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中国东部典型城市新粒子生成条件分析与数值模拟

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中国东部典型城市新粒子生成条件分析与数值模拟

作者：王锟南京信息工程大学

学位级别：硕士

近年来,随着城市化的发展,大气气溶胶导致的气候和环境效日益受到人们关注。新粒子生成(NPF,new particle formation)是气溶胶粒子产生的重要理化过程之一,气溶胶粒子不仅对空气质量产生显著的影响,同时也对天气和气候变化有着至关重要... 详细信息

近年来,随着城市化的发展,大气气溶胶导致的气候和环境效日益受到人们关注。新粒子生成(NPF,new particle formation)是气溶胶粒子产生的重要理化过程之一,气溶胶粒子不仅对空气质量产生显著的影响,同时也对天气和气候变化有着至关重要的作用。因此,研究新粒子生成的条件特征以及气溶胶粒径谱和数浓度的变化,对进一步理解新粒子生成事件的环境气候效应有重要的意义。本研究首先分析了中国东部典型城市北京(2016年3月至4月)、上海(2013年11月至2014年1月)、以及广州(2019年12月至2020年3月)新粒子生成事件发生的气象和太阳辐射条件的定量特征。研究发现,低相对湿度、低PM质量浓度和太阳高辐射似乎有利于NPF事件的发生和颗粒物数浓度升高。在北京观测期间NPF日的平均凝结汇为0.04 s,新粒子生成日和非事件日的气象和太阳辐射条件有明显的差异,当总太阳辐射量大于19 MJ/m/天且相对湿度小于26.5%时,有11个观测日,包括了11个NPF日中的10天,NPF事件占91%。通过北京的不同时期的观测研究发现,在前体物气体浓度满足新粒子生成条件的基础上,只要相对湿度和太阳辐射条件达到某一阈值,就有很大可能发生NPF事件。北京NPF事件的适宜条件也展现了季节特征。在上海总辐射日总量≥10.94 MJ/m/天且相对湿度≤46%时,有17个观测日,包含了10个NPF事件日,占比58.8%,剩余7天非事件日的平均凝结汇(0.088 s)明显高于NPF日(0.066 s),高凝结汇可能影响了这些非事件日的新粒子生成。在上海和广州有较多的非事件日与NPF事件日的背景条件近似,即使这些背景条件达到某一阈值,依然有较大的可能不发生NPF。NPF事件中,气溶胶数浓度会快速增加。本研究使用耦合了气溶胶微物理(APM,advanced particle microphysics)模块的全球大气化学模式(GEOS-Chem)中的四种成核方案模拟新粒子生成过程并评估模式,即HSO-HO二元均相成核(BHN,binary homogeneous nucleation),HSO-HO-NH三元均相成核(THN,ternary homogeneous nucleation),HSO-HO-ion二元离子介导成核(BIMN,binary ion-mediated nucleation)和HSO-HO-NH-ion三元离子介导成核(TIMN,ternary ion-mediated nucleation)。在北京的数值模拟实验中,BHN方案和BIMN方案明显低估了观测到的粒子数浓度,THN方案很好地捕捉了大多数NPF事件日的总粒子数浓度但未能捕捉到3月18日和4月1日粒子数浓度的显著增加,TIMN方案在粒子数浓度和成核速率方面有明显改善,但仍存在不足,预测的3月28日的一次NPF事件在观测期间没有发现并且低估了3月27日和4月1日的模拟粒子数浓度。总体而言,TIMN方案比本研究中使用的其他成核方案更接近观测数浓度。另外,在真实大气中,可能并不止一种成核机制,HSO-胺和HSO-有机物成核也可能同时发生,有助于污染城市地区的新粒子生成,这在未来需要进一步研究。在上海和广州的新粒子生成数值模拟实验中,四种基本的成核机制方案都不能捕捉到所有NPF日的粒子数浓度的增加,且由于地理位置和环境的差异,不同城市成核机制可能不同,在后续的研究中可以考虑使用更多的成核机制方案进行进一步的讨论并优化数浓度的模拟结果。

关键词：新粒子生成气象条件成核机制方案粒子数浓度 GEOS-Chem-APM

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河北中南部不同天气条件下气溶胶的航测研究

中国环境科学 2017年第12期37卷 4442-4451页

作者：胡向峰孙云李二杰范根昌河北省人工影响天气办公室河北石家庄050021 河北省气象与生态环境重点实验室河北石家庄050021 河北省气象台河北石家庄050021 河北省环境气象中心河北石家庄050021

利用粒子测量系统PMS探测的气溶胶等资料,结合观测期间的天气实况和气团后向轨迹对2008年秋季河北中南部不同天气条件下的大气气溶胶空间分布特征进行了分析和研究.结果表明:不同天气背景下河北中南部气溶胶数浓度的垂直分布和气溶胶粒... 详细信息

利用粒子测量系统PMS探测的气溶胶等资料,结合观测期间的天气实况和气团后向轨迹对2008年秋季河北中南部不同天气条件下的大气气溶胶空间分布特征进行了分析和研究.结果表明:不同天气背景下河北中南部气溶胶数浓度的垂直分布和气溶胶粒子谱分布特征存在显著差异.混合层高度,逆温层和相对湿度峰值引起的气溶胶累积效应,云层分布不均以及气溶胶来源特性差异对气溶胶的空间分布特征有着重要影响.不同天气条件下河北中南部近地面的气溶胶数浓度范围为904.4~3005.0个/cm^3.近地面气溶胶数浓度阴天条件下最高,晴空条件下最低.气溶胶粒子谱分布特征与大气层结,逆温层,云区分布等密切相关.逆温层是导致粒子谱呈双峰或多峰分布的主要原因之一.由于云内气溶胶粒子吸湿增长,粒子谱峰值向大尺度方向偏移.云外的气溶胶粒子谱宽且比云内窄.受大气气溶胶粒子本身重力沉降作用的影响,高层粒子谱宽比低层窄,粒子谱峰值向小尺度方向偏移.

关键词：气溶胶粒子数浓度谱分布河北中南部飞机观测

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常压空气介质阻挡放电的能量传递过程

高电压技术 2010年第3期36卷 745-751页

作者：丁伟何立明宋振兴空军工程大学工程学院西安710038

利用发射光谱技术分析空气等离子体中可能存在的化学活性物质,并通过分析空气等离子体中氮气、氧气常见激发态的产生和猝灭过程,结合其动力学数据,计算分析了常压空气介质阻挡放电中的能量传递过程。结果表明,氮分子和原子的激发态很快... 详细信息

利用发射光谱技术分析空气等离子体中可能存在的化学活性物质,并通过分析空气等离子体中氮气、氧气常见激发态的产生和猝灭过程,结合其动力学数据,计算分析了常压空气介质阻挡放电中的能量传递过程。结果表明,氮分子和原子的激发态很快通过与分子、原子间的碰撞而猝灭掉或被氧分子、原子氧化而生成氮氧化合物,氧分子的激发态由于其本身的跃迁几率太小,所以没有测到氧气的发射光谱;放电系统中的电子能量很少有>17.0 eV的,但存在能量>11.03 eV的电子,与计算得到的电子能量分布一致;约化场强E/N>150 Td时,电子与氮分子激发、离解碰撞的能量损失占电子碰撞能量损失的50%以上;氮分子、原子激发态的存在可以提高O、O3以及一些氮氧化合物的粒子数浓度。

关键词：介质阻挡放电发射光谱电子能量电子碰撞激发猝灭粒子数浓度

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新型流化床气溶胶发生装置及其特性

东南大学学报（自然科学版） 2005年第5期35卷 742-745页

作者：李永旺赵长遂吴新韩松鲁端峰沈湘林东南大学洁净煤发电及燃烧技术教育部重点实验室南京210096

根据气固流态化原理,设计了一种实用新颖的流化床气溶胶发生装置.该气溶胶发生装置可以稳定地输出高粒子数浓度、空气动力学直径小于10 μm的气溶胶颗粒物.应用该装置对燃煤电站锅炉电除尘器粉煤灰进行了气溶胶化实验.实验表明,通过改... 详细信息

根据气固流态化原理,设计了一种实用新颖的流化床气溶胶发生装置.该气溶胶发生装置可以稳定地输出高粒子数浓度、空气动力学直径小于10 μm的气溶胶颗粒物.应用该装置对燃煤电站锅炉电除尘器粉煤灰进行了气溶胶化实验.实验表明,通过改变流化气体(氮气)流量、待气溶胶化的粉煤灰和青铜珠床料组成的混合物料的给料速率以及流化床床层物料中飞灰的掺混质量比,可以调节流化床气溶胶发生装置输出的飞灰粒子数浓度.测试结果表明:飞灰粒子数浓度呈双峰分布,2个峰值分别位于空气动力学直径为0.01～0.1 μm和0.1～10 μm的范围内;飞灰质量浓度随着颗粒粒径的增大而增加.

关键词：气溶胶发生器流化床粒子数浓度

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地下车库颗粒受限扩散下的凝并特性

哈尔滨工业大学学报 2016年第3期48卷 184-188页

作者：赵宇加藤信介赵加宁哈尔滨工业大学市政环境工程学院哈尔滨150090 东京大学生产技术研究所

为研究车辆排放颗粒在地下车库内凝并率的分布规律及其对颗粒受限扩散的影响程度.根据颗粒物扩散和凝并理论,采用Realizable k-ε模型模拟空气流场分布特性,并结合数值模拟中的场函数方法将颗粒凝并和扩散过程相结合,分析地下车库不同... 详细信息

为研究车辆排放颗粒在地下车库内凝并率的分布规律及其对颗粒受限扩散的影响程度.根据颗粒物扩散和凝并理论,采用Realizable k-ε模型模拟空气流场分布特性,并结合数值模拟中的场函数方法将颗粒凝并和扩散过程相结合,分析地下车库不同数量车辆在受限扩散条件下颗粒半衰时间的变化和粒径变化.结果表明:在排气管附近,颗粒半衰时间最短,凝并作用最强.在沿高度方向2 m以下的区域内,当启动车辆数不多于2台时,颗粒半衰时间随高度线性下降,当启动车辆数不少于4台时,半衰时间随高度呈对数下降.凝并作用对中间段和大粒径段粒子数浓度的变化影响更大,颗粒呈现出由小变大的粒径变化趋势.启动车辆数越多,凝并导致的粒径分布不均匀性越明显.

关键词：地下车库受限扩散粒子数浓度颗粒凝并自然通风

与飞机观测资料对比评估WRF微物理方案集合的模拟能力

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Atmospheric and Oceanic Science Letters 2021年第2期14卷 1-6页

作者： Yuan Fu Hengchi Lei Jie-fan Yang Zhibo Gao Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijingChina University of Chinese Academy of Sciences BeijingChina State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology Beijing Normal UniversityBeijingChina

使用WRF模式中的Morrison,WSM6,SBM,P3四种微物理方案的集合,模拟中尺度对流系统降水过程.研究发现不同的微物理方案模拟的对流云区液态含水量,冰水含量的垂直分布各不相同,而模拟的层状云区液态含水量,冰水含量的垂直分布结果相似.总... 详细信息

使用WRF模式中的Morrison,WSM6,SBM,P3四种微物理方案的集合,模拟中尺度对流系统降水过程.研究发现不同的微物理方案模拟的对流云区液态含水量,冰水含量的垂直分布各不相同,而模拟的层状云区液态含水量,冰水含量的垂直分布结果相似.总的来说与其他方案相比,Morrison方案和集合平均的结果最接近观测值.我们也注意到在一些区域,所有成员均高估了液态含水量2-8倍,这也导致了在这些区域集合平均值与观测相比仍然有很大的差距.

关键词：飞机观测微物理集合粒子数浓度液态含水量/冰水含量

集合预报模式与飞机观测在层状云微物理特征方面的对比研究

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Atmospheric and Oceanic Science Letters 2020年第5期13卷 452-461页

作者： FU Yuan LEI Hengchi YANG Jiefan GUO Jiaxu ZHU Jiangshan Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijingChina College of Earth and Planetary Science University of Chinese Academy of SciencesBeijingChina

云中的液态含水量,冰水含量以及粒子数浓度在大气科学领域有着重要的作用。由于初边界条件的不确定性以及微物理方案的内在缺陷,云中微物理特征的准确预报仍然是一大挑战。集合预报方法是减少预报不确定性的有效途径。本文使用10个集合... 详细信息

云中的液态含水量,冰水含量以及粒子数浓度在大气科学领域有着重要的作用。由于初边界条件的不确定性以及微物理方案的内在缺陷,云中微物理特征的准确预报仍然是一大挑战。集合预报方法是减少预报不确定性的有效途径。本文使用10个集合成员与飞机观测资料进行对比研究太行山东麓一次大范围层状云降水过程。研究结果发现:与控制预报相比,集合平均对液态含水量和冰水含量的预报能力有所提高,然而粒子数浓度的预报与观测相比存在低估,主要是因为模式低估了小于1000微米的降水粒子。

关键词：飞机观测集合模式粒子数浓度液态含水量/冰水含量

两种双参数微物理方案暖云粒子谱及雨滴源汇模拟对比研究（英文）

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Atmospheric and Oceanic Science Letters 2019年第6期12卷 424-433页

作者： LEI Hengchi GUO Jiaxu CHEN Di YANG Jiefan Key Laboratory of Cloud-Precipitation Physics and Severe Storms Institute of Atmospheric PhysicsChinese Academy of SciencesBeijingChina College of Earth and Planetary Sciences University of Chinese Academy of SciencesBeijingChina Collaborative Innovation Center on the Forecast and Evaluation of Meteorological Disasters Nanjing University of Information Science and TechnologyNanjingChina Aviation Meteorological Center Air Traffic Management BureauCivil Aviation Administration of China(CAAC)BeijingChina

本文对WRF模式中两种常用的雨滴双参数微物理方案,即Thompson方案和WDM6方案在华北地区‘7.20’暴雨中暖云粒子谱和雨滴源汇项的模拟差异,以及上述差异如何影响降水模拟进行了详细的分析。结果表明:WDM6方案模拟的云滴数浓度比Thompson... 详细信息

本文对WRF模式中两种常用的雨滴双参数微物理方案,即Thompson方案和WDM6方案在华北地区‘7.20’暴雨中暖云粒子谱和雨滴源汇项的模拟差异,以及上述差异如何影响降水模拟进行了详细的分析。结果表明:WDM6方案模拟的云滴数浓度比Thompson方案中给定的云滴数浓度概量小1-3个量级,云滴谱较宽。云雨自动转换过程和雪、霰融化过程的共同导致WDM6方案雨滴粒子数浓度较大,平均尺度较小。本文着眼于微物理方案间的暖云粒子谱模拟差异,是以往研究关注较少的领域,有助于更好地理解微物理方案的模拟特征。

关键词： WDM6方案 Thompson方案粒子数浓度粒子谱分布雨滴源汇项分析

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沈阳地区大气气溶胶消光特性的观测研究

大气科学学报 2015年第4期38卷 458-464页

作者：刘宁微马雁军杨素英王扬锋中国气象局沈阳大气环境研究所辽宁沈阳110000 中国气象科学研究院北京100081 南京信息工程大学江苏南京210044

利用沈阳地区2010年全年大气总消光系数、气体分子吸收系数、气溶胶吸收和散射系数以及大气可吸入颗粒物数浓度的小时数据,对沈阳地区的大气消光特别是气溶胶消光性质进行了高时间分辨率的研究。结果表明:总消光系数和气溶胶散射系数在... 详细信息

利用沈阳地区2010年全年大气总消光系数、气体分子吸收系数、气溶胶吸收和散射系数以及大气可吸入颗粒物数浓度的小时数据,对沈阳地区的大气消光特别是气溶胶消光性质进行了高时间分辨率的研究。结果表明:总消光系数和气溶胶散射系数在一天内呈单周期峰谷型分布,05—06时(北京时间,下同)达到峰值,15时达到谷值。大气总消光系数在雪天最大、霾天次之、晴天最小。气溶胶消光系数与粒子数浓度的相关性随着粒径的减小而增大。

关键词：气溶胶消光系数散射系数粒子数浓度