海盐粒子生成函数及其应用

论文摘要

全球气候变化,特别全球气温的日益升高和全球海洋的酸性增强,已经成为不争的事实。在众多的科研精力瞄准于气候领域的时刻,对于地球上广泛存在的一种对气候影响至关重要的物质——气溶胶,人们更加不遗余力地加以研究和探索,特别是其中的海洋气溶胶。本文回顾了在海洋气溶胶领域研究较为活跃若干的课题内容和进展情况,并结合现有硬件条件和知识背景,去尝试做出一些新颖的工作,并取得了一些有价值的研究成果。具体地说：首先,将两个广泛使用的海盐粒子（SSP）生成函数（Gong（2003）,Martensson（2003））通过数学推衍合并使用,并结合相关已发布的温度、盐度数据为其添加了权重系数,从而得到了一个粒径跨度从0.07微米至20微米,并且包含了温度、盐度、海面风速等综合因素的新型参数化方案。虽然该参数化方案的得出较为粗糙,但仍然可以看出其可以显著热带海域观测值与模式结果的符合度,从而初步证明了在这个方向的探索是有意义的。其次,使用了一套海洋气溶胶模拟发生装置,模拟了不同海水温度和海水盐度下生成海盐粒子的过程,利用离子色谱技术分析了海盐粒子中各种离子的质量浓度情况和富集/亏损现象。从实验的结果中导出了两项有价值的结果：一个是极大地改进了研究一中,新型海盐粒子生成函数所使用的温度和盐度权重因子的表达式；二是细化了现有海气无机盐通量的参数化方案,得出了同时考虑富集过程和温盐影响过程的情况下,各个常规离子在海气界面的质量通量表达式。通过验证,两项成果均具有积极的科学意义。第三,利用卫星遥感资料对上述几个重要的参数化方案进行了大尺度数据可视化分析：评估了海洋在全球范围内及不同时间尺度上的海盐气溶胶生产力及分布规律；评估了无机盐离子的海洋生产力状况和盐通量现状：使用Slin&Slin沉降模型导出了不同参数化方案对应的海洋气溶胶全球浓度分布规律,为今后的研究提供了更多的参考素材。第四,使用UVic-ESCM生物地球化学模式,评估了一个地理工程方案——人工种云方案,对于全球气候变化的影响。建立起了包含海盐粒子与硫酸盐粒子在内的云凝结核产率的经验公式,并量化了在四个敏感海区内,大气反照率与工程强度的关系。模拟了三种工程强度下,全球海冰、全球海洋大气和陆地温度、海洋酸碱性和全球碳循环等的变化过程,最终给出该方案的全面评价。这是利用海盐粒子的间接气候效应在地理工程学上的一个突出实践。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 海盐粒子与海洋气溶胶
• 1.1.1 定义和划分
• 1.1.2 基本概念
• 1.2 气候和环境学意义
• 1.3 研究敏感领域和若干前沿问题
• 1.3.1 海盐粒子生成过程及数值模式参数化
• 1.3.2 海洋气溶胶体系来源及组分的研究
• 1.3.3 海洋气溶胶时空状态及分布状况
• 1.3.4 海洋气溶胶的气候效应
• 1.4 本文研究梗概
• 2 基本原理
• 2.1 海洋气溶胶生成及来源
• 2.1.1 海洋气溶胶第一生成源
• 2.1.2 海洋气溶胶第二生成源
• 2.2 海洋气溶胶的构成
• 2.3 海洋气溶胶的动力过程
• 2.3.1 海气边界层
• 2.3.2 干沉降
• 2.3.3 成云过程
• 2.3.4 湿沉降
• 2.4 海洋气溶胶与气候变化
• 2.4.1 海洋气溶胶直接气候效应
• 2.4.2 海洋气溶胶间接气候效应
• 2.5 地理工程
• 3 研究一——海盐粒子生成函数改进及评价
• 3.1 研究意义及研究现状
• 3.2 改进原理及数据来源
• 3.3 方法步骤及分析
• 3.3.1 具体步骤
• 3.3.2 最后结果
• 3.4 评价与讨论
• 3.4.1 函数评价
• 3.4.2 改进效果质量通量对比
• 3.4.3 改进效果二——光学厚度SVD分析
• 3.5 本章小结
• 4 研究二——海盐粒子模拟通量实验
• 4.1 研究意义及研究现状
• 4.2 实验内容
• 4.2.1 实验目的
• 4.2.2 实验仪器
• 4.2.3 实验原理
• 4.2.4 实验步骤
• 4.3 实验结果及分析
• 4.3.1 离子浓度对温度和盐度的变化关系
• 4.3.2 离子浓度之间的比例关系——富集和亏损
• 4.3.3 盐通量函数的改进
• 4.3.4 海盐粒子质量生成函数的再改进
• 4.3.5 检验和评价
• 4.4 本章小结
• 5 研究三——海洋气溶胶时空分布研究
• 5.1 研究意义及研究现状
• 5.2 模型构建
• 5.3 时间序列
• 5.3.1 界面通量的月平均时间序列Feng与Gong（2003）的对比
• 5.3.2 界面通量的月平均时间序列Feng与Feng改进型的对比
• 5.3.3 空间浓度的月平均时间序列Feng与Gong（2003）的对比
• 5.3.4 空间浓度的月平均时间序列Feng与Feng改进型的对比
• 5.3.5 离子质量通量和浓度的月平均时间序列
• 5.4 空间分布
• 5.4.1 界面通量的月平均空间状况
• 5.4.2 空间浓度的月平均空间状况
• 5.4.3 无机离子的月平均空间状况
• 5.5 分析、讨论和本章总结
• 6 研究四——人工种云地理工程方案的模式评估
• 6.1 研究意义及研究现状
• 6.2 研究原理及方法概述
• 6.2.1 前处理
• 6.2.2 模式设置
• 6.3 模式结果
• 6.3.1 百年时间序列对比
• 6.3.2 百年空间分布对比
• 6.4 方案评价
• 7 结语
• 7.1 主要的结论和创新点
• 7.2 存在的问题与工作展望
• 参考文献
• 附录A 符号及说明
• 附录B Monahan（1986）飞沫参数化方案
• 附录C 奇异值分解SVD原理
• 附录D 离子色谱仪标线详细
• 附录E 海盐粒子及无机盐离子全球分布图
• 附录F 人工种云地理工程方案变量全球分布图
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文