半干旱区春季沙尘气溶胶谱分布的观测研究

为研究半干旱区沙尘细粒子的粒谱特征,利用WPS粒谱仪对内蒙古朱日和地区春季粒径为0.01~10.0mm的沙尘气溶胶进行了40多天的连续观测,得到不同天气条件下的气溶胶谱分布.研究表明,沙尘气溶胶有明显的日分布规律,不同天气背景下的沙尘气溶胶浓度变化特征不同,受气象要素影响较大.非沙尘日和沙尘日均有浓度变化较稳定的粒径段,沙尘日出现稳定粒径段的粒径小于非沙尘日,2种天气背景下的平均谱在0.07~0.20mm;非沙尘日、沙尘日和沙尘时段的气溶胶谱型在0.01~0.1mm、0.1~1.0mm和1.0~10mm 3个粒径段分布明显不同,分别符合对数正态分布、Lorentz分布和负指数分布.     

新疆天山夏季气象条件对气溶胶粒径分布的影响

使用宽范围粒径谱仪对天山白杨沟风景区2019年8月5-25日10 nm~10 μm气溶胶数浓度粒径分布进行观测,结合气象要素数据,分析了天山地区夏季气象条件对气溶胶粒径分布特征的影响.结果表明,夏季天山地区10 nm~10 μm气溶胶数浓度、表面积浓度和体积浓度平均为3539.2 cm^-3、116.5 μm²·cm^-3和17.6 μm³·cm^-3.不同降水过程对气溶胶数浓度的影响不同.不同降水过程中气溶胶数浓度谱均为单峰型分布,持续时间长的小雨和毛毛雨对气溶胶数浓度谱谱形的影响较小,而降雨量较强的短时降水过程往往会使得气溶胶粒径谱峰值往大粒径段偏移.降雨过程气溶胶表面积浓度谱和体积浓度谱为多峰型分布,表面积浓度主要集中在30~500 nm的细粒子段,体积浓度主要集中在1~10 μm的粗粒子段.相对湿度（RH）对核模态气溶胶数浓度和积聚模态气溶胶数浓度的影响较大,对爱根核模态气溶胶数浓度的影响较小.不同相对湿度条件下气溶胶数浓度谱均为单峰型分布.随着相对湿度的增加,气溶胶数浓度谱的峰宽呈现先增加后减小的趋势,这种变化趋势在<40 nm时更加显著.气溶胶数浓度、表面积浓度和体积浓度随风速风向的分布与能见度随风速风向的分布呈现相反的趋势.     

海洋-大气过程对南海气溶胶数浓度谱分布的影响

利用2012年8月28日至10月13日期间走航观测的气溶胶数据,分析了南海气溶胶数浓度时空分布和粒径谱分布特征,以及海洋-大气过程的影响.结果表明,南海气溶胶数浓度的时空分布和粒径谱分布受海洋和陆地源以及当地气象条件如风速、风向、相对湿度、云量、温度等的共同影响.陆地气团影响下的海域气溶胶数浓度较大,达2 300个·cm~(-3);受陆地影响较小的海域大气较为洁净,气溶胶数浓度在1 200个·cm~(-3)以下.观测得到的气溶胶粒径谱包括积聚模态和粗模态,峰值分别位于0.08~0.2μm和0.5~2μm附近.出现频率较高的谱型有3种:陆地型,海洋背景1型和海洋背景2型.陆地型与海洋2型的谱分布形状基本一致,但后者次微米粒子数浓度非常小,是洁净海洋背景下最常见的谱型;海洋1型在0.05~0.1μm粒径段数浓度显著高于海洋2型,并且在大于0.5μm的粗粒子段,海洋1型的气溶胶数浓度超过陆地型气溶胶数浓度,暗示了海洋源对这两个粒径段的粒子数浓度的贡献.0.05~0.12μm的积聚模态粒子数浓度与低云量有明显的正相关关系,且当相对湿度达90%~95%时,0.08μm附近的粒子数浓度增加显著.0.5~6μm的粗模态海洋气溶胶对风速的依赖性较强,相关性达0.7;0.05~0.12μm气溶胶数浓度与风速呈现弱正相关;0.12~0.5μm粒子数浓度与风速呈负相关.随着相对湿度的增大,0.08~0.12μm的粒子数浓度降低,而0.05~0.08μm和0.5~6μm的粒子数浓度增大.降水过程中,各粒径段粒子数浓度逐渐降低,但在降水初期,相对湿度达到90%~95%,0.05~0.12μm和0.5~6μm的粒子数浓度显著增大,随后逐渐减小.     

沙尘天气对生物气溶胶中总微生物浓度及粒径分布的影响

为了解沙尘对生物气溶胶中微生物的影响,于2015年3~4月间分别在兰州和青岛沙尘期间运用分级生物气溶胶采样器连续采集了生物气溶胶样品,并利用DAPI染色-荧光显微镜计数方法测定了总微生物浓度.结果表明,沙尘发生时生物气溶胶中总微生物浓度显著增加(P0.05).兰州和青岛总微生物浓度晴天背景均值分别为5.61×10~5cells·m~(-3)和2.08×10~5cells·m~(-3),沙尘时平均浓度分别是晴天的14.8倍和6.42倍.晴天时兰州和青岛两地样品微生物粒径分布均呈双峰分布,最高峰值均出现在7.0μm的粒径上,最低值均出现在4.7~7.0μm的粒径上,浓度次高峰值分别出现在3.3~4.7μm的粒径上和1.1~2.1μm的粒径上.沙尘时粒径分布均发生明显变化,兰州仍呈现双峰分布,但其中一个峰值从7.0μm移动到1.1~2.1μm;而青岛粒径由双峰分布变为粗粒径偏态分布.兰州和青岛沙尘前微生物负荷的背景值分别是2 224 cells·μg~(-1)和1 550 cells·μg~(-1),而沙尘发生时,颗粒物的微生物负荷均大幅增加,最高值分别达26 442 cells·μg~(-1)和10 250 cells·μg~(-1),这说明沙尘天气发生时,微生物浓度的增加不仅仅是因为空气中颗粒物的增加,而是因为长距离传输的沙尘颗粒携带有大量外源微生物.     

春节期间南京市大气气溶胶粒径分布特征

为研究春节期间燃放烟花爆竹对城市大气气溶胶数浓度粒径谱分布的影响,对2012年1月19~31日南京大气气溶胶数浓度、污染气体浓度和质量浓度进行了观测分析.结果表明,烟花爆竹的燃放期间10~20 nm气溶胶浓度远低于非燃放期,50~100、100~200和200~500 nm数浓度有较大增加,20~50 nm和0.5~10μm气溶胶数浓度变化不大.烟花爆竹的燃放对气溶胶数浓度谱影响较大,非燃放期数浓度谱为双峰型分布;在燃放期数浓度谱为单峰性分布,且峰值向大粒径段偏移.烟花爆竹燃放期间质量浓度谱为双峰型分布,对细粒子的质量浓度影响较大,燃放期间PM2.5/PM10和PM1.0/PM10的值可升高10%.烟花爆竹的大量燃放对1.0~2.1μm粒径段气溶胶密度影响最大,对其他粒径段密度影响较小.     

一次沙尘事件对沿海及海洋大气气溶胶中金属粒径分布的影响

于2016年3~4月在青岛、东海及西北太平洋连续采集了气溶胶分级样品,测定了样品中Al、Na、Fe、Mg、K、Cu、Pb、Cd等金属元素的浓度,分析了沙尘事件下气溶胶中金属元素的粒径分布特征,并初步讨论了气溶胶中金属来源及影响因素.结果表明,受此次沙尘事件影响青岛近岸样品中Al、Fe、K、Na、Cu、Pb的浓度增加了85%~1400%,而金属Cd浓度降低8%;海洋样品中Al、Fe、K、Cu、Pb、Cd浓度增加了163%~4580%,而Na浓度降低62%.沙尘对气溶胶中金属元素的粒径分布影响显著,青岛近岸和海洋气溶胶中K由双模态分布变为粗模态分布;Pb、Cd由细模态分布变为双模态分布;Cu仍呈双模态分布,但粗颗粒上的占比增加;Al、Fe、Mg、Na则保持粗模态分布.沙尘事件对近岸与海洋样品的影响不同,青岛近岸沙尘气溶胶中Al、Fe、Mg、Na、K的峰值粒径位于2.1~3.3 μm,而海洋样品的峰值向粗粒径移动至3.3~4.7 μm;沙尘影响下近岸气溶胶中Al、Fe、Mg、Na、K、Pb、Cd在粗颗粒上的占比下降了1%~35%,而东海样品中这些金属的粗粒子占比上升了4%~33%,可能与吸湿增长以及沙尘的传输路径和高度有关.     

沙尘的红外衰减特性研究

应用Mie理论分析了沙尘粒子的散射特性,研究了具有一定粒径分布的沙尘粒子的红外衰减特性。研究结果表明,指数分布和对数正态分布下沙尘的衰减预测结果比较接近且随能见度的增大衰减减小。不同沙尘天气衰减计算结果表明,波长为11μm时,沙尘暴引起的衰减最大、自然沙尘引起的衰减最小。     

河北中南部不同天气条件下气溶胶的航测研究

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.     

华北地区气溶胶数浓度和尺度分布的航测研究 ——以石家庄为例

2009年秋季利用河北省人工影响天气办公室机载气溶胶粒子探头(PCASP-100X)和前向散射滴谱探头(FSSP-100-ER)在石家庄市上空进行了多次气溶胶观测.选取2009年9~10月间的7架次雾天、1架次小雨天及1架次密卷云天观测资料,重点研究雾天气溶胶粒子数浓度和直径的垂直、水平分布特征及粒子谱分布,并与密卷云天和小雨天的探测资料进行对比分析.结果表明:石家庄地区气溶胶粒子数浓度较高,近地面最大值达11910个/cm3.气溶胶粒子数浓度主要受天气条件影响,逆温层是影响粒子垂直输送的主要因素,在逆温层下粒子累积形成粒子数浓度的高值区,逆温层以上气溶胶粒子数浓度迅速减少,雾天和密卷云天粒子数浓度随高度多呈负指数分布;雾天多伴有逆温层和较大空气湿度,有利于气溶胶粒子累积,数浓度一般可达104个/cm3以上,容易形成低能见度污染天气;气溶胶粒子数浓度在无降水日有累积效应,降雨对气溶胶粒子有明显清除作用;粒子数浓度和粒子直径在水平方向上呈不均匀分布,随着高度增加粒子数浓度和直径的水平绝对偏差减小,相对偏差往往增大;不同天气下尺度谱型类似,多呈单峰分布,在0.11μm左右处出现峰值,但在雾天、密卷云天、小雨天气下的气溶胶粒子峰值依次变小,并且随高度增加,尺度谱峰值数密度值降低,谱变窄.     

塔克拉玛干沙漠腹地沙尘气溶胶质量浓度的观测研究

对塔克拉玛干沙漠腹地塔中地区进行了长达6a的试验观测研究,获得了该地区沙尘气溶胶的基本特征:塔中地区浮尘、扬沙出现日数呈上升趋势,而沙尘暴日数呈下降趋势,沙尘天气出现的频率和强度是影响沙漠地区沙尘气溶胶浓度的主要因素.可吸入颗粒物(PM10)月平均质量浓度峰值区分布在春夏两个季节,3~5月是主峰值区域,7~8月是次峰值区,春季PM10平均浓度在1000mg/m3左右变化,夏季在400~900mg/m3之间,秋冬两季浓度较低基本上在200~400mg/m3之间变化.每年的3~9月是总悬浮颗粒物(TSP)质量浓度较高的月份,4~5月是主峰值区,7~8月为次峰值区;2005年TSP质量浓度最低,年平均值为1105.0mg/m3,2009年略高于2008年,年平均浓度为1878.0 mg/m3,2008年5月TSP平均质量浓度是全年最高值,浓度值达到7415.0mg/m3.沙尘天气过程中大气颗粒物浓度变化具有以下规律:晴天<浮尘天气<浮尘、扬沙天气<沙尘暴天气．风速大小直接影响大气中颗粒物浓度,风速越大颗粒物浓度越高.气温、相对湿度和气压是影响沙尘暴强度的重要因素,也间接影响大气中颗粒物浓度的变化.     

北京市秋季大气气溶胶质量浓度谱分布特征的观测研究

为了研究不同天气形势和气象要素对不同粒径段的大气气溶胶质量浓度谱分布的影响,2010年秋季在北京市采用空气动力学粒径仪对0.5 ～20 μm的大气颗粒物进行了为期2个月的连续观测.结果表明,在不同天气形势和气团运动下,质量浓度谱分布差异明显.受到西北气流影响,在质量浓度较小的清洁天气,谱分布主要集中在粗粒径段(清洁天气).当天气以静稳为主,颗粒物质量浓度值中等偏高时,粗细粒径气溶胶分布中出现谱值相近的高峰(中等浑浊天气).在受到西南气流主要影响的高质量浓度的观测日中,细粒径气溶胶在谱分布中占主要地位(高浑浊天气).在相同气团影响的天气下,昼夜间质量浓度谱分布的谱型变化趋势一致.清洁天气保持了粗粒径段的单峰分布,中等浑浊和高浑浊天气呈双峰分布.清洁天气细粒径段谱值受光化学反应影响在日间略高于夜间.中等浑浊天气中质量浓度的谱值在夜间受相对湿度和温度变化影响有显著增加.高浑浊天气下,昼夜温湿差别小,谱分布未出现明显变化.     

石家庄一次沙尘大气污染物与边界层相互作用

针对2020年5月11~12日华北平原出现的一次沙尘过程,使用云高仪和空中国王-350飞机观测平台观测了气溶胶后向散射系数、气象要素、黑碳气溶胶（BC）和0.1~3.0μm气溶胶粒径分布的垂直结构,并结合FY-4A卫星数据、大气污染物数据（PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂、CO和O₃）、地面气象数据和探空数据,探究了此次沙尘过程中大气污染物和边界层结构的相互作用机制.结果表明,由于逆温层的存在,沙尘在石家庄上空维持在>1km的高度,因此对地面污染物的影响较小.沙尘期间石家庄PM₁₀的平均质量浓度为166.3μg/m³,分别是沙尘前和沙尘后的2.7倍和1.5倍.沙尘过程对边界层结构影响较大.沙尘期间在沙尘层附近形成一层RH较小、风速较大、气溶胶含量较高的“穹顶”结构,阻碍了大气边界层的发展.“穹顶”结构使得贴地逆温消失,有利于近地面污染物的扩散.沙尘层内BC和气溶胶数浓度较高,最大浓度接近地面观测浓度.沙尘过程对不同高度气溶胶数浓度谱谱型影响较小,沙尘层使得0.4~3μm气溶胶数浓度显著增加.     

沙尘的红外衰减特性研究

应用Mie理论分析了沙尘粒子的散射特性,研究了具有一定粒径分布的沙尘粒子的红外衰减特-洼。研究结果表明,指数分布和对数正态分布下沙尘的衰减预测结果比较接近且随能见度的增大衰减减小。不同沙尘天气衰减计算结果表明,波长为11μm时,沙尘暴引起的衰减最大、自然沙尘引起的衰减最小。     

两类典型沙尘过程对比及清除机制分析

沙尘天气会危害人体健康并直接影响城市运行,当沙尘天气发生后,针对其清除过程及动力学机制鲜有研究.本文利用北京地区地面观测资料、风廓线雷达数据、四维变分多普勒雷达分析系统（Variational Doppler Radar Analysis System,VDRAS）数据、气溶胶激光雷达监测资料等,对比分析了2018年3月27—28日明显浮尘和2021年3月15日强沙尘暴天气的沙尘清除过程,研究了不同大气环流背景下的沙尘减弱消散动力机制.结果表明,在3月27—28日偏东风天气背景下：①北京地区沙尘浓度垂直分布及变化与高空槽及偏东风的强度垂直分布有紧密关系;②浮尘天气中,偏东风在1~1.5 km之上随高度减弱形成上升气流,与短波槽耦合,将高浓度气溶胶向高空输送;而1 km以下偏东风向 地面风速减小,有利于下沉运动,不利于气溶胶向高层扩散,造成中层浓度降低;③随着2.5 km以下偏东风加强至低空急流,并随高度增加, 上升运动显著增大,高浓度气溶胶被抬至高层并向下游输送,配合气团更迭,完成浮尘清除.而在3月15日强沙尘暴过程中：④沙尘浓度垂直分布变化与上游传输及低层强下沉运动有关,1 km以下沙尘浓度首先下降,主要由低层大气辐散下沉及沉降作用导致,而高空西北气流的 传输作用使得1~2.5 km高浓度沙尘粒子维持时间较长,垂直出现分层结构;⑤冷锋后西北气流天气形势下,沙尘的清除机制在于整层强烈的下沉运动与自然沉降的叠加效应,配合清洁气团更迭,完成清除过程.     

天气条件及气团来源对青岛春季大气颗粒物数浓度谱分布的影响

利用2010年春季在青岛观测的不同粒径大气颗粒物数浓度,结合同期的Micaps天气图资料及后向轨迹分析资料,探讨了不同天气条件及气团来源不同时青岛大气颗粒物数浓度谱的变化特征.结果表明,沙尘发生前12h,大气中0.3~1.0μm的细粒子数浓度逐渐小幅升高,沙尘发生时>1.0μm粗颗粒物数浓度较沙尘发生前升高了1~10倍,0.3~1.0μm细颗粒物数浓度则降低了20%~45%.降雨使>1.0μm粗粒子数浓度降低>50%,降雨后大气颗粒物尤其是细粒子数浓度很快回升.雾和霾天气发生时1.0μm粗粒子数浓度较高,而局地源气溶胶中粗粒子数浓度较低,<0.7μm细粒子相对贡献较大.     

民勤近地面沙尘暴气溶胶浓度变化特征初探

借助近地面沙尘暴监测系统对民勤沙尘源区不同沙尘天气的气溶胶浓度进行了监测,初步分析了民勤近地面沙尘暴气溶胶浓度的变化特征.结果表明:沙尘暴气溶胶浓度春季最高,为14.61 mg·m-3;夏季逐渐降低,为12.49 mg·m-3;秋季无沙尘暴出现,气溶胶浓度最小;冬季趋于回升,可达9.82 mg·m-3,沙尘暴气溶胶浓度季节变化与沙尘暴发生频率相一致.不同沙尘天气条件下沙尘气溶胶浓度表现为强沙尘暴最大,为18.80 mg·m-3;中沙尘暴次之,为13.56 mg·m-3;扬沙浮沉天气较小,只有3.07 mg·m一.随着沙漠向绿洲的过渡,沙尘暴气溶胶浓度明显降低,沙漠、绿洲边缘、绿洲3个下垫面条件下沙尘暴气溶胶浓度依次为21.07 mg·m-3、12.09 mg·m-3、6.49 mg·m-3.沙尘暴气溶胶浓度随观测高度变化遵循幂函数规律,浓度梯度变幅表现为沙尘暴高发季节大于低峰季节,沙尘暴天气大于扬沙浮尘天气,沙漠下垫面大于绿洲下垫面;不同下垫面条件下沙尘暴气溶胶浓度在41 m高度处趋于一致,表明沙尘源区的沙尘浓度在约40 m范围内受地面影响较为显著.     

APS-SMPS-WPS对南京夏季气溶胶数浓度的对比观测

为了对比3321型空气动力学粒径谱仪(APS)、3081/3085型气溶胶粒径谱仪(SMPS)和宽范围粒径谱仪(WPS)对气溶胶数浓度的观测性能,于2010年夏季在南京信息工程大学校内使用上述三台仪器进行了同步观测.将得到的数据进行对比,并结合校内自动气象站的气象资料对0.01~10μm气溶胶粒子的数浓度、日变化规律及谱分布特征进行分析.结果表明,3台仪器在总体数浓度变化趋势上表现出较好的一致性,但相同粒径段的粒子浓度NSMPS>NWPS>NAPS.SMPS比WPS尺度分辨率高,粒径范围在0.02~0.2μm时,SMPS与WPS相关性较好;APS测量气溶胶数浓度谱的连续性较WPS好.3种仪器在观测日变化趋势上都表现出双峰型,但SMPS的峰值浓度和出现峰值的粒径范围均高于或大于WPS.各类气象条件及降水对仪器间的测量误差影响不大.     

北京地区沙尘天气及其影响

通过对北京地区1954～2001年气象台站的天气现象的观测资料以及最近几年20多个台站资料的分析.结果表明,北京一年中的沙尘暴主要集中在每年的春季(3～6月份),其中4月份的沙尘暴发生次数为全年最高,约占所有沙尘暴的50%;北京沙尘暴、扬沙和浮尘天气现象发生的频次有减少的趋势;北京地区沙尘天气的发生有一定的周期性变化规律;北京地区主要是以扬沙天气为主,占总沙尘天气的74.15%,其次是浮尘天气(18.09%)和沙尘暴(7.76%);北京地区的沙尘天气在空间分布上不均匀;北京地区沙尘天气现象与天气气候背景、周边和本地地表生态系统、本地建筑工地以及裸露地等有密切的关系;沙尘天气对北京重污染的贡献较大.     

青岛市连续天气过程中不同气溶胶浓度特征对比分析

利用青岛市沙尘暴监测站GRIMM180颗粒物监测仪采集到的质量浓度和数浓度数据,结合2008年5月27～28日天气系统演变进行气溶胶定性分类,对海雾气溶胶、清洁气溶胶、浮尘气溶胶的浓度进行对比分析.结果表明,①清洁气溶胶、海雾气溶胶、浮尘气溶胶的总质量浓度有明显差异;②海雾气溶胶以1～2.5μm粒子的滞留最明显,清洁气溶胶中1μm的粒子贡献率最大,浮尘气溶胶则以2.5～10μm的颗粒物级数增加最具代表性,不同气溶胶相应大小粒子的质量浓度贡献率之比明显不同;③降水系统对0.6μm较大的粒子有明显的清除作用,对0.6μm的数浓度有增大作用;④1μm尤其是0.6μm的粒子处于天气系统前部到达潮湿空气时有特殊的活化现象;⑤不同粒径尺度的粒子数浓度随气溶胶性质的转变呈现不同的模态.     

南京雾过程对大气气溶胶谱分布及化学组成的影响

为探究南京地区雾过程对气溶胶粒子化学组成和尺度分布的影响,在2017年冬季的雾观测中平行收集了3级分档雾水和分粒径气溶胶样品,并对雾微物理量与气溶胶谱分布、3级分档雾水与雾前、雾中、雾后分粒径气溶胶化学组成对比分析。结果表明,2017年冬季南京第1次雾过程的雾滴液态水含量随粒径分布为不对称“V”型,最低值位于7μm处,第2次雾过程的雾滴液态水含量随粒径分布为3峰型,峰值分别位于5,15,21.5μm处。在雾形成、发展阶段,粒径<0.33μm的气溶胶质量浓度降低,粒径0.38μm气溶胶质量浓度升高,雾成熟阶段,气溶胶粒子质量浓度在全粒径段均达到最低,粒径0.38μm的气溶胶质量浓度大幅降低,与雾前相比,雾后气溶胶质量浓度峰值向大粒径方向移动。雾前,气溶胶水溶性离子组分富集在粒径<0.43μm的小粒子中,随着雾过程进行,成核作用和吸湿增长使得水溶性离子向较大粒径段富集。雾中新生成的气溶胶随着雾滴的蒸发被释放,导致雾后NO₃^-、SO₄^2-和NH₄⁺浓度升高。较小粒径的气溶胶中和率更高,雾形成初期的新生雾滴酸性较强,随着雾过程的进行逐渐中和,雾水pH值逐渐升高。