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利用激光雷达和黑碳仪观测资料模拟研究气溶胶辐射效应与影响

2020-11-28阅读(244)

利用激光雷达和黑碳仪观测资料模拟研究气溶胶辐射效应与影响

论文摘要

利用黑碳仪(AethalometerTM)观测资料,反演得到兰州远郊区榆中地区气溶胶吸收系数,结合激光雷达(CAMLTMCE-370-2)观测反演得到的气溶胶消光系数,确定榆中地区实时的气溶胶光学特征参数;利用WRF模式嵌套一个1.5阶闭合的三维边界层模式,通过提供初始场和大范围背景流场特征,提高了边界层模式的模拟能力;同时改进了以LOWTRAN 7为主要框架的辐射传输模式。进而发展了一套模拟复杂下垫面边界层大气气溶胶辐射效应及其气象场响应的综合数值模式。（1）利用黑碳仪(AethalometerTM)观测了兰州远郊区榆中地区的黑碳浓度,分析表明,大气中的黑碳浓度受天气变化影响较大,受人类活动影响很明显,呈现出典型的日变化、周变化和季节性变化特征。日变化特征为,黑碳浓度呈双峰型分布,峰值分别出现在08:00～10:00和18:00～21:00,这与局地天气特征和人为活动有密切的关系。周变化特征为,每周周六、周日为黑碳浓度的低值阶段,周一黑碳浓度升高,持续到周四左右浓度值开始降低。春、夏、秋三个季节黑碳浓度水平较低,黑碳平均浓度约为1300ng/m3,进入冬季采暖期后,黑碳浓度显著升高,平均浓度约3000ng/m3。利用HYSPLIT-4模式对榆中地区采暖期的气流来向进行了追溯模拟,得到了采暖期间榆中黑碳气溶胶的大致来源。榆中地区的黑碳以本地源为主,受周边城市、县城的影响,在进入冬季采暖期之后,由采暖导致的黑碳排放成为榆中黑碳的主要来源。首次利用榆中地区的黑碳浓度资料对吸收系数进行了反演,对榆中地区的地面直接辐射通量进行了计算。结果表明,采暖造成的黑碳排放显著降低了到达地面的直接辐射通量。平均来说,采暖期间（11月～3月）与4月份相比,地面直接辐射通量减少了约128W/m2,其中正午时分减少最多,达154W/m2。对2007年3月份一次沙尘暴过程的观测结果分析表明,沙尘期间,黑碳浓度比平时浓度高了近4倍。（2）分析了激光雷达(CAMLTMCE-370-2)观测资料,对榆中地区的消光系数进行了个例反演。结果表明,本文所采用的方法对气溶胶含量较少时的大气消光系数反演较好,当天空出现低云或气溶胶浓度过高时,则会出现消光系数截断的现象。通过对比激光雷达反演的光学厚度与L97光度计反演得到的光学厚度值,二者平均相对误差为15.54%,平均绝对误差为0.0629,表明激光雷达的反演结果可以较好反映出大气气溶胶的光学特征。对2007年3月份一次沙尘暴过程的观测结果分析表明,激光雷达观测数据能够较好的反映出沙尘气溶胶浓度垂直方向分布变化特征。（3）利用WRF模式在典型日天气晴好条件下,对榆中地区边界层大气进行了模拟分析,通过多种方案的比较得到一个适合榆中地区的参数化微物理方案。对3月份一次沙尘暴期间榆中地区边界层气象场的模拟表明,WRF模式在比较强烈的天气条件下模拟能力有所下降。（4）改进了以LOWTRAN 7为主要框架辐射传输模式的气溶胶方案,通过采用输入本地吸收系数、消光系数的方法,能够更客观地反映出榆中地区气溶胶的吸收、散射特性,使得计算结果更加贴近实际情况。（5）改进了原有的边界层模式,利用WRF的模拟结果为该边界层模式提供初始场和调整场,大大提高了边界层模式的模拟能力。结合LOWTRAN 7模式,对2007年4月17日的气溶胶辐射效应进行了模拟,结果表明,气溶胶对夜间边界层大气具有降温作用,01:00低层大气温度平均降低约0.23K;而白天对边界层大气则有增温作用,13:00低层大气温度平均升高约0.3K。（6）利用本文的气溶胶辐射效应与气象场响应的综合模式,对3月份一次沙尘暴过程的沙尘辐射效应进行了模拟。结果表明,沙尘气溶胶在夜间表现为冷却效应,01:00低层大气温度平均降低约0.4K,而白天沙尘气溶胶则表现出增温效应,13:00低层大气温度平均增高约0.39K;在改变大气温度的同时,对风场也有调整,01:00低层大气风速平均降低0.56m/s,而在13:00,低层大气风速平均增大0.57m/s。本文发展的边界层大气气溶胶辐射效应及其气象场响应的综合模式适用性较强,既提供了深入模拟分析气溶胶辐射效应实验平台,又可望为数值天气预报提供输入参数,具有重要的科学意义和应用价值。利用黑碳仪与微脉冲激光雷达配合,可以对大气气溶胶进行长期观测,计算出当地气溶胶的辐射效应特征,有助于改进大气数值模式的辐射参数化方案;通过实时捕获各种天气情况下的气溶胶特征,计算得到实时的气溶胶辐射效应,可作为模式的重要输入参数,这种高效、灵活的模拟计算方法可望为天气预报模式提供技术支撑。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  • 1.1 沙尘气溶胶研究
  • 1.2 黑碳气溶胶研究
  • 1.3 本文的工作
  • 参考文献
  • 第二章 榆中地区黑碳气溶胶的观测及吸收系数的反演计算
  • 2.1 概述
  • 2.2 黑碳资料的数据获取及分析
  • 2.2.1 黑碳仪介绍
  • 2.2.2 黑碳仪的工作方式
  • 2.2.3 黑碳仪的测量原理
  • 2.2.4 黑碳仪采样数据分析
  • 2.3 榆中地区的气溶胶来源分析
  • 2.3.1 HYSPLIT-4模式简介
  • 2.3.2 榆中地区气流来向追溯及气溶胶源的分析
  • 2.4 利用黑碳浓度反演黑碳吸收系数
  • 2.5 黑碳浓度对地面辐射通量的影响
  • 2.6 本章小结
  • 参考文献
  • 第三章 利用激光雷达观测榆中地区气溶胶及消光系数的反演
  • 3.1 激光雷达介绍
  • 3.1.1 激光雷达基本结构
  • 3.1.2 激光雷达性能及主要技术参数
  • 3.1.3 激光雷达工作流程
  • 3.2 激光雷达反演原理
  • 3.3 利用激光雷回波信号反演气溶胶消光系数
  • 3.4 反演结果验证
  • 3.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 WRF模式对榆中地区大气边界层的模拟及模式参数化方案的选定
  • 4.1 WRF模式系统介绍
  • 4.1.1 WRF模式简介
  • 4.1.2 WRF模式特点
  • 4.1.3 模式软件结构
  • 4.1.4 模式系统模拟流程
  • 4.1.5 模式基本方程组
  • 4.1.6 差分方案
  • 4.1.7 模式物理过程及参数化
  • 4.2 利用 WRF模式模拟榆中地区大气边界层
  • 4.2.1 模式模拟区域设计
  • 4.2.2 模式初始条件及侧边界条件
  • 4.2.3 模式模拟区域地形
  • 4.2.4 WRF模式对榆中地区气象场的模拟以及参数化方案的选择
  • 4.3 本章小结
  • 参考文献
  • 第五章 榆中地区气溶胶辐射效应的计算
  • 5.1 大气辐射传输模式
  • 5.1.1 LOWTRAN7模式简介
  • 5.1.2 大气模式
  • 5.1.3 透过率模式
  • 5.1.4 辐射传输方程及多次散射的处理
  • 5.1.5 分子吸收及K分布方法与通量廓线计算的衔接
  • 5.1.6 气溶胶模式
  • 5.1.7 LOWTRAN 7模式的本地化修订
  • 5.1.8 用LOWTRAN 7模拟气溶胶加热率
  • 5.2 大气边界层模式
  • 5.2.1 基本方程组
  • 5.2.2 边界层湍流参数化方法
  • 5.2.3 地表能量平衡方程和地表温度预报
  • 5.2.4 气溶胶辐射效应参数化方案
  • 5.2.5 数值计算方案
  • 5.2.6 模式资料及验证
  • 5.2.7 气溶胶辐射效应的模拟及结果分析
  • 5.3 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 沙尘气溶胶辐射强迫及其气象场响应模拟个例
  • 6.1 激光雷达对沙尘气溶胶的观测分析
  • 6.2 黑碳仪对沙尘气溶胶的观测分析
  • 6.3 WRF模式对沙尘日气象场的模拟
  • 6.4 沙尘气溶胶的辐射效应
  • 6.4.1 夜间沙尘气溶胶辐射效应
  • 6.4.2 白天沙尘气溶胶辐射效应
  • 6.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 总结与讨论
  • 7.1 总结
  • 7.2 本文创新性和存在问题与今后改进
  • 在学期间的科研及成果
  • 致谢

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