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西北半干旱区沙尘气溶胶光学和微物理特性研究

史莹莹  
【摘要】:大气气溶胶可以通过散射和吸收太阳辐射,可以通过改变云发展过程、生命期、云反照率,而改变地气系统辐射平衡,直接或间接地影响区域乃至全球气候。由于气溶胶时空变化的不确定性,目前对气溶胶物理化学、光学特性缺乏充分的认识,难以精确计算气溶胶的辐射强迫,这是气候预测中最不确定的因子之一。因此,深入研究气溶胶的物理化学特性、光学特性,对深刻认识和精确估计气溶胶的辐射效应具有重要意义。本文利用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)2006年7月至2012年8月太阳光度计实测数据,分析了气溶胶的光学特性并对比分析了沙尘、黑碳和背景气溶胶的光学和微物理特性;通过严格判据挑选出沙尘气溶胶数据,进而研究有效沙尘天的沙尘气溶胶光学和微物理特性参量;结合激光雷达观测研究了2010年3月29日至31日发生的春季沙尘天气过程,并与2010年7月30日至31日发生的夏季沙尘过程进行对比分析。(1)气溶胶光学厚度日均值为0.38,?ngstr?m波长指数日均值为0.88,与光学厚度位相相反,柱总水汽含量日均值为0.84,与四季的气候特征一致。沙尘气溶胶粗模态峰值(1.03μm3/μm2)很大,细模态粒子浓度很小,黑碳气溶胶粗模态峰值(0.08μm3/μm2)与细模态峰值(0.03μm3/μm2)都很小,沙尘气溶胶多为大粒径颗粒,而黑碳气溶胶多为小粒径颗粒。黑碳气溶胶波长指数大于沙尘气溶胶,与粒子有效半径变化一致。气溶胶的散射性沙尘强于黑碳,吸收性黑碳强于沙尘,并且沙尘和黑碳气溶胶都对波长440 nm的吸收性最强。气溶胶的前向散射特性沙尘强于黑碳。(2)沙尘气溶胶光学厚度最大值(2.80)出现在春季,主要分布在0.3-0.8,日均值0.63±0.44。?ngstr?m波长指数与光学厚度位相相反,春季最小(0.002),秋季最大(0.525),主要分布在0.2-0.4,日均值0.27±0.12。沙尘多为大粒径气溶胶,粒子谱粗模态占主导。总粒子和粗模态粒子体积浓度变化很大,与光学厚度年变化一致,在4月达到最大。有效半径与复折射指数实部变化一致,春冬季较大,夏秋季较小。单次散射反照率冬春小,夏秋较大,最小值出现在2月,与复折射指数虚部反位相。不对称因子春季最小。(3)春季沙尘天气发生后退偏振率增大到0.3以上,光学厚度急剧增大到1以上,粗模态峰值最大达到1.12μm3/μm2,而细模态浓度依旧很小,能见度明显降低。影响春季沙尘天气的高空关键系统是强风带和强锋区,午后地面剧烈增温为沙尘天气发生提供了有利的热力条件,大风是形成沙尘起沙的主要动力。春季沙尘天气主要受远程输送的沙尘影响,而夏季沙尘天气主要受局地排放的沙尘粒子影响,春季沙尘过程中减压较夏季大,沙尘发生前的风速也比夏季大,春季伴随沙尘发生相对湿度减小,沙尘结束后,相对湿度继续减小,夏季伴随沙尘发生相对湿度则增加,夏季近地层空气的相对湿度远大于春季。


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