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《中国气象科学研究院》 2017年
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河北饶阳测点气溶胶细粒子散射、吸收特性及散射相函数的观测研究

张霖逸  
【摘要】:气溶胶辐射特性是气溶胶辐射强迫研究中的重要参数,也是气溶胶辐射强迫估算中最大的不确定性来源之一。其中气溶胶散射相函数(不对称因子)反映了气溶胶对辐射散射的方向性,在辐射传输中有着特殊的重要性。多年来,有关气溶胶散射、吸收(消光)的观测研究已经开展了很多,然而对气溶胶散射相函数的直接观测研究还相对较少。本工作通过2014年6月16日至2014年8月18日在河北饶阳观测站点开展的综合观测试验,采用最新的商业化三波段角散射浊度仪(Polar Nephelometer),观测获得了当地的大气气溶胶细粒子(PM_(2.5))的角散射系数,进一步得到细粒子的散射相函数和不对称因子特征,并对同期获得的散射,吸收特性进行了分析。观测期间,饶阳干气溶胶细粒子的平均散射系数在450 nm,525 nm,635 nm三个波段分别为430.3±274.9 Mm~(-1)、403.8±274.7 Mm~(-1)和321.5±227.5Mm~(-1);525nm波长气溶胶细粒子的平均吸收系数为31±19 Mm~(-1),单次散射反照率为0.91±0.06,半球后向散射比0.13±0.03,Angstrom指数为1.00±0.36。反映了饶阳气溶胶细粒子具有较强的光散射性。饶阳测点污染的发生常伴有偏南方向的气流控制,颗粒物污染受到地面风和光化学过程的影响,不同风向条件下气溶胶光学性质的差异很大。根据多波长角散射浊度仪Aurora 4000(Polar Nephelometer,ECOTech,Australia)测量获取的前向角散射系数(10°~90°)和后向散射系数,提出了一种基于浊度仪直接测量的气溶胶角散射系数和改进的HG相函数近似获取气溶胶散射相函数、不对称因子的拟合估算方法。估算结果表明,用改进的HG相函数近似能够较好的拟合河北饶阳实际观测的气溶胶细粒子(PM_(2.5))的散射相函数,由此得到的前向(15-20度)散射相函数数值和半球后向散射比与通过角散射浊度仪直接测量得到的结果有很好的一致性。拟合得到河北饶阳测点观测期间干气溶胶细粒子在三个波长的平均不对称因子(g)分别为0.53±0.04(635nm)、0.57±0.05(525nm),和0.57±0.07(450nm)。对比观测期间两个污染和清洁过程,干气溶胶细粒子的散射相函数和不对称因子(g)在污染情况下明显高于相对清洁情况,表明饶阳地区污染情况下细粒子的平均粒径相比于清洁情况更大。利用多波长角散射浊度仪测量计算得到的气溶胶相函数和半球后向散射比的观测结果,结合同期膜采样气溶胶化学成分分析得到的平均复折射指数,对膜采样期间粒子谱分布进行拟合反演,并通过PM_1/PM_(2.5)膜称重的比值与利用拟合得到的粒子谱计算的PM_1/PM_(2.5)比值进行对比验证。结果表明,膜称重PM_1/PM_(2.5)的比值与利用拟合得到的粒子谱计算的结果具有较好的一致性,表明利用角散射浊度仪的测量结果反演细粒子的粒子谱分布有较好的效果。在此基础上,进一步采用拟合反演的粒子谱计算气溶胶细粒子的不对称因子。并且讨论分析了利用粒子谱计算和利用改进的HG相函数计算时,其误差函数算法中分别进行了对观测得到的相函数数据进行取对数处理和不取对数处理的试验。发现采用先拟合细粒子的谱分布,进而计算气溶胶细粒子的不对称因子的方法,能够得到数值上更稳定的不对称因子。
【关键词】:气溶胶 辐射特性 不对称因子 散射相函数
【学位授予单位】:中国气象科学研究院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:X513
【目录】:
  • 摘要4-6
  • Abstract6-11
  • 第一章 绪论11-19
  • 1.1 引言11
  • 1.2 气溶胶的辐射效应及其估算的不确定性11-13
  • 1.3 气溶胶辐射特性的研究进展13-17
  • 1.3.1 气溶胶散射,吸收特性及其辐射效应的研究进展13-15
  • 1.3.2 气溶胶散射相函数(不对称因子)15-16
  • 1.3.3 气溶胶辐射特性的主要影响因子16-17
  • 1.4 气溶胶相函数观测及华北地区光学特性观测的研究意义及论文主要内容17-19
  • 第二章 河北饶阳地区大气气溶胶综合观测试验19-29
  • 2.1 引言19
  • 2.2 观测站点19-20
  • 2.3 观测20-25
  • 2.3.1 观测进气系统与主要观测项目20-21
  • 2.3.2 观测仪器21-25
  • 2.4 数据质量控制及其处理25-27
  • 2.4.1 积分浊度仪的标校25
  • 2.4.2 两台积分浊度仪的平行观测数据对比25-26
  • 2.4.3 积分浊度仪的误差与订正26-27
  • 2.4.4 膜称重气溶胶质量重建和质量闭合27
  • 2.5 本章小结27-29
  • 第三章 饶阳地区气溶胶散射,吸收特性29-39
  • 3.1 引言29
  • 3.2 气溶胶散射,吸收系数,单次散射反照率的统计及变化特征29-32
  • 3.3 Angstrom指数与半球后向散射比的统计及变化特征32-33
  • 3.4 饶阳地区与其他地区的对比33-34
  • 3.5 日变化特征34-35
  • 3.6 夏季气溶胶光学特征和地面风的关系35-37
  • 3.7 污染时段下的气溶胶辐射特性37-38
  • 3.8 本章小结38-39
  • 第四章 河北饶阳地区大气气溶胶细粒子散射相函数,不对称因子的研究39-51
  • 4.1 引言39
  • 4.2 气溶胶散射相函数39-41
  • 4.2.1 基于多角度散射测量计算气溶胶散射相函数39-40
  • 4.2.2 饶阳夏季气溶胶散射相函数特征40-41
  • 4.3 不对称因子的拟合41-48
  • 4.3.1 拟合参数41
  • 4.3.2 拟合方法41-44
  • 4.3.3 不对称因子的拟合结果和初步分析44-48
  • 4.4 饶阳观测期间污染、清洁时段气溶胶不对称因子及相函数特征48-49
  • 4.5 本章小结49-51
  • 第五章 河北饶阳气溶胶细粒子粒子谱拟合反演研究51-65
  • 5.1 引言51
  • 5.2 所用的观测数据概况51
  • 5.3 粒子谱,复折射指数与相函数的敏感性理论计算51-55
  • 5.3.1 粒子谱对相函数的影响52-54
  • 5.3.2 复折射指数对相函数的影响54-55
  • 5.4 气溶胶粒子谱拟合反演55-59
  • 5.4.1 粒子谱拟合反演方法55-56
  • 5.4.2 拟合方法结果检验56-59
  • 5.5 整个观测期间拟合粒子谱结果59-62
  • 5.5.1 粒子谱统计特征59-60
  • 5.5.2 饶阳地区气溶胶粒子谱中值粒径的日变化60
  • 5.5.3 污染,清洁情况下的气溶胶细粒子谱分布60-61
  • 5.5.4 气溶胶细粒子谱分布与风的关系61-62
  • 5.6 基于拟合反演的粒子谱计算不对称因子62-63
  • 5.7 本章小结63-65
  • 第六章 结论与展望65-67
  • 6.1 研究结论65
  • 6.2 本文创新之处65-66
  • 6.3 未来工作展望66-67
  • 参考文献67-75
  • 致谢75-77
  • 作者简历77

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