一次对流过程对气溶胶清除和再生过程的影响

利用中尺度天气预报和研究模式(WRF)对2007年4月23～24日广东省发生的一次飑线过程进行了模拟,研究了水凝物粒子对气溶胶的清除过程、液滴蒸发引起的气溶胶再生过程以及动力输送作用对气溶胶数浓度的影响.结果表明,降水与近地层气溶胶数浓度的变化呈负相关关系.综合对比各水凝物种类的碰撞清除率和核化清除率,发现云滴核化过程...     

A laboratory study of the efficiency with which aerosol particles are scavenged by snow flakes

An evaluation is made of presently available efficiencies with which aerosol particles are collected by snow crystals and aggregates of snow crystals (snow flakes). In this evaluation we incorporated our own recent experiments, carried out with naturally as well as with laboratory grown snow flakes inside a large walk-in cold chamber. Our evaluation shows that snow flakes are considerably more efficient in scavenging aerosol particles than single snow crystals. This result is supported by the recent wind tunnel studies of Lewet al. (1986,J. atmos. Sci.43, 2410–2417) on the uptake of supercooled drops by snow flakes, and by the theoretical studies of Redkin (1973,Hydrodynamics and Thermodynamics of Aerosols (edited by Voloshichok and Sedunov), pp. 220–238. Wiley, New York), who both attributed the high collection efficiency of snow flakes to a filtering effect involving the open mesh structure of the snow flakes. This conclusion can be understood on the basis of an analysis of the available collection efficiencies of aerosol particles by single snow crystals and snow flakes in terms of the Stokes number. The analysis shows that scavenging of aerosol particles of diameter larger than 0.2 μm by snow crystals larger than 1 mm in diameter is controlled by inertial capture. This mechanism plays only a very minor role in the capture of aerosol particles by snow flakes.     

高梯度磁场中磁性可吸入颗粒物脱除试验研究

在高梯度磁场中,分别对钡铁氧体、Fe3O4和γ-Fe2O3等3种磁性可吸入颗粒物进行了脱除实验研究.通过改变外加磁场磁通密度、格栅排数、气溶胶流量、磁性可吸入颗粒物的种类,研究其脱除效率的变化规律.确定影响磁性可吸入颗粒物脱除效率的因素.结果表明:外加磁场的磁通密度越大,颗粒物的脱除效率越高,但有一定限度;格栅排数增加后,颗粒物的脱除效率得到提高;随着流量的增加,颗粒物的脱除效率有所下降;磁性颗粒的磁化率越大.颗粒脱除效率越高.     

降雨过程中气溶胶湿沉降的数值模拟

为了参数化降雨湿去除气溶胶的过程,首先定量计算了雨滴和气溶胶的碰撞效率与它们尺度之间的依存关系,以及雨滴尺度谱满足对数正态分布时气溶胶的清除系数与其尺度的依存关系;然后利用多重Monte Carlo算法模拟了降雨过程中气溶胶尺度谱的时间演变过程,考察了气溶胶湿沉降过程与降雨类型和雨强的相关性.当雨滴尺度谱和气溶胶尺度谱均满足对数正态分布时,数值模拟的结果表明,典型的小雨、中雨和大雨过程对中等尺度气溶胶的湿去除效果均不理想,但都可以有效地湿去除大尺度气溶胶和小尺度气溶胶;3种降雨类型对大尺度气溶胶的湿去除效果均依次好于小尺度气溶胶和中等尺度气溶胶;对于任何尺度的气溶胶,雨强的增加将有利于其湿沉降.     

南极春季海冰物理对叶绿素控制作用的统计分析

利用2006年南极威德尔海西北海域冬末春初的冰芯晶体结构,和302组冰芯温度、盐度、密度、叶绿素-a、脱镁叶绿素数据,以及冰底面叶绿素a垂直分布数据,进一步确定积雪/海冰厚度、冰内温度、盐度、密度对冰内和冰下叶绿素a的贡献.利用环境制约与生态平衡原理,阐明积雪/海冰厚度通过阻碍光通量对冰底叶绿素的效应,以及卤水体积通过冰温度和盐度体现对冰藻细胞活性的抑制作用.统计分析不仅确立了南极海冰冰内卤水体积-内叶绿素a的逻辑斯蒂上限含量曲线,并体现出粒状冰同柱状冰卤水排泄方式的差异及其对冰底春季叶绿素a快速增长的冰物理贡献.冰藻细胞活性指标小于0.5的仅占4.3%,该数据为南极冰藻是维持南极冰区浮游植物旺发的主导因子提供了重要依据.     

干旱区黑碳沉降积雪反照率及雪粒径模拟研究

在以往研究基础上,利用单点实测数据驱动雪、冰及气溶胶辐射（SNICAR）区域物理模型,将微观数据与遥感的宏观技术相结合对积雪反照率与雪粒径进行数值模拟及反演.研究表明：积雪反照率会随着太阳天顶角的增大而增加,且在近红外波段的影响更加明显;在不同雪粒径、黑炭浓度下,积雪反照率都随着雪粒径、黑炭浓度的增大而减小,且颗粒越小的雪粒,粒径的减小对反照率的影响更为明显,而黑炭主要是对可见光波段有显著作用;利用SNICAR模型与MODIS数据反演北疆地区雪粒径,其精度可达0.749,实现了单点雪粒径向面状雪粒径的尺度转换.本研究揭示了干旱区季节性积雪中,气溶胶粒子存在情况下的积雪反照率连续变化特征,有效提高了积雪中雪粒径的反演精度,为积雪中气溶胶粒子对气候产生的辐射胁迫模拟提供了技术支持.     

层状云清除气溶胶的数值模拟

建立了一个一维层状云系的气溶胶清除模式,模式旨在模拟云发展过程中云、雨水中气溶胶浓度的时空演变规律,研究气溶胶粒子的云内清除和云下清除的相对贡献大小及其湿沉降速率等.模拟结果在一定程度上与实测结果相符.     

大型室内场所的通风结构优化与病毒扩散规律

大型室内场所中的人员密集,且内部空气流场复杂,研究以气溶胶为载体的病毒在大型封闭空间中的扩散规律,对预防传染病毒的传播具有重要意义。以2020年武汉抗疫期间由某体育场临时改装的方舱医院为研究对象,利用数值模拟的方法分析方舱中的空气流场,同时采用DPM模型(离散相颗粒模型)模拟了带有病毒的气溶胶颗粒在方舱中分布和扩散情况,并研究了自然通风、强制通风、风道配风和底部抽吸对颗粒分布的影响。数值模拟结果表明:在风道配风及底部抽吸的情况下,气溶胶扩散得到了有效抑制,且风道配风的风压为50 Pa时,具有最佳的病毒气溶胶排出效果。     

气溶胶等效复折射率反演的免疫进化算法

通过Mie散射理论公式构建目标函数,利用免疫进化算法对气溶胶等效复折射率的实部和虚部进行协同优化,据此创新性地提出了气溶胶等效复折射率反演的新途径.基于成都市2017年9~12月逐时的气溶胶散射系数和吸收系数观测数据以及该时段同时次GRIMM180大气颗粒物监测仪的连续监测资料,研究结果表明,气溶胶等效复折射率反演的免疫进化算法不仅是普适的,而且还具有收敛速度快、计算稳定和求解精度高等特点.通过与其它气溶胶等效复折射率反演方法的对比分析,进一步论证了新方法的优势,这为气溶胶等效复折射率演变机理以及气溶胶吸湿性增长模型的后续研究提供了算法保障.     

免疫进化算法反演均匀混合气溶胶吸湿增长因子

通过对大气消光系数进行组分分解,并借助米散射理论,构建了以均匀混合气溶胶吸湿增长因子为唯一变量的目标函数.进一步利用免疫进化算法优化该目标函数,提出了一种针对均匀混合气溶胶吸湿增长因子的反演算法.基于成都市2017年10~12月浊度计,黑碳仪和GRIMM180环境颗粒物监测仪的地面逐时观测资料以及该时段同时次的环境气象监测数据（大气能见度,相对湿度RH和NO₂质量浓度）,评估了算法的性能及其适用性.结果表明：对所有测试样本而言,反演均匀混合气溶胶吸湿增长因子的免疫进化算法均能快速收敛到全局最优解.建立了成都地区秋冬季均匀混合气溶胶吸湿增长模型,该模型显著提升了环境条件下气溶胶散射系数的模拟精度,其模拟值与实测值之间的平均相对误差仅为12.7%.该反演算法的普适性可为气溶胶吸湿性及其辐射强迫效应的后续研究提供算法保障.     

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.     

跨音速风扇叶片高低转速下混合相积冰的对比研究

目的 获得跨音速风扇转子叶片高、低转速下混合相积冰的影响规律。方法 使用CFX获取风扇叶片空气流场数据,采用FENSAP-ICE获取积冰冰形,通过过冷水滴与冰晶温度、撞击叶片角度等进行混合相积冰高、低转速冰形分析。结果 风扇叶片高、低转速运转时,过冷水滴与冰晶的运动状态变化相对明显。高转速时,流场内的气流为跨音速流动,过冷水滴与冰晶撞击角度相差较大,撞击角度较大的叶根区域更容易收集过冷水滴与冰晶;低转速时,过冷水滴和冰晶与叶片的撞击角度大部分区域低于10°,使过冷水滴与冰晶碰撞到叶片后的捕获难度提升。风扇叶片高、低转速运转时,叶身的温度差异使过冷水滴在低转速下易直接凝结,未凝结的水膜量极少,而冰晶表面未形成水膜,不易被捕获,使得最终的积冰主要为过冷水滴积冰。结论 风扇叶片混合相积冰在高转速时,流道内温度升高更快,水膜不易凝结,冰晶表面易融化,促进了冰晶积冰。     

室内密闭与通风空间气溶胶扩散特性

由于气溶胶具有传播病毒的特性,室内密闭与通风空间的气溶胶扩散特性具有重要的研究意义.针对密闭空间、人体模型进行等比例建模、数值仿真计算,获取气溶胶颗粒瞬态传播途径与范围.并采用Realizablek-ε湍流模型、DPM(离散项模型)开展两相瞬态计算.结果 表明:打喷嚏、咳嗽等呼出条件下,大直径颗粒降沉,小直径颗粒将随气...     

Sources and composition of aerosol from Khartoum,Sudan

Aerosol sampling was carried out during December 1989 in Khartoum, Sudan, using Nuclepore membrane filters. Twenty-four aerosol samples were collected and analysed by X-ray fluorescence (XRF) spectrometry and particle-induced X-ray emission (PIXE). In addition, individual particle analysis was also performed on 19 samples using electron probe X-ray microanalysis (EPXMA). Good agreement between XRF and PIXE results was obtained for most of the elements. Enrichment factor calculations indicated that soil dispersion is the dominant source for most elements in the aerosol. However, certain elements showed high enrichment factors indicating the presence of anthropogenic sources. From a comparison with available literature data it appeared that the enrichment factors for the enriched elements in the Khartoum aerosol are among the lowest recorded values for urban aerosol. Absolute principal components analysis (APCA) was performed on the data and confirmed the findings from the enrichment factor calculations, i.e. a dominant soil dispersion source and an anthropogenic source for some of the elements. Because of the very limited number of impotant aerosol sources, the data set was reporduced by the APCA model with a reasonable degree of success. Single particle analysis also showed that most of the particles were soil dust. These particles could further be differentiated into alumino-silicates, quartz and CaCO₃ particles. Some of the particles were found to originate from combustion sources. EPXMA gave clues to the process of formation for some of the particles from combustion sources.     

水平表面上多机理作用下气溶胶沉积特性数值分析

采用离散随机模型模拟了水平表面上气溶胶粒子沉积的微观过程.基于随机游走方法,求解了微粒在布朗扩散和外场迁移两种输运机制耦合作用下的运动轨迹,分析了沉积物形结构特征与微粒输运机制间的作用关系,并讨论了不同沉积机制和粒径分布下的表面沉积水平.结果表明,低Pe数下沉积物形态呈现疏松的粉尘絮团结构,而在高Pe数下沉积物则表现出较为紧密的堆积结构.不同沉积机制下粒子沉积形态结构的差异取决于微粒运动轨迹的随机强度;水平表面最大沉积微粒数存在一上限值,且与微粒输运机制和粒径分布均有关.     

浙江金华秋季干气溶胶中主要化学组分的消光贡献解析

造成雾霾事件的主要原因是高浓度的大气细颗粒物污染.为了深入研究大气细颗粒物的消光来源,本研究采用高时间分辨率气溶胶观测仪器获得了浙江金华秋季PM1主要化学组分浓度及干气溶胶吸收系数和散射系数演变情况.结合有机气溶胶正矩阵因子解析模型(PMF)和多元线性回归方法,建立了拟合优度很高(R2=0.977)的细颗粒物中主要化学组分与干气溶胶消光系数间的定量关系模型.结果表明,观测期间消光贡献最大的是硫酸铵,贡献率为35.1%;其次是硝酸铵,贡献率为26.7%;二次有机气溶胶(SOA)、生物质燃烧有机气溶胶(BBOA)、黑碳(BC)及氯化铵的消光贡献率分别为14.3%、11.2%、8.7%、4.0%.在一些特定污染时段,BBOA具有最大的消光贡献,是导致此时大气能见度大幅度衰减的首要因子.     

工业粉体下落过程粉尘排放特性的实验研究

根据与维也纳工业大学化学工程研究所共同确定的实验方案,在实验室开发并设计了一套自由下落装置,研究粉体下落过程中粉尘的排放特性。通过实验主要测定下落高度、空气湿度和质量流量对粉尘排放的影响。实验结果表明,下落高度和空气湿度对粉尘排放均有影响,且空气湿度对粗粒子的排放影响较大,对细粒子影响较小;随着质量流量的增加,粉尘产生率逐渐减小,但质量流量的增加也会增加粉尘浓度,加重了对工人的危害。建立了影响因素与粉尘产生率之间的数学模型,经检验,二者之间存在显著相关,实测值与理论计算值基本一致,可以应用已建立的数学模型定量评价粉尘产生量。     

气溶胶在不同倾角裂隙中穿透率研究

为研究气溶胶在自然界不同倾角岩体裂隙中的穿透率,对理想模型进行了理论分析计算,并在实验室用钢板制做模拟裂隙置于不同角度进行实验。结果表明:实测值与修正后的理论计算值吻合较好,对于有一定倾角的规则尺寸岩体裂隙可以通过修正后的理论计算公式得到气溶胶在其中的穿透率;随着水平倾角的交替改变(-90°~90°),气溶胶穿透率呈现周期性变化,随着相对角度(0°~90°,0°~-90°)的增加,气溶胶穿透率明显上升,且大粒径粒子尤为明显,小粒径粒子受角度影响较小;随着侧面倾角增大(0°~90°),气溶胶粒子穿透率逐渐上升(尤其是大粒径气溶胶粒子);裂隙呈水平状态时,气溶胶在其中的穿透率最低。裂隙倾角变化,对小粒径气溶胶粒子穿透率影响不大,对大粒径气溶胶粒子穿透率影响较为明显。     

南京2007年12月持续雾霾过程的大气消光特性

2007年南京冬季雾外场综合试验期间,雾、霾交替持续的最长时间达100 h以上。利用大气气溶胶粒子和雾滴数浓度尺度谱分布、能见度、相对湿度等同步观测资料,从Mie散射理论出发,研究了雾、霾不同阶段大气消光特征,重点分析了大气气溶胶粒子和雾滴在雾、霾持续和转化过程中的消光作用。结果表明,雾、霾过程不同阶段平均能见度的大小关系为：雾<湿霾<霾~轻雾。平均而言,雾阶段雾滴和气溶胶粒子的消光作用相当,其中,雾滴消光波动幅度大于气溶胶粒子消光,能见度的变化趋势主要由雾滴的消光决定。湿霾、霾和轻雾阶段的消光主要由气溶胶粒子造成。湿霾阶段的低能见度是由于大量积聚模态的气溶胶粒子在较高相对湿度环境中吸湿增长所致。霾阶段气溶胶粒子数浓度达到最大,核模态粒子占总数浓度的80%左右,是导致该阶段能见度较低的主要原因。轻雾阶段气溶胶粒子的消光系数最小,但雾滴可提供10%~15%的消光贡献,导致能见度与霾阶段相当。