沙尘气溶胶影响新疆对流云降水的数值模拟研究

为研究沙尘气溶胶层对云和降水的影响,本文使用耦合了分档云微物理方案(SBM)的Weather Research and Forecast Forecasting model(WRF)高分辨率天气模式(WRF-SBM),模拟了2016年7月8日发生在新疆阿克苏地区的一次强对流天气过程,并分别讨论了处于不同高度的沙尘层对云动力、微物理和降水形成过程中的作用。结果表明:沙尘层处于对流层中低层时,沙尘气溶胶作为云凝结核(cloud condensation nuclei,CCN)对云微物理过程的影响比其处于中高层时更明显,沙尘气溶胶使得CCN增加,云滴数浓度增加,云滴有效半径减小,降水延迟;而沙尘层处于对流层中高层时,沙尘气溶胶作为冰核(ice nuclei,IN)对云微物理过程影响更明显,沙尘气溶胶使得IN浓度增加,冰晶数量增加,雪、霰、雹的凇附增长率增加,参与融化过程的冰相粒子增多,降雨率增大。本文仅讨论了发生在新疆的这次对流天气过程对处于不同高度的沙尘气溶胶层的可能响应,要全面认识沙尘气溶胶对不同类型云降水过程的影响,需要进行更多的、有观测资料约束的模拟研究。

人工影响天气虚拟仿真实验及课程体系建设

在“人工影响天气”的相关课程教学中,构建虚拟仿真实验教学平台有助于学生深入理解基础理论知识,并对实际业务操作及催化方案设计、优化产生感性认识。虚拟仿真实验教学突破了室内教学时空及仪器设备昂贵的局限性,解决了自然界中不能对同一块云反复催化的实际困难,对云降水环境及人工催化过程高度重现,对理论教学体系及教学形式进行补充,完善了课程教学体系。此外,科技成果在教学和本科生科研创新活动的引入,进一步增强学生科技创新意识及学习兴趣,促进了科研创新型人才的培养。

沈阳市大气降水污染与沉降特征的城郊差异

为了解沈阳地区大气降水污染与沉降特征的城郊差异,对2018~2022年沈阳市铁西区站点(城市)和苏家屯站点(郊区)降水样品的电导率、pH值和各种水溶性离子浓度及其沉降量进行了研究.结果表明,观测期间两站点平均pH值分别为7.12(6.09~8.36)和7.11(5.88~8.19),均呈碱性,无酸性降水.城郊站点的降水电导率和总水溶性离子平均浓度差异不大,2018~2022年期间整体呈现下降趋势.沈阳两站点的相对酸度(FA)均值为0.0004,(Ca^(2+)+NH_(4)^(+))/(SO_(4)^(2-)+NO_(3)^(-))均值分别达到了1.57和1.61,表明碱性离子的中和能力较强.大气降水中NO_(3)^(-)/SO_(4)^(2-)的比值介于0.41~0.58,SO_(4)^(2-)-S湿沉降量分别是NO_(3)^(-)-N和NH_(4)^(+)-N沉降量的1.14倍~2.20倍,表明沈阳大气降水主要以硫沉降为主.城市站的无机氮沉降量总体上高于郊区站,其中NH_(4)^(+)-N平均沉降量分别是NO_(3)^(-)-N的1.74和1.78倍,说明沈阳市大气降水中的无机氮以还原态氮占主导,这主要与汽车尾气、城市绿地养护、人体排泄物以及郊区频繁的农业活动相关.

南京夏季气溶胶吸湿增长因子和云凝结核的观测研究

为了更加全面地研究长三角地区气溶胶的理化特性,尤其是吸湿和活化特性,于2013年8月在南京市区对气溶胶的吸湿增长因子（GF）和云凝结核（CCN）展开相关观测研究.使用串联电迁移率颗粒物吸湿粒径分析仪（H-TDMA）观测32~350nm气溶胶在相对湿度为90%条件下的吸湿性参数,使用云凝结核计数器（CCNC）观测过饱和度在0.2%~0.8%的CCN数浓度.结果表明,不同气溶胶粒子的吸湿增长行为均表现出较为明显的双峰分布,即一个强吸湿模态和一个弱吸湿模态,且吸湿性在不同粒径（爱根核模态和积聚模态）上存在较为明显的不同,不溶性物质和二次气溶胶所占比重较大,并且在稳定的天气条件下,气溶胶的混合状态表现为由外混向内混发展的过程.观测期间该区域CCN的平均数浓度为13776（0.6%）cm-3,比沿海区、山区、干旱地区及清洁城市地区要高很多.其日变化表现为中午时刻出现峰值,影响因素主要与光化学反应有关.同时25日出现的轻雾过程对CCN有较为明显的清除作用.通过吸湿性参数计算得到的CCN数浓度和实际观测得到的CCN数浓度进行了闭合实验,结果显示出较好的相关性,表明将未饱和条件下观测得到的吸湿性参数带入到K？hler方程中,即可预测过饱和条件下气溶胶的活化能力.

人为气溶胶对地形云降水的影响:以黄山地区为例

选取黄山站为高山站,周围黄山区、绩溪、黄山市三个低海拔高度站为对比站,比较高山站与对比站1960—2009年降水量差值,即地形影响因子R0的变化趋势,以及同期能见度的变化,分析了人为气溶胶对黄山地形云降水的可能影响。结果表明,1960—1979年能见度下降,气溶胶含量增大,R0升高;1980—1989年,能见度升高,气溶胶含量有下降趋势,不同对比站R0变化趋势不同;1990—2009年,能见度下降,气溶胶含量升高,R0显著下降。气溶胶对降水的影响作用与背景气溶胶浓度有关,背景气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度可促进降水;背景气溶胶浓度较高时,增加气溶胶含量对降水抑制作用显著,对应的能见度阈值为10km。当气溶胶对降水起抑制作用时,抑制作用与风速成反比,与风频和各风向平均降水量呈显著正相关。

气溶胶影响混合相对流云降水的数值模拟研究

利用一种新的异质冰相核化参数化方案，研究了当气溶胶同时作为云凝结核和冰核时，在不同高度输送对混合相对流云和降水的影响。结果发现，对于本文研究的理想混合相对流云，气溶胶在边界层的输送导致液滴数浓度明显增加，有效半径减小，霰粒的生长受到抑制，引起霰粒质量浓度降低；而气溶胶在对流层中层4～6km输送时，导致冰晶和霰粒数浓度明显增加。由于较多的冰晶引起更加快速的贝吉隆过程，使霰粒的质量浓度增加；气溶胶在对流层中层2～4km高度输送时冰相形成作用相对较弱，并引起霰粒的数浓度略微增加，由于霰粒的有效半径减小导致其质量浓度下降。气溶胶在不同高度的输送都导致液态和固态降水率降低，随着背景气溶胶数浓度的增加，气溶胶在0～2km、2～4km以及4～6km的输送分别导致累积降水量减少28％～64％、4％～44％和3％～46％，并且对降水的抑制效应及所在高度不同引起的降水差异随着背景气溶胶数浓度的增加而减小。

FY-4 A/GIIRS反演夏冬季有云时大气温湿度廓线的精度评估

FY-4A/GIIRS(Geostationary Interferometric Infrared Sounder)首次实现了地球静止轨道红外高光谱探测,可以连续获得高垂直分辨率的大气温度和湿度廓线信息。当GIIRS视场内有云存在时,目前Level 2业务大气温湿度垂直廓线产品只提供观测视场内云顶以上高度的温度廓线,且不反演整个视场的湿度廓线。基于GIIRS辐射观测值用U-Net卷积神经网络算法实现了全天空大气温湿度廓线反演,包括晴空和全云覆盖视场,同时利用常规无线电探空观测资料对反演精度进行了检验。结果表明:U-Net算法有云视场的温湿度廓线反演能力与晴空相当,且夏季温度反演精度优于冬季,有利于灾害性天气多发季节的监测。在云系较活跃的夏季,随着视场内云量的增加温度廓线反演精度逐渐变高,表明该算法适用于有云时大气温度廓线反演,而湿度随着云量的增加反演均方根误差RMSE增大。视场内不同云光学厚度时温度反演误差相差不大,RMSE均在2.5 K左右,平均偏差ME在1 K以内,对流层高层薄云时反演误差相对而言较小。湿度反演随着云光学厚度的增大反演误差也增大,说明对于一定程度的薄云,GIIRS能够获得不错的反演精度。虽然U-Net算法物理意义不明确,但是能够快速实现全天空大气温湿度廓线反演,尤其在有云时能够获得更高的反演精度。

基于多源资料的徐州地区气溶胶时空变化特征

综合利用AERONET、MODIS、CALIPSO、MERRA-2气溶胶反演产品和CHAP PM_(2.5)产品,对徐州地区2014—2020年的气溶胶光学特性水平和垂直分布、气溶胶组分和PM_(2.5)质量浓度的时空变化进行了综合分析。分析AERONET数据发现,徐州地区气溶胶光学厚度(AOD,550nm)夏季最高,其次为春季和秋季,冬季最低,而波长指数(AE)则相反;季节平均AOD和AE分别为0.53~0.71和1.11~1.33;2014—2018年平均AOD为0.70~0.47,呈显著下降趋势。粒子谱呈双峰分布,且季节差异显著,其中春夏季主导粒子分别为粗、细粒子,秋冬季的粗、细粒子浓度相当。粒子有效半径在春季最大、夏季最小。冬季单次散射反照率(SSA,440~1020 nm)最小,气溶胶吸收光学厚度(AAOD,440 nm)最大,而夏季相反。气溶胶直接辐射强迫(ARF)与AOD呈显著正相关,大气层底部ARF对AOD的变化更敏感,且其辐射强迫效率(ARFE)与SSA有较强负相关。分析CALIPSO气溶胶廓线发现,冬春季气溶胶消光系数随高度减小的趋势更显著;受边界层高度影响,夏季气溶胶消光系数随高度减小的趋势显著减缓。近地面气溶胶消光系数有逐年减小趋势,其中冬春季的下降更显著。分析MODIS AOD空间分布发现,AOD总体呈市区高、周边地区低的分布特征。徐州全域AOD年均值呈下降趋势,其中市区下降最快,年下降率约为-0.12。从CHAP PM_(2.5)空间分布来看,徐州西北部PM_(2.5)最高,所有区域均呈下降趋势,其中冬季下降幅度最大,年下降率为-6μg/m^(3)。从MERRA-2再分析资料来看,颗粒物柱质量浓度中沙尘占比最大,其次为硫酸盐。颗粒物柱质量浓度总体呈逐年下降趋势,年下降率为-0.29 mg/m^(2),其中沙尘气溶胶下降最大。

南京北郊硫酸盐气溶胶性质实验观测

通过南京北郊的微脉冲激光雷达(MPL)对气溶胶进行了连续观测,结合温度、湿度以及SO_2浓度等资料分析了气溶胶的变化规律,结果表明,近地面(300m)气溶胶的退偏振比在00:00~10:00出现较大值,最大值可达0.163,峰值出现在05:00左右;该高度处的退偏振比与温度存在负相关性,与相对湿度、SO_2浓度呈强的正相关性;在较低温度、较高的相对湿度以及较高SO_2浓度条件下,SO_2更容易被氧化生成非球形较明显的硫酸盐气溶胶颗粒,使得气溶胶退偏振比偏大.

中国东西部典型本底站黑碳气溶胶时空分布及来源分析

基于2007-2018年4个代表性大气本底站(临安、上甸子、龙凤山和瓦里关)的逐小时黑碳(black carbon,BC)观测数据和同期气象资料,开展中国东西部BC时空变化特征分析;利用黑碳仪模型和浓度权重轨迹(concentration weighted trajectory,CWT)分析法对比分析了各站点BC的来源类型和潜在源区。结果表明:(1)中国BC质量浓度分布呈现“东高西低”的特点,各站点BC多年平均质量浓度依次为临安站[(3553±2336)ng·m^(-3)]、上甸子站[(2045±1918)ng·m^(-3)]、龙凤山站[(1966±2104)ng·m^(-3)]、瓦里关站[(455±380)ng·m^(-3)]。(2)东西部4个典型本底站点BC质量浓度季节变化和日变化特征不同。东部站点为冬季最高、春秋季次之、夏季最低,而西部站点表现为春季最高、夏季次之、冬季再次之、秋季最低;东部站点BC质量浓度日变化以“双峰型”分布为主,西部瓦里关站呈“昼高夜低”的高山站特征。研究期内,各站BC呈逐年显著下降的趋势,体现了中国大气污染治理的成效。(3)BC主要来自液态燃料的燃烧(简记为“BC liquid”);受冬季采暖影响,夏季BC liquid大于冬季。(4)受亚洲季风影响,不同季节近地面风场对东西部站点BC质量浓度的影响不同,BC潜在来源也不同。东部站冬季潜在源区多在周边大城市群,高值区范围较大;夏季多来自各站偏南方向。西部瓦里关站夏季潜在源区为四川北部城市群,冬季为中国兰州附近和印度北部。

春节期间南京气溶胶质量浓度和化学组成特征

为研究春节期间燃放烟花爆竹对城市大气气溶胶质量浓度和化学组成分布特征的影响，对南京市2012年1月19~31日大气气溶胶质量浓度和水溶性离子及重金属等化学成分进行了观测.结果表明：烟花爆竹的大量集中燃放可使PM1.0的浓度以15.5μg/（m3·h）的速率增长；并使得能见度以1.625km/h 的速率急剧下降.质量浓度谱和水溶性离子谱在燃放期均为三峰型分布，在非燃放期为双峰型分布.燃放期 PM2.1和 PM1.1中的 K＋、SO42-、NO3-、Cl-和Mg2＋所占的比例比非燃放期升高了16%~38%，其他离子浓度变化不大.对于0.2~2.0μm的气溶胶，春节期间硝酸盐、含锌和含铜颗粒主要来自烟花爆竹燃放，含钾颗粒部分来自烟花爆竹燃放，含铅颗粒来自工业排放，烟花爆竹的燃放基本不产生硫酸盐颗粒.

气溶胶对雷暴云起电以及闪电发生率影响的数值模拟

本文利用二维耦合气溶胶模块的雷暴云起电模式，结合一次南京雷暴个例，进行250 m分辨率雷暴云起电模拟实验，探讨了气溶胶浓度对雷暴云空间电荷分布以及闪电发生率的影响。在这个气溶胶模块中，假定一个三模态的气溶胶对数分布，考虑了气溶胶活化过程。结果显示：（1）随着气溶胶浓度增大，雷暴云电荷结构保持为三极型。（2）当气溶胶浓度从50 cm^-3增加至1000 cm^-3时，水成物粒子浓度上升，雷暴云电荷量和闪电发生率增加明显。（3）气溶胶浓度在1000～3000 cm^-3范围时，云水竞争限制了冰晶的增长，导致雷暴云上部主正电荷堆电荷量降低。云滴和霰粒子浓度缓慢上升促进中部主负电荷堆和底部次正电荷堆电荷量继续增大。闪电发生率保持稳定。（4）当气溶胶浓度大于3000 cm^-3时，水成物粒子浓度稳定，云内的电荷量以及闪电发生率保持为一定量级。

气溶胶云下清除理论及观测研究

基于气溶胶云下清除过程中起决定作用的雨滴与气溶胶碰并机制理论，详细探讨碰并系数与雨滴和气溶胶直径的关系，并针对雷暴天与非雷暴天，从理论上对比这2种天气条件下雨滴碰并不同尺度气溶胶的清除系数．利用2011年6—8月黄山光明顶与汤口寨西气溶胶浓度观测数据，对比黄山地区雷暴与非雷暴天气条件下的清除系数的实测值与理论值，并讨论黄山地区清除系数与雨强的关系．结果表明，在气溶胶粒径为0．01～0．1μm时，清除系数实测值与理论值变化趋势一致，实测值高出理论值5—6倍；在0．1～1μm粒径段，清除系数的实测值雷暴天高于非雷暴天；且清除系数与雨强呈正指数关系，相关系数为0．81．

南京北郊2011年春季气溶胶粒子的散射特征

利用南京北郊2011年春季积分浊度仪的观测资料,结合PM2.5质量浓度、能见度和常规气象资料,分析了南京北郊春季气溶胶散射系数的变化特征、散射系数与PM2.5质量浓度和能见度的关系。结果表明,观测期间气溶胶散射系数平均值为311.5±173.3Mm-1,小时平均值出现频率最高的区间为100～200Mm-1;散射系数的日变化特征明显,总体为早晚大,中午及午后小。散射系数与PM2.5质量浓度的变化趋势基本一致,但与能见度呈负相关关系。霾天气期间散射系数日平均值为700.5±341.4Mm-1,最高值达到近1900Mm-1;结合地面观测资料、NCEP/NCAR再分析资料和后向轨迹模式分析显示,霾期间气块主要来自南京南部和东南方向。

中国大气气溶胶中水溶性离子的污染特征

水溶性离子作为大气颗粒物化学成分中最重要的组成部分,其研究具有重要意义并受到广泛关注。文章详细总结了国内对于气溶胶中水溶性离子污染的研究成果和进展,主要包括气溶胶中水溶性离子的分析方法、时间和空间分布、来源解析、粒径分布特征、浓度的影响因素、环境和气候效应等几个方面,为深入了解其研究现状及进一步的研究提供一定的参考和依据。

中国3个AERONET站点气溶胶大小的识别及特征分析

AngstrOm波长指数α是判断气溶胶粒子大小的重要参数,但当气溶胶尺度分布不满足Junge分布时,仅用α不能很好的反映气溶胶粒子的尺度信息.利用Mie散射理论和AERONET站点实测资料分析说明在0.75<α<1.7区间内,结合AOD谱曲率a2可以得到更详细的粒子尺度信息.对SACOL、香河和太湖站,当a2<–0.4时,气溶胶以细粒子占主导地位,Vfine/Vtotal>0.6;当a2>0.3时,多以粗粒子为主,Vfine/Vtotal<0.4.利用Gobbi气溶胶图解法分析显示SACOL站AOD的大值主要是由于沙尘气溶胶的影响造成的;香河站沙尘和细粒子气溶胶都会产生大值AOD,并且图解法可以很好的区分这两种情况;太湖站受沙尘的影响较小,大值AOD绝大多数是由于细粒子气溶胶造成的.

用于气象观测的阵列式温度传感器流体动力学分析与实验研究

传统百叶箱和防辐射罩内部的温度传感器受到太阳辐射会导致其温度高于大气真实温度,升温量可达0.8 K甚至更高.为提高大气温度观测精度,本文设计了一种阵列式温度传感器.利用计算流体动力学方法分析计算该传感器在不同环境条件下的辐射升温量,采用遗传算法对计算结果进行拟合,获得辐射升温量修正方程.为验证阵列式温度传感器的实际性能,研制了强制通风温度测量平台.将阵列式温度传感器、配有传统防辐射罩的温度传感器和强制通风温度测量平台置于相同环境下,进行大气温度观测比对实验.配有传统防辐射罩的温度传感器辐射升温量平均值为0.409 K;与前者相比,阵列式温度传感器的辐射升温量仅为0.027 K.这种阵列式温度传感器可将辐射升温引起的误差降低约93%.辐射升温量实验测量值与修正方程修正值之间的平均偏移量为0.0174 K,均方根误差为0.0215 K,该结果验证了计算流体动力学方法与遗传算法的准确性.如果配合计算流体动力学方法与遗传算法,温度测量精度有进一步提高的潜力.

利用WRF-Chem模式模拟分析人为气溶胶对台风Fitow(1323)强度及降水的影响

利用气象与化学模块在线耦合的模式WRF-Chem V3.5(Weather Research and Forecasting Model coupled to Chemistry Version 3.5)对1323号台风Fitow进行了模拟,设计无人为排放源、含人为排放源和人为排放源增加的三组模拟试验,对比分析了人为气溶胶对台风的影响。结果表明:人为气溶胶对台风移动路径影响较小。人为气溶胶增加,台风强度减弱,台风主体总累积降水量减少,靠近陆地阶段台风主体降水率减少。气溶胶的增多可提供更多的凝结核,台风外围云水增加,更多的云水可上升至冻结层以上形成过冷水,促进冰相粒子的形成,释放的潜热增加,使外围对流增强,降水增加。台风外围对流的发展,使低层入流的暖湿空气更多的在外围上升,向台风中心的入流减弱,眼墙的发展减弱,降水减少,台风强度减弱。台风外围的对流发展弱于眼墙的对流,降水仍以眼墙区为主,使累积降水量和降水率整体上表现为减少。

云降水物理学虚拟仿真实验设计与实现

为了有效解决传统云物理实践教学中自然云雾过程不可及、不可逆和多因素影响等难点,围绕云雾降水的宏微观过程,以外场仪器观测、数据分析和数值模拟为基础,借助先进的虚拟仿真技术,递进式开发了涵盖基础操作、设计验证和综合探索3层次的虚拟仿真实验,并采用自主探究式等多种教学方法,有效地加深了学生对云降水过程知识点的掌握,切实提升了学生防灾减灾实践创新能力。

珠江三角洲地区气溶胶分档活化特性与闭合实验

使用SMPS与CCNC系统相结合,于2011年12月在广州番禺大气成分站开展了40～200nm气溶胶粒子的分档活化观测.活化率曲线和统计结果显示0.109%、0.20%、0.39%、0.67%四个过饱和比下临界干粒径Dmid依次为143.7,99.5,74.7,62.6nm;对应的截断粒径Dcut为171.9,119.1,90.2,72.5nm.进一步分析表明,气溶胶粒子的活化能力主要受粒径控制,成分与混合状态的影响在活化临界位置附近最为显著.本次观测结果与华北地区和周边城郊地区相比,气溶胶活化能力较弱.闭合实验计算得到的CCN数浓度与观测值存在很好的相关性(R2=0.9477),计算值较观测值高约16%.考虑到仪器系统误差等因素,认为两者闭合良好.对CCN数浓度计算中使用的3个因子,即气溶胶数浓度NCN、气溶胶谱型NSD、活化率曲线ARSR进行了敏感性实验,结果显示各因子对CCN数浓度的影响程度存在如下关系:NCN>NSD>ARSR.