云微物理特征

大气气溶胶AtmosphericAerosols杨军jyang@://1/atmos_aerosol://06/atmos_aerosol其次章大气气溶胶的来源和化学组成(1)来源化学组成1大气气溶胶的来源分类产生率时空分布特征大气气溶胶的来源—分类地球表面自然源、人为源气粒转换地层深处火山爆发外层空间陨星物质大气气溶胶的来源—分类机制物理：注入机制干脆由外界向大气注入质粒Grinding,volcano,blowingofdirtfordrysoilsUsuallygenerateparticles>1µmLessharmful化学：气粒转化（核化）通过痕量气体氧化的气相化学反应和化石燃料及生物质燃烧作用，由低挥发性气体凝合而成如Combustion,photochemicalreactionsGasPM(2SO2+O2+2H2O2H2SO4)NOx+hydrocarbons+hsmogUsuallygenerateparticle<1µmHarmfulbecausetheyarerespirableandcanbereadilycarriedintothelungs大气气溶胶的来源—分类人类活动相关性自然源海盐、气粒转换、风砂扬尘、林火烟粒、火山喷发（变更很大）、陨星余烬、植物花粉等人为源气粒转换、工业过程、燃料燃烧、固废处理、交通运输、核弹爆炸、人工播云等大多数气溶胶质粒是由海水飞沫中的盐和气粒转换所造成的大气气溶胶的来源—分类过程一次源（原生、Primary）二次源（次生、Secondary）对流层上部至平流层（沙尘气溶胶运移层）袒露沙尘地沙粒跃移层厚度(1.0m左右)对流层中下部沙尘暴形成机制与过程的界面理论示意图锋面冷空气暖空气（沙粒跃移层）（沙尘暴发生发展及大粒径沙尘运移层）———三个层次、四个界面来源-裸地起尘-发朝气制大气气溶胶的来源——裸地起尘来源-裸地起尘来源-裸地起尘Super-SevereDustStormon5May1993

inJinchangCity,GansuProvinceSurfacewindupto34m/sVisibilitydownto0m85died31missing264injuredTSPconcentrationupto1016mg/m3(40timeshigherthantheStandard)来源-裸地起尘AduststormoccurredinXinjiangRegion,whichexposedtothesun来源-裸地起尘AduststormoccurredintheGreatPlains

of

theUnitedStatesin1930s来源-裸地起尘AwallofdustapproachesaKansastown,asshownin"EffectofDustStormsonHealth,"U.S.PublicHealthService,ReprintNo.1707fromthePublicHealthReports50(40)October4,1935.(NOAAPhotoLibrary)InMay1934,adustcloudoftopsoilfromtheGreatPlainsblanketedtheeasternU.S.asfaras2,400km(1,500miles)away.In1935,theU.S.establishedtheSoilConservationServicetopromotegoodsoilmanagementpractices.Butaccordingtosomeexperts,thisisnotenough.Human-acceleratedsoilerosioncontinuestooccurbecausemuchoftheGreatPlainsissuitedtomoderategrazingratherthanfarming.Andin1975,theCouncilofAgriculturalScienceandTechnologywarnedthatseveredroughtintheGreatPlainscouldtriggeranotherDustBowl.来源-裸地起尘1983年2月8日发生在澳大利亚墨尔本市的特强沙尘暴来源-裸地起尘DuststormOccurredontheDeadSea,whichislocatedIntheMiddleEast,BetweenIsraelandJordan来源-裸地起尘20μm8μm40μm20μm40μm100μm来源-裸地起尘来源-裸地起尘我国沙尘天气空间分布沙尘暴扬沙浮尘沙尘形成的三个基本条件1沙尘源物质条件2大风动力条件3不稳定层结

热力条件来源-裸地起尘-发朝气制易起沙粘性大不易起沙颗粒大不易被吹起来源-裸地起尘-发朝气制地表土壤微粒所受的空气动力、重力和微粒之间的相互作用力随微粒尺度d的变更（邵亚平,2004）来源-裸地起尘-发朝气制当平均风速接近某一临界值时，个别突出的沙粒在湍流流速和压力脉动作用下，起先振动或前后摇摆，但并不离开原来位置，当风速增大超过临界值后，振动随之加强，迎面阻力(拖曳力)和上升力相应增大，并足以克服重力的作用。气流的旋转力矩促使某些最不稳定的沙粒首先沿沙面滚动或滑动由于沙粒几何形态和所处空间位置的多样性，以及受力状况的多变性，因此在滚动过程中，一部分沙粒遇到地面凸起沙粒的冲击时，就会获得巨大冲量。受到突然冲击力作用的沙粒，就会在碰撞瞬间由水平运动急剧地转变为垂直运动，隧然向上(有时几乎是垂直的)起跳进入气流运动，沙粒在气流作用下，由静止状态达到跃起状态地表土壤微粒运动的三种基本形式示意图

（IvanaVinkovic等，2002）

来源-裸地起尘-发朝气制来源-裸地起尘-发朝气制沙粒运动形式1、悬移上举力大于沙粒自身重量时，沙粒被运输到很远的地方悬移数量取决于风速的大小，风速大，悬移量大，悬移颗粒粒径也大，反之则小。风速减小时，较大粒径悬移沙粒起先着陆到地表，而粒径<0.05mm的粉粒和尘土，因体积小、质量轻，悬移后很难沉降，常移动很远的距离，有的可达2000km2、跃移地表沙粒在风力作用下，跳动式的移动方式跃起沙粒在风速作用下获得能量，同时在自身重力作用下下降，着陆到地表时打击地表，若地表为砂粒，将造成其他砂粒越起，若地表为粉沙，将对地表产生扰动，扬起沙尘，产生悬移。探讨显示：风沙流含沙量的70-80%在地表10cm以内，以跃移方式运动3、蠕移地表沙砾在风力作用下，沿地表滚动的移动形式来源-裸地起尘-发朝气制沙尘暴形成机制与过程的界面理论三个层次1、沙粒跃移层地面至1.0m左右，空气与地表面能量、质量交换最猛烈的层次，是风沙流活动的主要层次2、对流层中下部沙尘暴的发生发展以及大粒径沙尘的卷起与运移主要由这一层的大气环流形势和天气系统（如锋面）确定3、对流层上部至平流层沙尘气溶胶的运移及其对全球气候变更的影响四个界面1、土壤—植被，如草原等 2、植被-沙粒跃移层3、沙粒跃移层—对流层下部交界面4、对流层中部—对流层上部交界面来源-裸地起尘-发朝气制临界摩擦风速(Thresholdfrictionwindspeed)平表面摩擦风速(cm·s−1)：MarticorenaandBergametti(1995)来源-裸地起尘-发朝气制临界摩擦风速(Thresholdfrictionwindspeed)平表面与实际地表摩擦风速比：MarticorenaandBergametti(1995)来源-裸地起尘-发朝气制临界摩擦风速(Thresholdfrictionwindspeed)摩擦Reynolds数：跃移层惯性力与摩擦力之比ds,i:沙尘粒子直径(cm)ρs,ρa:粒子、空气的密度(g·cm−3)z0,:实际地表的粗糙度(cm)z0,s,i

:平土壤表面相对于ds,i的粗糙度(cm)MarticorenaandBergametti(1995)来源-裸地起尘-发朝气制临界摩擦风速(Thresholdfrictionwindspeed)大气气溶胶的来源——洋面海盐粒子的形成过程大气中海盐粒子主要由洋面气泡裂开造成：a)海水中气泡上升，并发生膨胀；b)气泡上升到水面，其上部凸出水面形成一个泡膜。泡膜就不断因膨胀而变薄，裂开成很多水屑，即膜滴。c)膜滴飞散于水面以上蒸发，所含盐分成为空中盐粒。d)水面凹陷处汇聚的水流造成水柱上升裂开成水珠，即柱滴、喷滴、射滴Seaspray=Filmdroplets+Jetdrops大气气溶胶的来源-洋面单个气泡产生的膜滴、柱滴数与气泡直径的关系膜滴：柱滴：大气气溶胶的来源-洋面海盐粒子的形成过程Spumedrops大气气溶胶的来源-洋面大气气溶胶的来源-洋面参数化方案举例（Monahanetal.1986）Seaspary:ΔFispray:液滴产生率(particles·cm−2·s−1)ri:环境湿度条件下液滴平均半径(0.8~10μm)，可用Δri中值|vh,10|:10m平均水平风速(<20m·s−1)B=(0.38-log10ri)/0.65大气气溶胶的来源-洋面参数化方案举例（Monahanetal.1986）Spumedrops:大气气溶胶的来源-洋面参数化方案举例（Monahanetal.1986）|vh,10|:10m·s−1ri:10μm大气气溶胶的来源——其他气粒转换：是指大气中通过气体之间或气体与液滴、或固粒之间的相互作用，形成新的大气悬浮物的过程。大气气溶胶的来源-气粒转换大气中主要的气粒转化模式windsblowsmokefrommanylargefiresoveravastareaofsouthernAfrica.

来源-生物及燃烧过程生物过程产生质粒：地表植物向大气中散发各种有机质粒，被气流带至上空成为悬浮的颗粒物，如花粉，种子、孢子等燃烧过程产生质粒森林火灾、草原大火、其它生物质燃烧及化石燃料燃烧，干脆把粒子输送到大气中，形成粗粒子，燃烧排放的一些污染气体也可能在大气中转化成粒子Eruptingvolcanoescansendtonsofparticlesintotheatmosphere,alongwithvastamountsofwatervapor,carbondioxide,andsulfurdioxide.

大气气溶胶的来源-火山喷发大气气溶胶的来源-火山喷发火山喷发火山爆发把大量的气体和粒子喷射到自由对流层中，有些重要火山爆发甚至能把粒子干脆发送到平流层，是大气气溶胶的重要来源，属于粗粒子，其成因是固体或液体物质在机械力的作用下的裂开，对平流层的影响变幅很大，维持时间长，几年内不确定能复原到之前的背景浓度对对流层的影响有局地性和短时性，火山灰可在一两个月落至地面。大气气溶胶的来源-火山喷发大气气溶胶的来源-火山喷发:///wikipedia/commons/thumb/9/9c/Mauna_Loa_atmospheric_transmission.png/220px-Mauna_Loa_atmospheric_transmission.png大气气溶胶的来源-球外陨星球外陨星物质流星体进入地球引力范围形成陨星现象，陨星很少一部分落至地面陨星尘可干脆影响平流层气溶胶的性质，增加气溶胶浓度，减小平均质粒尺度，增加总的硫酸盐质量陨星尘很少到达对流层，一般也不起自然成冰核的作用大气气溶胶的来源大气气溶胶的来源大气气溶胶的来源大气气溶胶的来源——全球产生率大气气溶胶全球产生率大气气溶胶全球产生率大气气溶胶全球产生率Annualaveragesourcestrength(kgkm−2hr−1)大气气溶胶全球产生率Annualaveragesourcestrength(kgkm−2hr−1)andtotalaerosolopticaldepth(IPCC2001)大气气溶胶的来源——时空分布大气气溶胶的来源-时空分布气溶胶浓度的时、空变更确定于：源强、离源距离、大气输送（对流、平流、湍流扩散）、移除效率等滞留时间(Residencetime,Jaenicke,1988)τ:滞留时间(s)r:粒子半径(μm)R:τmax对应的粒子半径(=0.3μm)C:时间常数(=1.28×108s)τw:与湿沉降相关的滞留时间(s)6.9×105s(8days)——对流层底层(<=1.5km)1.8×106s(3weeks)——对流层中层至对流层顶1.7×1067s(200days)——对流层顶及以上大气气溶胶的来源-时空分布滞留时间(Residencetime,Jaenicke,1988)大气气溶胶的来源-时空分布垂直变更随距地高度增加快速削减，大多数质粒集中于对流边界层1～2km范围内，4～5km以上，因受地面干脆放射的影响较弱，其尺度分布类似于稳定的背景气溶胶海陆差异陆地比海洋产生率高南北半球差异61%产生于北半球，主要集中于30~60ºN（占88%的人为源）大气气溶胶的来源-时空分布ANNUALMEANPM2.5CONCENTRATIONS(2002)

derivedfromMODISsatelliteinstrumentdataJacobetal.EPS[2000]大气气溶胶的来源-时空分布一般认为，整体上气溶胶粒子数浓度随高度增加而减小，遵从指数律分布。N=N0exp(-h/hP)hp为气溶胶标高，代表整个气柱中的气溶胶粒子按地面浓度在垂直方向匀整分布所能达到的高度。大气气溶胶的来源-时空分布大气气溶胶的来源-时空分布大气气溶胶的来源-时空分布大气气溶胶的来源-时空分布Yang,Jun,De-PingZhou,Fu-JiuGong,Jian-ChunGao,andZi-HuaLi:VerticalDistributionofAtmosphericAerosolParticlesoverLiaoningP