(氣象學(xué)專(zhuān)業(yè)論文)利用新型全自動(dòng)太陽(yáng)光度計(jì)研究氣溶膠光學(xué)和物理特性.pdf_第1頁(yè)
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中文摘要 大氣氣溶膠是由固態(tài)或液態(tài)的質(zhì)粒分散到空氣中形成的分教體系,雖然大 氣氣溶膠粒予質(zhì)量?jī)x占人氣質(zhì)量的十億分之一,但它對(duì)大氣輻射傳輸、氣候變 化、環(huán)境質(zhì)量、云和降水過(guò)程以及水文循環(huán)過(guò)程都有重要影響,從而構(gòu)成氣溶 膠的輻射氣候效應(yīng)、環(huán)境健康效應(yīng)和云物理效應(yīng)。因此,研究氣溶膠的物理化 學(xué)性質(zhì)和光學(xué)特性及其時(shí)空變化規(guī)律成為大氣科學(xué)的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。 本文根據(jù)全自動(dòng)太陽(yáng)分光光度計(jì)c e 3 1 8 測(cè)得的太陽(yáng)直接輻剜數(shù)據(jù),計(jì)算了 銀川地區(qū)的大氣氣溶膠光學(xué)厚度,反演了該地區(qū)的粒子潛分布和氣溶膠消光系 數(shù)特征,并利用汁算的結(jié)果對(duì)銀川i 地區(qū)的光學(xué)厚度、粒子譜分巾和消光系數(shù)的 變化特征做了比較系統(tǒng)的分析。 c e 3 1 8 是一種高精度野外太陽(yáng)和天空輻射測(cè)量?jī)x器,具有易攜帶易安裝、自 動(dòng)掃描、太陽(yáng)能供電、可自動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)等特點(diǎn)。c e 一3 1 8 主要用于測(cè)量太陽(yáng)和天 空在可見(jiàn)光和近i 外的不同波段、不同方向、不同日j 削的輻射亮度。利用c e 3 1 8 測(cè)得的直接太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)可以反演計(jì)算人氣透過(guò)率、消光光學(xué)厚度、氣溶膠光 學(xué)厚度、大氣水汽柱總量和臭氧總量;天空掃描數(shù)據(jù)則可以反演大氣氣溶膠粒 子尺度譜分斫i 及氣溶膠相函數(shù)。同前國(guó)內(nèi)沙塵暴監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)布設(shè)有該種設(shè)備。 在進(jìn)行計(jì)算時(shí)首先選擇了天空晴朗無(wú)云、大氣層結(jié)很穩(wěn)定的天氣條件下的 太陽(yáng)直接輻射數(shù)據(jù),利用l a n g l e y 法對(duì)太陽(yáng)光度計(jì)進(jìn)行了定標(biāo)。隨后由太陽(yáng)贏 接輻射數(shù)據(jù)利用b o u g u e r 定律反演了大氣氣溶膠光學(xué)特性:在計(jì)算所得的,也學(xué) 厚度的基礎(chǔ)上,利九jm o n t ec a r l o 方法反演了氣溶膠的粒子譜分們。計(jì)算了銀川 地區(qū)的大氣氣溶膠光學(xué)厚度,反演了該地區(qū)的粒子潛分布和氣溶膠消光系數(shù)特 征,并利用計(jì)算的結(jié)果對(duì)銀川地區(qū)的光學(xué)厚度、粒子譜分夼和消光系數(shù)的變化 特征做了比較系統(tǒng)的分析。 銀川i 位于我國(guó)西北地區(qū)東部,其西北部有巴丹吉林沙漠和騰格單沙 漠,東部有毛烏素沙地,這些沙漠和沙地是銀川地區(qū)沙塵氣溶膠的重要源 地。由于沙源充足,加上冬、春兩季降水偏少,氣候干旱,大風(fēng)偏多,造 成銀川地區(qū)冬、春兩季沙塵暴頻繁發(fā)生,其中4 5 月是全年沙塵天氣的 高發(fā)期。本文使用的研究資料就來(lái)自于全自動(dòng)太陽(yáng)分光光度計(jì)c e 一3 1 8 所測(cè)得 的銀川地區(qū)2 0 0 2 年1 月、4 月、7 月、1 0 門(mén)u q 個(gè)門(mén)的太l j | 1 直接輻射數(shù)據(jù)。這四 個(gè)月的資料可以代表冬、春、夏、秋心季,不刷的氣候條件下的太陽(yáng)直接輻射 強(qiáng)度,對(duì)計(jì)算所得的大氣氣溶膠光學(xué)厚度和粒予譜分和的計(jì)算結(jié)果的分析可 以初步了解該地區(qū)大氣氣溶膠的物理和光學(xué)特性。 通過(guò)對(duì)計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行分析,可得到以f 的結(jié)論: ( 1 ) 在某一給定的波長(zhǎng)上,大氣氣溶膠的光學(xué)厚度隨不同氣象條件和觀 測(cè)點(diǎn)地理位置的不同而有很大的差異,甚至可能有完全不同的變化規(guī)律。由此 可知,在可見(jiàn)光和近紅外波段,大氣氣溶膠在1 i 同波段上的消光特性備不相同: 在可見(jiàn)光波段氣溶膠的消光能力比在近紅外波段人,j :且在i | ,見(jiàn)光波段氣溶膠 巍學(xué)潭菠豹變耗熬氣溶羧疆證特征翡交德綴饔顯;不羈豹波段對(duì)氣溶獲成分豹 變化的反,妲也各不相同。 ( 2 ) 。該地醫(yī)大氣氣溶膠光學(xué)厚度具有明駐的日變化和攀節(jié)變化。日 交億有豳種類(lèi)鼙( 9 :o o 一1 6 :0 0 ) ,茲稍分溺是:1 ) 大氣氣溶獲巍學(xué)浮 魔的日變化相對(duì)穩(wěn)定,這種情況下8 7 0 h m 、9 3 6 n m 和1 0 2 0n m 的t 。日平 均僮小予0 1 ,婦予大氣氣港膠在霹照光波段的吸牧斃在邋紅羚波段的 大,4 4 0 n m 處的t 。值在0 1 o 2 之闋;2 ) ,火氣氣溶膠光學(xué)厚度的目變 化楚體上呈上升的趨勢(shì);3 ) 大氣氣溶膠光學(xué)攀度早晚小。中午大;4 ) 9 l l 露鑫現(xiàn)蜂篷,其宅辯潤(rùn)交傀曉較奪。在大氣斃較渾洼酌情凝一f ,t 。 悶平均值比干凈大氣的同平均值大1 5 倍左右。對(duì)j 二季節(jié)炎化而富,則 怒冬春攀節(jié)大,秋季次之,夏季最?。合募総 。在觀測(cè)期間8 7 0 n m 、9 3 6 n m 和1 0 2 0 n m 豹嗣平均值分剮為0 1 0 4 ,0 1 1 0 ,0 1 t 9 ,4 4 0 n m 娃為0 2 2 6 。 眷季大氣中的主藤成分是沙塵,冬季大氣的主要成分是人類(lèi)活動(dòng)排放的 大量顳敉物,蕊夏季出予終水豹清除佟用明顯,氣滾膠數(shù)濃度較低,氣 溶膠光學(xué)厚度較小。 , ( 3 ) 該地區(qū)的不同種類(lèi)的氣溶膠粒子譜分布特征各不相同。煙煤和 窳溶性黢予豹灌分奄呈镲森,汐壘粒子翔釜魄較標(biāo)準(zhǔn)戇燕態(tài)勢(shì)鴦,宅翻戇這耱 分布是與粒子半徑和氣溶膠的成分密切相關(guān)的。水溶性粒子幾乎以核模態(tài)存在, 其中水溶性粒子半徑在0 0 0 1 1 。0um 占的比例很大,最大濃度分別高達(dá)l o 7 l 魄搬,占?xì)馊荀裼翑?shù)靜9 5 或踅多;潮煤粒予戳棱模漆和集聚模態(tài)存在,燕 大氣中比較穩(wěn)定的成分,數(shù)濃度比水溶憔粒子小一個(gè)量繳。沙塵粒子基本上以 糖模態(tài)存在于空氣孛,出予體積比較大,容易逶過(guò)于、滋沉降從大氣中移出, 所以含量極少,其數(shù)濃魔僅占總濃度的2 6 1 1 0 “。沙塵粒予數(shù)濃度的峰值 出現(xiàn)在1 0ui l l 左右,平均濃度為1 6 8 c m 。 氣溶獲煞數(shù)濃度鬟寄饔顯豹司交純( 9 :1 6 :0 0 ) 。零溶毪粒予熬嗣變 化呈雙蜂型,煙煤粒子和沙塵粒予變化璺單峰型變化,水溶性孝立子數(shù)濃度的峰 鑣 妊現(xiàn)在上午9 時(shí)和下午1 5 時(shí),煙煤性粒子的蜂值出現(xiàn)在l1 時(shí)1 3 時(shí)之間, 沙塵粒子晌峰值滋現(xiàn)在 ; li 辯之間。遮成氣溶狡酌這種交佬蕊律靜琢因狠 復(fù)雜,但歸根結(jié)底還是與產(chǎn)生氣溶膠粒子的排放源有關(guān)。 ( 4 ) 。氣溶蔽溜光系數(shù)睫裹壤是遞減熬,并照不同轉(zhuǎn)類(lèi)的氣滾膠的消必系數(shù) 鼠的廓線也有所不同,并且遞減豹速率黼高度的增加也是減小的,6 k i n 以下衰 減很快1 k m 衰減一個(gè)墩級(jí),6 k m 以上衰減較慢。水溶性粒子的消光特性與波 羧無(wú)關(guān),煙煤耨沙塵粒予麓瀵斃耱毪與波羧鴦關(guān),其孛4 4 0 n m 豹游競(jìng)系數(shù)夔氣 溶膠中煙煤和沙塵粒子的改變比較明顯,沙塵粒子的變化引起4 4 0 n m 處的光學(xué) 厚度和消光系數(shù)的變化綴大。 關(guān)鍵詞:c e 一3 1 8 太陽(yáng)光度計(jì);氣溶膠光學(xué)厚發(fā);沙塵天氣事件;沙塵氣溶 羧;粒子避分張:瀵光系數(shù) l l a b s t r a c t a t m o s p h e r ea e r o s o l si s as c a t t e rs y s t e r nt h a ts o l i d i t yo rl i q u i d n e s sp a r t i c l e s s c a t t e r e di n t oa t m o s p h e r e t h o u 魏t h em a s so fa t m o s p h e r i ca e r o s o ip a r t i c l e so n l y h a v ea p r o p o r t i o no f o n e b i l l i o n t ho f a t m o s p h e r i cm a s s i th a v ea n i m p o r t a n te 仃e c tt o t h er a d i a t i v ep r o c e s s ,c l i m a t i cc h a n g e , e n v i r o n m e n t a l q u a i l t y , c l o u da n dp r e c i p i t a t i o n p r o c e s s ,a n dp r o c e s so f w a t e rc i r c u l a t i o nt h a tm a k eu pt h er a d i a t i v ee l i m a t ee f f e c t , e n v i r o n m e n t a lh e a l t he f f e c t a n dc l o u dp h y s i c se f f e c t s ot h a t ,t h es t u d yo ft h e p h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i c ,o p t i c a ld e p t hm a dt h es p a t i a l a n dt e m p o r a l v a r i a t i o n sb e c o m ea k e y i s s u eo f a t m o s p h e r i cs c i e n c e s b yu s i n gt h eo b s e r v e dd i r e c ts o l a rr a d i a l i o nd a t ag a i n e db y t h ea u t o m a t i cs u n t r a c k i n gs p e c t r o p h o t o m e t e rc e 3 t 8 ,t h eo p t i c a ld e p t h , s i z e d i s t r i b u t i o na n d e x t i n c t i o nc o e m c i e n to f a t m o s p h e r i ca e r u s o l i se a l c u l a t e da n db yu s i n gt h er e s u l to f c a l c u l a t i o n ,w ea n a l y s et h ev a r i a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fo p t i c s ld e p t h ,s i z ed i s t r i b u t i o n a n de x t i n c t i o nc o e f f i c i e n to f a e r o s o l si ny i n c h u a n s y s t e m a t i c a l l y c e 3 1 8i sak i n do f e q u i p m e n tw i t hh i g hd e g r e eo f a c c u r a c yw h i c hh a v em a n y a d v a n t a g e ss u c ha se a s yt a k i n g ,e a s yf i x e d ,a u t o m a t i cs c a n n i n g ,s o l a re n e r g y c u r r e n t s u p p l y a n da u t o m a t i cd a t a t r a n s f e r r i n g e t c c e - 3 1 8i s m a i n l y u s e di nt h e m e a s u r e m e n to ft h er a d i a t i v ei n t e n s i t yo fs u na n ds k yw h i c hl i e si nv i s i b l el i g h ta n d n e a ri n f r a r e db a n di nd i f f e r e n tb a n d d i r e c t i o na n dt i m e b yu s i n gt h ed a t ao fd i r e c t s o l a rr a d i a t i o n ,w ec a nd op r e p r o c e s s i n gt h ee x t i n c t i o nd e p t h ,o p t i c a ld e p t ho f a e r o s o l s ,t o t a lw a t e rc o n t e n to fa t m o s p h e r ec o l u m n 。t o t a tc o n t e n to fo z o n ea n dt h e d a t ao fs k ys c a n n i n gc a nc a l c u l a t es i z ed i s t r i b u t i o nm a dp h a s ef u n c t i o no f a t m o s p h e r i ca e r o s 0 1 n o wc e 3 l8i su s e di nd u s ts t o r mo b s e r v a t i o n a ls y s t e mi no u r c o u n t r y w ec a l c u l a t et h ec a l i b r a t et o e f f i c i e n tb yu s i n gt h em e t h o do f l a n g l e yw i t ht h e d a t ao fd i r e c ts o l a rr a d i a t i o nw h e ni ti sf i n ea n ds t r a t i f i c a t i o no fa t m o s p h e r ei s s t a b i l i t yf i r s t t h e nw e c a l c u l a t ea e r o s o lo p t i c a ld e p t hb yu s i n gt h er u l eb o u g u e r o n t h eb a s i so fa e r o s o lo p t i c a ld e p t h w ec a l c u l a t es i z ed i s t r i b u t i o no fb yu s i n gt h e m e t h o do f m o n t ec a r l o w ea n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co f a e r o s o l o p t i c a ld e p t h , s i z e d i s t r i b u t i o na n de x t i n c t i o nt o e f f i c i e n ts y s t e m a t i c a l l y t y i n c h u a ni si o c a t e di nt h ee a s to f n o r t h w e s ti no u rc o u n t r y b a d a n j i l i nd e s e r t a n dt a n g - g e l id a s e r tl i et ot h en o r t h w e s t 。a n dm a o w u s ns a n dl a n de a s t t h e d e s e r t sa n ds a n di a n da r ei m p o r t a n ts o u r c e so fd u s ta e r o s o li nt h i sa r e a d u 0t ot h e p l e n t yo fs a n ds o u r c e sa n dl a c k i n go fp r e c i p i t a t i o ni n w i n t e ra n ds p r i n g ,i t sd r y c l i m a t ea n dg a l er e s u l ti nf r e q u e n td u s ts t o r m ,i np a r t i c u l a r l yd u r i n ga p r i la n dm a 孓 t h ed i r e c ts o l a rr a d i a t i o nd a t aw h i c hi su s e di nt h i sp a p e rg a i n e db yc e - 3 l8i st h e s u nd i r e c tr a d i a t i o ni na p r i l ,j u l y , o c t o b e ra n dd e c e m b e r t h ed a t ac a l lr e p r e s e n tt h e d i r e c ts o l a rr a d i a t i o no f s p r i n g ,s u m m e r , a u t u m na n dw i n t e r b ya n a l y z i n g t h er e s u l t o fc a t c u l a 【e do p t i c a ld e p t ha n ds i z ed i s t r i b u t i o n w ec a ns u p p l yar e f e r e n c et oa f u r t h e rs t u d yo f a t m o s p h e r i ca e r o s 0 1 t h e r ea r em a n yc o n c l u s i o n s : ( 1 ) a e r o s o lo p t i c a ld e p t hc h a n g ew i t hd i f f e r e n tw e a t h e rc o n d i t i o n sa n d g e o g r a p h i c a ll o c a t i o na n de v e nh a v ead i f f e r e n tv a r i a t i o ni n ac e r t a i nw a v e b a n d 。t h ec h a r a c t e r i s t i co fa e r o s o lo p t i c a ld e p t hi sd i f f e r e n ti nd i f f e r e n tw a v e b a n d :t h ec a p a b i l i t yo fe x t i n c t i o nb i g g e ri nv i s i b l el i g h tt h a ni nn e a ri n f r a r e d a n dt h ev a r i a t i o no fa e r o s o l o p t i c a ld e p t hi s o b v i o u sw i t hp h y s i c a la n d c h e m i c a lc h a r a c t e r i s t i co fa e r o s o l s d i u r n a la v e r a g em e a no fa e r o s o lo p t i c a l d e p t hi nc l e a ra t m o s p h e r ei so n em a g n i t u d es m a l l e rt h a nt h i si nd u s tf l o a t i n g a n dd u s tb l o w i n gw e a t h e r 。 ( 2 ) t h ea e r o s o lo p t i c a ld e p t h ( a o d ) a p p e a r sa p p a r e n t l yd i u r n a la n ds e a s o n a l v a r i a t i o n s t h e r e a r e f o u r t y p e s o f d i a m a lv a r i a t i o n s ( 9 :0 0 1 6 :0 0 ) a n d t h e y a r e : 1 ) a 0 0i sr e l a t i v e l ys t e a d 蘚d i u r n a la v e r a g eo f 8i n8 7 0 n m ,9 3 6 n ma n d 1 0 2 0 n mi sl e s st h a n0 1a n di n4 4 0 n mr a n g ef r o m0 1t oo 2b e c a u s et h e e x t i n c t i o ni s l a r g e ri nv i s i b l el i g h tb a n d st h a ni nn e a ri n f r a r e du n d e rt h i s c i r c u m s t a n c e s 2 ) a o dh a sat r e n do f i n c r e a s e ;3 ) a o dh a sap e a kv a l u ea tn o o n ; 4 ) a o dh a sap e a kv a l u ei nt h em o n f i n g ( 9 :o o l l ;0 0 ) ,b u tt h ev a r i a t i o ni ss m a l la t o t h e rt i m e d i u m a la v e r a g eo f t 8i nc l e a rd a y si sa b o u t1 5t i m e sl a r g e rt h a n t h a to f 1ni n t u r b i d i t yc o n d i t i o n s w h i l et h es e a s o n a lv a r i a t i o ni sl a r g e i n w i n t e ra n ds p r i n g , s m a l l e ri na u t u m na n dt h es m a l l e s ti ns u m m e r :t h em o n t h l y a v e r a g ev a l u ei ns u m m e r i s0 + 1 0 4 ,0 + 1 1 0 。o 1 1 9i n8 7 0 n t o ,9 3 6 n ma n d1 0 2 0 h ma n di n 4 4 0 n mi s0 2 2 6 t h em a i n c o m p o n e n t s o f a t m o s p h e r ea r ed u s ti ns p r i n ga n dp l e n t y o f p a r t i c l e sw h i c ha r el e to u ti nt h ea i rb vh u m a nb e i n g si nw i n t e r a sf a ra si n s u m m e r , a o da n da e r o s o ln u m b e rc o n c e n t r a t i o na r er c t a t i v e l ys m a l lb e c a u s eo f w e td e p o s i t i o ni na n du n d e rc l o u d s 3 ,。s i z ed i s t r i b u t i o no fb i t u m i n o u sc o a lp a r t i c l e sa n dw a t e rs o l u b i l i t y p a r t i c l e sh a v eat r e n do fs k e w n e s sa n dd u s ta e r o s o lh a sat r e n do fn o r m a l i t y t h e s ek i n d so fs i z ed i s t r i b u t i o n sa r ec l o s e l yr e l a t e dt ot h e i rr a d i u sa n d c o m p o n e n t o f p a r t i c l e s 。 腑f e rs o l u b i l i t yp a r t i c l e se x i s tw i t hn u c l e u sm o d a l i t y t h er a d i u so fw a t e r s o l u b i l i t yp a r t i c l e sf r o m0 0 0 1t o0 1 h a v eal a r g ep r o p o r t i o no ft o t a la e r o s o la n dt h e m a x i m u mo fn u m b e rc o n c e n t r a t i o n sf r o m1 0 1 0 8 c m w h i c hh a v eap r o p o r t i o n a b o v e9 5 b i t u m i n o u sc o a l p a r t i c l e s w h i c hn u m b e rc o n c e n t r a t i o ni so n e m a g n i t u d es m a l l e rt h a n w a t e rs o l u b i l i t y p a r t i c l e s e x i s tw i t hc o n c e n t r a t i o n m o d a l i t ya n di t i s r e l a t i v e l ys t e a d yc o m p o n e n ti na t m o s p h e r e d u s tl i k ep a r t i c l e s w h i c hi se a s yt od e p o s i ti nf r o ma t m o s p h e r eb e c a u s eo ft h e i rl a r g ec a p a c i t yt h l o u g h w e td e p o s i t i o na n dd r yd e p o s i t i o np r i m a r i t ye x i s tw i t hc o a r s em o d a l i t ya n dt h e n u m b e rc o n c e n t r a t i o no fd u s tl i k e p a r t i c l e s t a k e 2 6 1 1 0 4 p r o p o r t i o n o f a t m o s p h e r i ca e r o s 0 1 p e a k i n gv a l t i eo f d u s tl i k ep a r t i c l e sa p p e a r s 越a b e u t1 0 簪m a n di t sa v e r a g ev a l u ei s1 6 8 e m t h en u m b e re o n c e t a t r a t i o no f a e r o s o lh a sad i u r n a lv a r i a t i o n ( 9 :0 0 l o :0 0 ) 。 w a t e r s o l u b i l i t yp a r t i c l e sh a v ea d i u m a lv a i l a t i o nw i t h 幻wp e a k ,w h i l eb i t u m i n o u s t e a ia n dd u s tl i k ep a r t i c l e sh a v eo n l yo n ep e a ki nad a y t h ep e a kv a l u e so f w a t e rs o l u b i l i t yp a r t i c l e sa p p e a ra t9 :0 0i nt h em o r n i n ga n d1 5 :0 0i nt h ea f t e r n o o n 。 t h e p e a kv a l u eo f b i t u m i n o u st e a lp a r t i c l e sa p p e a r sf r o m11 :0 0t o 3 :0 0a n d t h ep e a kv a l u eo fd u s tp a r t i c l e sa p p e a r sf r o m9 :0 0t ol1 :0 0 t h er e a s o nt h a t r e s u l t si nt h e s ek i n do f c h a n g e i sv e r y c o m p l e x ,b u ti ti sr e l a t e dt ot h es o u r c e o f c r e a t i n ga t m o s p h e r i ca e r o s 0 1 ( 4 ) 。t h ee x t i n c t i o nt o e f f i c i e n td e c r e a s e sw i t ht h eh e i g h ta n dt h ep r o f i l eo f 鼠i sd i f f e r e n tb e c a u s eo f a e r o s o lt y p e s 。t h er a t i oo f d c c r e a s ei sq u i c ku n d e r 6 k mb u t m u c hs l o w e ra b o v e6 k r na n da b o u to n em a g n i t u d ed e c r e a s ep e rk i l o m e t e nt h e c h a r a c t e r i s t i co f e x t i n c t i o no f w a t e rs o l u b i l i t yp a r t i c l e si si n d e p e n d e n to nw a v eb a n d , a n dt h ee x t i n c t i o no f b i t u m i n o u sc o a la n dd u s tp a r t i c l e si sd e p e n d e n to nw a v e b a n d b e c a u s e4 4 0 n mi ss e n s i t i v et ot h ev a r i a t i o no fb i t u m i n o u sc o a la n dd u s t p a r t i c l e s ,t h e v a r i a t i o no fd u s tp a r t i c l e sc a nr e s u l ti nm u c hv a r i a t i o n so f o p t i c a ld e p t ha n de x t i n c t i o nt o e f f i c i e n t k e yw o r d s :a u t o m a t i cs u nt r a c k i n gs p e e t r o p h o t o m e t e rc e - 3 1 8 ;a e r o s o lo p t i c a l d e p t h ;d u s t w e a t h e re v e n t ;d u s ta e r o s o l ;s i z ed i s t r i b u t i o n ;e x t i n c t i o nc o e f f i c i e n t v 第一革 耽透 大氣氣滾膠怒一門(mén)邊緣學(xué)科,與大氣物理( 云甥理、大氣輟瓣傳浚、大氣 電學(xué)) 、窩氣污染、大氣化學(xué)、黼層大氣物理學(xué)、氣候變化、環(huán)境和工程技術(shù)、 醫(yī)療衛(wèi)塵簿相關(guān)。因此大氣氣溶膠是一個(gè)十分重要的學(xué)科。 薅流鼷氣溶羧粒子圭蘩來(lái)源予工鼗滔動(dòng)、生耱燃澆等久為源戳及汐奎天氣 事件、海洋粒子等自然源,可分為自然氣溶膠和人為氣溶膠【l 】。大氣氣溶膠的 朦生粒子是通過(guò)包括風(fēng)揚(yáng)塵、交通和其他工業(yè)活動(dòng)、海浪濺沫_ l ;l l 海洋中的氣泡 破袋、火由瀑發(fā)等固幸搴、液體豹璇靜酸褡過(guò)程麗產(chǎn)生酌;大氣巾的氣粒轉(zhuǎn)純 過(guò)程是氣溶膠的另一種重疆來(lái)源。 盡管氣溶膠楚大氣巾豹微量成分,毽其侮瑙卻綴大。它黠大氣疆射健竣、 氣候交化、環(huán)境質(zhì)量、云和降水過(guò)程、以及水文循環(huán)過(guò)稔都有重溪影響,構(gòu)成 氣溶膠的輻射效威【2 l 、環(huán)境健康效應(yīng)【3 。5 埽u 云物理效應(yīng)。因此,研究氣溶膠的物 璜往學(xué)走學(xué)特性及其瓣空交豫纛律藏爻大氣瓣學(xué)豹一個(gè)熱熹翊戇。 。 大氣氣滾膠麓余 大氣氣溶膠怒由固態(tài)成液態(tài)質(zhì)粒分散到空氣中形成的分散體系,通常是指 懋浮在大氣中壹經(jīng)棗子l0pm 麴微粒,雖然宅躲質(zhì)量?jī)x占整個(gè)大氣質(zhì)疑懿卡 億分之一。但它對(duì)大氣輻射傳輸和水循環(huán)均有重要的影響州。它在許多大氣化 學(xué)過(guò)程中起催化作用,是許多大氣過(guò)程的中間或最終產(chǎn)物。 氣溶黢粒子鶼形狀備器,大致可努冀等轆竣( 翔球敬、麓粥多覆體) 、片狀 ( 兩維長(zhǎng)、一維短的質(zhì)豐立) 和纖維狀( 一維尺度大、另兩維尺度很小) 三種類(lèi) 型,通常進(jìn)行有關(guān)氣溶膠的研究時(shí)都將氣溶膠粒子看作:i 璉似的球形;橫搬氣港 黢粒子蠢徑的大小可敬將氣溶觳粒子分為細(xì)耬子( r l 拜融) ; 根據(jù)氣溶膠粒子的聚集狀態(tài)可以將氣溶膠粒子分為核模態(tài)質(zhì)粒( r o 0 5 1 1m ) 、 積聚模態(tài)璇粒( o 0 5 扛m r 1 0 # 融) ;根據(jù)灝際氣 象與大氣物理執(zhí)會(huì)( l a m a p ) 定義的標(biāo)準(zhǔn)輻射大氣( s r a ) 中的氣溶膠模濺,氣 溶膠在對(duì)流層由水溶性、沙塵性、海洋性、煙煤性四種罄本氣溶膠組成,根據(jù) 這毅耪綴分鞠苓列孬勢(shì)跑含量,毒籜氣滾黢定義為夫陵型、城棗王t r 墼秘海洋型 三種基本模型。 大氣氣溶膠主要集中在對(duì)流層低層5 k m 以下,對(duì)流艨中高層的氣溶膠與近 螽| 疆稻邊界瑤氣溶膠有饕菲零密臻翡關(guān)系,雖然其來(lái)源綴復(fù)雜,餐大致訝努為 兩類(lèi):一類(lèi)是固體、液體物質(zhì)的機(jī)械破驊作用形成的,遮類(lèi)過(guò)程所產(chǎn)生的粒子一 的直徑較丈,構(gòu)成我們通常所泌的糖粒態(tài)氣溶膠,它們以顆粒物約形式豢接進(jìn) 入大氣 稱(chēng)為原生粒子) ,它們魏平均粒濃度較大,仡學(xué)成分院較接近地蠢物質(zhì) 的化學(xué)成分;另一類(lèi)是氣一粒轉(zhuǎn)化過(guò)程中形成的再生粒子,這種過(guò)程產(chǎn)生的粒子 畿經(jīng)較夸,構(gòu)成綴粒態(tài)氣滾黢,窀翻豹平均粒濃度較小,純學(xué)成分比較復(fù)雜登 隨時(shí)間、空問(wèn)有很明顯的變化。 1 2 大氣氣溶膠的效應(yīng) 大氣氣溶膠因其濃度低、生命期短、時(shí)空變化大、來(lái)源復(fù)雜等特點(diǎn)在氣候 變化研究中成為最大的不確定性因素。它的輻射氣候效應(yīng)、環(huán)境健康效應(yīng)和云 物理效應(yīng)是學(xué)術(shù)界普遍關(guān)心和研究的問(wèn)題。 1 。2 1 輻射氣候效應(yīng) 太陽(yáng)輻射能源是地氣系統(tǒng)的主要能源,地面接收到的太陽(yáng)輻射能對(duì)地面的 熱狀況、生物生長(zhǎng)、人類(lèi)活動(dòng)等有著巨大的影響。到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射受到很 多因素的影響,其中大氣氣溶膠扮演著一個(gè)非常重要的角色。大氣中不斷增加 的氣溶膠粒子通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射的散射、吸收以及本身放射長(zhǎng)波輻射改變了地面 和大氣的能量收支平衡,從而影響全球氣候。 由于不同的物理光學(xué)特性,有些類(lèi)型的氣溶膠對(duì)地氣系統(tǒng)起加熱作用,而 有些類(lèi)型的氣溶膠對(duì)地氣系統(tǒng)起冷卻作用,再加上大粒徑的氣溶膠粒子又可以 作為云的凝結(jié)核,從而使氣溶膠的輻射效應(yīng)具有很大的復(fù)雜性,其物理過(guò)程遠(yuǎn) 比c 0 2 的溫室效應(yīng)復(fù)雜得多。大氣氣溶膠影響輻射平衡的幾個(gè)途徑是:( 1 ) 對(duì)太 陽(yáng)輻射的吸收和散射:( 2 ) 對(duì)地表反射的太陽(yáng)輻射的散射和吸收;( 3 ) 對(duì)云滴相 變過(guò)程而影響云的形成和壽命;( 4 ) 對(duì)紅外輻射的吸收和散射。在這些影響中, 有些是加熱作用,有些是冷卻作用。不管氣溶膠的吸收是發(fā)生在可見(jiàn)光波段還 是紅外波段上,對(duì)大氣總是起加熱作用:入射太陽(yáng)輻射的后向散射對(duì)地面起冷 卻作用,而氣溶膠又增加了大氣逆輻射,對(duì)地面起加熱作用。總之,氣溶膠對(duì) 輻射的影響非常的復(fù)雜,并且各種冷卻、加熱效應(yīng)不是單獨(dú)出現(xiàn)的忙j 。 大氣氣溶膠通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射的直接作用以及對(duì)云的微物理過(guò)程的影響、對(duì) 大氣化學(xué)過(guò)程的影響而對(duì)氣候化起直接強(qiáng)迫和間接強(qiáng)迫 9 - 13 】作用,這就是氣 溶膠的氣候效應(yīng)。i 一方面,氣溶膠粒子對(duì)太陽(yáng)短波輻射和地面長(zhǎng)波輻射的吸收 和散射作用,改變地氣系統(tǒng)的能量收支,直接影響氣候;另一方面,氣溶膠 粒子還可作為云的凝結(jié)核( c c n ) 改變?cè)频墓鈱W(xué)特性和生命史,間接影響氣候。氣 溶膠對(duì)氣候的另種間接影響i1 = | i l 在其大氣化學(xué)過(guò)程中,它可以影響對(duì)流層和 平流層中微氣體的非勻相化學(xué)及卜尤其是與臭氧減少有關(guān)的化學(xué)反應(yīng)都發(fā)生 在氣溶膠粒子的表面,從而影響臭氧平衡,閫接影響地氣系統(tǒng)的能量收支i l 。 研究表明,通過(guò)氣溶膠的吸收和散射作用直接到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射通量密度只 要有1 。2 的改變。就會(huì)對(duì)全球氣候產(chǎn)生重大的影響【i ”。 另外,天氣和氣候的變化在一定程度上受到人類(lèi)活動(dòng)的影響。如溫室氣體 ( c 0 2 、c h 4 等) 引發(fā)全球增暖,氟氯碳的廣泛使用導(dǎo)致的臭氧層的破壞,硫酸 鹽濃度的增加等,這些都在不同的程度上改變了云物理特征。氣溶膠對(duì)臭氧層 的破壞具有反效應(yīng)【協(xié)1 ,對(duì)輻射有“陽(yáng)傘效應(yīng)”,這些效應(yīng)改變了大氣環(huán)境。因 此有必要弄清人氣巾每一種物質(zhì)的循環(huán)、源匯、輸送、分m j 、干濕沉降及它們 之蠲豹籀蠢 摹蠲,這徉人們力縫逡基翡分耩大氣氣溶荻對(duì)天氣、氣候豹綴期、 中期、長(zhǎng)期效應(yīng),從而正確的預(yù)報(bào)天氣、氣候的變化趨勢(shì)。 1 2 2 環(huán)境健康效成 全球的工業(yè)灣染正在不鏨的獲變著大氣均鼗學(xué)殘分。出人類(lèi)活動(dòng)攙入大氣 中的有害氣體如s 0 2 、n 0 2 、c 0 2 等氣體、工業(yè)粉塵、風(fēng)沙揚(yáng)塵以及民用煤的燃 燒排放的氣體是造成大氣嚴(yán)重污染的重要來(lái)源。遮些物質(zhì)對(duì)人體的危害郡是非 鬻大豹,袋塔大氣氣溶狡與久類(lèi)熬艇康蜜韜穰關(guān)。一觳露富,氣麓力學(xué)足溲奩徑 大于1 0 um 的粒子基本上被阻止于人的鼻腔,直徑大于2pm 小于1 0 pm 的粒子 大約有9 0 可以進(jìn)入并沉秘予呼i 妓道各個(gè)部位,1 0 的粒予可到達(dá)黼深處勢(shì)派積 予耱部,纛徑夸予2 # m 豹粒子可以1 0 0 的談設(shè)入肺部,藏串壹徑在0 3 - 2p i l l 之間的粒予幾乎全部沉積予肺部不能被呼出。 由此霹見(jiàn),以空氣動(dòng)力學(xué)尺壤磅究大氣中氣溶蔽粒予敢數(shù)量濃度、襲囂璦 濃度、質(zhì)爨濃度井獲取相j 斑的譜分布及其變化規(guī)律,能夠更加直接的判斷某一 地區(qū)或某個(gè)城市大氣污染程度和大氣氣溶膠對(duì)人們身體健康的危害程度“7 。但 出予氣溶黢粒子戇濃疫穗堍煮彝辯閼餐交純?nèi)×栌梵薮L靛攆蔽搴、嵩澈貔彗薹 離、化學(xué)轉(zhuǎn)化、大氣中的對(duì)流和平流以及湍流擴(kuò)敝輸送的強(qiáng)度、干濕沉降過(guò)程 的效率等磺多因素的影響,因此氣溶膠濃度的時(shí)空分靠述存在綴大的不確定性 f 8 ;嘲 。 由于i 璉半個(gè)世紀(jì)以來(lái)雌界各豳工業(yè)和經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展,人類(lèi)活動(dòng)排入大氣 中的有害氣體爨蕊增多,每l 起7 談婦“漫嶷效應(yīng)”、“平浚疑臭氧減少”、“羧霹” 等危害入類(lèi)生存條件和生活環(huán)境、促使疊三態(tài)環(huán)境發(fā)生巨大的全球變化的全球性 污染問(wèn)題睥0 1 。大氣氣溶膠隨接或間接的影響人類(lèi)生活環(huán)境,因而世界氣象組織 建漢把氣滾黢匏蕊濺殘為大氣污染燕測(cè)蘩瓣重要溉測(cè)頸囂。 。2 3云物瑾效蔽 在水汽的凝結(jié)過(guò)程中,部分氣溶膠可作為云凝結(jié)核和冰核,參與云和降水 的形成窺發(fā)展過(guò)程,增擻云滾濃發(fā),減小云凌平均半徑,勞對(duì)漲稠過(guò)程產(chǎn)生一 定的影響,因而對(duì)降水起到抑制作用;減緩了水文循環(huán)過(guò)程,降低了污染物的 清除效率;還可能延長(zhǎng)云的生命史,增加云量,遮進(jìn)一步增強(qiáng)了對(duì)進(jìn)入犬氣的 太陽(yáng)疆莉豹麓囂,擒藏氣滾獲潤(rùn)簇輻瓣效褒。“。 r o s e n f e l d 根獺衛(wèi)星觀測(cè)指出,氣溶膠污染抑制降水的發(fā)展,使氣溶膠對(duì)氣 候的間接強(qiáng)迫比我們以鼬預(yù)料的犬“”,面與氣溶膠云物理效應(yīng)密切相關(guān)的水文 鑲環(huán)壹接翻浚求資源懿剝糯和矮麓關(guān)聯(lián),遮構(gòu)成了2 l 登緇的一個(gè)童要的環(huán)境闖 題?!啊?國(guó)羚學(xué)黃對(duì)氣滾膠躲云物理效瘟進(jìn)髫了讒多戮究。璽物質(zhì)燃燒”“生殘大量 豹尺度較小的云凝結(jié)核( c c n ) ,其核化形成大量的小云滴洶,使云滴碰并增長(zhǎng) 彝 藏褥清靜效率下降,觚蕊籜鍘了簿窳鞠形成翻發(fā)展“。物質(zhì)燃燒形成鵑煙霧 氣溶膠對(duì)降水的抑制作用最近由熱帶降水觀測(cè)計(jì)劃( t r m m ) 的觀測(cè)所證實(shí)洶1 , 城市和工她污染氣溶膠對(duì)咚水的影響還知之甚少。船艟煙囪的拷敬甥使海洋層 歉云中的綴成轉(zhuǎn)變成大量豹小云滴,通過(guò)液態(tài)永羹新分布,改交了云的微結(jié)構(gòu)。 空攮。7 3 和飛機(jī)洶1 觀測(cè)表明海洋層積云中的污染帶與船舶航線相對(duì)廢,為此提供 了嶷接涯掇。 ,3 沙塵氣溶駁高沙塵天氣事l 每 沙塵氣溶膠怒對(duì)流層氣溶膠的主要成分之一,全球每年輸入大氣的沙塵氣 溶膠約有l(wèi) o 2 0i i i l ,約占對(duì)滾層氣滾膠總質(zhì)量的一半f 2 9 1 。大氣中的沙塵 圭l 沙塵 暴、揚(yáng)沙和浮塵天氣帶入天氣,受下?lián)次鞯挠绊戄^大,沙漠和干翠地區(qū)怒沙塵 氣溶膠的煎要源地,當(dāng)下駕凸面的溉度增加時(shí)可以抑制塵埃的輸送;土地開(kāi)墾 是久類(lèi)影釃含塵爨豹重要窮纛。 ,3 + 沙塵夭氣攀饞 沙塵暴的發(fā)生、發(fā)展是特定背景和特定下墊麗條件下的產(chǎn)物。地耐氣象觀 測(cè)規(guī)范 3 0 l 定義:浮塵是由于塵土、細(xì)沙均勻的懸浮在空中,使水乎能見(jiàn)壤小于 l o k m ,浮塵多為遁鏈汐塵經(jīng)上層氣流遠(yuǎn)躐離輸送瓶來(lái),藏是沙塵黎、揚(yáng)沙天氣 過(guò)后沒(méi)有下沉的細(xì)顆粒懸浮在空氣中形成的。揚(yáng)沙是由于大風(fēng)將沙塵吹起,使 空氣梗當(dāng)瀛濁,水平能霓發(fā)在1 - l o

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