沈阳冬夏季可吸入颗粒物浓度及尺度谱分布特征

利用沈阳大气成分监测站颗粒物监测仪(Grimm 180)连续测得的夏季(2006年8月)、冬季(2006年12月和2007年1月)可吸入颗粒物的数浓度和质量浓度数据,分析了沈阳市可吸入颗粒物浓度日变化、谱分布及污染特征,在此基础上结合沈阳市常规气象资料,分析了气象要素和颗粒物污染之间的关系。结果表明:沈阳市冬、夏季部分时段可吸入颗粒物浓度存在明显的日变化和日际变化;谱分布较好地符合Junge分布;沈阳冬季PM10超标日数占冬季观测总天数的77%,PM2.5超标日数(按美国EPA日均标准)占冬季观测总天数的87%,PM10平均数浓度为6668.7个/cm3,平均质量浓度达252.8μg/m3,分别是夏季的3.0和2.4倍;冬、夏季PM2.5/PM10平均质量分数分别为0.647和0.603,PM2.5占可吸入颗粒物总数量的99%以上;浓度变化在很大程度上受到各种气象要素的影响,与温度、风速负相关,与湿度正相关,降雨、降雪过程使得颗粒物浓度明显降低,近地层逆温和雾是颗粒物增多的一个重要因素。颗粒物污染对城市能见度影响较大。

华北山区大气气溶胶浓度及其尺度谱分布的研究

1980年3月,我们在北京北部山区,用光学粒子计数器观测了“干净”地区近地层大气气溶胶浓度与尺度谱分布。发现“有霾”大气气溶胶的浓度及其尺度谱分布的变化特征具有特殊性。计算表明,三参数谱模式的拟合效果较好。

辽宁地区大气气溶胶粒子的垂直分布特征

详细分析了 1 996、1 997年春末夏初在辽宁省进行的大气气溶胶飞机观测的 0～ 5 km气溶胶粒子数浓度和尺度谱分布的垂直、水平变化 ,初步讨论了它们与温度和相对湿度的关系。结果表明 ,混合层顶上下粒子数浓度具有不同的垂直分布特征 ;粒子谱受不同形成机制影响 ,表现为多峰分布 ;水平方向上气溶胶粒子数浓度存在显著变化 ;温度层结和相对湿度对气溶胶粒子的浓度和谱分布均有明显影响。

山东北部一次夏末雹暴地面降水粒子谱特征

为了更好地认识雹暴等强对流降水的微物理特征,利用降水现象仪观测资料和CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的粒子相态识别和反射率因子等产品,分析2019年8月16日出现在山东北部的一次雹暴降水的雨、冰粒子谱(包括直径2~5 mm的霰粒子和直径大于5 mm的冰雹)的识别以及雨滴谱的演变特征,结果显示:济南双偏振天气雷达0.5°仰角PPI上在德州和陵县观测点附近识别的粒子主要为雨滴,临邑为冰雹加大雨;安装在3个观测点的降水现象仪均识别出少量冰粒子,3个观测点的冰粒子谱数密度低、分布不连续。雹暴降水开始阶段,出现少量大雨滴,这是风的筛选和蒸发作用导致的雨滴谱,具有低的小粒子数密度和较多大雨滴;雹暴强降水增大阶段,雨滴谱特征是小雨滴数密度偏低、大雨滴较多,即总的雨滴浓度低、雷达反射率因子高;雨强减弱阶段,小雨滴数密度显著增大、大雨滴数密度偏少,即总的雨滴浓度显著增大,但雷达反射率因子偏低。

短时强降水和冰雹云降水个例雨滴谱特征分析

为了更好地理解暖云和冷云过程影响下雨滴谱和降水积分参数分布特征的差异,利用Parsivel激光雨滴谱仪和CINRADA/SA多普勒雷达观测资料,分析了两次强对流性降水(一次短时强降水和一次伴随降雹的飑线对流带降水)雨滴谱特征,研究表明:(1)短时强降水的对流降水雨滴谱谱型包括单峰谱(峰值直径0.2~0.3 mm)、双峰谱(峰值直径0.9 mm和2.0 mm)和多峰谱(粒子直径1.0 mm和2.0 mm同时出现第二、三峰),显示暖云中雨滴碰并、碰撞-破碎机制对雨滴谱形成有重要影响。归一化Gamma函数的截距参数和平均质量加权直径(lgN_(w)-D_(m))分布显示短时强降水的雨滴谱具有大陆性对流降水特征;Z-R关系与新一代多普勒雷达的Z-R关系接近。(2)伴随冰雹的飑线对流降水雨滴谱主要是单峰谱(峰值直径0.2~0.7 mm),缺少较大直径的第二峰,有较多的小和较大直径粒子,大于峰值直径的粒子分布曲线是向上凹的。lgN_(w)-D_(m)分布显示比大陆性对流降水的雨滴谱有更大D_(m);Z-R关系具有较大的指数和系数,明显偏离新一代多普勒雷达的Z-R关系。表明冷、暖云过程的差异导致地面雨滴谱和积分参数之间有明显不同。(3)尺度律方法分析发现,短时强降水主要雨滴谱的广义函数g(x)可以是指数函数、也可以是形状因子小于1.0的Gamma函数,而伴随冰雹的强降水雨滴谱广义函数更适合形状因子小于0的Gamma函数。

双波长米散射激光雷达探测对流层气溶胶消光特性

新近研制了一台基于532和1 064 nm的双波长米散射激光雷达(dual-wavelength lidar,简称DWL),用于探测对流层大气气溶胶可见和红外波段的消光特性及其时空分布,同时用于粒子尺度谱垂直分布特征的研究。系统采用4个通道分别用于接收对流层下部和中上部532及1 064 nm的大气回波信号,有效地缩短了获取大气信息的时间。采用窄带滤光片,并借助光阑,将接收的激光大气回波信号谱线(米散射和瑞利散射光谱)从天空太阳背景噪声中分离,提高系统的白天探测能力。叙述了雷达系统的总体结构和技术参数以及数据处理方法。利用该雷达对合肥地区(117.16°E,31.90°N)上空的气溶胶进行了探测。给出了对流层大气气溶胶532及1 064 nm消光系数的垂直廓线及其时空分布典型探测结果。分析了气溶胶波长依赖指数的空间垂直分布。讨论了对流层大气气溶胶光学厚度月变化。观测和分析结果表明,双波长具备昼夜连续观测对流层大气气溶胶的能力,可以很好的反映气溶胶粒子的时间和空间分布特征。

红外大气透过率的计算模式

建立了一套具有自主知识产权的红外大气透过率模式(IATM),光谱分辨率为1 cm-1,可较快速地计算空间任意两点的红外大气光谱透过率。大气分子吸收计算是采用基于精确的LBLRTM逐线积分算法而提出的一种非线性拟合算法,结合了最新的HITRAN2004数据库中的分子吸收线参数,除了保留MODTRAN中的几种气溶胶衰减的计算模式外,还增加了一种根据实测尺度谱分布和气溶胶消光高度分布的计算模式,并嵌入了我国典型地区的逐月平均的大气模式。文中对软件作了详细介绍,并验证了计算精度、速度和可靠性。该软件的研制有利于提高我国区域内应用场景红外大气透过率计算的精度,对于红外系统的设计和性能评估也具有参考价值。

一次霾天气条件下石家庄上空大气气溶胶数浓度的飞行探测与特征分析

利用2010年8月30日河北省石家庄一次霾天气条件下的气溶胶飞行探测资料,分析了石家庄地区上空658—6933 m高度范围内大气气溶胶粒子平均数浓度、平均直径的垂直分布特征和9个水平飞行高度上的谱分布特征。结果表明：轻度霾天气条件下的气溶胶平均数浓度为325个/cm3,平均直径为0.169μm。在约1000 m高度以下,气溶胶平均数浓度随高度的增加呈线性减少趋势。粒径也随高度增加而减小,由0.187μm减小至0.164μm。1000 m高度以上,气溶胶平均数浓度随高度减少趋势变缓,粒子平均直径在0.167~0.171μm范围内波动。9个不同高度上的谱分布都呈单峰型,随着高度增加,谱宽变小,峰值向小尺度方向移动。后向轨迹计算分析表明：污染气团的远距离输送可能是导致大气1500 m高度层气溶胶数浓度突增的原因。

沙尘天气过程对沈阳大气冰核浓度与尺度分布的影响

为研究沙尘天气对大气冰核浓度及尺度分布的影响,2010—2012年春季用FA-3型安德森采样器在沈阳地区开展了大气冰核观测,采样后的滤膜在中国气象科学研究院的静力扩散云室中进行统一检测分析。针对2011年5月11—12日一次典型沙尘天气过程,分析了沙尘过程前后大气冰核浓度和尺度分布与变化特征。结果表明：沈阳地区春季大气冰核的本底浓度较高,约为0.8个·L-1（活化温度为-20℃）;沙尘天气出现时可使大气冰核浓度突增10倍以上。约2/3的大气冰核集中在〉4.7μm粒径段;有沙尘影响时,2.11-5.80μm粒径段的大气冰核浓度增加最明显。大气冰核浓度的粒子尺度谱近似服从幂指数n（D）=A·DB分布,其中A和B的数值在沙尘日明显大于非沙尘日。根据观测,建议在沈阳乃至中国北方地区春季有沙尘天气影响时应慎重选择人工影响天气作业方案。

天津平流雾过程及其空中微物理特征个例研究

2016/2017冬季在天津开展了平流雾微物理特征观测试验,结合距地66 m高度处雾滴谱和255 m气象塔大气边界层资料,借助突变和趋势一致性非参数检验方法对重度霾后接连发生的两次平流雾过程发展阶段进行客观划分,揭示雾体内部一定高度处雾滴微物理特征和尺度分布特征的观测事实,讨论其生消演变规律。结果表明,伴随西南暖湿平流,饱和层首先在空中出现并向地面扩展,雾过程中成熟阶段观测高度范围内升温,雾层处于中性或弱不稳定层结状态。66 m高度处大雾滴持续存在,微物理特征与地面能见度准同步变化,数浓度高值出现在成熟阶段初期,而含水量、特征直径高值出现在成熟阶段后期,对应成熟阶段后期雾滴数浓度减少、地面能见度小幅跃升。消散阶段各尺度数浓度因雾滴蒸发同步减小。

徐州市郊大气气溶胶光学特性时序动态变化分析

为获取徐州市郊大气气溶胶污染特征规律,利用地基遥感手段对2013年7月~2014年5月间徐州市郊气溶胶特性参数进行分析,结果揭示:(1)受冬季燃煤供暖和夏季秸秆焚烧等因素影响,气溶胶光学厚度季节特征显著,且月际、日内波动性显著;(2)气溶胶粒子多含水分,干粒子极少,主要为混合型和人为污染型;(3)5月气溶胶以粗粒子为主控粒子,其余月份均以细粒子为主,且气溶胶粒子类型多样,成分复杂;(4)春季粗模态的气溶胶粒子多于细模态粒子,夏季则相反,秋冬季节粗细模态粒子分布相当;另外,观测期间内徐州市郊基本未受到沙尘天气的干扰,积聚模态下的细粒子对徐州市郊气溶胶高污染的贡献更大.

南京冬季一次浓雾过程的微物理特征

2007年12月19～20日南京出现了一次浓雾天气,其中能见度小于50 m的强浓雾持续了13 h。结合自动气象站及能见度仪观测资料,利用美国DMT公司生产的FM-100型雾滴谱仪,分别连续观测了这一雾过程中雾滴谱分布、数密度、含水量等微物理参量。结果表明,此次雾过程具有爆发性发展特征,雾滴数密度、含水量及平均直径在40 min内骤增,能见度急剧下降,浓雾转变成强浓雾。

水云从紫外到远红外波段的平均单次散射特性

水云出现在对流层的中下层,一般由球形液态水滴组成,是陆地大气太阳辐射通量的重要调节者之一。水云的散射特性在气候模式、辐射传输和遥感领域都具有非常重要的应用。利用Mie理论首先计算了不同大小的单个水云粒子的单次散射特性。再根据90种实际观测的水云粒子尺度谱分布,建立了一个水云在光学波段(紫外到远红外)的平均散射特性数据库。利用这个数据库,分析了8种常用的典型水云的单次散射特性分布,以及在可见到近红外、中波红外和长波红外三个波段的平均透过率特性。

沙尘和霾气溶胶的物理特征比较

粒子尺度谱和复折射率指数是描述大气气溶胶的基本物理参数,也是遥感大气气溶胶光学厚度的基本假定量,决定了光学厚度遥感的准确程度。本文分析了中国气溶胶遥感网反演的北京周边的沙尘和霾天气下大气气溶胶的体积谱和复折射指数,结果表明:沙尘和霾天气下气溶胶的体积谱均呈现双峰对数正态分布,霾气溶胶粒子体积谱在细模态(0.1～1μm)和粗模态(1～10μm)的占比大体相当,沙尘气溶胶粒子体积谱中粗模态占比远远高于细模态,以粗粒子为主;将实际测量的复折射率同HITRAN 2008数据库中各种类型的气溶胶复折射率光谱数据相比,类沙尘粒子的复折射指数同沙尘气溶胶最为接近,水溶性粒子同霾气溶胶最为接近,在大气气溶胶遥感中如果缺少复折射率的光谱数据,可考虑将类沙尘粒子和水溶性粒子的复折射率光谱数据(0.2～40μm)外推近似代替沙尘和霾气溶胶用于紫外和红外遥感。本研究可为利用紫外光谱和红外光谱定量遥感沙尘和霾气溶胶研究提供参考和依据。

云微物理特性及云滴有效半径参数化:一次降水层状云的飞机观测资料结果

全球及区域气候模式中云滴有效半径的参数化对于理解云的辐射效应特别是气溶胶间接效应是非常重要的。本文利用延安地区(位于中国西北地区)一次降水层状云的飞机观测资料,首先给出该次过程的云微物理特性包括云滴数浓度(Nc),云水含量(Qc),云滴的半径(Rm),体积半径(Rv),以及有效半径(Re),云滴谱离散度(ε)以及Re/Rv比值因子β;并指出云滴谱离散度ε与云滴数浓度Nc有着很好的递减关系式,所对应的关系式可以表述为ε=0.579-7.42×10-4Nc+4.2×10-7Nc2。进一步,发现云滴尺度谱采用Lognormal分布函数,Gamma分布函数以及Weibull分布函数所参数化的云滴有效半径与观测结果较为一致。值得指出的是,基于Lognormal分布函数的参数化能够更好地描述云滴有效半径。该云滴有效半径的参数化结果将会加强对于气溶胶在中国西北地区间接辐射强迫的认识。

一次重度霾后的平流雾过程微物理特征及其对颗粒物浓度的影响

2016/2017年冬季在天津开展平流雾微物理结构特征观测试验,结合距地66 m高度处雾滴谱和255 m气象塔大气边界层资料,对重度霾后的一次平流雾过程雾体内部的微物理特征展开分析,讨论其生消演变特征,并对重度霾背景下大气颗粒物浓度与雾微物理量的相互作用进行讨论。结果表明:高空脊前的负涡度平流维持地面均压场,低层反气旋环流外围偏南气流促使暖湿空气向天津地区输送;66 m高度数浓度高值出现在雾过程成熟阶段初期,而含水量、特征直径高值出现在成熟阶段后期,对应成熟阶段后期雾滴数浓度减少、地面能见度小幅跃升;重度污染造成高颗粒物浓度导致雾滴数浓度增多,雾滴尺度偏小,平流雾对颗粒物具有明显的湿清除效应,通过不同站点污染物浓度随时间变化趋势,可以判断雾在水平方向有西南向东北方向的发展进程。

南京冬季雾霾过程中气溶胶粒子的微物理特征

2007年冬季南京雾外场试验获得了雾霾转换过程的大气气溶胶和雾滴尺度谱分布同步观测资料,根据能见度和含水量将雾霾过程划分为雾、轻雾、湿霾、霾4个不同阶段,进而分析了不同阶段粗、细气溶胶粒子的微物理特征.结果表明,4个阶段的主要发生顺序为霾←→轻雾—→湿霾—→雾—→湿霾—→轻雾←→霾,雾前湿霾阶段持续时间长于雾后.尺度>2μm的粗粒子数浓度、表面积浓度和体积浓度在雾阶段均显著大于其他3个阶段,其中霾阶段浓度最低.雾滴表面积浓度和体积浓度尺度谱分布为双峰或多峰型,而轻雾、湿霾和霾阶段粗粒子谱均为单峰型.尺度>0.010μm的细粒子表面积浓度谱形在雾和湿霾阶段、轻雾和霾阶段分别相似,雾和湿霾阶段数浓度占优势的尺度范围分别为0.04～0.13μm和0.02～0.14μm,轻雾及霾阶段数浓度优势粒子尺度范围均为0.02～0.06μm.从霾、轻雾、湿霾到雾的转换过程中,以0.060～0.090μm为界,小粒子减少,大粒子增多.雾霾演变过程中气溶胶粒子数浓度与均方根直径呈显著负相关关系,雾阶段气溶胶粒子数浓度最低、平均尺度最大.