观测能够提供气溶胶特性的资料。本文综述性介绍国内外卫星遥感气溶胶特性方面的研究进展和成果,并讨论了卫星遥感资料在气候和环境研究领域中的应用。主要内容包括:极轨/静止卫星平台搭载的被动遥感传感器及其反演气溶胶特性的方法;星载激光雷达获取气溶胶光学特性的方法;国内外正在研发的新一代卫星主、被动气溶胶遥感探测器;卫星气溶胶产品在气溶胶辐射强迫、气候效应、大尺度污染输送、区域空气质量监测等研究中的应用。     

利用水平面太阳直接辐射日曝辐量反演大气气溶胶光学厚度的方法研究

本文发展了一个从宽带水平面太阳直接辐射日曝辐量 (总辐射与散射辐射日曝辐量之差) 反演光谱大气气溶胶光学厚度的方法, 包括建立一个 “等效” 的瞬时太阳天顶角模型, 并提出了一个基于气溶胶标高的云影响甄别方法。对该反演方法的数值模拟和误差分析表明: “等效” 瞬时太阳天顶角模型的不稳定性引起的光学厚度反演误差平均为3.66％; 光学厚度日变化对一段较长时间的平均光学厚度的影响不显著; 订正造成的散射辐射误差≤20％时, 光学厚度平均偏差≤4％。通过与AERONET产品的比对验证表明: 本文发展的光学厚度反演方法和云影响甄别方法都是有效的; 晴空反演的0.75 μm光学厚度与AERONET的相关系数超过0.95, 平均误差约0.02; 云甄别方法计算的季节和年平均光学厚度与AERONET具有较好的一致性。     

青岛大气气溶胶的浓度分布和干沉降的观测研究

根据青岛沙尘天气历史资料和近年来的青岛地面气溶胶观测资料,分析了青岛沙尘日数的长期变化趋势、季节变化特征以及气溶胶质量浓度、谱分布和干沉降的季节变化.分析结果表明,1961～1988年青岛沙尘日数呈波动变化,且幅度较大.1999年以来沙尘日数明显增加,且以浮尘天气为主.青岛在1961～2001年扬沙日数年平均值为1.83天,是北京同期的13%;年浮尘日数为2.93天,是北京同期的75%.青岛沙尘发生日数主要集中在冬春季,春季最高,冬季次高;夏季没有沙尘天气,秋季很低.青岛气溶胶质量浓度有明显的季节变化,春季最高,冬季次之,秋季又次之,夏季最低.大流量观测的总悬浮颗粒物(TSP)年平均浓度为177μgm-3,安德森分级采样器观测的气溶胶质量浓度为123μg m-3,两者的差别与不同的观测时间和观测仪器有关.在3月和4月,粗细粒子的浓度相差很大,粗粒子分别占总浓度的80%和62%.青岛气溶胶沉降通量在0.06～0.2 g m-2d-1之间,平均值为0.13 g m-2d-1,是北京沉降通量的30%.     

气溶胶核化清除的化学效应 I：云滴化学非均匀性的研究

本文将水汽在云滴上凝结增长的物理过程与气溶胶、气体的化学过程相结合，对气溶胶核化清除的化学效应进行了研究。 计算结果表明:气溶胶的核化清除造成了云滴化学成分随云滴大小分布的非均匀性，这种非均匀性又对云滴内发生的气体吸收、液相氧化产生影响。 本文还比较了不同污染状况下，不同大小的云滴内气溶胶核化清除与液相氧化对云滴化学的相对贡献的差异。 因此，这种云滴化学的非均匀性(云微化学)的研究对于云化学的野外观测及数值模拟都是重要的。     

郑州市大气气溶胶数浓度和质量浓度时空变化研究

利用激光粒子计数器和颗粒物自动测定仪测量的郑州市大气气溶胶粒子的数浓度和质量浓度,分析了局地气溶胶的干沉降和湿沉降以及郑州市大气气溶胶数浓度和质量浓度的时空变化,结果表明:郑州市局地区域大气气溶胶中粒径≥2μm的粒子,沉降速度随粒径的增大而增大,而粒径≤0.3μm的粒子,沉降速度变化不大;湿沉降率大于干沉降率。气溶胶浓度有明显的日变化特征,17:00-19:00为最高峰,6:00-9:00为次高峰,这是早晨及下午上下班汽车运行高峰期向大气排放的尾气和汽车扬尘所致。在垂直分布上,45-80 m处的粒子数多于1.5 m处的粒子数;在水平分布上,交通建筑区内的浓度高于其他功能区的浓度。     

北京采暖期间和采暖期前大气气溶胶物理特性的对比研究

1981年10月21日至11月3日(采暖期前),11月24日至12月3日(采暖期间),我们在北京香山植物园和北郊大气物理研究所气象塔,用光学粒子计数器进行了近地面层犬气气溶胶浓度与尺度谱分布的观测,结果表明,北京冬季采暖期间由燃煤产生的烟尘污染与天气条件密切相关。在晴空天气条件下,烟尘污染并不严重;而在阴天或多云天气条件下,烟尘污染是相当严重的,气溶胶瞬时浓度可高达1600个/cm~3。通过对尺度谱分布的分析,发现采暖期间主要增加的是小粒子(r<1μm)。 通过谱模式的比较指出,在烟尘污染严重的冬季,我们     

从全波段太阳直射辐射确定大气气溶胶光学厚度 II：实验研究

本文通过比较太阳直射表和太阳光度计探测的大气柱气溶胶光学厚度，分析了从太阳直射表探测的全波段太阳直射光强信息确定大气柱气溶胶光学厚度的误差，并应用北京观象台的太阳直射表观测资料，反演得到了 1990—1993年北京大气柱气溶胶光学厚度，分析了该光学厚度月与年变化规律以及1991年菲律宾皮纳图博火山爆发对北京大气气溶胶含量的影响。本文还提出了关于有效水汽含量的一个经验关系式，用于确定水汽对太阳辐射的吸收率。     

利用MODIS卫星和激光雷达遥感资料研究香港地区的一次大气气溶胶污染

利用MODIS可见光通道气溶胶光学厚度的卫星遥感和523 nm波长微脉冲激光雷达 (MPL LIDAR) 对气溶胶消光系数垂直分布的观测，分析了珠江三角洲地区2003年6月一次气溶胶污染过程中气溶胶光学厚度的分布特征、气溶胶消光系数廓线的演变，认为这次污染过程是弱高压控制下的区域性污染，而香港地区污染物浓度的上升与区域性输送有直接关系，结果表明卫星和激光雷达的光学遥感方法提供了研究大气污染的可行手段。     

气溶胶对青藏高原气候变化影响的数值模拟分析

利用美国大气研究中心(NCAR)提供的2组数值试验结果对比,分析了只考虑温室气体增加(1%CO2试验)和综合考虑大气温室气体与气溶胶持续增加(50yrs试验)条件下,青藏高原地区地表温度、积雪深度及其他气候要素的变化,并在此基础上探讨了大气气溶胶含量变化对高原气候变化的可能影响.分析结果表明:只考虑大气CO2含量每年增加1%的变化时,青藏高原相对邻近地区地表温度显著增加,春、夏、秋及冬季地表温度线性增温率均表现出随着海拔高度升高而增强.例如,在海拔1.5～2 km,3～3.5 km和4.5～5 km范围内对应的冬季增温趋势分别为0.29 ℃/10 a,0.36 ℃/10 a和0.50 ℃/10 a.在温室气体引起的高原增暖过程中地表积雪深度普遍降低,且高海拔地区的积雪减少愈加明显.当综合考虑气溶胶和温室气体含量共同增加时,青藏高原地表增暖相对偏弱,春、夏和秋季增温也随海拔高度上升而加强,但冬季地面增温幅度随海拔上升反而下降,海拔1.5～2 km,3～3.5km和4.5～5 km范围内对应的冬季增温趋势分别为0.02 ℃/10 a,-0.03 ℃/10 a和-0.13 ℃/10 a.对比分析发现,大气气溶胶增加造成青藏高原冬季增温不明显甚至出现变冷趋势,地面积雪也随之增多,这可能歪曲了青藏高原地区气候变暖对海拔高度的依赖性.     

北京地区春季气溶胶分布特征的个例分析

为探讨北京地区春季气溶胶分布特征,利用机载PMS资料中的Probe PCASP-100X数据,分析了2005年4月2日和4月17日北京地区的气溶胶垂直、水平分布的特征,并初步讨论了气象因子和城市对气溶胶的影响.结果表明,4月2日的气溶胶平均浓度为1422.7cm-3,4月17日的平均浓度为2142.1cm-3,平均直径分别为0.22μm和0.25μm.4月2日和4月17日在北京沙河机场气溶胶数浓度垂直变化较大,混合层顶上下具有不同的垂直分布特征,温度层结对气溶胶浓度的分布有重要影响,气溶胶水平分布不均匀,北京市区的气溶胶浓度较大.     

青藏高原黑碳气溶胶传输及沉降的季节特征模拟分析

根据全球气溶胶气候模式GEM-AQ/EC的1995~2004年模拟,分析了青藏高原大气黑碳气溶胶的来源、传输及沉降季节特征。研究表明:青藏高原黑碳气溶胶主要来自自由对流层和大气边界层的输送。相对于自由对流层的黑碳输送,紧邻青藏高原的南亚、东亚以及东南亚大气边界层的输送更有效,它形成了青藏高原由北向南、自西往东黑碳气溶胶浓度和沉降明显递增的基本分布形态。横跨欧亚大陆自由对流层的黑碳气溶胶由西向东向青藏高原的输送全年不变,夏季输送路径最北但强度最弱,冬季路径最南而强度最强。大气边界层黑碳气溶胶的输送受控于亚洲季风环流变化,来自南亚的黑碳气溶胶在春季越过孟加拉湾传输进入高原东南部,夏季则可翻越喜马拉雅山抵达青藏高原南部腹地;同时我国中部排放的黑碳气溶胶也在东亚夏季风向北扩展中驱动它从东向西往青藏高原东北部传输。从秋季到冬季,随着夏季风撤退,南亚黑碳源区向青藏高原传输衰退,东亚冬季风的反气旋性环流的南侧及西南侧的偏东风携带秋季我国东南部源区和冬季东南亚源区黑碳气溶胶向青藏高原东南部传输。受青藏高原明显的暖湿季和干冷季气候影响,干湿沉降分别主导了青藏高原冬季和夏季黑碳沉降,夏季青藏高原黑碳气溶胶沉降总量大多超过8~10 kg·km-2,在高原东北部的最高值超过40 kg·km-2。冬季青藏高原黑碳气溶胶沉降量最低,大部地区黑碳沉降低于5 kg·km-2。青藏高原黑碳沉降的冬夏季节相差约为2~8倍。     

宽带消光法反演气溶胶光学厚度与AERONET北京站探测结果的对比研究

该文简要介绍了遥感气溶胶光学厚度的宽带消光法, 重点比较与分析了2001～2002年间北京地区宽带消光法和全球气溶胶探测网(AERONET)气溶胶光学厚度的探测结果.对比结果表明, 两类探测结果在无云晴天的条件下具有很好的吻合, 二者的相关系数达到90%以上.另外, 作者还针对宽带消光法反演月平均气溶胶光学厚度问题, 提出了一个减小云对反演结果影响的方法, 即月平均光学厚度约束法, 并与全球气溶胶探测网探测结果做对比分析.二者结果的一致性表明该约束方法的有效性.     

从全波段太阳直射辐射确定大气气溶胶光学厚度 I. 理论

本文提出了从全波段太阳直射辐射信息确定0.7μm波长大气柱气溶胶光学厚度的一种新方法。数值试验表明，对各类气溶胶谱分布，在水汽含量±0.2cm的误差、臭氧总量±0.1cm的误差、太阳直射辐射的±1%的观测误差以及太阳常数的±2%误差范围内，对小于0.1的0.7μm波长气溶胶光学厚度，它的解误差一般小于0.017，对大于0.1并小于0.6的光学厚度，它的解误差一般小于10%。     

Polarimetric Study of the Fine Aerosol Fraction in Beijing

Measurements of aerosol optical characteris- tics were carried out with a Photoelectric Aerosol Nephelometer （PhAN） in Beijing and at Xinglong Obser- vatory, which is located 150 km northeast of Beijing. Aerosol size distributions were retrieved by means of the inverse problem solution. Mean volume size distributions of the fine aerosol fraction were unimodal with the maximum radius in the range 0.11-0.15 pm. Accumula- tion of aerosol matter in the air basin of Beijing takes place mainly due to the growth of particle size, but not their number. A simple optical method to detect aerosol nonsphericity is proposed.     

Subfilter-Scale Fluxes over a Surface Roughness Transition. Part II: A priori Study of Large-Eddy Simulation Models

The ability of subfilter-scale (SFS) models to reproduce the statistical properties of SFS stresses and energy transfers over heterogeneous surface roughness is key to improving the accuracy of large-eddy simulations of the atmospheric boundary layer. In this study, several SFS models are evaluated a priori using experimental data acquired downwind of a rough-to-smooth transition in a wind tunnel. The SFS models studied include the eddy-viscosity, similarity, non-linear and a mixed model consisting of a combination of the eddy-viscosity and non-linear models. The dynamic eddy-viscosity model is also evaluated. The experimental data consist of vertical and horizontal planes of high-spatial-resolution velocity fields measured using particle image velocimetry. These velocity fields are spatially filtered and used to calculate SFS stresses and SFS transfer rates of resolved kinetic energy. Coefficients for each SFS model are calculated by matching the measured and modelled SFS energy transfer rates. For the eddy-viscosity model, the Smagorinsky coefficient is also evaluated using a dynamic procedure. The model coefficients are found to be scale dependent when the filter scales are larger than the vertical measurement height and fall into the production subrange of the turbulence where the flow scales are anisotropic. Near the surface, the Smagorinsky coefficient is also found to decrease with distance downwind from the transition, in response to the increase in mean shear as the flow adjusts to the smooth surface. In a priori tests, the ability of each model to reproduce statistical properties of the SFS stress is assessed. While the eddy-viscosity model has low spatial correlation with the measured stress, it predicts mean stresses with the same accuracy as the other models. However, the deficiency of the eddy-viscosity model is apparent in the underestimation of the standard deviation of the SFS stresses and the inability to predict transfers of kinetic energy from the subfilter scales to the resolved scales. Overall, the mixed model is found to have the best performance.     

Subfilter-scale Fluxes over a Surface Roughness Transition. Part I: Measured Fluxes and Energy Transfer Rates

A wind-tunnel experiment was designed and carried out to study the effect of a surface roughness transition on subfilter-scale (SFS) physics in a turbulent boundary layer. Specifically, subfilter-scale stresses are evaluated that require parameterizations and are key to improving the accuracy of large-eddy simulations of the atmospheric boundary layer. The surface transition considered in this study consists of a sharp change from a rough, wire-mesh covered surface to a smooth surface. The resulting magnitude jump in aerodynamic roughnesses, M = ln(z ₀₁/z ₀₂), where z ₀₁ and z ₀₂ are the upwind and downwind aerodynamic surface roughnesses respectively, is similar to that of past experimental studies in the atmospheric boundary layer. The two-dimensional velocity fields used in this study are measured using particle image velocimetry and are acquired at several positions downwind of the roughness transition as well as over a homogeneous smooth surface. Results show that the SFS stress, resolved strain rate and SFS transfer rate of resolved kinetic energy are dependent on the position within the boundary layer relative to the surface roughness transition. A mismatch is found in the downwind trend of the SFS stress and resolved strain rate with distance from the transition. This difference of behaviour may not be captured by some eddy-viscosity type models that parameterize the SFS stress tensor as proportional to the resolved strain rate tensor. These results can be used as a benchmark to test the ability of existing and new SFS models to capture the spatial variability SFS physics associated with surface roughness heterogeneities.