高山地区气溶胶粒子谱分析完稿毕业论文.doc

黄山地区气溶胶粒子谱分析毕业论文题 目 黄山地区气溶胶粒子谱分析目录1引言42资料与方法42.1观测仪器42.2采样地点与采样时间53气溶胶谱分布特征53.1 数浓度随气溶胶粒子粒径分布：63.2 夏季山顶和山底气溶胶粒子日变化特征：93.3 气象因子对气溶胶粒子的影响143.3.1 温度143.3.2 相对湿度163.3.3 风速173.4 研究一次降雨过程对气溶胶粒子数浓度的影响184结论225研究展望及建议23致谢24参考文献24黄山地区气溶胶粒子谱分析姚佳林南京信息工程大学大气物理人工影响天气，南京：210044摘 要：为了深入了解我国山区气溶胶谱分布特征，本文主要研究黄山地区不同高度处，相同粒径范围内的气溶胶粒子的谱分布状况，观测地点设有两处，一处在黄山光明顶气象站（海拔1840m），一处设在黄山寨西人工影响天气基地（海拔450m），山顶采用测量粒径范围为0.5-20m的APS仪器，山底采用测量粒径范围在0.01-10m的WPS仪器。本文主要对比山顶和山底粒径范围在0.5-10m气溶胶粒子的谱分布特征，发现在山顶和山底有明显的日变化，观测山底0.01-10m粒径范围内气溶胶粒子发现, 清晨和傍晚粒子浓度较大,午后粒子浓度较小，呈现出双峰形态。对于粒径在0.5-2.5m范围内的气溶胶粒子，山顶和山底都是白天数浓度有最大值出现，呈现单峰形态，且山顶的峰值比山底要晚一些。本文还考虑了几种常见气象因子对气溶胶粒子谱分布的影响，考虑降水对气溶胶粒子数浓度的影响，发现在山顶和山底二者关系都为反相关，继续研究温度对气溶胶粒子数浓度的影响，发现受海拔高度和温度影响，山顶气溶胶粒子数浓度一般比山底小，受温度影响气溶胶粒子数密度呈现出一定的日变化特征和月变化特征。相对湿度和风速都与气溶胶粒子数密度基本上呈现反相关关系。关 键 词：山区气溶胶；谱分布；仪器；气象因子；不同高度 1 引言气溶胶是大气中的重要组分，指悬浮于大气中粒径为0.0011000m的固体颗粒物、液体微小粒子形成的胶溶状态体系。由于大气气溶胶是由不同相态物体组成,虽然其含量很少,但对大气中发生的许多物理化学过程都有重要的影响,是影响云的形成、能见度和人类健康的重要因素。例如大气气溶胶起到云凝结核的作用，大量的气溶胶颗粒有可能使云滴的数浓度增加,云滴的平均半径变小,这有可能使云对太阳辐射的反射率增加或使云的维持时间加长，甚至使降水减少；大气气溶胶(尤其是较细小粒子)可以通过呼吸进入人体内,对人身体健康造成危害,尤其对呼吸系统和心血管系统有较大危害1。随着我国工业化步伐的加快,人为排放气溶胶含量有逐年增加的趋势2。认识和理解我国大气气溶胶的时空分布、谱分布和理化特性及其对我国云和降水以及区域气候的影响是亟待解决的科学问题。为了深入研究气溶胶的气候效应，首先必须充分细致地了解气溶胶粒子的谱分布特性。近年来,国内外开展了许多有关大气气溶胶的观测和分析。自20世纪60年代以来,国外大气气溶胶粒子的飞机探测研究开始增多36,国内也于1979、1982年分别在长春7、北京8进行了飞机探测。研究结果表明,总体上5 km以下粒子总数代表了大气气溶胶粒子的绝大部分,粒子数浓度随高度增加呈指数减小。但研究观测发现,大气气溶胶不仅存在垂直分布上的不均匀性,而且随时间也有着较大的变化,并且大气气溶胶的物理特性在时空分布上也是复杂多样的,因此很有必要针对不同区域尺度背景地区和大气条件作进一步的对气溶胶谱分布观测研究。银燕等92010年对黄山大气气溶胶微观特性进行了观测研究，认为黄山地区气溶胶粒子数浓度有明显的日变化, 气溶胶数浓度与温度呈正相关,与相对湿度成反相关。Snider等10基于分析ACE22试验的观测资料,认为相对湿度对气溶胶粒子的大小分布有影响。王跃思11在泰山顶对水溶性气溶胶粒子谱进行分析，得出泰山夏季二次离子的浓度变化幅度比较大,除了受源汇的影响,风向和湿度是重要的影响因子。陈金荣12等在黄山光明顶气象站进行了大气气溶胶的观测，得出黄山大气气溶胶有明显的日变化特征, 清晨和傍晚粒子浓度较大, 而午后粒子浓度较小；认为气溶胶粒子浓度与相对湿度有着正相关关系，此观点与银燕等提出的不同。本研究设有两个测量地点，黄山光明顶观测站（山顶）和黄山寨西观测站（山底），研究夏季黄山山顶和山底气溶胶粒子在时空上的分布特征，并将山顶和山底观测结果结合起来进行对比分析。具体方法为，通过对山顶和山底数据的处理，主要将不同高度同一粒径范围内的气溶胶粒子进行对比分析。分析夏季黄山地区（山顶和山底）气溶胶粒子谱的日变化与月变化分布特征，由于黄山地区在夏季降水比较频繁，主要考虑降水对气溶胶粒子谱分布的影响，并且将山顶和山底观测结果进行对比分析。进一步研究其它气象因子（温度、相对湿度、风速）对气溶胶粒子谱分布的影响，选取具体的一次降雨过程研究降水对气溶胶粒子数浓度变化的影响，将山顶和山底的观测结果结合起来进行分析。2 资料与方法2.1 观测仪器黄山底部采用的观测仪器为美国MSP公司生产的第三代宽范围颗粒物监测系统（Wide-Range Particle Spectrometer），测量范围为：0.01-10m。仪器包括微分迁移率分析仪（Differential Mobility Analyzer，简称DMA)、微型浓缩颗粒计数器（Condensation Particle Counter，简称CPC）, 用来测量0.011m 的气溶胶粒径分布特征,可将粒径范围分成96个档进行测量；以及激光颗粒光谱仪（Laser Particle Spectrometer，简称LPS）,用来测量0.310m 的气溶胶粒径分布特征，可分成24个档。仪器的采样流量为DMA 0.3L/min、LPS 0.7L/min。WPS的具体测量原理：对于0.01m至0.5m的小粒子的测量原理如下：首先采样气溶胶随气流进入电微分迁移率仪（DMA），根据不同的电迁移率进行分档（根据不同大小的粒子的迁移率不同），接着被特定档的粒子会进入凝结核计数器（CPC），先由正丁醇凝结，使粒子吸湿增长至足够大，再由光散射探测器进行计数，对各档粒子浓度依次计算后，最后得到各档气溶胶粒子浓度，即此直径范围内的气溶胶数浓度谱。 对于粒径大于0.5m的气溶胶粒子，测量由激光粒子计数器（LPC）完成。因为粒子尺度较大，测量相对简单，它是一个广角光散射探测器，可以根据电压的变化测量出通过传感器的气溶胶粒子的体积 。黄山顶部采用的观测仪器为美国生产的气溶胶颗粒计数器APS（Particle Sizer-Spectrometer），测量范围为0.5-20m ，粒子分辨率分为52档，分别对应的粒径是（um）.第一档（八月份气温六月份气温。图 9为2011年夏季黄山地区气温月变化表 7为夏季黄山地区月平均温度月平均温度（）夏季六月七月八月光明顶（山顶）寨西（山底）17.4470158324.7975996416.048816622.7495833318.5512208826.4052419417.6959068125.1719086结合图 6、图 7、图 9可看出：八月0.5-2.5m粒径范围内的气溶胶粒子数浓度比六月份的小，八月黄山地区平均气温比六月高，由于边界层高度随着气温的升高而增长，所以八月份边界层的高度较六月份高，可见八月份的太阳辐射较六月份强，八月份向上的垂直平均对流输送能力强，最终导致八月份的气溶胶粒子数浓度相对减小。又由于降水对气溶胶粒子数浓度的影响比温度对气溶胶数浓度影响要大，七月份虽然温度最高，但是六、八月份受到降水影响较大，所以整个夏季呈现出0.5-2.5m粒径范围内的气溶胶粒子数浓度七月六月八月。图 9可见整个夏季黄山底温度高于山顶温度，温度越高的天气，垂直向上的对流输送能力越强，山底向上的垂直对流输送能力就大于山顶的，所以八月份山底气溶胶粒子数浓度受湍流影响比六月份山底气溶胶粒子数浓度减少了一部分（图 6），而且山底减少的程度相对山顶大了很多，所以山底六月气溶胶粒子数浓度明显大于八月，而山顶六月和八月气溶胶粒子数浓度差别不是很大。由图 10可见无论山顶还是山底，也不分月份，夏季黄山地区气温日变化符合一般规律，都是日出后开始升温，下午14点左右温度达到最大值，之后温度逐渐减小，都是白天温度高，夜间温度低，呈现出单峰态。夏季山顶和山底气温日变化规律都呈现出：七月八月六月，可为前面的分析提供参考。图 10为2011年夏季黄山地区气温日变化3.3.2 相对湿度图 11为2011年夏季黄山地区相对湿度月变化表 8为黄山气象站提供的夏季相对湿度资料月平均相对湿度（%）夏季六月七月八月光明顶（山顶）寨西（山底）90.7546246478.8460144989.9165433581.2638888990.9131048476.7661290391.4071908678.58602151图 11可见夏季黄山山顶平均相对湿度（90.75%）比山底平均相对湿度（78.85%）大，因为黄山光明顶（山顶）气象观测站海拔1840m，而黄山寨西（山底）气象观测站海拔450m，相对湿度是实际比湿与饱和比湿的商，在山底，实际比湿与饱和比湿相差较大，但随着海拔的提高，空气团经过干绝热抬升过程，其实际比湿慢慢与饱和比湿接近，则到达山顶时相对湿度相较于山底要大，通常山顶相对湿度都维持在90%左右，所以山顶相对湿度月变化不如山底的明显。结合图 6、图 7、图 11可看出：六月份山底平均相对湿度（81.26%）八月份山底平均相对湿度（78.59%）七月份山底平均相对湿度（76.77%），而相应月份山底0.5-2.5m粒径范围内的气溶胶粒子数浓度为：七月份平均数浓度（25.47个/cm3）六月份平均数浓度（19.89个/cm3）八月份平均数浓度（16.85个/cm3）。总的可以看出相对湿度在七月份最小时，粒径范围在0.5-2.5m的气溶胶粒子七月份的数浓度最大，粒径范围在0.5-2.5m内的气溶胶粒子谱大致与相对湿度成反相关，与银燕等2008年在黄山光明顶观测结果相似。但是比较六月份和八月份，气溶胶粒子数浓度变化与相对湿度变化成正相关，可能是温度对气溶胶粒子数浓度变化的影响比相对湿度的大，由于六月份和八月份降水都比较强，降水对六月和八月份气溶胶粒子数浓度变化影响一样大，考虑到八月份温度高于六月份温度，八月份向上垂直输送能力强，使得八月份气溶胶粒子数浓度减小。相对湿度与粒径范围在0.5-2.5m的粗模态粒子数浓度基本成反相关。3.3.3 风速图 12为2011年夏季黄山顶风速月变化表 9为黄山光明顶（山顶）气象站提供资料月平均风速六月七月八月风速（m/s）5.3663657414.5269090664.727459459综合图 6、图 7、图 12可看出平均风速（六月份八月份七月份），粒径范围在0.5-2.5m内的气溶胶粒子数浓度（六月份和八月份差不多，七月份最大）可以看出风速最小的气溶胶粒子数浓度为最大，六月份和八月份都有较强的降水，是使六、八月份气溶胶粒子数浓度减小的主要原因，可见粗模态气溶胶粒子受降水强度影响更强烈些，风速与0.5-2.5m粒径范围内气溶胶粒子数浓度变化基本呈现反相关。 综上所诉，综合考虑各种气要素的影响，发现0.5-2.5m粒径范围内气溶胶粒子数浓度变化受降水过程影响最大，但是并不是降水强度越大对气溶胶粒子数浓度影响越明显，当超过一定的降水强度之后，降水对气溶胶粒子数浓度影响就不那么明显了。总的来说降水与气溶胶粒子数浓度变化成反相关。通过观测还知道温度对气溶胶粒子数浓度变化影响较大，具体表现在同一地区经过一段时间气温发生变化，可以分析这个过程下气温变化与气溶胶粒子数浓度变化的关系，如黄山地区气温与气溶胶粒子数浓度日变化、月变化特征，主要原因是温度越高，垂直向上的对流输送能力越强，经过一段时间的变温后，对流输送能力会随之改变，进而改变气溶胶粒子数浓度的大小。温度变化对气溶胶粒子数浓度变化的影响还主要体现在同一时刻不同高度处气溶胶粒子数浓度不相同，主要与边界层高度有关，山顶的气温通常比山底低，山顶更接近于大气边界层，在山顶气溶胶数浓度变化受温度影响变化趋势较小，而山底远离大气边界层，整个夏季黄山底温度高于山顶温度，温度越高的天气，垂直向上的对流输送能力越强，山底向上的垂直对流输送能力就大于山顶的，所以山底气溶胶粒子数浓度受温度影响比山顶大。相对湿度对黄山地区气溶胶粒子数浓度分布也有一定影响，一般来说相对湿度越大，气溶胶粒子数浓度越小，基本上呈现反相关。风速与黄山地区气溶胶粒子数浓度变化也有一定关联，风速越大，气溶胶粒子数浓度越小，基本呈现反相关。以上气象因子对气溶胶数浓度都没有绝对的关系，要综合考虑多方面因子。3.4 研究一次降雨过程对气溶胶粒子数浓度的影响为了进一步研究降雨过程对气溶胶数浓度的影响，且主要探讨不同高度处降雨对气溶胶数浓度的影响。选取降雨过程，并分别对山顶和山底的数据进行处理，由于山顶采用的仪器是APS，测量范围为0.5-20m；山底采用的仪器是WPS，测量范围为0.01-10m。根据条件，选取粒径范围在0.5-10m的气溶胶粒子进行对比分析。黄山地区在夏季降雨天数比较多，从2011年6月1日到2011年8月31日获得的观测数据中进行筛选，根据黄山地区气象观测站的资料知道 ：表 10为夏季黄山地区无降雨天数汇总观测站六月（无降雨天数）七月（无降雨天数）八月（无降雨天数）光明顶（山顶）寨西（山底）42141576为了方便对比降水分别对山顶和山底的气溶胶粒子谱分布的影响，要选取降雨时间不能太长（以几个小时为最好），因为降雨时间太久气溶胶受其它因子（风、温度等）影响会发生很大的变化，且由于山顶和山底使用不同的观测仪器，开关机时间不太一样，有时仪器还会出状况，遇到打雷还要关机，这些都增加了筛选合适数据的难度。最终三个月中只选取出7月8号一天，其它雨天降雨通常比较连续，大都持续时间太久（10小时以上），或者停止降雨时间太短（1-2小时，甚至更短），不易进行分析。表 11为2011年7月8号降雨时间分布过程雨前雨中雨后更后时间（h）3-7（5小时）11-13（3小时）15-17（3小时）15-22（8小时）根据黄山国家基本气象站资料可知，7月8号的实际降雨时间范围为9-13点。查询山底观测日志，雨前到雨中缺省3小时数据是因为山底仪器WPS在11点才开机。查询山顶观测日志，雨中到雨后缺省1小时数据是山顶仪器在15点才开机。下面对7月8号粒径范围在0.5-10m的气溶胶粒子，分别就山顶和山底数浓度变化进行分析：图 13为0.5-10m粒径范围内山顶气溶胶粒子数浓度变化图 14为0.5-10m粒径范围内山底气溶胶粒子数浓度变化图 15为0.5-1.5m粒径范围内山顶气溶胶粒子数浓度变化图 16为0.5-1.5m粒径范围内山底气溶胶粒子数浓度变化由图 13和图 14可看出粒径大于1.5m的气溶胶粒子数浓度量级太小，整个过程无变化，是因为大粒径的粒子本身比较重，受湍流影响相对很小，且数浓度本身不大，所以主要对比粒径在0.5-1.5m范围内气溶胶粒子数浓度的变化情况。图 15和图 16分别是粒径范围在0.5-1.5m山顶和山底气溶胶数浓度在降雨过程中的变化情况。雨前山顶和山底气溶胶粒子数浓度均为最大，雨中及雨后气溶胶粒子均减少，且明显看出山底气溶胶数浓度大于山顶的，符合气溶胶的分布规律。图 15和图 16均显示出雨后气溶胶数浓度大于雨中气溶胶数浓度，雨后时间越长越明显，说明降雨过程对粒径范围在0.5-1.5m气溶胶粒子有明显清除作用，且进一步证明此次试验要选取的降雨过程不能太久。 图 17可看出在6点左右山底气溶胶粒子数浓度达到极大值，由于清晨大气常处于逆温状态，不利于扩散，使低层粒子的浓度达到极大；8点左右山顶气溶胶粒子数浓度达到极大值，山顶气溶胶粒子的第一个峰值出现的比山底晚，由于黄山顶光明顶观测站海拔1840m，黄山底寨西观测站海拔高度450m，在早晨向上的垂直对流输送强，气溶胶粒子从山底输送到山顶，所以山底气溶胶粒子数浓度先减小，山顶气溶胶粒子数浓度开始增加。在9点到13点粒径范围在0.5-2.5m的气溶胶粒子，无论是山底和山顶的气溶胶粒子数浓度都明显减小，且呈现出山底气溶胶粒子数浓度先减少，山顶气溶胶粒子后减少的规律，符合气溶胶的一般日变化规律，由于降雨的作用，山顶和山底的气溶胶粒子数浓度都减小的很多；在13点以后，降水停止了，一般14点以后开始降温，对流逐渐减弱，山底和山顶气溶胶粒子数浓度都开始增大；23点又有降水发生，山底和山顶的气溶胶粒子数浓度都明显呈现出减小的趋势，说明降水确实对气溶胶粒子的数浓度起到减小作用。图 17为0.5-2.5m粒径范围内气溶胶粒子数浓度及降水日变化 综上所诉，降水对粒径范围在0.5-2.5m气溶胶粒子数浓度影响比其它气象因子更明显，发生降水，气溶胶粒子数浓度减小，气溶胶数浓度变化与降水强度在一定范围内有明显影响，但是当降雨强度大到一定程度时，降雨对气溶胶粒子数浓度影响就不如之前明显。一般雨前气溶胶数浓度的值最大，降水产生时，气溶胶粒子数浓度明显减小，在雨中到雨停气溶胶粒子数浓度达到最低值，雨后气溶胶粒子数浓度开始增大，雨后时间更久点气溶胶数浓度增大的更明显。4 结论本研究在黄山光明顶（山顶）气象站和黄山寨西（山底）气象站设立采样点，探测2011年夏季（6月1日-8月31日）粒径为0.5-20m和0.01-10m的气溶胶颗粒浓度和谱分布特征，结合山顶和山底数据，对比分析黄山地区气溶胶颗粒的时间分布特征，粒径分布特征，比较降水、温度、相对湿度、风速对山顶和山底气溶胶粒子分布的影响，得到以下几点结论：（1）2011年夏季黄山底气溶胶粒子主要以粒径范围在0.01-0.1m（爱根核）的气溶胶粒子为主（69.63%），和粒径范围在0.1-0.5m（大粒子）的气溶胶粒子次之（29.60%），夏季黄山底气溶胶平均数浓度为2705.8个/cm3。2011年夏季山顶粒径范围在2.5-10m内的气溶胶数浓度平均值为0.04个/cm3（2）观测山底0.01-10m粒径范围内气溶胶粒子发现黄山大气气溶胶有明显的日变化, 清晨和傍晚粒子浓度较大,午后粒子浓度较小，呈现出双峰形态。对于粒径在0.5-2.5m范围内的气溶胶粒子，山顶和山底都是白天数浓度有最大值出现，呈现单峰形态，且山顶的峰值比山底要晚一些。（3）降水对粒径范围在0.5-2.5m气溶胶粒子数浓度影响比其它气象因子更明显，发生降水，气溶胶粒子数浓度减小，气溶胶数浓度变化与降水强度在一定范围内有明显影响，但是当降雨强度大到一定程度时，降雨对气溶胶粒子数浓度影响就不如之前明显。一般雨前气溶胶数浓度的值最大，降水产生时，气溶胶粒子数浓度明显减小，在雨中到雨停气溶胶粒子数浓度达到最低值，雨后气溶胶粒子数浓度开始增大，雨后时间越久气溶胶数浓度增大的越明显。总的来说降水与气溶胶粒子数浓度变化成反相关。（4）温度对气溶胶粒子数浓度变化影响较大，具体表现在同一地区经过一段时间气温发生变化，可以分析这个过程下气温变化与气溶胶粒子数浓度变化的关系，如黄山地区气温与气溶胶粒子数浓度日变化、月变化特征，主要原因是温度越高，垂直向上的对流输送能力越强，经过一段时间的变温后，对流输送能力会随之改变，进而改变气溶胶粒子数浓度的大小。温度变化对气溶胶粒子数浓度变化的影响还主要体现在同一时刻不同高度处气溶胶粒子数浓度不相同，主要与边界层高度有关，山顶的气温通常比山底低，山顶更接近于大气边界层，在山顶气溶胶数浓度变化受温度影响变化趋势较小，而山底远离大气边界层，整个夏季黄山底温度高于山顶温度，温度越高的天气，垂直向上的对流输送能力越强，山底向上的垂直对流输送能力就大于山顶的，所以山底气溶胶粒子数浓度受温度影响比山顶大。（5）相对湿度对黄山地区气溶胶粒子数浓度分布也有一定影响，一般来说相对湿度越大，气溶胶粒子数浓度越小，基本上呈现反相关。（6）风速与黄山地区气溶胶粒子数浓度变化也有一定关联，风速越大，气溶胶粒子数浓度越小，基本呈现反相关。5 研究展望及建议本次研究观测地点设有两处（山顶和山底），山顶采用测量粒径范围在0.5-20m的APS仪器，山底采用测量粒径范围在0.01-10m的WPS仪器，由于采用仪器不同，关键在于两台仪器的粒径测量范围不同，使得能够用来进行山顶和山底数据对比分析的气溶胶粒子比较少，只能分析0.5-10m范围内的气溶胶粒子，然而通过观测发现大气气溶胶粒子以粒径范围在0.01-0.5m最多，0.5-10m的大气气溶胶粒子仅占很小部分，所以仅用此粒径范围内的气溶胶粒子做不同高度气溶胶粒子谱分布特征的的对比分析，不具有代表性，如果进一步选取0.01-0.5m粒径范围内的气溶胶粒子做不同高度下的对比分析，这样就可以更充分的代表大气气溶胶的一般谱分布特性。对本次观测研究提几点介意：虽然之前有在黄山顶采用WPS仪器收集气溶胶粒子的实验，但是因为存在很大的时间差异，中间还包括不同的气象因子影响，所以只能参照一下，不能完全用之前山顶观测的山顶数据和现在山底观测到的数据进行对比分析。最好在黄山山顶和山底放置同样的观测设备，WPS仪器能观测小粒径范围内的粒子，最好在山顶也采用WPS仪器，且不同的仪器精度也不同，采集粒径的档位也不相同，都会照成误差。由于人为原因，山顶和山底仪器的开关机时间一般不相同，对本研究也有一定的影响，最好可以利用计算机控制山顶和山底仪器，同步开关机时间。另外我认为在条件允许的情况下，尽量在山腰也设一个观测点，这样三组不同高度的数据进行对比分析，会更有说服力。致谢 本次研究主要感谢银燕老师的悉心指导与督促，感谢陈魁、谭稳、文彬、蒋惠、肖辉等师兄师姐对我做论文的帮助。参考文献1唐孝炎. 环境化学, 北京:高等教育出版社, 1990.2童尧青,银燕,钱凌,等. 南京地区灰霾天气特征分析 J . 中国环境科学, 2007, 27 (5) : 584-588.3Kleinman L I,Daun P H.Vertical distribution of aerosol particles,water vapor,and insoluble trace gases in convectively mixed airJ.J Geophys Res,1991,96(D1): 991-1005.4Kim Y J,Sievering H,Boatman J F.Airborne 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