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环北京区域高空气溶胶理化特征及对云和降水的影响

成果登记号: 中气科成登[2016]0004
成果名称: 环北京区域高空气溶胶理化特征及对云和降水的影响
第一完成单位: 北京市人工影响天气办公室
研究时间: 2009-03  至  2014-12
研究领域: 应用气象
成果分类: 基础理论类
成果形式: 方法;机理理论;其他  
来源计划: 国家计划
成果简介: 围绕大气气溶胶的空间分布特征、理化性质、影响因素、及其对云和降水的影响等科学问题,组织开展了环北京区域气溶胶-云-降水飞机探测试验。基于近10年来数百次的飞机探测,较为系统的获得了该区域大气气溶胶、气态前体物的空间分布特征和光化学特征、及其影响因素,结合云和降水探测资料,研究分析了该区域气溶胶对云和降水的影响,主要成果如下:
(1)获得了北京上空大气污染物的垂直分布特征
系统获得了环北京区域上空大气污染物空间分布特征,包括气溶胶、 O3、 NOx、 SO2、 CO 等。获得了气溶胶的垂直分布特征,随高度增加气溶胶均值粒径减小、数浓度降低,该区域高空气溶胶浓度较高,较欧美等区域高一个量级左右;揭示了黑碳气溶胶向上输送过程中的老化过程,即表层被包裹的比例随高度增加而显著增加;首次获得了气溶胶化学组分的垂直分布特征,揭示了高空气溶胶组分与近地面存在显著差异,近地面气溶胶以有机物和硝酸盐为主,高空则转为硫酸盐和铵盐为主,高空气溶胶组分受气态前体物转化与气溶胶老化过程共同影响,导致高空气溶胶二次组分所占比例增加;揭示了在该区域边界层高度处存在O3浓度高值区,并且边界层内外O3形成的敏感因子存在巨大差异。
(2)揭示了边界层过程、局地环流、天气系统对气溶胶垂直分布的影响
研究分析了影响气溶胶垂直分布的因素,包括边界层过程、局地山谷风环流、天气系统等。边界层过程直接影响到气溶胶垂直分布,边界层内气溶胶分布较均匀,边界层上部气溶胶随高度增加而减小,气溶胶与边界层之间正反馈机制的存在导致在高气溶胶背景下,边界层高度下降,加速了气溶胶在边界层内的累积;揭示了局地山谷风环流影响下,近地层气溶胶向上输送,导致高空出现气溶胶高值;分析了不同天气系统影响下的气溶垂直分布特征,高压系统控制下气溶胶浓度较低、梯度较小,而在低压系统控制下,气溶胶浓度大幅增加,尤以近地层为甚。
(3)气溶胶的云凝结核(CCN)活化性及对云和降水的影响
揭示了气溶胶化学组分对CCN活化率的影响,完善了Dusek等人在Science发表的观点,指出在与自然云接近的低过饱和度下,气溶胶组分与粒径是CCN活化率的共同影响因素,建立了典型组分下的气溶胶-CCN活化率参数化方案;研究分析了气溶胶对云和降水的影响,指出在高气溶胶背景下,存在大量可活化成云滴的气溶胶粒子,伴随着云内液水(过饱和度)增加,云滴数浓度大幅增加,而粒径相对保持不变,不利于降水的发展;基于气溶胶-云探测资料,建立了包括液水含量在内的气溶胶-云参数化方案,数值模拟结果显示,该方案能够提高降水预报水平。
基于以上工作,认识了环北京区域气溶胶的空间分布特征与影响因素,尤其是高空气溶胶的理化性质,揭示了其与近地面气溶胶存在显著差异。由于气溶胶的理化性质直接影响到辐射、云和降水等过程,因此上述工作将有助于提高对于该区域气溶胶的辐射效应以及对气候变化影响的科学认识,同时,建立的气溶胶-CCN、气溶胶-云参数化方案也有助于提高降水预报能力。
登记形式: 登记
成果年度: 2016
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