云微物理特征

大氣氣溶膠AtmosphericAerosols楊軍jyang@其次章大氣氣溶膠的來源和化學(xué)組成(1)來源化學(xué)組成1大氣氣溶膠的來源分類產(chǎn)生率時(shí)空分布特征大氣氣溶膠的來源—分類地球外表自然源、人為源氣粒轉(zhuǎn)換地層深處火山爆發(fā)外層空間隕星物質(zhì)大氣氣溶膠的來源—分類機(jī)制物理：注入機(jī)制直接由外界向大氣注入質(zhì)粒Grinding,volcano,blowingofdirtfordrysoilsUsuallygenerateparticles>1μmLessharmful化學(xué)：氣粒轉(zhuǎn)化〔核化〕通過痕量氣體氧化的氣相化學(xué)反響和化石燃料及生物質(zhì)燃燒作用，由低揮發(fā)性氣體分散而成如Combustion,photochemicalreactionsGasPM(2SO2+O2+2H2O2H2SO4)NOx+hydrocarbons+hsmogUsuallygenerateparticle<1μmHarmfulbecausetheyarerespirableandcanbereadilycarriedintothelungs大氣氣溶膠的來源—分類人類活動(dòng)相關(guān)性自然源海鹽、氣粒轉(zhuǎn)換、風(fēng)砂揚(yáng)塵、林火煙粒、火山噴發(fā)〔變化很大〕、隕星余燼、植物花粉等人為源氣粒轉(zhuǎn)換、工業(yè)過程、燃料燃燒、固廢處理、交通運(yùn)輸、核彈爆炸、人工播云等大多數(shù)氣溶膠質(zhì)粒是由海水飛沫中的鹽和氣粒轉(zhuǎn)換所造成的大氣氣溶膠的來源—分類過程一次源〔原生、Primary〕二次源〔次生、Secondary〕對(duì)流層上部至平流層〔沙塵氣溶膠運(yùn)移層〕暴露沙塵地沙粒躍移層厚度(1.0m左右)對(duì)流層中下部沙塵暴形成機(jī)制與過程的界面理論示意圖鋒面冷空氣暖空氣〔沙粒躍移層〕〔沙塵爆發(fā)生進(jìn)展及大粒徑沙塵運(yùn)移層〕———三個(gè)層次、四個(gè)界面來源-裸地起塵-發(fā)生氣制大氣氣溶膠的來源——裸地起塵來源-裸地起塵來源-裸地起塵Super-SevereDustStormon5May1993

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

of

theUnitedStatesin1930s來源-裸地起塵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.來源-裸地起塵1983年2月8日發(fā)生在澳大利亞墨爾本市的特強(qiáng)沙塵暴來源-裸地起塵DuststormOccurredontheDeadSea,whichislocatedIntheMiddleEast,BetweenIsraelandJordan來源-裸地起塵20μm8μm40μm20μm40μm100μm來源-裸地起塵來源-裸地起塵我國沙塵天氣空間分布沙塵暴揚(yáng)沙浮塵沙塵形成的三個(gè)根本條件1沙塵源物質(zhì)條件2大風(fēng)動(dòng)力條件3不穩(wěn)定層結(jié)

熱力條件來源-裸地起塵-發(fā)生氣制易起沙粘性大不易起沙顆粒大不易被吹起來源-裸地起塵-發(fā)生氣制地表土壤微粒所受的空氣動(dòng)力、重力和微粒之間的相互作用力隨微粒尺度d的變化〔邵亞平,2023〕來源-裸地起塵-發(fā)生氣制當(dāng)平均風(fēng)速接近某一臨界值時(shí)，個(gè)別突出的沙粒在湍流流速和壓力脈動(dòng)作用下，開頭振動(dòng)或前后搖擺，但并不離開原來位置，當(dāng)風(fēng)速增大超過臨界值后，振動(dòng)隨之加強(qiáng)，迎面阻力(拖曳力)和上升力相應(yīng)增大，并足以抑制重力的作用。氣流的旋轉(zhuǎn)力矩促使某些最不穩(wěn)定的沙粒首先沿沙面滾動(dòng)或滑動(dòng)由于沙粒幾何外形和所處空間位置的多樣性，以及受力狀況的多變性，因此在滾動(dòng)過程中，一局部沙粒遇到地面凸起沙粒的沖擊時(shí)，就會(huì)獲得巨大沖量。受到突然沖擊力作用的沙粒，就會(huì)在碰撞瞬間由水平運(yùn)動(dòng)急劇地轉(zhuǎn)變?yōu)榇怪边\(yùn)動(dòng)，突然向上(有時(shí)幾乎是垂直的)起跳進(jìn)入氣流運(yùn)動(dòng)，沙粒在氣流作用下，由靜止?fàn)顟B(tài)到達(dá)躍起狀態(tài)地表土壤微粒運(yùn)動(dòng)的三種根本形式示意圖

〔IvanaVinkovic等，2023〕來源-裸地起塵-發(fā)生氣制來源-裸地起塵-發(fā)生氣制沙粒運(yùn)動(dòng)形式1、懸移上舉力大于沙粒自身重量時(shí)，沙粒被運(yùn)送到很遠(yuǎn)的地方懸移數(shù)量取決于風(fēng)速的大小，風(fēng)速大，懸移量大，懸移顆粒粒徑也大，反之則小。風(fēng)速減小時(shí)，較大粒徑懸移沙粒開頭降落到地表，而粒徑<0.05mm的粉粒和塵土，因體積小、質(zhì)量輕，懸移后很難沉降，常移動(dòng)很遠(yuǎn)的距離，有的可達(dá)2023km2、躍移地表沙粒在風(fēng)力作用下，跳動(dòng)式的移動(dòng)方式躍起沙粒在風(fēng)速作用下獲得能量，同時(shí)在自身重力作用下下降，降落到地表時(shí)打擊地表，假設(shè)地表為砂粒，將造成其他砂粒越起，假設(shè)地表為粉沙，將對(duì)地表產(chǎn)生擾動(dòng)，揚(yáng)起沙塵，產(chǎn)生懸移。爭(zhēng)論顯示：風(fēng)沙流含沙量的70-80%在地表10cm以內(nèi)，以躍移方式運(yùn)動(dòng)3、蠕移地表沙礫在風(fēng)力作用下，沿地表滾動(dòng)的移動(dòng)形式來源-裸地起塵-發(fā)生氣制沙塵暴形成機(jī)制與過程的界面理論三個(gè)層次1、沙粒躍移層地面至1.0m左右，空氣與地外表能量、質(zhì)量交換最猛烈的層次，是風(fēng)沙流活動(dòng)的主要層次2、對(duì)流層中下部沙塵暴的發(fā)生進(jìn)展以及大粒徑沙塵的卷起與運(yùn)移主要由這一層的大氣環(huán)流形勢(shì)和天氣系統(tǒng)〔如鋒面〕打算3、對(duì)流層上部至平流層沙塵氣溶膠的運(yùn)移及其對(duì)全球氣候變化的影響四個(gè)界面1、土壤—植被，如草原等 2、植被-沙粒躍移層3、沙粒躍移層—對(duì)流層下部交界面4、對(duì)流層中部—對(duì)流層上部交界面來源-裸地起塵-發(fā)生氣制臨界摩擦風(fēng)速(Thresholdfrictionwindspeed)平外表摩擦風(fēng)速(cm·s?1)：MarticorenaandBergametti(1995)來源-裸地起塵-發(fā)生氣制臨界摩擦風(fēng)速(Thresholdfrictionwindspeed)平外表與實(shí)際地表摩擦風(fēng)速比：MarticorenaandBergametti(1995)來源-裸地起塵-發(fā)生氣制臨界摩擦風(fēng)速(Thresholdfrictionwindspeed)摩擦Reynolds數(shù)：躍移層慣性力與摩擦力之比ds,i:沙塵粒子直徑(cm)ρs,ρa(bǔ):粒子、空氣的密度(g·cm?3)z0,:實(shí)際地表的粗糙度(cm)z0,s,i:平土壤外表相對(duì)于ds,i的粗糙度(cm)MarticorenaandBergametti(1995)來源-裸地起塵-發(fā)生氣制臨界摩擦風(fēng)速(Thresholdfrictionwindspeed)大氣氣溶膠的來源——洋面海鹽粒子的形成過程大氣中海鹽粒子主要由洋面氣泡裂開造成：a)海水中氣泡上升，并發(fā)生膨脹；b)氣泡上升到水面，其上部凸出水面形成一個(gè)泡膜。泡膜就不斷因膨脹而變薄，裂開成很多水屑，即膜滴。c)膜滴飛散于水面以上蒸發(fā)，所含鹽分成為空中鹽粒。d)水面凹陷處會(huì)聚的水流造成水柱上升裂開成水珠，即柱滴、噴滴、射滴Seaspray=Filmdroplets+Jetdrops大氣氣溶膠的來源-洋面單個(gè)氣泡產(chǎn)生的膜滴、柱滴數(shù)與氣泡直徑的關(guān)系膜滴：柱滴：大氣氣溶膠的來源-洋面海鹽粒子的形成過程Spumedrops大氣氣溶膠的來源-洋面大氣氣溶膠的來源-洋面參數(shù)化方案舉例〔Monahanetal.1986〕Seaspary:ΔFispray:液滴產(chǎn)生率(particles·cm?2·s?1)ri:環(huán)境濕度條件下液滴平均半徑(0.8~10μm)，可用Δri中值|vh,10|:10m平均水平風(fēng)速(<20m·s?1)B=(0.38-log10ri)/0.65大氣氣溶膠的來源-洋面參數(shù)化方案舉例〔Monahanetal.1986〕Spumedrops:大氣氣溶膠的來源-洋面參數(shù)化方案舉例〔Monahanetal.1986〕|vh,10|:10m·s?1ri:10μm大氣氣溶膠的來源——其他氣粒轉(zhuǎn)換：是指大氣中通過氣體之間或氣體與液滴、或固粒之間的相互作用，形成新的大氣懸浮物的過程。大氣氣溶膠的來源-氣粒轉(zhuǎn)換大氣中主要的氣粒轉(zhuǎn)化模式windsblowsmokefrommanylargefiresoveravastareaofsouthernAfrica.

來源-生物及燃燒過程生物過程產(chǎn)生質(zhì)粒：地表植物向大氣中散發(fā)各種有機(jī)質(zhì)粒，被氣流帶至上空成為懸浮的顆粒物，如花粉，種子、孢子等燃燒過程產(chǎn)生質(zhì)粒森林火災(zāi)、草原大火、其它生物質(zhì)燃燒及化石燃料燃燒，直接把粒子輸送到大氣中，形成粗粒子，燃燒排放的一些污染氣體也可能在大氣中轉(zhuǎn)化成粒子Eruptingvolcanoescansendtonsofparticlesintotheatmosphere,alongwithvastamountsofwatervapor,carbondioxide,andsulfurdioxide.

大氣氣溶膠的來源-火山噴發(fā)大氣氣溶膠的來源-火山噴發(fā)火山噴發(fā)火山爆發(fā)把大量的氣體和粒子噴射到自由對(duì)流層中，有些重要火山爆發(fā)甚至能把粒子直接發(fā)送到平流層，是大氣氣溶膠的重要來源，屬于粗粒子，其成因是固體或液體物質(zhì)在機(jī)械力的作用下的裂開，對(duì)平流層的影響變幅很大，維持時(shí)間長，幾年內(nèi)不肯定能恢復(fù)到之前的背景濃度對(duì)對(duì)流層的影響有局地性和短時(shí)性，火山灰可在一兩個(gè)月落至地面。大氣氣溶膠的來源-火山噴發(fā)大氣氣溶膠的來源-火山噴發(fā)大氣氣溶膠的來源-球外隕星球外隕星物質(zhì)流星體進(jìn)入地球引力范圍形成隕星現(xiàn)象，隕星很少一局部落至地面隕星塵可直接影響平流層氣溶膠的性質(zhì)，增加氣溶膠濃度，減小平均質(zhì)粒尺度，增加總的硫酸鹽質(zhì)量隕星塵很少到達(dá)對(duì)流層，一般也不起自然成冰核的作用大氣氣溶膠的來源大氣氣溶膠的來源大氣氣溶膠的來源大氣氣溶膠的來源——全球產(chǎn)生率大氣氣溶膠全球產(chǎn)生率大氣氣溶膠全球產(chǎn)生率大氣氣溶膠全球產(chǎn)生率Annualaveragesourcestrength(kgkm?2hr?1)大氣氣溶膠全球產(chǎn)生率Annualaveragesourcestrength(kgkm?2hr?1)andtotalaerosolopticaldepth(IPCC2023)大氣氣溶膠的來源——時(shí)空分布大氣氣溶膠的來源-時(shí)空分布?xì)馊苣z濃度的時(shí)、空變化打算于：源強(qiáng)、離源距離、大氣輸送〔對(duì)流、平流、湍流集中〕、移除效率等滯留時(shí)間(Residencetime,Jaenicke,1988)τ:滯留時(shí)間(s)r:粒子半徑(μm)R:τmax對(duì)應(yīng)的粒子半徑(=0.3μm)C:時(shí)間常數(shù)(=1.28×108s)τw:與濕沉降相關(guān)的滯留時(shí)間(s)6.9×105s(8days)——對(duì)流層底層(<=1.5km)1.8×106s(3weeks)——對(duì)流層中層至對(duì)流層頂1.7×1067s(200days)——對(duì)流層頂及以上大氣氣溶膠的來源-時(shí)空分布滯留時(shí)間(Residencetime,Jaenicke,1988)大氣氣溶膠的來源-時(shí)空分布垂直變化隨距地高度增加快速削減，大多數(shù)質(zhì)粒集中于對(duì)流邊界層1～2km范圍內(nèi)，4～5km以上，因受地面直接放射的影響較弱，其尺度分布類似于穩(wěn)定的背景氣溶膠海陸差異陸地比海洋產(chǎn)生率高南北半球差異61%產(chǎn)生于北半球，主要集中于30~60oN〔占88%的人為源〕大氣氣溶膠的來源-時(shí)空分布ANNUALMEANPM2.5CONCENTRATIONS(2023)

derivedfromMODISsatelliteinstrumentdataJacobetal.EPS[2023]大氣氣溶膠的來源-時(shí)空分布一般認(rèn)為，整體上氣溶膠粒子數(shù)濃度隨高度增加而減小，遵從指數(shù)律分布。N=N0exp(-h/hP)hp為氣溶膠標(biāo)高，代表整個(gè)氣柱中的氣溶膠粒子按地面濃度在垂直方向均勻分布所能到達(dá)的高度。大氣氣溶膠的來源-時(shí)空分布大氣氣溶膠的來源-時(shí)空分布大氣氣溶膠的來源-時(shí)空分布大氣氣溶膠的來源-時(shí)空分布Yang,Jun,De-PingZhou,Fu-JiuGong,Jian-ChunGao,andZi-HuaLi:VerticalDistribution