2016年南京北郊冬季气溶胶云凝结核活性观测研究

论文总字数：19395字

目 录

１．绪论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

　　1．1研究背景及意义．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

　　1．2国内外研究进展．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

　　1．3研究内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

2．实验仪器及实验方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

　　2．1实验仪器原理．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

　　　　2．1．1 CCNC原理简介．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6

　　　　2．1．2 SMPS原理简介及气路设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．8

2．2数据质量控制及数据处理方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

2．2．1 CCNC仪器校正．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

　　2．2．2 SMCA方法．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

3 结果与分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

　　3．1观测地点介绍．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．10

　　3．2观测期间气象条件．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

　　3．3 CCN总体特征变化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

　　3．3．1　CCN数浓度．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12

　　3．3．2　CCN的活化率．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．14

　　3．3．3　临界干粒径．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．15

　　3．3．4　吸湿系数．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

　　3．4 气溶胶分档活化．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．16

4 总结与不足．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

　　4．1 结论．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．19

　　4．2不足．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． 19

参考文献．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．21

致谢．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．23

2016年南京北郊冬季气溶胶云凝结核活性观测研究

黄曼

，China

Abstract：In order to study the physical and chemical characteristics，especially the activation characteristics，of the cloud condensation nuclei（CCN）in Nanjing，we took an observational study from November 11th to December 11th．In this study，CCNC－SMPS combined with SMCA method was used to analyze and compare the observed data of CCN，and the factors affecting the activation rate of aerosol particles and the types of observed core spectrum were discussed．The results are as follows：that the change of concentration of CCN in the observation period is very large，and the average concentration is higher than that in other months．The concentration of CCN with low supersaturation is low，with the increase of supersaturation，CCN concentration has increased significantly，and its change is also a great relationship with the weather conditions in winter．The daily diurnal variation of CCN concentration was the three－peak type，and the diurnal variation of CCN activation rate was double－grain type．Meteorological factors and human factors are the main reasons for the daily diurnal variation of daily mean and the activation rate of CCN．The CCN activation rates were 0．23%，0．35%，0．45%，0．51% and 0．56% under 0．153%，0．247%，0．435%，0．624% and 0．812%．The observed average moisture absorption coefficient is 0．31 indicating that aerosol particles have high hygroscopicity．Observed ground belongs to the typical continental type spectrum．

Key words：CCN；Aerosol activation rate；hygroscopic parameter；size-resolved activity

１.绪论

1.1研究背景及意义

气溶胶是相当均匀地悬浮分布在大气中的固体和液体微粒的总称，如海盐和灰尘等多种小粒径（0.001～100μm）物质组合而成的稳定混合物。其主要来源分为自然源和人工源两种，改革开放以来，城市化区域面积不断扩大，工业化水平显著提高并仍在高速增长着，由于矿物燃料的燃烧以及车辆废气排放这些人类活动所产生的气溶胶数量和种类也在大幅度增加。

气溶胶悬浮于大气中，对太阳辐射有散射和吸收等作用，影响地球的能量收支平衡，达到一定浓度时还会严重影响大气能见度，对人们的生活出行造成困扰，这其中也包括我们近年来所说的雾霾问题。其粒径微小，能够轻易的通过呼吸作用进入人体呼吸道而后到达肺泡甚至血液，严重影响人类和动物的健康，诱发疾病。

本实验所观测研究的CCN（cloud condensation nuclei）即是云凝结核，是指在一定的饱和度下，可以通过活化作用形成云滴的气溶胶粒子，多处于大气底层，分布广且数量多，对云的凝结聚成、雨滴、冰晶形成，进而对降水的产生起重要的作用。本文实验所研究的CCN数浓度和CCN活化率是衡量云凝结核影响作用大小的重要参数。

总之，无论是关于气候变化预测方面的研究，还是关于环境污染方面的研究，云凝结核与人类生活息息相关，研究云凝结核的分布与特性具有很强的现实意义，备受广大气象及环境研究工作者广泛持续的关注。

1.2国内外研究进展

　　对云凝结核的研究无论在气候变化预测方面还是在环境污染方面，都具有很强的现实意义，近年来，国内外的研究者对云凝结核的研究力度持续加大，研究内容也在不断扩充丰富。

　　Arindam Roy等人在喜马拉雅山东部的高原山站（2200米）大吉岭的CN和CCN观测活动中发现大吉岭的CN和CCN浓度在季风期前最高，在季风期后最低，而且上坡山脉风和远程运输是季风期间高CN和CCN浓度的主要原因。当地较高的化石燃料排放，老化的灰尘和生物质燃烧以及其他人为气溶胶可能对冬季和季风期前的大吉岭CCN和CN数量浓度有显着的贡献。从活化率的时间变化和吸湿系数k推断出：在冬季，CCN活化受大量燃烧气溶胶的影响，而在季风期前，CCN活化受较高的气溶胶溶解度影响。研究发现在冬天和季风期前，30－32％的气溶胶被激活成CCN，但在季风期后只有24％气溶胶激活到CCN。

Najin Kim等人在韩国高度污染城市首尔进行为期一个月的观测，发现受影响的空气质量有多个人为来源。在观测期间，将进行大气气溶胶的物理化学性质及其CCN活性的测量，在CPC 3776（DP＞3nm）仪器测量下，平均N_CN是的16135±7421cm^－３，而在CPC 3772（DP＞10nm）仪器的测量下平均N_CN为11787±7421cm^－３，并且在上下班时刻具有显著的高峰。在过饱和度为0.6％时，平均N_CCN是4075±1812cm^－３，几乎没有昼夜差异。早上NO₃质量浓度值偏高可能是受到主干道附近交通原因的影响。

　　在国内，研究者们也对CCN的时空分布及其活化率的影响因子做了大量研究。王惠等人对南京地区CCN进行观测。他们发现，对不同天气状况（晴、多云、雾、霾、雨前和雨后）下CCN活化谱进行拟合分析，霾天测量的CCN数浓度值最高，高达为13085cm^－３，但在雨后由于雨水的冲刷作用使CCN数浓度突降至8054cm^－３，观测地属于大陆型核谱。观测发现能见度不同时，CCN活化谱的特征有显著的差异，南京地区不同程度的霾天CCN数浓度都要远高于轻雾天，而且在浓雾天CCN数浓度明显高于轻雾天。CCN数浓度受气溶胶源排放、天气状况和气象条件等因素影响。对南京地区CN和CCN数浓度进行拟合，拟合结果具有非常好的相关性。CCN数浓度值：夏季＜秋季＜春季＜冬季，并且春季的CCN数浓度日变化呈三峰型，夏季基本呈单峰型，秋季、冬季基本呈双峰型。环境气象条件、天气状况、气溶胶理化特性和气溶胶源排放均会直接或间接地影响CCN数浓度的季节变化。

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